果汁濃縮技術概述

白小鳴，王華，曾小峰，龍勇，3

1(西南大學柑桔研究所，重慶北碚，400712)2(西南大學食品科學學院，重慶北碚，400715)

3(西南大學 園藝園林學院，重慶北碚，400715)

濃縮果汁是在水果榨成原汁后再采用濃縮的方法，蒸發掉一部分水分制成的，即采用物理分離方法，從原果汁中除去一定比例的水分，濃縮到原果汁體積50%以上，未發酵但復水后具有發酵能力的產品［1］。果汁濃縮后可大大降低包裝、運輸和貯藏成本，延長貨架期，方便銷售和消費。但是果汁濃縮過程中會損失糖、酸、維生素、香氣和色澤，在加水稀釋復原后與原汁品質有差異。因此，濃縮過程中應盡可能減少果汁中有效成分的損失［2］，保證濃縮果汁稀釋后的品質。目前果汁濃縮的方法有:蒸發、冷凍濃縮、反滲透等［3-4］。隨著技術的發展，膜技術也越來越多地應用到果汁濃縮中。本文重點闡述了果汁濃縮技術中的真空濃縮技術、冷凍濃縮技術、膜技術等。

1 冷凍濃縮技術

果汁的冷凍濃縮技術應用了冰晶與水溶液的固-液相平衡原理。當水溶液中所含溶質濃度低于共溶濃度時，溶液被冷卻后，水(溶劑)便部分成冰晶析出，剩余溶液的溶質濃度則由于冰晶數量和冷凍次數的增加而大大提高，其過程包括如下3步:結晶(冰晶的形成)、重結晶(冰晶的成長)、分離(冰晶與液相分開)。荷蘭Eindhoven大學Thijssen等在20世紀70年代成功地利用奧斯特瓦爾德成熟效應設置了再結晶過程制造大冰晶，并建立了冰晶生長與種晶大小及添加量的數學模型，從此冷凍濃縮技術被應用于工業化生產［5］，并逐漸形成了以Grenco冷凍濃縮設備為代表的冷凍濃縮技術［6］。冷凍濃縮是能夠使液體食品的揮發性或熱敏性成分損失降低到最小的一項技術。這項技術的最大優點就是在加工過程中達到了低溫，同時沒有蒸汽-水分界面的存在，且適用于對熱敏感的液體［7］。

1.1 研究現狀

方婷等［8］進行了橙汁冷凍濃縮動力學模型的研究，結果表明，在橙汁冷凍濃縮過程中，冰晶增長速率與冰晶質量關系可以用模型表示:

冰晶的增長速度與冰晶的質量成正比，并存在一個最大冰晶量，在接近最大冰晶量時，冰晶增長速度受到限制。根據模型方程得出的結論，在工業上應用時，可以預先加入種冰，以縮短初期冰晶成核的時間，但到了濃縮后期，由于體系中積累了大量的冰晶，果汁的流動性降低，果汁與冰晶的相對運動減小，質量傳遞受阻，冰晶的增長速度趨向零，此時應停止濃縮，分離冰晶，進入下一級濃縮，從而可以提高冷凍濃縮的工作效率并節省能源的消耗。

為最大限度的保留果汁原有的生鮮風味和營養，陳梅英等［9］進行了高壓脈沖集成冷凍濃縮加工果汁的工藝，其工藝流程為:

生產的橙汁與巴氏殺菌橙汁進行感官評定比較發現，非熱力制取的冷凍濃縮橙汁以體積比1∶2.5與純凈水混和后制成的果汁其品質比巴氏殺菌處理的果汁的品質高。

劉凌等［10］研制了果蔬汁常壓低溫濃縮新技術——界面漸進冷凍濃縮，是一種沿冷卻面形成并成長為整體冰晶的凍結方法。隨著冰層在容器冷卻面上生成并成長，在固液相界面，溶質從固相側被排除到液相側。其最大的特點就是形成一個整體的冰結晶，固液界面小，使得母液與冰晶的分離變得非常容易;同時由于冰結晶的生成、成長與母液的分離及脫冰操作均在一個裝置中完成，無論是在設備數量上還是動力消耗上都明顯少于懸浮結晶法，簡化了裝置且方便控制，可降低設備投資與生產成本;還可以避免懸浮結晶濃縮時，果汁中纖維素等做為觸媒形成不均質核，使纖維素被包在冰晶體中而造成損失等。

