分子蒸馏技术及其在食品方面的应用

1、分子蒸馏技术及其在食品方面的应用 摘 要：分子蒸馏技术是一种新型、 高效的分离技术 ,现已在许多领域得到广泛应用。本文介绍下分子蒸馏的概念、原理、 特点以及影响分子蒸馏速度的因素;其中举以例子，介绍下分子蒸馏技术目前在食品工业中的应用。最后本文对其发展状况及应用前景进行了分析和展望。关键词：分子蒸馏技术；食品；应用；前景 蒸馏是实现分离的一种最基本的方法，可实现固体和液体或液体和液体混合物的分离。常规蒸馏的过程中，经常采用减压的方法，能够有效降低蒸馏所需要的温度，从而可以避免有些物质在蒸馏过程中因受热分解而造成的损失。但是， 对于沸点高、 热不稳定、 粘度高或容易爆炸的物质， 并不适宜使用普通

2、减压蒸馏法。为了分离和纯化这些特殊性质的物质， 一种新的分离技术分子蒸馏技术也相应产生。分子蒸馏是一种以液相中逸出的气相分子依靠气体扩散为主体的分离过程，是在高真空度下进行分离操作的连续蒸馏过程，实质上是一种特殊的液-液蒸馏分离技术。分子蒸馏过程中，待分离物质组分可在远低于常压沸点的温度下挥发，并且各组分的受热过程很短，因此成为目前分离目的产物最温和的蒸馏方法， 特别适合于分离高沸点、 粘度大、 热敏性的天然物料1。目前,分子蒸馏技术已成功地应用于食品、医药、化妆品、精细化工、香料工业等行业。1 基本原理分子蒸馏技术的原理，在于突破了常规蒸馏依靠沸点差分离物质的原理，而是依靠不同物质分子逸出后

3、的运动平均自由程的差别来实现物质的分离。普通蒸馏过程中，当形成的蒸汽分子离开溶液液面后，在运动中相互碰撞，一部分进入冷凝器中，另一部分则返回溶液内。分子蒸馏技术的特点，在于溶液液面与冷凝器的冷凝面间距离十分靠近，蒸汽分子离开液面后，在它们的分子自由程内未经过相互碰撞就可到达冷凝面，不再返回溶液内2。对液体混合物的分离，首先要加热提供能量，接受到足能量的分子就会逸出液面成为气相分子。不同质量的分，由于分子有效直径不同，一般轻分子的平均自由程较大，分子的平均自由程较小。若在离液面小于轻分子平均自由而大于重分子平均自由程处设置一个冷凝面，当轻分子到冷凝面后就被冷凝,从而使轻分子不断逸出；而重分子达不

4、到冷凝面就会发生碰撞而返回溶液中，很快与液相中重分子趋于动态平衡，表观上不再从液相中逸出。通过这种方法，就可以将轻分子和重分子进行分离3。分子平均自由程是一个分子在相邻的两次分子碰撞之间所经过的路程，它的长短与分子有效直径、压力和温度有关4。当压力不变时， 物质的分子平均自由程随温度的增加而增加；当温度不变时，物质的分子平均自由程随压力的降低而增加。例如,当系统中的压力为13.3Pa 时,空气分子的平均自由程只有0.056cm，而当系统中的压力为 0.133Pa时，空气分子的平均自由程可以达到 5.62cm。通常液面与冷凝面之间应该保持一定的温度差，通过降低冷凝面的温度，破坏体系中蒸汽分子的动

