鳀魚蒸煮液膜濃縮工藝研究及風味物質分析*

張建友，林龍，王斌，丁玉庭

(浙江工業大學生物與環境工程學院，浙江 杭州，310014)

鳀魚(Engraulis japonicus)為集體性小型上層魚類，蛋白質、脂肪含量較高，內源性酶活強，捕撈后易酶解變質，離水后須立刻加工處理。鳀魚制品加工過程中產生大量蒸煮液，其中富含氨基酸、核苷酸、蛋白質等營養成分和風味物質，是生產調味品、蛋白營養強化劑等食品的優良原料。但是，由于海上加工技術和空間的限制，蒸煮液大都未經處理便直接排放，不僅浪費資源，而且由于其高COD 和BOD 嚴重污染環境，造成近海水域富營養化，以至引發赤潮。

由于蒸煮液濃度較低，無法直接利用，為了滿足加工的要求，解決海上加工船儲藏空間有限的問題，需對其進行濃縮。傳統的濃縮工藝一般以熱法濃縮為主，主要有真空濃縮和蒸發濃縮。蒸發濃縮方法簡單，但由于蒸發溫度高，沸點隨濃度的升高而升高，能耗較大。而且多種成分容易在高溫條件下氧化、焦化、分解，芳香物質損失嚴重，使產品質量下降。真空濃縮由于在較低溫度下蒸發，可以減少營養成分和風味物質的損失，但是在55 ～70℃條件下同樣存在熱敏性物質流失的問題，且濃縮時間較長，能耗較大。膜濃縮與傳統的熱濃縮相比，具有常溫操作、無相變、能耗低、熱敏性成分得以保護的優點。目前對于蒸煮液膜濃縮利用的研究報道較少，Vandanjon 等［1］應用超濾、納濾和反滲透技術對貽貝、蝦、金槍魚等海產品低鹽或無鹽蒸煮液進行濃縮。鄭曉杰等［2］采用陶瓷微濾膜濃縮鳀魚蒸煮液，使蛋白質的濃度得到有效濃縮，但是對小肽、氨基酸等小分子物質無法有效回收。本文采用微濾、超濾和納濾組合工藝對含鹽量2.5%的鳀魚蒸煮液進行濃縮，比較了不同材質以及工藝條件對蛋白質和游離氨基酸的截留、膜通量以及風味變化的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

鳀魚蒸煮液，由浙江瑞安市華盛水產有限公司提供，－18℃冷凍保藏，試驗前流水解凍待用。

1.2 試驗設備

752N 紫外可見分光光度計，PHS-3C 型數顯酸度計(上海精科儀器有限公司);CR21GⅡ高速冷凍離心機(日本日立公司);SYKAM433D 氨基酸自動分析儀(德國卡姆公司)，AGILENT7890 氣相色譜-質譜聯用儀(美國安捷倫公司)。

陶瓷微濾膜(Al2O3-ZrO2復合，合肥風云膜分離技術有限公司提供)，中空纖維微濾膜(聚丙烯，CREFLUX-PUF4040)，超 濾 膜(30 000Da，聚 砜，GEPW4040F)，納濾膜(聚砜-聚酰胺復合，CSM-NE4040-70)。

1.3 實驗方法

1.3.1 工藝流程

試驗采用2 種工藝對鳀魚蒸煮液進行濃縮處理(圖1)。微濾為0.1 μm 有機中空纖維膜和無機陶瓷膜，壓力分別是0.1、0.3 MPa;超濾采用截留分子質量(MWCO)為30 000Da 卷式膜組件，壓力0.5 MPa;納濾采用MWCO 為150 ～300Da 卷式膜組件，壓力1.5 MPa。膜組件濃縮單元均采用截留液全回流循環方式，操作間斷不連續。工藝Ⅰ為MF-UF-NF 技術集成，工藝Ⅱ為MF-NF 技術集成。

