中空纖維超濾膜澄清藍莓果汁工藝研究

金振宇 楊宏志

（黑龍江八一農墾大學食品學院，黑龍江 大慶 163319）

藍莓，又名越橘、藍漿果，屬杜鵑花科（ericaceae）越桔屬（vaccinium L.）［1］。藍莓果實呈藍色，果肉細膩，口感酸甜適中，風味獨特，營養成分非常豐富，而且含有很多具有生理活性的物質。根據分析測定［2］，每100g新鮮藍莓果實中含有機酸1.6～2.4g、Vc 18mg、糖類8～14g、花色苷100～2 00mg、多酚類物質400～500mg；除此之外，葉酸、尼克酸、超氧化物歧化酶（SOD）的含量大大超過一般水果。這些活性物質具有清除體內自由基，緩解視力疲勞，改善高甘油脂脂蛋白的分解代謝，提高記憶力，抑制膽固醇吸收，抗變異、抗腫瘤、抗過敏和保護胃粘膜等多種功能［3］。經美國農業部人類營養研究中心的研究［4］證實，在該中心研究過的40多種果蔬中，藍莓的抗氧化成分是最為豐富的一種。因此聯合國糧農組織將其列為五大健康食品之一［5］。

近年來，中國的藍莓產量增長很快，但是由于貯藏及加工技術的滯后，使得每年都有大量的藍莓果腐爛，利用率較低；又因為藍莓果汁中富含酚類、果膠等物質，成為果汁在貯藏、銷售過程中引起渾濁和形成二次沉淀的主要因素。超濾（ultrafiltration）分離技術具有物料不發生相變、分離效果好、可在室溫和低壓下連續操作、節省能源、操作簡便，可以較好地保存果汁原有的風味等特點，因而在果蔬汁生產中已有廣泛應用。張緒坤等［6］也利用中空纖維膜對山植汁進行澄清方面的研究，得到的清汁透光率達99%。許英一等［7］也利用超濾技術對酶解后的南瓜汁進行澄清處理，澄清后的南瓜汁的透光率高達98.9%，果膠保存率為29.03%，蛋白質保存率為16.67%，總糖、總酸等含量少有下降，營養物質得到了很好的保留。近幾年來，超濾技術被廣泛應用于一些果汁的澄清處理中，但針對藍莓這類在貯藏期間易發生沉淀的果汁加工的應用未見報道。因此，本研究擬以藍莓果汁為原料，對其超濾過程中影響膜通量的主要因素進行深入研究，并通過響應面分析法獲得超濾澄清藍莓果汁的最佳工藝條件，以期為藍莓果汁的澄清技術提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料與試劑

藍莓：摘自黑龍江省大興安嶺地區野生藍莓果，果實成熟，藍黑色；

果膠酶：食品級，酶活X＝2 910，天津市利華酶制劑技術有限公司；

纖維素酶：食品級，酶活X＝1 450，天津市利華酶制劑技術有限公司；

無水乙醇、氫氧化鈉：分析純，大慶市振華化學試劑有限公司；

2，6-二氯靛酚：分析純，北京篤信精細制劑廠；其他試驗所用試劑均為分析純。

1.1.2 儀器與設備

紫外可見分光光度計：UV-9100型，北京普析通用儀器有限責任公司；

電子分析天平：BT124S型，北京賽多利斯儀器系統有限公司；

九陽料理機：JYL-BO31型，九陽股份有限公司；

恒溫水浴鍋：HHS-21-4型，上海博迅實業有限公司醫療設備廠；

阿貝折光儀：WZS-1型，上海實驗儀器廠；

聚砜中空纖維膜超濾裝置：張家港市凈化設備廠生產的膜組件，有效面積為2.6m2，截留相對分子質量10萬。

1.2 試驗方法

1.2.1 藍莓果汁的制備 新鮮藍莓，經清洗，熱燙，打漿，添加原料0.04%的果膠酶、0.06%的纖維素酶，在pH 4.5、溫度50℃進行酶解3h，榨汁，120目尼龍布過濾，3 000r/min離心20min后得到用于超濾的藍莓原汁。