5、态平衡，提高分子蒸馏的速度。分子蒸馏速度的理论值，可由Langmuir和Knudsen理论公式来计算 W=PS（5M/RT)½式中：W每秒钟蒸馏出的蒸馏液重量，kg P蒸发面上的压力，Pa S蒸发面的有效面积，cm M分子量 R气体常数8.32J/molk T绝对温度，K(1)混合物液相在加热板表面受热后，分子逃逸扩散。(2)分子从蒸发面向冷凝面飞射，轻分子由于平均自由程大于蒸发面与冷凝面的距离，轻分子碰撞到冷凝板表面，温度降低后被捕获冷凝，冷凝液体沿冷凝板流出蒸馏器。(3)重分子由于平均自由程小于蒸发面与冷凝面的距离，所以不能碰撞到冷凝板表面，不能被捕获冷凝。重分子大部分返回到混合

6、物液相被带出蒸馏器。(4)轻重分子从蒸发面向冷凝面飞射过程中，可能与残存的空气分子碰撞，也可能相互碰撞。必须保持合适的真空度，使蒸发分子的平均自由程大于或等于蒸发面与冷凝面的距离。2 基本特征对于高沸点、热敏性产品的分离，分子蒸馏技术优于常规蒸馏。采用传统的蒸馏法生产，难以克服操作温度高、受热时间长的缺点，导致了有效成分的聚合及分解等变化。而分子蒸馏技术恰恰克服了这一难题，可以解决常规蒸馏无法解决的问题，尤其是高沸点与热敏性产品的分离问题2.1 分子蒸馏与传统蒸馏（1）普通蒸馏是在沸点温度下进行分离，而分子蒸馏只要冷热两面之间达到足够的温度差，就可在任何温度下进行分离。（2）普通蒸馏的蒸发与冷

7、凝式可逆过程，液相和气相之间达到了动态平衡；分子蒸馏中，从加热而逸出的分子飞射到冷凝面上，理论上没有返回到加热面的可能性，所以分子蒸馏是不可逆过程。（3）普通蒸馏有鼓泡、沸腾等现象；而分子蒸馏实在液膜表面上的自由蒸发，由于液体中无溶解的空气，因此在蒸馏过程中不会使整个液体沸腾，没有鼓泡现象。即分子蒸馏是不沸腾下的蒸发过程。（4）普通蒸馏分离能力只与组分的蒸汽压之比有关；而分子蒸馏的分离能力与被分离混合物的蒸汽压和相对分子质量也有关。因此，可以分离蒸汽压十分相近而相对分子质量有所差别的混合物。（5）普通蒸馏中物料受热温度高，受热时间长。分离蒸馏蒸发过程中，因分子蒸馏装置加热面与冷凝面的距离小于轻

8、分子的平均自由程。从液面逸出的轻分子几乎未经碰撞就达到冷凝面，所以受热时间很短，在蒸馏温度下停留时间一般在几秒至几十秒之间。由于分子蒸馏温度低，受热时间短，从而避免了因受热时间长而造成某些组分分解或聚合的可能。因此，它特别适合对高沸点、热敏性物料进行有效的分离。2.2 分子蒸馏特点（1） 真空度高 由于分子蒸馏的蒸发面与冷凝面的间距小于轻分子平均自由程，轻分子几乎没有压力降能达到冷凝面，使蒸发面的实际操作真空度比传统操作真空度高出几个数量级，一般最低蒸馏压力必须低于0.5Pa，通常为0.1333Pa。（2）操作温度低 分子蒸馏是依靠分子运动平均自由程的差别来实现分离的，并不需要达到物料的沸点（

9、远低于其沸点），因此，其操作温度是较低的，这也是分子蒸馏与普通蒸馏的本质区别。（3）受热时间短 分子蒸馏在蒸发过程中，物料被强制形成很薄的液膜，并被定向推动，使得液体在分离器中停留时间很短。特别是轻分子，一经逸出就马上冷凝，受热时间更短。另外，混合液体呈薄膜状，液面与加热面的面积几乎相等，物料在蒸馏过程中受热时间很短。对普通真空蒸馏而言，受热时间为数小时，而分子蒸馏仅为数十秒。（4）分离程度高 蒸馏能分离常规蒸馏不易分开的物质。常规蒸馏的分离能力与组分的蒸汽压相关，而分子蒸馏的分离能力与组分的蒸汽压与其相对分子质量之比相关。因此，分子蒸馏的分离程度更高，特别适合于不同组分分子平均自由程相差较大

