食品分离技术思考题汇总.doc

第一章：总论
1、分离过程有哪些基本原则？
² 物质通过分离设备，在分离剂（质量分离剂和能量分离剂）作用下，得到产物或残留物。

⊕2、简述分离技术的分类及其分离原理。
² 机械分离（不涉及传质过程）
名称
分离因子
分离原理
举例
沉降
重力
密度差
水处理
离心
离心力
密度差
油精制、牛乳脱脂
旋风分离
惯性流动力
密度差
喷雾干燥
压榨
机械力
压力下液体流动
油脂生产
过滤
过滤介质
粒子大小
除菌、喷雾干燥/果汁澄清、颗粒分离
² 传质分离
是指在分离过程中，有物质传递过程的发生。分为两大类：平衡分离过程和速率控制分离过程。
平衡分离过程：为借助分离媒介（如热能、溶剂、吸附剂等）使均相混合物系统变为两相系统，再以混合物中各组分在处于相平衡的两相中不等同的分配为依据而实现分离。
名称
原料相态
分离因子
分离原理
工业应用举例
蒸发
液体
热量
蒸汽压差
液体浓缩
蒸馏
液体
热量
蒸汽压差
芳香物质回收
结晶
液体
冷却或蒸发
利用过饱和度/熔点
糖精制、冻结产品
干燥
含湿的固体
热量、气体
水分蒸发
食品脱水
冷冻干燥
液体
热量、减压
冻结/升华
食品干燥
萃取
固体、液体
萃取剂
溶解度不同
脂肪天然产物萃取
浸提
固体
溶剂
溶解度
油提取、蔗糖抽提
吸附
液体、气体
固体吸附剂
吸附势
油脂脱色、水分吸附
离子交换
液体
固体树脂
离子亲和力
乳清脱盐、水的吸附
速率控制分离过程：
是指借助某种推动力，如浓度差、压力差、温度差、电位差等的作用，某些情况下在选择性透过膜的配合下，利用各组分扩散速度的差异而实现混合物的分离操作。
（1）膜分离：膜分离是利用流体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的单元操作。过程的推动力可以是压力差、浓度差或电位差。
（2）场分离：场分离是利用电磁场、重力场、温度场等物理场作为推动力，对物质进行分离的过程。
名称
原料相态
分离因子
分离原理
举例
反渗透
液体
压力/膜
膜渗透性
果汁浓缩、海水淡化
超滤
液体
压力/膜
膜渗透性
乳清粉生产、牛奶浓缩
液膜
液体、气体
浓度/膜
膜渗透与化学反应
污水处理、生化反应
电渗析
液体
电场/膜
电位差
氨基酸脱盐、葡萄糖精制
电泳
液体
电场力
带电粒子扩散迁移
氨基酸、核酸、酶分离
色谱分离
气体、液体
固相载体
吸附浓度差
难分离物质的分离
分子蒸馏
液体
气体扩散
分子扩散
甘油单酯分离、从油中分离维生素A、E
² 其他物理场辅助分离技术
1.超声波萃取
2.微波辅助萃取
3.超声微波协同萃取
3、选择食品分离技术的原则有哪些？
² 总的原则是先要确定分离的目的，了解待分离混合物中各组分的物理、化学、生物学方面的性质，并要充分关注分离的目标成分。
² 对目标成分，要了解目标成分的性质，即相对分子量、化学结构、理化性质、电荷性、热敏性以及生物活性等基础性资料对确定分离方法的选择起决定性作用。
⊕4、食品分离过程有什么特点？
①分离对象种类多，性质复杂。
②产品质量与分离过程密切相关。
③产品要求食用安全。
④分离对象在分离过程易腐败。
⊕5、简述食品分离技术在食品工业中的重要性。
①分离技术作为食品工业的基础，是重要的食品工艺过程之一。
②利用分离技术可以提高农作物综合利用程度，生产高附加值的产品。
③利用分离技术可以改进食品的营养与风味。
④使产品更加符合卫生、安全的要求。
⑤改变生产面貌。
第二章：膜分离技术
1　试述膜分离的原理。