高明才等［11］為了使冷凍濃縮能夠順利進行，且能有效地將生長罐中的大小冰晶分離開，對冷凍濃縮設備做了以下改進:研制出實驗室用冷凍濃縮設備;將結晶罐與生長罐合并，避免冰晶向結晶罐轉移的過程中再次污染的危險;利用中心排冰法，有效地實現了大小冰晶的分離，降低了果汁的損失率。

為了改善漸進式冷凍濃縮的不足，國外有學者提出了泵循環流動的管式濃縮系統。期望這種系統中冰晶體通過冷卻劑在冷卻管的內表面形成的方式，同時由于管數目的增加擴大了冷卻的表面面積來提高了生產量。研究發現，冷凍濃縮在低滲透壓條件下對于低鹽溶液的濃縮來說有效，加工過程中冰和液體的溶質表觀分配系數足夠低從而達到較高的產量，但是在高溶質的濃縮過程中，冷凍濃縮過程中的產量降低，在這種情況下，冰的部分溶解的作用是非常有效的，通過部分融化過程回收高濃度的初始餾分，產量可以改善到必要的水平(＞90%)［3］。加泰羅尼亞技術大學設計的應用于食品工業中試裝置的冷凍濃縮系統是一種漸進式結晶冷凍濃縮，它基于水結晶直接與冷表面接觸，在由不銹鋼板制成的交換表面形成一層冰，濃縮的液體經過制冷劑在泵系統中循環。這種系統已成功地應用在了蘋果汁、梨汁及糖溶液的濃縮中并且濃度最高達到30°Brix，同時顯示這項技術將更多地應用在食品工業中的預濃縮系統中［12］。

Otero等［13］研制了一種新型的工具，即壓力轉換核。壓力轉換成核設備中，壓力越高、溫度越低，最后果汁的濃縮度也越高、冰晶形成越小。與傳統的結晶化相比，壓力轉成核有4個重要的優點:(1)如果壓力增加的足夠，壓力容器中的溫度是足夠高的;(2)在擴大后，所需要的濃度瞬間就可以達到;(3)冰晶體形狀規則沒有壓痕和缺口;(4)冰晶體均勻的分布在整個樣品中。

2 真空濃縮技術

真空濃縮又稱減壓濃縮，是在較低的真空度下利用水的沸點降低原理將水分或其他溶劑蒸發掉的原理。即在減壓條件下，40～60℃時，可迅速蒸發掉果汁中的水分。這樣的短時低熱基本不會損失果汁的有效成分［14］。冷凝器和空氣泵的雙底真空釜。

2.1 研究現狀

傳統的多極真空蒸發后得到的濃縮汁，會造成揮發性物質、香氣化合物、抗壞血酸及天然抗氧化劑的損失，從而導致產品質量的下降［15］。余煉等［16］研究了真空濃縮過程對芒果汁香氣成分的影響，發現隨著芒果汁濃度的不斷提高，異松油烯的含量在逐步下降(由1.951×10-5%降至0.032×10-5%)，異松油烯含量的下降意味著真空濃縮導致了芒果汁香大部分氣成分的喪失。為了更好地克服這些缺點及更好地保存新鮮果汁中的營養成分，幾種新的真空濃縮技術技術已被開發出來。低溫真空濃縮技術就是其中的一種，低溫真空濃縮就是將物料放置到真空度為0.003 MPa的蒸發室、低溫條件下，水分被蒸發掉的濃縮。由于在蒸發室中水分蒸發的同時帶走了大部分的熱量使得產品的溫度下降，這時產品溫度過低不利于蒸發的進行。因此需要用設備自帶的熱泵產生40℃的熱水對循環的產品進行加熱，保證產品的溫度控制在一個適當的溫度。而且全部加工過程可以通過觸摸屏控制，自動化程度極高［17］。