10、的混合物的分离。（5）生产成本低 由于分子蒸馏整个分离过程损失少，且由于分子蒸馏装置独特的结构形式，其内部压强较低，内部阻力远比常规蒸馏小，因而可以节省能耗，降低了生产成本。3 分子蒸馏技术的设备及注意事项3.1 分子蒸馏器的基本类型分子蒸馏器装置主要包括：分子蒸发器（包括加热器、冷凝器、捕集器等）、加热系统（包括导热油泵、导热油炉、温控仪表、油路等）、冷却系统（包括冷凝器、恒温水泵、冷却水管路等）、真空系统（包括真空泵、扩散泵）、脱气系统、进料系统和控制系统。3.1.1 刮膜式分子蒸馏器进料以恒定的速率进入到旋转分布板上，在一定离心力的作用下被抛向加热蒸发面，在重力作用下沿蒸发面向下流动的同

11、时在刮膜器的作用下得到均匀分布，低沸点组分首先从薄膜表面挥发，径自飞向中间冷凝面，并冷凝成液相，冷凝液流向蒸发器的底部，经馏出口流出；不挥发成飞从残留口流出；不凝性气体从真空口排出。因此，目的产物既可以是易挥发组分，又可以是难挥发组分。3.1.2 离心式分子蒸馏器料液从进料管进入离心蒸发器。离心蒸发器是一个旋转体。其产生的离心力使进来的料液在蒸发器表面形成薄膜，一面向外运动，一面蒸发气化。蒸发器下面装有加热器。产生的蒸汽在穹顶冷凝器表面冷却成蒸馏液。蒸发器剩下的残留液经收集后由残夜出口排出。不凝性气体由真空接口抽走，由于蒸发器的离心作用，料液很容易形成薄膜，同时料液紧贴着蒸发面产生气泡的可能性

12、较少。在离心力的作用下，料液薄膜会沿着蒸发面自由向外移动，因而传质速率较高，料液在蒸发面停留的时间较短。3.2 分子蒸馏器的选用原则（1）选择合适的真空泵组及密封结构，以保证足够快地达到所需的真空度。（2）选择合适的脱气设备。由于任何液体都含有或多或少的气体，未经充分脱气的液体如直接加入蒸馏釜，会影响系统的真空度，而且可能从液体中剧烈析出的气体，产生飞沫，影响分子蒸馏器的正常运转。（3）正确选择蒸发面与冷凝面的形状、距离及相对位置，以保证从设备的蒸馏空间内顺利地排出残余气体。（4）对于热敏性物质的分离，由于要求被加工物料在蒸馏温度下停留较短的时间，可采用离心式分子蒸馏器。（5）根据实际需要，综

13、合考虑被分离物料的纯度要求和生产成本，选择单级式或多级式分子蒸馏器。3.3分子蒸馏器的注意事项（1）根据不同物料的黏度，采用合理的物料分布结构，使液体分布均匀，有效地避免返混。（2）采用离心方法强化成膜装置，减小液膜厚度，降低液膜的传质阻力。（3）保证预先脱气的要求，控制操作温度和真空度，避免液体飞溅。（4）加强密封结构的维护，解决高温、高真空度下密封变形问题，保证设备在高真空度下能长期稳定运行的性能等。（5）优化加热方式、物料输送等工艺条件。4 分子蒸馏技术在食品工业中的应用分子蒸馏技术在食品工业中已有许多成功的实例，如分子蒸馏生产单甘脂、从鱼油中提取DHA和EPA、小麦胚芽油的制取、天然维