圖1 鳀魚蒸煮液膜濃縮工藝流程圖Fig.1 Membrane concentration process flow diagram of Engraulis japonicus cooking soup

1.3.2 蛋白質含量

采用雙縮脲比色法測定［3］。

1.3.3 氨基態氮含量

參考GB/T 5009.39 －2003《醬油衛生標準的分析方法》，采用甲醛滴定法。

1.3.4 氨基酸組成及含量分析

采用5-磺基水楊酸(質量分數2%)稀釋并沉淀蛋白后，8 000 g(4℃)離心10 min，上清液過0.45 μm水系膜后經氨基酸自動分析儀測定。

1.3.5 揮發性成分分析

采用HS-SPEM/GC-MS 分析樣品的揮發性成分。使用75 μmCAR/PDMS 于50℃水浴吸附30 min。色譜:DB-WAX(30 m×25 mm×0.25 μm)作為分離柱，進樣溫度250℃，柱初溫40℃，保持4 min，以6℃/min速度升至80℃，再以10℃/min 升溫至230℃，保持6 min;載氣為氦氣(不分流)，流速0.8 mL/min。質譜條件:離子源溫度200℃，傳輸桿溫度250℃，電子能量為70eV。

1.3.6 膜篩分系數S［4］測定

其中:Cp為透過液濃度;Cr為截留液濃度。

1.3.7 積濃縮倍數VC

其中mo為鳀魚蒸煮原液質量;mr為濃縮液(截留液)質量。

2 結果與分析

2.1 微濾膜材質的選擇

2.1.1 微濾過程通量及溫度變化

微濾濃縮過程中，不同材質對微濾膜滲透性能有重要影響［5］。如圖2 所示，在5 min 時陶瓷膜的單位壓力通量低于中空纖維膜，原因在于無機陶瓷膜自身膜阻力比有機中空纖維膜高［6］;但是，濃縮結束時陶瓷膜的單位壓力通量高于中空纖維膜。而且，中空纖維膜通量隨濃縮時間的延長而降低，而陶瓷膜通量隨濃縮時間的延長而增大。

圖2 微濾過程中通量及截留液溫度變化Fig.2 Changes of permeate fluxes and temperature of retentate in microfiltration process

微濾膜通量變化是由膜孔的吸附阻塞、膜表面的濃差極化和濾餅層的形成引起［7］，其中有機中空纖維膜是濾餅過濾機制占主導，而陶瓷膜則是膜孔阻塞占主導［5，8］。濃縮過程中循環溫度的升高使蒸煮液黏度下降、擴散系數增大，膜孔膨脹，即通量增大［9－10］。然而，循環溫度升高使中空纖維膜通量呈現相反的變化趨勢，主要是由于有機膜的熱穩定性比陶瓷膜差，膜孔膨脹系數大［11］，并且對蛋白質吸附作用強，有機中空纖維膜孔更容易吸附達到飽和，快速形成濾餅層［6］，導致通量衰減。

2.1.2 微濾過程中蛋白質及氨基態氮含量的變化

中空纖維膜和陶瓷膜濃縮過程中蛋白質及氨基態氮含量的變化如圖3 所示。2 種截留液的蛋白質及氨基態氮含量相差不大;同時，2 種透過液的蛋白質及氨基態氮含量也相差不大。其中陶瓷膜的蛋白質篩分系數為0.17，氨基態氮則為0.78;中空纖維膜的蛋白質篩分系數為0.16，氨基態氮則為0.81。

2 種膜的氨基態氮篩分系數都小于1，是由于微濾過程中膜表面形成的蛋白質阻力層對氨基酸具有截留作用。Butylina［4］的研究中也存在大孔徑濾膜對小肽、氨基酸及無機鹽離子的截留作用。同時，中空纖維膜和陶瓷膜對營養物質的篩分系數相近，即濃縮作用相似。處理相同質量的蒸煮液時，陶瓷膜的濃縮時間縮短31%;并且陶瓷膜的滲透性能高于中空纖維微濾膜，故采用陶瓷膜進行微濾濃縮。