王紹宇等［18］研究了制藥行業中真空泵的選型方法，對果汁的濃縮過程也具有很好的參考價值。研究發現，真空濃縮系統所需真空泵的抽氣量和系統的蒸發能力無關，而只取決于系統泄漏量、系統的操作壓力、管路及冷凝器阻力損失和二級冷凝器的蒸汽分壓。且系統的操作壓力越高、管路及冷凝器阻力損失越小、二級冷凝器的蒸汽分壓越低，需要選配的真空泵抽氣量越小。

王少紅等［19］研發了一種新型的真空濃縮設備，這種設備克服了現有技術的缺點和不足，提供一種能夠控制溫度、使溫度分布均勻，從而使物料受熱均勻，物料的品質能夠控制的新型真空濃縮設備。

真空濃縮技術有很多優點:(1)由于在較低溫度下蒸發，可以節省大量能源;(2)物料不受高溫影響，避免了熱不穩定成分的破壞和損失，更好地保存了原料的營養成分和香氣;(3)溫度梯度大;(4)低壓蒸汽、真空濃縮操作是在較低的溫度下進行的，減少了設備使用時的熱量損失。但是由于真空濃縮，須有抽真空系統，從而增加附屬機械設備及動力;另外由于蒸發潛熱隨沸點降低而增大，所以熱量消耗大。這些都是真空濃縮過程中不可忽視的缺點。

3 膜濃縮

膜分離技術是指利用高分子半透膜的選擇性，以濃度差梯度、壓力梯度或電勢梯度作為推動力，使溶劑與溶質或溶液中不同組分加以分離、純化或富集的一種方法。從1960年Loeb和Souriragin發現非對稱型膜后，由于其能耗低且可以很好地保存新鮮果汁的營養和感官品質，膜技術如微濾(MF)、超濾(UF)和反滲透(RO)等已經廣泛的應用于乳制品、食品及飲料工業中［20-21］。特別是反滲透技術在濃縮果汁中的應用。由于反滲透的操作過程是在較低的溫度下進行且不涉及水的相變，所以與傳統的蒸發技術相比，反滲透對濃縮果汁來說熱損失小、能耗低、耗資少。但是由于高滲透壓力的限制，反滲透濃縮果汁不能夠達到較高的濃度:單級反滲透系統可以達到的濃度為30°Brix，而傳統的蒸發技術可以使果汁的濃度達到45 ～65°Brix［22］。近年來，新的膜材料及工藝過程的發展已經改善了這種缺陷，新型的膜技術包括膜蒸餾和滲透蒸餾及集成膜技術［23］。

3.1 研究現狀

3.1.1 滲透蒸餾(OD)

Fitim等［24］在研究的過程中基于超濾和滲透蒸餾2種技術的整合，提出了一種較好的回收血橙汁中抗氧化合物的濃縮方法。首先經過超濾從果汁中除去懸浮固體物得到澄清果汁，且其抗氧化能力與新鮮果汁近似。超濾膜對酚類化合物的去除率為0.4%～6.9%。通過這種整合技術產生的果汁的總可溶性固形物的含量61.4°Brix。比較澄清果汁與濃縮果汁發現，它們中的酚類化合物沒有明顯的差異。與傳統方法相比，對于抗氧化化合物保護較好的方法就是超濾與滲透蒸餾的集成技術。

Fadi等［25］研究了芳香族溶液滲透蒸餾濃縮過程中香氣化合物的傳質動力學:水果中香氣化合物的傳質動力學可以通過氣相色譜法測定;盡管膜上的吸附現象比較顯著，但可以在濃縮之前通過飽和來限制，建立了一個基于表觀滲透系數的模型來描述傳質動力學的特征，與水通量相比，濃縮過程中揮發性物質的損失與滲透的相對值直接相關。降低溶液的循環速度和溫度可以使香氣化合物的傳質減慢。因此，通過控制操作條件來減少香氣化合物的損失是可行的。與傳統的蒸發技術相比較，滲透蒸餾導致的香氣化合物的損失相對較少。