用天然的或人工合成的膜，以外加压力或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯或富集的方法，统称膜分离法。
2　什么是膜的浓差极化？影响浓差极化的因素有哪些？
在边界层附近形成一种浓度梯度，紧靠于膜表面的溶质浓度最大，这种浓度梯度就称为浓差极化。

1.预过滤能去除微粒状物质，降低待阻留溶质的浓度。
2.采用逆洗（让逆流液以进料液相反得方向间歇地流入膜系统）
3.超声波处理膜或进料液（促进溶质的均匀扩散）
4.增加液体的湍流程度（在进料通道口设置静态搅拌器、金属管或流化床等均可增加液体的湍流程度）
5.改变操作方式（切向流式或错流过滤）
6.改善膜的性能

3　什么是膜污染？如何减轻膜的污染？
膜污染是指料液中的某些组分在膜表面或膜孔中沉积导致膜渗透流率下降的现象。
控制措施：
①预先过滤除去料液中的大颗粒；
②增加流速，减薄边界层厚度，提高传质系数；
③选择适当的操作压力和料液黏度，避免增加沉淀层的厚度与密度；
④采用具有抗污染性的修饰膜；
⑤定期对膜进行清洗和反冲。
4　比较液膜分离技术与普通的溶剂萃取技术的异同点。
（１）分离过程中没有相变化，他不需要使液体沸腾，也不需要使气体液化．因而是一种低能耗，低成本的分离技术
（２）分离过程一般在常温下进行，因而对那些需避免高温分离，分级，浓缩与富集的物质，如果汁，药品等，显示出其独特的优点．
（３）分离技术应用范围广，对无机物、有机物及生物制品等均可适用；
（４）分离装置简单，操作容易，制造方便
5　请设计一个用于制备高纯水的电渗析分离技术方案。
6　试述超滤分离技术在酶制剂工业中的应用。
7　举一例说明反渗透技术在果汁加工中的应用。
第三章：毛细管电泳分离技术
1.理解电泳、电渗、电渗流、电泳淌度等几个基本概念。
² 电泳(Electrophoresis)是指溶液中带电粒子(离子、胶团)在电场中定向移动的现象。电泳是驱动电解质运动的第一种动力。
² 电渗(Electro osmosis)是驱动电解质运动的第二种作用力，它使毛细管中的溶剂在直流电场作用下发生定向运动。
² 由于处在扩散层中的正离子的溶剂化作用，它在电场中发生迁移时，将带动整个溶液向阴极移动，所以就形成电渗流（Electro Osmotic Flow, EOF）。
² μe:电泳迁移率(电泳淌度); E:电场强度; V－毛细管柱两端施加的电压；L－毛细管柱的长度。
μe =νe/E= Q/f
2.简述影响电泳分辨率的因素有哪些？
电泳中两峰的分离度，也称分辨率，它表明湍度相近的组分分开的能力，可表达为（和哪些因素有关）（下式表示分离的选择性）
柱效
两者的平均速度
相邻两区带的迁移速度差
Rs=（n124）×(∆v/v平)

3.简述影响电泳淌度的因素有哪些？
² E:电场强度; V－毛细管柱两端施加的电压；L－毛细管柱的长度
4．简述常见的毛细管电泳的几种分离模型及各自的特点。
² 毛细管区带电泳(CZE)
是毛细管电泳中最基本的操作模式，应用最广泛，是其它操作模式的母体。由于各组分间荷质比的差异，混合组分处在背景电解质溶液中，在外加电场作用下便获得分离，即CZE是基于溶质的湍度差异进行分离的。
² 胶束电动毛细管电泳(MECC)
它是在电泳缓冲溶液中加入高于胶束临界浓度（CMC）的表面活性剂，如十二烷基硫酸钠（SDS），其疏水基团聚集形成胶束，基于各组分溶质在水相和胶束之间的分配系数不同，而获得分离。不仅能分离离子化合物，还能分离中性化合物。
² 毛细管凝胶电泳(CGE)
