用于粗植物油脱胶的新型膜工艺

《Journal of Food Engineering》：Novel Membrane Process for Degumming of Crude Vegetable Oils.

新型聚合物包埋膜（PIMs）脱胶工艺研究

　　

哈比布·穆阿迪利（Habib Mouadili）|乌萨马·卡马尔（Oussama Kamal）|赛义德·胡达利（Said Khoudali）|卡迪贾·吉哈尔（Khadija Jihar）|穆罕默德·阿明·达巴奇（Mohamed Amine Dabachi）|阿贝拉·德梅克·安巴耶（Abera Demeke Ambaye）|西格瓦迪·鲁德扎尼（Sigwadi Rudzani）|莱德瓦巴·卡贝洛（Ledwaba Kabelo）|阿贝德·门纳德（Abed Mennad）|图哈米·莫克拉尼（Touhami Mokrani）

南非大学科学与工程技术学院材料与化学工程系，私人地址：Bax X6，约翰内斯堡1710，南非

摘要

本研究介绍了一种基于聚合物包接膜（PIMs）的新型脱胶工艺。这些膜以聚乙烯醇（PVA）为支撑材料，三丁基磷酸酯（TBP）为增塑剂，并结合了一系列选择性萃取剂，包括胆酸（CA）、间苯二酚（RES）、β-环糊精（β-CD）、二苯并-18-冠-6醚（CRW）、葡萄糖酸（GA）和EDTA。这些膜能够促进过渡金属离子（Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺）的传输，同时控制水分向油相的渗透，从而促进磷脂的水合和脂质体的形成，最终通过离心或倾析去除这些离子。通过对膜的结构、孔隙率和化学成分进行表征，并利用动力学和热力学模型分析其传输行为，确定了渗透率（P）、初始通量（J₀）、结合常数（K_ass）、扩散系数（D?）以及过渡态函数（E_a、ΔH^#、ΔS^#）等参数，证实了离子在PVA基质内通过萃取剂位点的“跳跃”机制。在测试的萃取剂中，β-CD和EDTA表现出最高的效率，在优化条件下可将粗大豆油中的磷含量降低到可接受的水平。这种基于膜的方法结合了高提取效率、低化学物质使用量、低能耗和最小化废物产生。研究结果展示了PIMs作为传统脱胶方法的经济高效且环保的替代方案的机制基础和实际可行性。

