降低濃縮果汁中不溶物含量的技術研究與產業應用

曲昆生，郝亞斌，蔡晉，于東華，孟秀芹，包振

（煙臺北方安德利果汁股份有限公司，山東煙臺264100）

果汁加工行業中普遍采用超濾設備截留果汁中的不溶性物質及大分子物質，以保證濃縮清汁的質量[1-4]。然而，當潴留罐截留的不溶物含量達到25%～35%時，現行的超濾工藝要求超濾停止加工果汁而對潴留罐罐底物進行加水提糖處理，將其中大部分糖分提取出來，當罐底物中果汁糖度為2%時全部排空，通常超濾每運行20～24 h進行一次提糖。生產后期，當原料的成熟度較大時，酶解汁中不溶物含量明顯升高，超濾每運行13～16 h潴留罐罐底物即需要提糖。提糖頻率增高，一方面造成了耗水、蒸發器耗能、糖分損失、增加了污水的排放量，另一方面增加了生產成本、降低了生產效率。目前，文獻中報道的不溶物控制技術主要集中在對前處理、離心分離、臥螺分離、超濾等技術的相關研究上[5]。本文以煙臺富士蘋果、陜西和山西秦冠蘋果為原料，對降低果汁加工過程的不溶物含量的技術進行了探索。通過在酶解工序中添加復合纖維素酶來降低酶解汁中的不溶物含量、提高超濾通量、延長超濾運行時間，以實現濃縮果汁生產的產業化。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

富士蘋果：產自山東省煙臺市牟平區；秦冠蘋果：產自陜西省白水縣及山西省永濟市；蘋果汁：取樣于煙臺北方安德利果汁股份有限公司生產車間。

酶制劑：復合纖維素酶，酶活力10 000 U/g，上海嘉衡生物科技有限公司。復合纖維素酶的主要成分包括：內切葡聚糖酶20%～60%，外切葡聚糖酶30%～50%，β-葡萄糖苷酶10%～20%。復合纖維素酶中的內切葡聚糖酶：產生寡聚纖維素；外切葡聚糖酶，作用于寡聚纖維素，產生纖維二糖；β-葡萄糖苷酶（纖維二糖酶）作用于纖維二糖，產生葡萄糖。

1.2 儀器與設備

FWC-4破碎機，德國BELLMER公司；BFRU2500LR榨汁機，德國FLOTTWEG公司；40 t酶解及超濾潴留罐，煙臺永盛金屬結構有限公司；25 m3/h超濾機，南京凱米科技有限公司；L600離心機，長沙湘儀離心機儀器有限公司。

1.3 蘋果汁的制作工藝流程

1.3.1 工藝流程

蘋果汁的加工工藝流程見圖1。

圖1 蘋果汁的加工工藝流程圖Fig.1 Flow chart of apple juice

1.3.2 操作要點

（1）原料破碎

清洗后的原料果采用破碎機破碎成果漿。

（2）壓榨

使用榨汁機對果漿進行壓榨，保留果汁，將果皮等果渣排出。

（3）高溫瞬時殺菌

將果汁進行高溫瞬時殺菌，同時將其中的淀粉糊化。殺菌溫度≥98℃，殺菌時間≥30 s。

（4）酶解

在酶解罐中添加果膠酶、淀粉酶，將果汁中的果膠、淀粉等大分子物質分解，以提高果汁色值及其穩定性、超濾通量。果膠酶及淀粉酶的使用量以果膠、淀粉檢測為陰性結果為標準。果汁酶解溫度為50～55℃。

（5）超濾

酶解后的果汁通過潴留罐進入超濾設備，經過超濾膜進行過濾，進一步濾除果汁內大顆粒和大分子物質。超濾膜孔徑為0.02～0.2 μm，截留不溶物含量≤35%，允許可溶性固形物含量≤18%。

1.4 試驗方法

果汁加工過程中，在按常規工藝、常規添加量添加果膠酶、淀粉酶的基礎上，酶解工序同時添加復合纖維素酶，研究其添加量、作用時間對酶解汁不溶物含量、超濾通量以及超濾有效運行時間的影響。

酶解溫度50～55℃，酶解時間30～75 min（依據煙臺北方安德利果汁股份有限公司生產線上酶解汁的酶解溫度，果膠酶、淀粉酶的酶解時間）。

1.4.1 復合纖維素酶添加量對酶解汁不溶物含量的影響

根據果汁中果膠、淀粉測定為陰性的生產經驗，固定果膠酶的用量為25 mL/t、淀粉酶的用量為20 mL/t，在1.3.2中所述酶解工藝中添加復合纖維素酶，其添加量分別為 0、20、30、50、75、100、150 mL/t，酶解時間為 45 min，研究不同添加量的復合纖維素酶對酶解罐中酶解汁的不溶物含量的影響，確定復合纖維素酶的適宜添加量。

1.4.2 復合纖維素酶酶解時間對酶解汁不溶物含量的影響

復合纖維素酶添加量為50 mL/t，研究復合纖維素酶酶解時間（20、30、45、60、75、90 min）對酶解汁中不溶物含量的影響，確定復合纖維素酶的適宜酶解時間。