它是用多孔性的凝胶或其他筛分剂作介质，因凝胶的网状结构类似于分子筛的作用，流经凝胶的试样，按分子的大小分离。
优点：1、毛细管凝胶电泳分离度极高。电泳技术和平板凝胶电泳的结合。
2、电泳峰尖锐，柱效极高。凝胶黏度大，抗对流，溶质扩散减少，限制了谱带展宽。
3、组分在短柱上能有极好的分离。溶质与凝胶可形成络合物，增加了分离度，防止了
溶质在毛细管壁的吸附，减少了电渗流。
缺点: 制备柱较困难，寿命较短。

² 毛细管等电聚焦(CIEF)
是建立在不同蛋白质或多肽之间等电点差异基础上的分离方法。分离两性电解质，分辨率高（区分0.01 pH ）
毛细管等速电泳(CITP)
毛细管离子电泳(CIE)
毛细管电色谱
5.简述毛细管电泳装置的主要部件及其发展情况。
• 直流高压电源、毛细管、进样装置、检测器和记录仪等

高压电源可对毛细管施加5~50 kV电压，操作电压一般控制在5~30 kV范围。
CE通常使用内径10~100 μm、长12~120 cm (内涂聚酰亚胺) 弹性融凝石英毛细管，毛细管的两端分别浸泡在含有缓冲溶液的贮液槽中，毛细管内也充满同样的缓冲溶液。
进样技术：（一）电动进样；（二）流体动力学进样
检测器：CE要求所用的检测器必须具有很快的响应速度和很高的灵敏度。
光学检测器（紫外检测器和荧光检测器）；电化学检测器；质谱检测器；核磁共振检测器
6.简述毛细管电泳技术在生化领域的应用进展。
（一）糖类的分离与分析
（二）在天然中草药分析领域中的应用
（三）在基因工程研究方面的应用
（四）单细胞分析
（五）手性分离
（六）小分子离子分析
第四章：分子蒸馏分离技术
1.分子蒸馏的原理是什么？
分子蒸馏(molecular distillation) 是一种特殊的液--液分离技术，它不同于传统蒸馏依靠沸点差分离原理，而是靠不同物质分子运动平均自由程的差别实现分离。混合液中的不同组成分子的有效直径和分子自由程不同 ,轻分子的平均自由程大 ,而重分子的平均自由程小 ,如果冷凝面与蒸发面的间距小于轻分子的平均自由程 ,而大于重分子的平均自由程 ,这样轻分子被冷却收集而重分子又返回到蒸发面 ,从而实现了分离。
基本过程：
物料分子从液相主体向蒸发表面扩散。
物料分子在液层上自由蒸发
分子从蒸发面向冷凝面飞射
轻分子在冷凝面上冷凝
2.分子蒸馏与传统精馏有什么区别？
① 分子蒸馏的蒸发面与冷凝面距离很小。
② 普通减压精馏是蒸发与冷凝的可逆过程。分子蒸馏过程是不可逆的。
③ 分子蒸馏的分离能力不但与各组分间的相对挥发度有关，而且与各组分的分子量有关。
④ 分子蒸馏是液膜表面的自由蒸发过程，没有鼓泡、沸腾现象。
3.分子蒸馏器有哪些？各有什么特点？
1.静止式分子蒸馏器：①设备出现最早，结构简单，具有一个静止不动的水平蒸发表面。②分离能力低，分离效果差，物料停留时间长，热分解危险性大，只适用于实验室及小批量生产。
2.降膜分子蒸馏器：①依靠重力在加热面流动时形成一层薄膜。②很难保证所有的蒸发表面都被液膜均匀覆盖，形成的液膜较厚，液体流动时常发生翻滚现象，产生的雾沫也常溅到冷凝面上，影响分离效果。
3.刮膜分子蒸馏器：①内部设置有转动的刮膜器。②物料均匀覆盖在加热表面上，液层得到充分搅动，强化了传热和传质。物料停留时间短且液膜厚度均匀，热分解可能性小，生产能力大，且结构相对简单，价格相对低廉，因此在实验室和工业上应用较广。
4.离心式分子蒸馏器：
优点：
①由于转盘高速旋转，可得到极薄的液膜且液膜分布更均匀，分离效率很高，且几乎没有压力损失，蒸发速率和分离效率更好；
②料液紧贴着蒸发面，产生气泡的可能性较小。