14、生素E提取、-亚麻酸提取等。随着食品工业的发展，用特别是天然保健食品的发展，用分子蒸馏技术生产的产品必将有更广阔的市场前景。4.1 单脂肪甘油酸酯单脂肪酸甘油酯，简称单甘脂，是重要的食品乳化剂。单甘脂的用量占食品乳化剂总量的2/3,。在食品中它可起到乳化、起酥、蓬松、保险的作用，可作为饼干、面包、糕点、糖果、人造奶油、起酥油、涂抹油、冰激凌、巧克力等的乳化剂。此外，它在医药、化妆品等方面也有广泛应用。 单甘脂可采用脂肪酸与甘油的酯化反应和油脂与甘油的酶解反应两种工艺制取，其原料为各种油脂、脂肪酸和甘油。采用酯化反应或酶解反应合成的单甘脂，通常都含有一定数量的双甘酯（二脂肪酸甘油酯）和甘油三酯（

15、三甘酯），单甘脂的质量分数仅为40%-50%。由于油脂的沸点很高，为了得到高纯度的单甘脂，现在多采用分子蒸馏技术来生产。其工艺过程为：氢化动植物油脂与甘油进行酯化反应，反应混合物经过滤后被送入三级分子蒸馏装置。第一级是在140、500Pa真空的条件下进行脱水、脱气，出去部分甘油；第二级是在175、75Pa真空的条件下出去剩余甘油和游离脂肪酸；第三极是在200210、0.5Pa真空的条件下蒸馏出单甘脂，同时除去双甘酯和三甘酯；最后将液态单甘脂进行喷雾干燥。利用分子蒸馏技术，可以从粗产品中分离出纯度高达95%以上的单甘脂。4.2 不饱和脂肪酸 深海鱼油中的EPA和DHA是人类不可缺少的物质，且人类

16、不能自身合成，必须从外界摄取。鱼油中含有质量分数为2%16%的EPA和质量分数为5%36%的DHA，是EPA和DHA的最佳来源。DHA和EPA是天然的营养物质，可提高青少年的记忆力，并有预防老年性痴呆、预防心血管疾病、降低胆固醇浓度、提高人眼视敏度等作用。用分子蒸馏法从鱼油中提取不饱和脂肪酸时，饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸首先蒸出，而双键较多的不饱和最后蒸出，产品中EPA和DHA总量可以达70%以上。虽然分子蒸馏法与尿素沉淀法相比，最终纯度较低，但其工序简单、效率高、可以连续化生产。采用分子蒸馏技术及工业化装置，从鱼粉生产的副产品鱼油中提取和精制DHA、EPA超浓缩液，有两个显著特点：首先，能保证

17、DHA、EPA的天然品质，避免其氧化、降解及聚合；其次，可彻底去除原料鱼油中的有害物质及易使产品变质的诱发因子，从而保证了产品质量的稳定。用分子蒸馏技术，还可以从紫苏油、亚麻籽油等植物油中提取高纯度的-亚麻酸，纯度可达70%。4.3 天然维生素利用离心式分子蒸馏器，以大豆脱臭馏出物（维生素E质量分数为8%20%）为原料，先用甲醇对馏出物进行甲酯化，分离出甾醇结晶后，于蒸馏压力在0.1331.33Pa的高真空度下进行分子蒸馏，可以得到浓缩的脂肪酸甲酯和维生素E。采用多级蒸馏的方法，可以得到纯度在70%以上的维生素E浓缩物，回收率达5060%。利用分子蒸馏进行反复操作，可进一步提高产品纯度，维生素