圖3 微濾過程中蛋白質及氨基態氮含量的變化Fig.3 Changes of proteins and amino nitrogen content in microfiltration process

2.2 工藝條件分析

2.2.1 不同工藝的處理量、蛋白質及氨基態氮含量的變化

不同工藝條件的處理量及截留液和透過液蛋白質、氨基態氮含量的變化如表1 和圖4 所示。陶瓷膜截留液蛋白質和氨基態氮含量分別為蒸煮原液的3.30 和1.04 倍。超濾膜蛋白質和氨基態氮的篩分系數分別為0.42 和0.80，但是截留液蛋白質含量僅是蒸煮原液的1.02 倍，氨基態氮則是0.87 倍，說明超濾對于蒸煮液的整體濃縮的貢獻不大。納濾Ⅰ截留液的蛋白質濃縮了2.04 倍，氨基態氮濃縮了1.91倍;納濾Ⅱ截留液的蛋白質濃縮了2.66 倍，氨基酸態氮濃縮了2.11 倍，納濾Ⅱ的濃縮效果高于納濾Ⅰ。

由于超濾的濃縮貢獻不大，2 種工藝的濃縮液都只包括微濾截留液和納濾截留液。因此，MF-UF-NF體積濃縮了4.68 倍，蛋白質回收率56.52%，氨基酸回收率則為31.96% ～35.75%;MF-NF 體積濃縮了4.23 倍，蛋白質回收率70.74%，氨基酸回收率則為39.83% ～46.64%。

表1 膜濃縮過程中鳀魚蒸煮原液、截留液和透過液的質量Table 1 Handling capacity of Engraulis japonicus cooking soup，yield of retentate and permeate in membrane concentration process

圖4 不同工藝中蛋白質和氨基態氮含量的變化Fig.4 Changes of proteins and amino nitrogen content in different process

2.2.2 不同工藝條件超濾和納濾通量變化

圖5 超濾、納濾Ⅰ和納濾Ⅱ過程中透過液通量的變化Fig.5 Changes of permeate fluxes about ultrafiltration，nanofiltrationⅠand of nanofiltrationⅡ

MF-UF-NF 工藝的超濾及納濾通量和MF -NF 工藝的納濾通量的變化情況如圖5 所示。超濾通量衰減幅度不大，平均通量為9.88 kg/(m2·h);納濾Ⅰ的平均通量為12.28 kg/(m2·h)。納濾Ⅱ通量衰減大于納濾Ⅰ，25 min 后穩慢降低，平均通量7.30 kg/(m2·h)。在50 ～60 min 內，納濾Ⅱ的通量比納濾Ⅰ低19% ～23%。可見，超濾過程可以一定程度提高納濾濃縮效率。但是，MF-NF 工藝對營養物質的回收率高，并且投資成本、占用空間比MF-UF-NF 工藝少。所以，MF-NF 工藝比MF-UF-NF 工藝更加簡單經濟，適合鳀魚蒸煮液的濃縮，尤其適合應用于海上蒸煮加工船。

2.3 MF-NF 中原液、微濾和納濾截留液氨基酸分析

MF-NF 中蒸煮原液、微濾和納濾截留液的氨基酸自動分析結果見表2。在鳀魚蒸煮液的膜濃縮過程中，微濾對于氨基酸的濃縮作用不大，主要起濃縮作用的是納濾過程，氨基酸濃度提高2.71 倍。

表2 MF-NF 中原液、微濾和納濾截留液的氨基酸組成及含量Table 2 Amino acid composition and content of initial cooking soup，microfiltration retentate and nanofiltration retentate in MF-NF process