③物料在蒸发面上的受热时间更短，降低了热敏物质热分解的危险；
④同时，料液薄膜在离心力作用下沿蒸发面自由向外移动，使蒸发面得到不断的更新，因而传质速率较高，料液受热时间较短。
缺点：
①结构复杂，要求有高速的机械运转机构，又需要较高的真空密封技术，因而加工制造较难。
②蒸发面积小，处理能力不够大，并且没有刮片构件，对于易结焦的物料不太合适。
4.简述分子蒸馏在食品工业中的应用。
分子蒸馏技术的最大特点就是尽量保持食品的纯天然性，加工温度不高、无毒、无害、无残留物、无污染、分离效率高。
分子蒸馏适用于热敏性天然成分的提取、分离和精制。
一、天然维生素的提取（VE）
二、天然色素的提取和精制（辣椒红素和类胡萝卜素）
三、天然抗氧剂的生产
四、单脂肪酸甘油酯的分离提取
五、不饱和脂肪酸的分离（EPA和DHA）
六、芳香油的精制
七、食品工业中胆固醇的脱除
第五章 亲和层析分离技术
配体Ligand:亲和层析中能被某一生物大分子识别和可逆结合的生物专一性物质。即被固定在基质上的分子称为配体。
基质Matrix(载体):亲和层析中与配体共价结合,使其固相化的物质。
1、亲和层析分离原理及优缺点。
原理：将具有亲和力的两个分子中一个固定在不溶性基质上，利用分子间亲和力的特异性和可逆性，对另一个分子进行分离纯化。
优点：
1.纯化过程简单、迅速
2.分离效率高
3.实验条件温和
缺点：
1.亲和吸附剂通用性较差。针对某一分离对象就需要制备专一的吸附剂和建立相应的实验条件
2.配体的选择及其与基质的共价结合需烦琐的操作步骤
2、亲和层析分离基于哪些作用力，在什么场合下，亲和色谱剂需要手臂？
² 基于生物分子间的亲和力，包括：静电引力、范德华力以及结构互补效应等
² 当使用小分子配体而产生空间位阻效应时，即待分离生物大分子由于受到基质的空间障碍，使得其与配体结合的部位无法接近配体时，加入一段有机分子即手臂，使基质上的配体离开基质的骨架向外扩展伸长，以消除空间障碍。
3、 影响吸附剂亲和力的几个因素？
1.微环境的影响
2.空间障碍的影响
3.配体浓度对亲和力的影响
4.配基与载体的结合位点的影响
5.载体孔径的影响
4、 亲和层析的基本操作？
1.亲和吸附剂选择制备
2.上样
上样时应注意选择适当的条件，包括上样流速、缓冲液种类、pH、离子强度、温度等，以使待分离的物质能够充分结合在亲和吸附剂上。
上样后用平衡洗脱液洗去未吸附在亲和吸附剂上的杂质。
3.洗脱
特异性洗脱是指利用洗脱液中的物质与待分离物质或与配体的亲和特性而将待分离物质从亲和吸附剂上洗脱下来。
一种是选择与配体有亲和力的物质进行洗脱。例如：凝集素-糖蛋白（单糖洗脱）
一种是选择与待分离物质有亲和力的物质进行洗脱。例如：染料-脱氢酶（NAD+洗脱）
非特异性洗脱是指通过改变洗脱缓冲液pH、离子强度、温度等条件，降低待分离物质与配体的亲和力而将待分离物质洗脱下来。
4.亲和吸附剂的再生和保存
再生就是指使用过的亲和吸附剂，通过适当的方法去除吸附在其基质和配体（主要是配体）上结合的杂质，使亲和吸附剂恢复亲和吸附能力。
亲和吸附剂的保存一般是加入0.01%的叠氮化钠，4℃下保存。也可以加入0.5%的醋酸洗必泰或0.05%的苯甲酸。应注意不要使亲和吸附剂冰冻
第六章：双水相萃取技术
1.名词解释：聚合物的不相容性；相图。
将两种不同的水溶性聚合物的水溶液混合时，当聚合物浓度达到一定值，体系会自然的分成互不相溶的两相，这就是双水相体系。这种含有不同聚合物分子的溶液发生分相的现象叫聚合物的不相容性。