3.1.2 膜蒸餾

劉安軍等［26］對不同溫度下直接接觸式膜蒸餾的能耗分析進行了研究，發現膜透過側冷卻至常溫以下時，冷卻部分的損失較大，占總能耗的35%以上;料液側溫度在50℃以下時膜組件的損失占總損失的50%以上，升高至55℃以上時則加熱部分損失比例升高至50%以上。合適的膜蒸餾操作溫度可提高系統的效率，膜透過側溫度為環境溫度(25℃)、膜兩側溫差約為33.5℃時，可獲得相對較高的系統總效率、膜組件效率和膜通量，膜組件效率可達50%以上，系統總效率為0.5%以上。提高膜組件以外其他部分的效率是提高系統總效率的關鍵。

劉捷等［27］對減壓膜蒸餾傳熱傳質機理進行了研究，在已有理論模型的基礎上，考慮溫度極化和濃差極化的影響，引入減壓膜蒸餾傳熱傳質理論模型，并對模型進行了計算，結果表明隨溫度的升高，傳質系數K升高，溫度極化系數TPC減小，濃差極化系數CPC增大，通量呈近指數倍增加;隨流速的增加，TPC增大，膜表面傳熱系數ht增大，CPC略有降低，K略有升高，通量略有升高;隨中空纖維填充數目的增大，通量減小;隨真空度的增大，TPC減小，CPC增大，通量呈線性增長。

呂雙江等［28］進行了減壓分級式多效膜蒸餾過程的研究，結果表明:(1)真空膜蒸餾過程通量隨著膜組件殼程真空度、組件進水溫度的升高而增大;(2)分級式多效蒸發區過程很難，當量膜通量隨著主蒸發區膜面積的增加逐漸降低，隨著多效蒸發區換熱器殼程進液流量的增加先增大后逐漸降低，隨著真空泵抽氣量的增加逐漸增大;(3)分級式多效蒸發區過程的蒸汽相變熱回收率隨著主蒸發區膜面積、多效蒸發區換熱器殼程進液流量、真空泵抽氣量的增加均逐漸增大;(4)當主蒸發區膜面積為0.10 m2、真空泵抽速為2.0 L/s時，當量膜通量比相同主蒸發區真空度下真空膜蒸餾的膜通量高22.3%;采用抽氣量更高的真空泵(抽速為4.0 L/s)時，膜蒸餾的當量膜通量增加了8.2%，蒸汽相變熱回收率增加了7.3%。

3.1.3 集成膜技術

集成膜技術(UF)在柑橘汁中應用的流程為:

超濾澄清果汁→反滲透預濃縮果汁→滲透蒸發回收芳香成分→滲透蒸餾進一步濃縮

膜材料為PVDF的UF膜澄清柑桔汁的效果最為理想。當操作壓力為0.2 MPa、溫度40℃、流速1 m/s時，柑橘汁經 UF分離后柑橘汁的透過率為82.04%，其中總糖、總酸、VC的透過率分別達98.65%、95.06%和0.50%。UF結束后，選用0.1%NaOH和0.5%的UIO溶液清洗UF膜，膜的清洗效果較好;UF去除了一些苦味前體物質和易被樹脂吸附的大分子物質以及懸浮顆粒.同時也除去了柚皮苷和檸檬堿，明顯改善了果汁的脫苦效率，提高了果汁的風味［29-30］。

為了替代傳統的濃縮方法，Alfredo等［31］研究出了一種澄清和濃縮石榴汁的集成膜技術。結果發現，先經過超濾澄清再進行反滲透濃縮的集成膜技術可以用來加工具有高抗氧化活性的果汁。通過超濾澄清基本上可以去除懸浮物，使滯留液澄清汁物化學性質和營養物質接近于鮮榨果汁;反滲透濃縮可以使澄清果汁濃縮的同時不改變果汁的物化性質，濃度可達到可溶性固形物的3.2倍，且優于其膜的疏水性在濃縮產品中雜質和傳統蒸發的異味。