1.2.2 單因素試驗設計

（1）操作時間對膜通量的影響：固定壓力0.08MPa、溫度25℃、料液流速1.5L/min，分別在5，10，15，20，25，30，35 min時測其膜通量，考察操作時間與膜通量的關系。

（2）操作壓力對膜通量的影響：固定溫度25℃、時間1 5min、料液流速1.5L/min，分別測定0.02，0.04，0.06，0.08，0.10，0.12，0.14MPa壓力對膜通量的影響，考察壓力與膜通量的關系。

（3）料液流速對膜通量的影響：在壓力0.08MPa、固定溫度25℃、超濾時間15min的條件下，測定料液流速分別在0.3，0.6，0.9，1.2，1.5，18，2.1L/min下膜的通量，考察料液流速與膜通量之間的關系。

（4）溫度對膜通量的影響：在壓力0.08MPa、料液流速1.5L/min、超濾時間15min的條件下，分別測定溫度在20，25，30，35，40，45，50℃下膜的通量，考察溫度與膜通量之間的關系。

1.2.3 響應面法試驗設計 在單因素試驗的基礎上，選擇對膜通量影響最大的3個因素為自變量，膜通量為響應值。利用SAS 9.1的Box-Behnken設計響應面試驗。

1.3 試驗測定指標與方法

1.3.1 膜通量的計算 按式（1）進行［8］：

式中：

J——膜通量，mL/（m2·min）；

V——透過液體積，mL；

S——有效膜面積，m2；

t——超濾時間，min。

1.3.2 果膠物質的定性測定 采用酒精法將果汁與用1%鹽酸酸化的95%乙醇1∶2混和，輕微搖動，以免破壞果膠的形成，如在15～30min內有絮狀物質出現，則說明果汁中有果膠；沒有絮狀物出現，則果汁不含果膠。根據果膠的多少，果汁中果膠含量分別記為“＋＋＋”、“＋＋”、“＋”、“－”；“＋”愈多表示果膠的含量愈多［9］。

1.3.3 其余指標的測定

（1）可溶性固形物（TSS）含量測定：按 GB/T 12295—1990規定的方法，用阿貝折射儀測定；

（2）總糖測定：采用菲林試劑法［10］；

（3）總酸測定：采用酸堿滴定法［11］；

（4）蛋白質測定：采用凱氏定氮法［12］；

（5）單寧的測定：采用福林丹試劑法［13］；

（6）澄清度的測定：采用分光光度法［14］，即以蒸餾水作空白，測定樣液在波長660nm下的透光率，用（T%）表示藍莓果汁的澄清度。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 操作時間對膜通量的影響 由圖1可知，隨著過濾時間的延長，膜通量呈現出下降趨勢，當超濾時間在15min后，膜通量的下降趨勢變緩?？赡苁且驗槟け砻娉霈F的由大分子物質形成的密集“溶質層”，濃差極化現象形成，逐漸污染了超濾膜內部的孔徑，膜孔被堵塞，使得膜通量有下降趨勢，隨著時間的推移，凝膠極化現象越來越嚴重，膜通量達到最低值并且趨于平穩。所以在后續試驗中，先運行15min使得膜通量穩定后再測定相關數據。

圖1 超濾時間對膜通量的影響Figure 1 The effect of ultrafiltration time on the membrane flux

2.1.2 操作壓力對膜通量的影響 超濾是以膜兩側的壓力差為傳質驅動力的膜分離過程，當壓力增大時，超濾膜的膜透過率也增大。因此，壓力是影響膜通量的重要因素。由圖2可知，當壓力在0.02～0.08MPa時，膜通量呈線性增長；此后隨著操作壓力不斷的增大，膜通量升高的速度越來越平緩。分析此變化的原因，認為是當壓力低于0.08MPa時，膜自身產生的阻力起主導作用，因為物料未形成較明顯的濃差極化層，所以膜通量隨壓力的增加而增加得較快；而當壓力大于0.08MPa時，膜表面形成的凝膠層以及膜自身對通量都產生了影響，所以膜通量增加趨勢減緩。