相图，也称相态图、相平衡状态图，是用来表示相平衡系统的组成与一些参数（如温度、压力）之间关系的一种图。
2.双水相体系的是怎样形成的？其组成是什么？
形成原因：由于高聚物之间的不相溶性，即高聚物分子的空间阻碍作用，相互无法渗透，不能形成均一相，从而具有分离倾向，在一定条件下即可分为二相。
高聚物/高聚物体系：聚乙二醇(简称PEG) / 葡聚糖(简称Dextran)
高聚物/无机盐体系：硫酸盐体系。常见的高聚物/ 无机盐体系为: PEG/ 硫酸盐或磷酸盐体系。
3.影响双水相萃取的因素有哪些？
1. 成相聚合物的分子量和浓度
对于PEG/Dextran所形成的双水相体系中，若降低PEG相对分子质量，则生物分子分配于富含PEG的上相中，使分配系数增大；而降低Dextran相对分子质量，则分配系数减小。
若想在上相获得较高的蛋白质收率，对于PEG聚合物，应降低它的平均分子量，相反，若想在下相获得较高的蛋白质收率，则平均分子量应增加。
聚合物分相的最低浓度为临界点，系线的长度为零，此时分配系数为1，即组分均匀的分配于上下相.
随着成相聚合物的总浓度或聚合物/盐混合物的总浓度增大，系统远离临界点，系线长度增加，两相性质的差别(疏水性等)增大，蛋白质分子的分配系数将偏离临界点处的值(m=1)，即大于1或小于1。因此,成相物质的总浓度越高，系线越长，蛋白质越容易分配于其中的某一相。
2. 体系的pH
pH影响蛋白质中可离解集团的离解度，因而改变蛋白质所带电荷和分配系数；
pH还影响系统缓冲物质磷酸盐的离解程度，影响H2PO4-和H2PO42-之间的比例，影响相间电位差U2-U1,从而影响分配系数。
pH微小变化有时会使蛋白质的分配系数改变2-3个数量级。
3. 体系中盐的种类和浓度
盐的种类和浓度对分配系数的影响主要反映在对相间电位和蛋白质疏水性的影响。
在双聚合物系统中，无机离子具有各自的分配系数，不同电解质的正负离子的分配系数不同，从而产生不同的相间电位。由于各相要保持电中性，使得带电生物大分子，如蛋白质和核酸等分别向两相移动分配。

4.体系温度等：分配系数对温度的变化不敏感
4. 双水相萃取技术有什么优越性？
（1） 萃取操作条件比较温和；
（2） 产品活性损失少，无有机溶剂残留、污染；
（3） 萃取体系具有较好的可调性；
（4） 设备投资小，操作简单；
（5） 含水量高（70%-90%）,适宜提取水溶性的蛋白质、酶等生物活性物质且不易引起蛋白质的变性失活；
（6） 易于放大，各种参数可按比例放大而产物收率并不降低，这是其它分离技术无法比拟的。
第七章 离子交换层析
Anion:阳离子；Cation:阴离子
1.常用的离子交换树脂类型有哪些？
凝胶型树脂
大孔型树脂
纤维交换剂
萃淋树脂
前三类中均分为阳离子树脂和阴离子树脂，凝胶型树脂和大孔型树脂还包括螯合树脂，凝胶型树脂还包括氧化还原树脂
2.离子交换选择性的因素有哪些？
水合离子半径：半径越小，亲和力越大；
离子化合价：高价离子易于被吸附；
溶液pH：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不影响交换容量；
离子强度：越低越好；
有机溶剂：不利于吸附；
交联度、膨胀度、分子筛：交联度大，膨胀度小，筛分能力增大；交联度小，膨胀度大，吸附量减少；
树脂与粒子间的辅助力：除静电力以外，还有氢键和范德华力等辅助力；
3.交换分离操作？
1、树脂的选择和处理
（1）据分离对象的要求，选择适当类型和粒度的树脂