納濾截留液中各種氨基酸含量相對蒸煮原液都有不同程度的增加，尤其是天冬氨酸和谷氨酸，含量分別增加672%和336%，并且這兩種氨基酸在各自截留液中所占的比例也明顯增大。這主要是因為天冬氨酸和谷氨酸(pI 為2.97、3.22)在pH=5.9 的蒸煮液中呈現出帶負電荷形式，并且聚砜-聚酰胺復合材料制備的納濾膜對帶負電荷物質的截留作用較好［13－14］。對于其他種類的氨基酸截留作用低，是由于帶負電荷的能力弱、分子質量低或親水作用引起的［15］。

納濾截留液中鮮味氨基酸以及呈味氨基酸百分含量也明顯增加，對于濃縮液的增鮮増味有重大影響。在鮮味氨基酸中，作為鮮味主體的谷氨酸以及天冬氨酸對于增鮮的貢獻最大，兩者在納濾截留液中百分含量為26.22%。

2.4 MF-NF 中原液、微濾和納濾截留液揮發性成分分析

利用GC-MS 對MF -NF 中蒸煮原液(A)、微濾截留液(B)和納濾截留液(C)揮發性成分進行測定，蒸煮液風味特征以醛類、酮類和醇類物質為主，見圖6和表3。其中，B 液和C 液的醛類物質種類及含量較A 液降低，腥味的關鍵物質己醛、庚醛、2，6-壬二烯醛和2，4，7-癸三烯醛［16－18］的相對含量降低，甚至有些醛類物質在C 液的檢測中沒有發現。但是，感官比較A 液、B 液、C 液的腥味，發現差異明顯，B 液腥味最強，C 液腥味不明顯。

圖6 MF-NF 中蒸煮原液、微濾截留液和納濾截留液揮發成分總離子峰圖Fig.6 Total current chromatogram of volatile compounds from initial cooking soup，microfiltration retentate and nanofiltration retentate in MF-NF process

由于醛類物質之間以及酮類物質對腥味物質呈味起到促進作用［16］，而B 液中醛類物質相對含量較A 液減少38.49%，酮類物質增加97.42%，表明酮類物質促腥味作用貢獻較大。B 液腥味增強的原因，一方面是由于微濾截留液(B)中微生物較多［19］，產生腥味或促腥物質;另一方面是微濾對腥味及促腥物質的截留作用。但一般與腥味有關的三甲胺沒有被檢測出，說明B 液腥味增強與蒸煮液的腐敗無關，并且具有刺激性酸敗氣味的異戊酸在B 液和C 液中的相對含量也降低。C 液中醛類物質相對含量比A 液低，酮類物質相對含量基本不變，使腥味降低，說明膜處理對于腥味脫除有一定的作用，而且可以改善蒸煮液的風味。

表3 MF-NF 中蒸煮原液、微濾截留液和納濾截留液揮發性成分的組成及相對含量Table 3 Relative percentage of volatile compounds in initial cooking soup，microfiltration retentate and nanofiltration retentate in MF-NF process

3 結論

(1)無機陶瓷微濾膜比有機中空纖維微濾膜更適合高溫鳀魚蒸煮液的蛋白質濃縮，濃縮時間縮短31%。

(2)在鳀魚蒸煮液的濃縮工藝中，MF-NF 工藝的濃縮效果比MF-UF-NF 好，蛋白質和氨基酸的回收率高，分別達到70.74%和39.83% ～46.64%，體積濃縮了4.23 倍，即MF-NF 工藝比MF-UF-NF 工藝更加經濟簡單，適合鳀魚蒸煮液船上濃縮。

(3)MF-NF 中納濾濃縮技術對氨基酸濃縮效果明顯，特別是谷氨酸和天冬氨酸等鮮味氨基酸，對蒸煮液增鮮増味的效果作用顯著，能較好的改善蒸煮液的風味。

(4)MF-NF 中微濾作用使微濾截留的腥味增強;但是納濾截留液中腥味基本消失，蒸煮液風味得到較大程度改善。

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