圖2 操作壓力對膜通量的影響Figure 2 The effect of operating pressure on the membrane flux

2.1.3 料液流速對膜通量的影響 超濾的過程中，濃差極化現象是影響超濾過程是否能順利進行的重要因素。濃差極化是超濾過程中膜表面截留物料濃度不斷上升所產生的與流動物料之間的濃度差。因此，進料流速的提高有利于減少濃差極化以及提高膜的透過量。由圖3可知，增加料液的流速，膜通量逐漸增大，且料液流速在0.6～1.2L/min范圍內的膜通量增長幅度相對較大。因為加快料液流速縮短了大分子物質脫離膜表面的時間，使得濃差極化現象的不利因素減輕［15］。綜合考慮，在后續試驗中，選擇1.2L/min為中心點。

圖3 料液流速對膜通量的影響Figure 3 The effect of liquid flow rate on the membrane flux

2.1.4 溫度對膜通量的影響 由圖4可知，隨著溫度的升高膜通量呈上升趨勢，溫度在20～40℃時膜通量上升較快，但溫度超過40℃后，膜通量的上升程度減緩。由于溫度的上升，果汁黏度下降，一些未能透過膜的大分子物質相繼透過濾膜，從而使膜通量增加。但溫度超過45℃后，會對超濾膜造成一定的損壞［16］。因此，溫度控制在30～40℃為宜。

圖4 溫度對膜通量的影響Figure 4 The effect of temperature on the membrane flux

2.2 響應面試驗結果與分析

2.2.1 Box-Behnken試驗設計 根據單因素試驗結果，以溫度、操作壓力、料液流速為自變量，膜通量為響應值，采用Box-Behnken設計方案（表1）優化澄清工藝，結果見表2。

2.2.2 模型的建立與顯著性檢驗 為了進一步確定果汁澄清的最佳工藝條件，采用SAS 9.1軟件，對Box-Behnken試驗結果進行多元回歸分析，獲得了二次多項回歸方程：

對該模型進行方差分析，結果見表3。

由表3可知，模型具有高度的顯著性，二次回歸模型的F值為27.424 14，P＝0.000 984（P＜0.01），失擬項的F值為6.955 963，P＝0.128 277＞0.05不顯著，模型的R2＝0.980 1，說明該模型響應值的變化98.01%都來自所選的因素，擬合度好，具有很好的代表性，可以用來預測澄清工藝理論參數。根據回歸模型方程中各因素回歸系數絕對值的大小，可以看出各因素影響膜通量的大小順序為溫度、操作壓力、料液流速；同時求得3個因素的優化條件為：溫度35.290 59℃、壓力0.082 579MPa、流速1.279 069L/min。在此條件下，膜通量的理論值為36.67mL/（m2·min）。