如：钢铁中微量铝的测定，可用离子交换法消除铁的干扰。将钢铁溶解，使铁、铝转化为Fe3+、Al3+后，加入足量的NaCl（orHCl）使Fe3+转化为 ，再通过阴离子交换树脂，在流出液中测定Al3+（记住）
（2）净化、除杂质和转型
a.强酸型阳离子交换树脂：用4mol.L-1的HCl浸泡1－2天，酸滤掉，用蒸馏水洗净——转化为R-SO3H（H+型）
b.强碱型阴离子交换树脂：用NaOH浸泡1－2天，碱滤掉，用蒸馏水洗净——转化为R-N+(CH3)3OH-（OH-型）
2、装柱
3、交换
始漏点：流出液中开始出现未被交换的离子（承接检验有试液离子）
始漏量：达始漏点时，被交换到柱子上的离子的量（mmol）<树脂的总交换容量
交界层：部分被交换的树脂层称为交界层
4、洗脱
用洗脱剂(或淋洗剂)将交换到树脂上的离子置换下来的过程。
通常阳离子交换树脂，用HCl洗脱，洗脱后树脂转为H+型
阴离子交换树脂，用NaOH（NaCl or HCl）洗脱，洗脱后树脂转为OH-或Cl-型
洗脱方法
（1）改变溶液pH值
（2）改变溶液离子强度
5、树脂再生
是指是离子交换树脂重新具有交换能力的过程
阳离子交换树脂，用3mol.L-1 HCl处理，转化为H+型
阴离子交换树脂，用1mol.L-1 NaOH处理，转化为OH-型
4.蛋白质提取分离的离子交换剂有哪些特殊要求，主要有哪几类？
要求：良好的亲水性、具有较大的均匀网格结构、粒度越小分辨率越高
种类：多糖类 离子交换纤维素
交联葡聚糖
交联琼脂糖
聚乙烯醇类
Mono系列 Amersham Pharmacia
第九章：超临界流体萃取技术
1.超临界流体萃取技术的基本原理？
对于某一特定的物质而言总存在一个临界温度（Tc）和临界压力（Pc），高于临界温度和临界压力后，物质不会成为液体或气体，这一点就是临界点。再临界点以上的范围内，物质状态处于气体和液体之间，这个范围之内的流体成为超临界流体（SF）。超临界流体具有选择性溶解物质的能力，并随着临界条件（T,P）而变化。超临界流体兼有液体和气体的双重特性，扩散系数大，粘度小，渗透性好，与液体相比可以更快完成传质，达到平衡，促进高效分离过程的实现。
2.超临界流体的性质？
一、密度类似液体，因而溶剂化能力强，压力和温度的微小变化可导致其密度显著变化；
二、粘度接近气体，扩散速度快
3.超临界流体萃取的优点？
①萃取能力可调（0.15g/cm3-0.9g/cm3）
②CO2无味无臭无毒，不可燃，不腐蚀…
③萃取温度接近室温
④抗氧化、灭菌
⑤集萃取、分离于一体
⑥检测、分离分析方便，联用技术。
5. 超临界流体萃取的工艺流程和影响因素？
萃取工艺有三种：
1. 等温法：温度不变，通过控制压力来改变溶解能力，达到萃取的目的。
2. 等压法：压力不变，通过调节温度，使溶解能力发生改变，达到萃取分离的目的；
3. 吸附法：在分离槽内放置吸附剂，当含有被萃取物质的超临界流体（萃取相）通过分离槽时，溶质被吸附而达到与萃取剂分离的目的。
影响因素：
1. 物质性质影响：相对分子量、极性强弱
2. 萃取压力大小
3. 萃取温度的影响（密度、被萃取物的蒸汽压变化）
4. 萃取时间的影响
5. CO2流量的影响：A.强化传质，缩短时间；B.保留时间变短，溶质含量下降
6. 夹带剂的影响：为了提高CO2的极性，扩展萃取范围而添加（<5%）
7. 物质状态影响
8. 传质性能的强化：微波强化、超声波强化。
6. 超临界流体萃取技术在食品工业中的应用？
超临界流体萃取已被广泛应用于食用油提取、从咖啡中提取咖啡因、从啤酒花中提取有效成分，香精和香辛料风味成分的提取，香烟尼古丁的脱除等工业中。