徐貞貞等［32］進行了利用集成膜工藝澄清預濃縮紫甘藍花青素的研究，采用了中試超濾+納濾/反滲透膜組件對紫甘藍花青素水提液進行澄清和濃縮的研究，比較不同跨膜壓力(TMP)和循環流量(Qf)處理參數對于處理過程中膜通量(Qp)的影響。結果發現:(1)納濾膜組件工作效率高于反滲透膜組件，即納濾膜組件可在較低的跨膜壓力(1.0 MPa)條件下在90 min內完成25 L料液濃縮，而反滲透膜組件濃縮同體積料液所需操作壓力為1.5 MPa，工作時間為110 min;(2)納濾和反滲透2種不同的濃縮工藝均顯著提高終產品的總花青素含量、總可溶性固形物含量和顏色指標(亮度、紅值、藍值和總色差)3類品質參數，得到品質優越的花青素類濃縮產品。因此逐級膜過濾可用于花青素的澄清和濃縮，為天然活性成分水提物的非熱澄清及濃縮產業化生產提供參考。

4 結語

在諸多的果汁濃縮技術中，目前國內外果汁加工絕大多數都采用真空蒸汽加熱濃縮技術［33］。但是最有發展前景的還是膜分離技術，在果汁生產中膜技術的應用與傳統的加工方法相比，有以下優點:無揮發物質的損失、無熱破壞、保持水果原有的風味和芳香;可分離去除懸浮顆粒、殘存酵母菌等微生物、膠體、蛋白等，并在不加防腐劑的情況下延長保存期;能有效去除飲料中的果膠、細菌、蛋白和高級棕櫚酸酯造成的沉淀，達到澄清的目的。從經濟的角度看，膜蒸餾過程雖然有一些優點但仍不能與多級閃蒸、多效蒸發、納濾和反滲透等技術競爭，因此也一直未能工業化生產。其中阻礙膜蒸餾過程工業化的一個重要原因是其需要很高的能耗，增加了操作成本。盡管膜技術濃縮果汁要比傳統的濃縮方法昂貴，但隨著果汁市場的擴大和產品質量的要求，膜濃縮技術在果汁加工中的應用，特別是集成膜的應用將會有很大的前景。

［1］ SB/T10198-1993濃縮果汁通用技術條件［S］.

［2］ 沈兆敏，朱新禮.中國柑橘產業化［M］.北京:金盾出版社，2011:222-223.

［3］ Osato Miyawaki，Sho Kato，Kanako Watabe.Yield improvement in progressive freeze-concentration by partial melting of ice［J］.Journal of Food Engineering，2012，108(3):377-382.

［4］ Chin N L，Chan S M，Yusof Y A，et al.Modelling of rheological behaviour of pummelo juice concentrates using master-curve［J］.Journal of Food Engineering，2009，93(2):134-140.

［5］ 張春婭，張軍，王樹生，等.葡萄酒冷凍濃縮技術的研究及應用［J］.釀酒科技，2007，157(2):55-58.

［6］ Akyurt M，Zaki G，Habeebullah B.Freezing phenomena in ice-water systems［J］.Energy Conversion and Management，2002，43(14):1 773-1 789.

［7］ Sánchez J，Ruiz Y，Raventós M，et al.Progressive freeze concentration of orange juice in a pilot plant falling film［J］.Innovative Food Science and Emerging Technologies，2010，11(4):644-651.

［8］ 方婷，陳錦權，唐凌，等.橙汁冷凍濃縮動力學模型的研究［J］.農業工程學報，2008，24(12):243-251.

［9］ 陳梅英，高明才，龔雪梅，等.高壓脈沖殺菌集成冷凍濃縮加工果汁的工藝［J］.農業工程報，2009，25(3):237-244.

［10］ 劉凌.果蔬汁常壓低溫濃縮新技術——界面漸進冷凍濃縮［J］. 飲料工業，2001，4(6):35-39.

［11］ Hernández E，Raventós M，Auleda J M，et al.Freeze concentration of must in a pilot falling film Cryoconcentrator［J］.Innovative Food Science ＆ Emerging Technologies，2010，11(1)，130-136.