表1 試驗因素與水平Table 1 Experimental factors and levels

表2 Box-Behnken試驗設計及結果Table 2 Box-Behnken design and test results

表3 回歸模型方差分析表Table 3 Variance analysis of experimental results

表3 回歸模型方差分析表Table 3 Variance analysis of experimental results

＊＊表示極顯著（P＜0.01），＊表示顯著（P＜0.05）；R2＝0.980 1；Radj2＝0.944 4。

變異源 自由度 平方和 均方差 F值 Pr＞F A 1 3.892 05 3.892 05 17.498 0.008 629 B 1 10.511 11 10.511 11 47.256 18 0.000 996 C 1 0.348 612 0.348 612 1.567 303 0.265 972 A2 1 11.792 11.792 53.014 83 0.000 764 AB 1 2.856 1 2.856 1 12.840 54 0.015 818 AC 1 0.230 4 0.230 4 1.035 839 0.355 483 B2 1 14.689 34 14.689 34 66.040 77 0.000 458 BC 1 0.235 225 0.235 225 1.057 532 0.350 932 C2 1 15.968 15.968 71.789 42 0.000 376模型 9 54.899 15 6.099 906 27.424 14 0.000 984一次項 3 14.751 77 4.917 258 22.107 16 0.002 584二次項 3 36.825 65 12.275 22 55.187 29 0.000 297交互項 3 3.321 725 1.107 242 4.977 97 0.058 127殘差5 1.112 142 0.222 428失擬項 3 1.014 875 0.338 292 6.955 963 0.128 277純誤差 2 0.097 267 0.048 633總和14 56.011 29

2.2.3 響應面兩兩因素分析 根據回歸分析結果做出響應曲面圖。由圖5～7可知，在選定區域內各因素對膜通量的影響和各因素之間的交互作用表現為：隨著溫度和壓力的增加，膜通量增大的幅度較快，當溫度和壓力達到一定值后膜通量趨于平緩，對膜通量的影響差異顯著。膜通量隨著料液流速的增加呈現出先增大后減小的趨勢，差異不顯著。比較3組圖并結合表3可知，模型中的一次項溫度和操作壓力差異顯著，溫度、操作壓力、料液流速的二次項對膜通量有極顯著的影響，溫度與操作壓力之間的交互作用對膜通量有顯著影響。

圖5 溫度和操作壓力對膜通量影響的響應面圖Figure 5 Operating pressure and temperature effects on the response surface flux diagram

圖6 溫度和料液流速對膜通量影響的響應面圖Figure 6 Temperature and flow rate of liquid flux diagram impact on the response surface chart

圖7 操作壓力和料液流速對膜通量影響的響應面圖Figure 7 Operating pressure and flow rate of liquid flux diagram impact on the response surface chart

2.2.4 驗證實驗結果 為了檢驗響應面優化方法的可靠性，根據優化后得到的工藝參數，做3組平行實驗進行驗證。為了方便實際操作，將優化條件修訂為：溫度35.3℃、操作壓力0.08MPa、料液流速1.3L/min。在此條件下進行3次驗證實驗，測得實際膜通量的平均值為36.59mL/（m2·min），與理論預測值36.67mL/（m2·min）相比，誤差小于1%，說明模型擬合良好，響應面優化方法可靠。

2.2.5 藍莓果汁超濾前后理化指標的分析 由表4可知，超濾處理后的藍莓果汁澄清度明顯上升，醇試驗呈陰性，表明不含果膠，同時超濾前后的固形物含量、總糖、總酸變化較小，差異不顯著（P＞0.05），但蛋白質、果膠含量變化較大，差異顯著（P＜0.05），即超濾截留了大部分蛋白質、果膠。果汁的透光率經超濾后明顯提高，差異顯著（P＜0.05）。結果說明中空纖維超濾膜澄清藍莓果汁的效果顯著。超濾處理后的果汁在常溫下放置1個月未出現渾濁，呈穩定的澄清狀態。

表4 超濾前后藍莓果汁品質的變化Table 4 Changes of blueberry juice quality before and after ultrafiltration

3 結論

采用中空纖維膜對藍莓果汁進行澄清，在單因素的基礎上，采用中心組合試驗設計建立了操作壓力、料液流速以及溫度對膜通量影響的預測模型。確定其最佳工藝參數為：溫度35.3℃，操作壓力0.08MPa，料液流速1.3L/min。該條件下的藍莓果汁的透光率達到97.8%，膜通量為3 6.59mL/（m2·min）；超濾處理對果汁中總糖、總酸的影響不顯著。

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