1.4.3 添加復合纖維素酶對超濾通量及超濾有效運行時間的影響

固定復合纖維素酶的添加量為50 mL/t，酶解時間45 min，確定復合纖維素酶的添加與否對超濾通量及超濾有效運行時間的影響。其中，以超濾潴留罐中不溶物含量達到35%時計算超濾有效運行時間。

1.5 理化指標的測定方法

1.5.1 果膠及淀粉定性檢測方法

果膠的定性檢測、淀粉的定性檢測均采用GB/T 18963-2012中所示的方法[6]。

1.5.2 不溶物含量

不溶性固形物的檢測采用GB/T 18963-2012中所示的方法[6]。

1.5.3 超濾時間的確定

超濾運行13 h后，每0.5 h測定一次超濾潴留罐中不溶物的含量，確定超濾每周期運行時間，即潴留罐不溶物含量達到35%（v/v）所需時間。

1.6 數據處理

所有試驗重復3次，所得結果表示為均值。

2 結果與分析

2.1 復合纖維素酶添加量對酶解汁不溶物含量的影響

從表1中可以看出，在酶解工序添加復合纖維素酶可以降低酶解罐中酶解汁的不溶物含量，延長潴留罐中果汁的提糖時間，且隨著復合纖維素酶添加量的增大，效果越好。但酶解罐中添加量達到100 mL/t以上時，對不溶物含量的降低效果已不明顯。綜合考慮酶制劑的作用效果，選擇在酶解工序添加30～100 mL/t的復合纖維素酶，酶解時間和酶解溫度依據常規工藝下的條件即可。

表1 復合纖維素酶添加量對酶解汁中不溶物含量的影響Table 1 The effect of the amount of compound cellulase on the insoluble matter content in enzymatic hydrolysis juice

2.2 復合纖維素酶酶解時間對酶解汁不溶物含量的影響

表2 復合纖維素酶酶解時間對酶解汁不溶物含量的影響Table 2 Effects of adding compound cellulase in insoluble solid content of clarified juice

表2顯示的是復合纖維素酶酶解時間對酶解汁中不溶物含量的影響，酶解罐中復合纖維素酶添加量為50 mL/t，酶解汁中不溶物含量隨著酶解時間的延長而降低，當酶解45 min之后，酶解汁不溶物含量基本不變。因此，酶解時間為45 min較適宜。

2.3 添加復合纖維素酶對超濾通量及超濾有效運行時間的影響

表3 添加復合纖維素酶對超濾通量及超濾有效運行時間的影響Table 3 Effects of adding compound cellulase on ultrafiltration flux and effective operation time

從表3中可以看出，添加50 mL/t復合纖維素酶，超濾每周期運行時間從13.0 h延長到22.5 h以上，超濾每周期運行時間延長71.8%以上，且每周期超濾的平均通量提高10.2%以上。

2.4 不溶物含量降低技術對果汁品質的影響

表4 不溶物含量降低技術對濃縮蘋果汁品質的影響Table 4 Effects of technology for insoluble solid content reduction on the quality of apple juice concentrate

從表4中可以看出，常規工藝、不溶物含量降低技術中，蘋果的可溶性固形物含量、色值、濁度等指標差異不大，因此，不溶物含量降低技術對濃縮蘋果汁中的品質沒有影響。

2.5 不溶物含量降低技術的產業化

圖2、圖3為2018年10月15日～12月31日，相同加工條件下，采用原工藝、不溶物含量降低工藝的超濾運行時間、超濾通量的統計結果。通過反復比較實驗，確定了完善的不溶物含量降低技術，并實現產業化。從運行結果看，加工成熟度較大的蘋果，超濾從每運行13～16 h進行一次提糖延長到20～24 h，超濾每周期有效運行時間提高45%以上；且每周期的平均通量比正常工藝提高10%以上。

圖2 不溶物含量降低技術對超濾有效運行時間的影響Fig.2 The effect of insoluble matter content reduction technology on the effective operation time of ultrafiltration

圖3 不溶物含量降低技術對超濾平均通量的影響Fig.3 The effect of insoluble matter content reduction technology on the average flux of ultrafiltration

3 結論

在酶解工序和超濾潴留罐中添加復合纖維素酶可以降低酶解罐中酶解汁的不溶物含量，延遲潴留罐中果汁的提糖時間，且隨著添加量的增大，效果越好。但酶解罐中添加量達到100 mL/t，對不溶物含量的降低效果已不明顯。綜合考慮酶制劑的作用效果，選擇在酶解工序添加30～100 mL/t的復合纖維素酶，酶解時間和酶解溫度依據常規工藝下的條件即可。采用不溶物含量降低技術，加工成熟度較大的蘋果，超濾從每運行13～16 h進行一次提糖延長到20～24 h，超濾每周期有效運行時間提高45%以上；且每周期的平均通量比正常工藝提高10%以上。