18、E的纯度最高可达98%。4.4 天然色素辣椒红色素是从辣椒果皮中提取出的一种优良的天然色素，因其具有良好的乳化分散性、耐光、耐碱、耐热和耐氧化性而广泛用于食品、医药及化妆品等产品中，辣椒红素对人体安全、无毒、且有一定的营养价值。传统的辣椒红色素提取方法是化学溶剂法或油溶法，其主要缺点是产品中存在各种杂质，尤其是焦油味、辣味等。利用分子蒸馏技术提取辣椒红色素，不但使产品色泽鲜艳、热稳定性好，而且脱辣味效果极好，且同时还能得到辣椒素副产品。用分子蒸馏技术对辣椒红色素进行处理后，产品中基本无残留溶剂，符合产品质量要求。4.5 高碳脂肪醇高碳脂肪醇是指二十碳以上的直链饱和脂肪醇，它们一般常与高级脂肪酸

19、结合成酯存在于虫蜡或植物蜡中，是米糠油深加工的产品，具有很强的生理活性。精制高级脂肪醇，其工艺十分复杂，需要经过醇相皂化、多种及多次溶剂浸提。然后用柱层析分离，而为了提高其纯度，往往需要反复进行层析，最后，还要采用溶剂结晶才能得到一定纯度的制品，即使这样，得到的也仅是混合醇产品。采用分子蒸馏技术进行高碳醇的精制，不但能避免有机溶剂对环境的污染和对操作人员健康的损害，而且可能对残留溶剂进行有效脱除。国内对米糠油中二十八碳醇进行研究，并运用分子蒸馏技术得到质量分数在30%左右的二十八碳醇产品，若经多级分子蒸馏，最终可得到质量分数为80%的产品。利用分子蒸馏技术精制高碳脂肪醇，其工艺过程简单，操作安

20、全可靠，自动化程度高，产品质量能达到相应的食品或药品的要求。4.6 食用植物油化学法由于油脂酸价高，工艺中为保证精炼效果所添加的碱用量大，碱在与游离脂肪酸的中和过程中，也皂化大量中性油，使炼耗量增大；水蒸气汽提脱酸，油脂需要在较长时间高温处理，影响油脂品质，降低保健营养价值。利用分子蒸馏对高酸价花椒籽油进行脱酸实验，结果显示当花椒籽油酸价（以KOH计）高达41.2mg/g时，一次分子蒸馏所得到油脂酸价为3.8mg/g，达到国标二级油酸价标准；对酸价为21.7mg/g的花椒籽油进行脱酸实验，可使其酸价降低至0.28mg/g，达到国标高级烹调油酸价标准，同时还得到色泽良好的高浓度浓缩脂肪酸产品，可

21、用于油脂化工和制皂业。因此，分子蒸馏技术在高酸价油脂脱酸过程中有广阔的应用前景。5 分子蒸馏技术的发展现状与展望5.1 存在的问题分子蒸馏技术已引起人们广泛关注，但就其工业化发展水平而言，国外已处于工业化推广应用阶段，国内则刚起步，虽然市场前景十分诱人，但在工业化应用方面还存在理论与应用等实际问题。（1）由于分子蒸馏技术属于近几十年发展起来的新型技术，其理论尚未完全成熟，加上国内对分子蒸馏理论与应用的研究都比较薄弱，限制了分子蒸馏技术在应用上的突破。（2）分子蒸馏整套设备一般为高真空设备，一次性投资大。分子蒸馏器耗能大，且对密封条件要求严格，连续化生产能力低。所以，我们要针对存在的问题逐一进行改进，完善理论，改善蒸馏条件，最大限度的发挥分子蒸馏技术的优势，满足生产的需求。5.2 分子蒸馏技术的发展前景 综上所述，作为一种特殊的高新分离技术，分子蒸馏技术是常规真空蒸馏的补充，它与真空蒸馏相比，操作温度要低得多，并且在高真空度下基本绝氧，所以收集的产品质量、外观和收率都优于真空蒸馏的产品。分子蒸馏克服了传统分离提取方法的种种缺陷，避免了传统分离提取方法易引起的环境污染问题，而且工艺简便、操作安全可靠，必将对整个食品工业起到巨大的推动作用。 分子整理技术作为一种特殊的新型分离技术，具有无毒、无污