引言

有效去除磷脂是植物油精炼过程中的关键步骤，因为这些化合物会负面影响油的稳定性、风味和保质期。尽管传统的化学精炼方法应用广泛，但成本高昂且效率低下，还会因皂脚的形成而造成大量油损失。因此，开发更有效且经济可行的替代脱胶策略对食品和油脂加工业具有重要意义[1]、[2]、[3]。 磷脂是两亲性分子，由亲水的磷酸基团和疏水的脂肪酸链组成。其结构多样性源于脂肪酸组成和极性头基的不同。磷脂在膜组装中起重要作用，其亲水头部和疏水尾部自组装成双层结构，构成膜的基本框架。磷脂赋予膜流动性、选择性渗透性，并为膜蛋白提供支持，同时实现膜的不对称性，这对信号传导、细胞功能和神经系统活动至关重要[4]、[5]。在食品工业中，卵磷脂通常指一种脂质混合物，作为添加剂E322使用，其组成通常为49%的磷脂、39%的甘油三酯、5%的糖脂、4%的碳水化合物以及3%的甾醇和生育酚[6]。 在粗植物油中，磷脂是不稳定性的主要来源。磷脂水合后会产生沉积物，降低油的透明度和储存稳定性；此外，它们对Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺和Cu²⁺等过渡金属离子的强亲和力会促进催化氧化，加速品质劣化[8]。在高温处理过程中，磷脂还会发生热分解，导致油色变深[9]。通过机械压榨或溶剂萃取获得的粗油含有大量磷脂，因此需要有效的精炼策略来确保油的稳定性和品质[10]。 聚合物包接膜（PIMs）是一类功能性复合材料，因其结构多样性、化学稳定性和可调的物理化学性质而在选择性分离和传输应用中受到越来越多的关注。与传统液态膜不同，PIMs由固体但柔性的聚合物支撑材料构成，其中功能组分被固定化，从而提高了机械强度和长期运行稳定性[11]。通常，PIM由提供结构完整性的基础聚合物、提高膜柔韧性和渗透性的增塑剂以及负责与目标物质选择性相互作用的有效载体或萃取剂组成。通过调整各组分的性质和比例，可以精确控制膜的结构和性能[12]。 PIMs与选择性络合剂的浸渍对于决定分离效率和选择性至关重要。诸如金属-有机配合物、螯合配体、冠醚、环糊精和有机酸等络合剂在膜基质中引入了特定的分子识别位点[13]。这些剂通过与目标物质的可逆配位键、主客体包接、离子对形成或氢键相互作用来促进选择性传输，同时减少非特异性扩散。将这些剂固定在聚合物基质中可以减少渗漏，并在重复操作周期中保持性能[14]。 本研究提出了一种基于聚乙烯醇（PVA）聚合物包接膜（PIMs）的新型脱胶策略，其中使用了胆酸（CA）[15]、间苯二酚（RES）[16]、β-环糊精（β-CD）[17]、二苯并-18-冠-6醚（CRW）[18]、葡萄糖酸（GA）[19]和乙二胺四乙酸（EDTA）[20]等络合剂，因为它们能够与金属离子和极性物质形成可逆的配位作用。这些化合物的互补结合亲和力和超分子特性有望促进与形成胶质的组分的相互作用。将定制的超分子功能与机械稳定的PIM基质相结合，有望提高脱胶的选择性和效率，同时实现更可持续的精炼过程。 聚合物包接膜能够提取与磷脂结合的金属离子，同时控制水分向油相的传输，从而促进脂质体的形成，并通过倾析或离心去除（图1）。研究了Ca²⁺、Fe³⁺和Mg²⁺通过膜的传输效率与底物浓度和操作温度的关系。将最有效的膜配方应用于粗植物油，以改善离子的选择性去除和磷脂的减少，证明了这种基于膜的方法作为传统脱胶操作的经济高效且可扩展的替代方案的潜力。

聚合物包接膜（PIMs）的制备

将聚乙烯醇（PVA，分子量=72,000 g/mol）溶解在100 mL由20 mL二甲基亚砜（DMSO）和80 mL蒸馏水组成的混合溶剂中，在120 °C下持续搅拌直至完全溶解。随后将选定的载体和三丁基磷酸酯（TBP）增塑剂加入30 g的糊状物中，并在75 °C下搅拌12小时。接着，将6 g的粘稠溶液倒入直径为6 cm的玻璃培养皿中，并在60 °C下干燥。

宏观参数的计算：渗透率（P）和初始通量（J₀）

系统研究了Ca²⁺、Fe³⁺和Mg²⁺离子通过合成聚合物包接膜（PIMs）的传输性能与温度和初始底物浓度之间的关系。对于所有研究的膜和实验条件（298-308 K；C₀ = 0.0125-0.10 M），传输动力学符合所提出的模型，这一点从?ln(C₀ ? 2C?)与时间的关系图中观察到的优异线性可以得到验证（图5）。

结论

本研究系统研究了使用聚合物包接膜（PIMs）促进二价和三价金属离子（Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺）的提取和传输过程。特别关注了影响膜相中阳离子移动性的关键因素的识别和量化。为此，使用聚乙烯醇（PVA）作为聚合物支撑材料，三丁基磷酸酯（TBP）作为增塑剂，开发了一系列PIMs。

CRediT作者贡献声明

阿贝拉·德梅克·安巴耶（Abera Demeke Ambaye）：数据整理。 穆罕默德·阿明·达巴奇（Mohamed Amine Dabachi）：研究工作。 卡迪贾·吉哈尔（Khadija Jihar）：撰写——初稿。 哈比布·穆阿迪利（MOUADILI Habib）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、方法论、研究工作、数据整理、概念构建。 赛义德·胡达利（Said Khoudali）：验证、方法论。 乌萨马·卡马尔（Oussama Kamal）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、研究工作。 莱德瓦巴·卡贝洛（Ledwaba Kabelo）：方法论、研究工作。 西格瓦迪·鲁德扎尼（Sigwadi Rudzani）：研究工作、概念构建。 图哈米·莫克拉尼（Touhami Mokrani）：

未引用参考文献

[43], [44]。

资金情况

本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织的任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。