［12］ 高明才.冷凍濃縮設備改進及冰晶生長的微觀模型［D］.福州:福建農林科技大學，2009.

［13］ Otero L，Sanz P，Guignon B.Pressure-shift nucleation:A potential tool for freeze concentration of fluid foods［J］.Innovative Food Science ＆ Emerging，2012，13:86-89.

［14］ 楊許作.真空濃縮設備的防結垢污染［J］.機電信息，2012(17):42-45.

［15］ Arena E，Fallico B，Maccarone E.Evaluation of antioxidant capacity of blood orange juices as influenced by constituents，concentration process and storage［J］.Food Chemistry，2001，74(4)，423-427.

［16］ 余煉，滕建文.真空濃縮對芒果汁香氣成分影響的分析［J］. 現代食品科技，2012，26(9):1 020-1 023.

［17］ 于欣洋，岳鵬翔，黃志龍，等.茶濃縮液濃縮方法的研究進展［J］.福建茶葉，2009(2):4-9.

［18］ 王紹宇，康文國.制藥行業真空濃縮單元操作真空泵的選型計算［J］.機電信息，2013(2):21-28.

［10］ 桐鄉鑫洋食品添加劑有限公司.一種新型真空濃縮設備［P］.中國，201220541070.4，2013-40-10.

［20］ Jiao B，Cassano A，Drioli E.Recent advances on membrane processes for the concentration of fruit juices:a review［J］.Journal of Food Engineering，2004，63(3):303-324.

［21］ Alves V D，Coelhoso I M.Orange juice concentration by osmotic evaporation and membrane distillation:A comparative study［J］.Journal of Food Engineering，2006，74(1)，125-133.

［22］ Rodrigues R B，Menezes H C，Cabral L M C，et al.E-valuation reverse osmosis and osmotic evaporation to concentrate camu-camu juice(Myrciaria dubia)［J］.Journal of Food Engineering，2004，63(1):97-102.

［23］ Petrotos K B，Lazarides H N.Osmotic concentration of liquid foods［J］.Journal of Food Engineering，2001，49(2/3):201-206.

［24］ Fitim Destani，Alfredo Cassano，Alessia Fazio，et al.Recovery and concentration of phenolic compounds in blood orange juice by membrane operations［J］.Journal of Food Engineering，2013，117(3):263-271.

［25］ Fadi Ali，Manuel Dornier，Albert Duquenoy，et al.Evaluating transfers of aroma compounds during the concentration of sucrose solutions by osmotic distillation in a batchtype pilot plant［J］.Journal of Food Engineering，2003，60(1):1-8.

［26］ 劉安軍，李娜，湯亞東，等.直接接觸式膜蒸餾不同操作溫度下的能耗分析研究［J］.高效化學工程學報，2011，25(4):565-573.

［27］ 劉捷，武春瑞，呂曉龍.減壓膜蒸餾傳熱傳質過程［J］. 化工學報，2011，62(4):908-918.

［28］ 呂雙江，高啟軍，武春瑞，等.減壓多級式多效膜蒸餾過程的研究［J］.天津工業大學學報，2013，32(2):1-8.

［29］ 王煥.多效膜蒸餾技術用于果汁和煉油廢水濃縮處理的研究［D］.天津:天津大學，2012.

［30］ 薛淑靜，程薇，關鍵，等.膜集成技術在濃縮果汁中的應用研究［J］.安徽農業科學，2008，36(30):13 384-13 390.

［31］ Alfredo Cassano，Carmela Conidi，Enrico Drioli.Clarification and concentration of pomegranate juice(Punica granatum L.)using membrane processes［J］.Journal of Food Engineering，2011，107(3/4):366-372.

［32］ 徐貞貞，李媛，陳芳，等.利用集成膜工藝澄清與濃縮紫甘藍花青素［J］.農業工程學報，2012，28(9):242-252.

［33］ 袁惠新，劉志剛.淺談果汁飲料及果汁濃縮技術［J］.糧油加工與食品機械，2001(10):12-18.