不同預處理方式對檸檬果汁超濾澄清效果和膜污染情況的影響

金麗梅,王 旭,田 偉,楊宏志,劉 偉,魏春紅,夏 爽

(黑龍江八一農墾大學食品學院,黑龍江大慶 163319)

新鮮果汁在加工和貯藏過程中易變色和沉淀,澄清是提高果汁加工產品質量、延長貨架期以及提高產品附加值的關鍵技術環節之一。目前常見的果汁澄清方法主要有果膠酶法[1-3]、電荷中和澄清[4-5]、加熱絮凝澄清、冷凍和吸附澄清等[6-7],然而上述方法普遍存在成本高、操作復雜、澄清處理耗時長、易引起果汁二次沉淀等問題,在實際應用中受到了限制[8]。

超濾作為膜分離技術的一種,能夠去除果汁中的果膠、淀粉等大分子物質和微小的果蔬組織碎屑等,具有條件溫和、澄清快速、效果穩定、低溫節能等優點[9-11],廣泛應用于果汁加工業。金振宇等[12]使用中空纖維超濾膜澄清藍莓果汁,果汁的透光率為97.8%，且其中的糖、酸等含量無明顯影響。龔彥文等[13]以切割分子量為10、50和100 kDa的聚砜超濾膜在不同壓力下對橙汁進行澄清實驗,結果表明上述超濾過程可以脫除果汁中的蛋白質和果膠,透過液澄清度較高。D.Saura等[14]采取正切流過濾技術澄清檸檬汁,研究了果汁中芳香化合物的濃度隨超濾膜孔徑的變化規律。在超濾過程中,果汁中的果膠、蛋白質等大分子物質在膜表面形成的凝膠污染層,以及小分子物質引起的膜孔堵塞、膜表面的濃差極化現象等,均會引起膜通量的下降[15]。因此,超濾膜污染控制以及膜清洗等問題是決定其能否得到廣泛應用的技術關鍵[16-17]。

目前人們嘗試了幾種技術手段來緩解膜污染,首先從膜材料上看,無機陶瓷膜因為親水性好、抗污染能力強被廣泛使用。另外,果膠酶法澄清果汁時,采取物理或化學方法強化預處理過程,有利于分解部分果膠,節約酶用量,增大超濾膜通量并減少膜孔堵塞。吳燕華等[8]向果汁中添加聚乙烯聚吡咯烷酮(PVCC),再通過超濾膜除去大分子的酚類物質和蛋白質等,取得了較好的處理效果。超聲技術是指利用頻率在20 kHz以上的聲波強化胞內物質的釋放、擴散和溶解等,在活性物質的提取方面得到了廣泛應用[20],在膜技術領域也常用于膜污染的清洗[18]。目前果汁超濾的研究主要集中在操作溫度、跨膜壓力等工藝參數優化及果汁中溶質的截留透過情況等,而果汁的預處理方式對超濾效能的影響研究還較鮮見。

因此本研究擬采取超聲與果膠酶處理相結合的方式預處理檸檬汁,并采取不同切割分子量的超濾膜對檸檬汁進行澄清,對比研究了幾種預處理方法對超濾澄清果汁效果及超濾性能的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

聚丙烯腈(PAN)超濾膜(MWCO 50kDa)、聚醚砜(PES)超濾膜(MWCO 30 kDa) 北京賽普瑞特公司;新鮮檸檬 大慶華聯超市;果膠酶 酶活力40000 U/g,來源于黑曲霉,北京索萊寶科技有限公司;氫氧化鈉、冰醋酸、無水氯化鈣 天津市大茂化學試劑廠(AR)。

ZZ103榨汁機 中山市優盟電器有限公司;KQ-500DE超聲波清洗器 昆山超聲儀器有限公司;TD5A臺式離心機 長沙英泰儀器有限公司;723A可見分光光度計 上海光譜儀器有限公司;DHB-3A真空泵 鄭州長城科工貿有限公司;DGG-9140B電熱恒溫鼓風干燥箱 上海森倍儀器有限公司;XFUF07601超濾膜分離實驗裝置 美國Millipore公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 檸檬汁制備及預處理 在前期研究工作[19]中優化了檸檬汁制備及澄清工藝參數,即新鮮檸檬經挑選清洗后人工去皮擠壓榨汁,用紗布進行粗濾,并按體積比1∶3的比例加水兌成檸檬汁,然后分別進行果膠酶(①)、果膠酶+超聲(②)以及未經果膠酶+超聲(③)三種形式的預處理,果汁出現沉淀分層后,在3500 r/min下離心10 min并進行超濾,得到澄清檸檬汁。

1.2.1.1 果膠酶法預處理 準確稱取上述100 mL檸檬汁加入0.05%(wt.)的果膠酶,在室溫20 ℃下恒溫放置3 h,隨后進行沉淀等后續工藝步驟。

1.2.1.2 果膠酶+超聲預處理 重復上述果膠酶法預處理過程,并將上述檸檬汁放入超聲波清洗器中,在超聲功率90 W、溫度40 ℃、超聲時間10 min的條件下對檸檬汁進行沉淀等后續工藝步驟。

1.2.1.3 未經果膠酶+超聲處理 檸檬汁經稀釋后,無需添加果膠酶,不進行超聲處理,直接進行沉淀等后續工藝步驟。

1.2.2 果汁超濾實驗 首先將聚丙烯腈(PAN)和聚醚砜(PES)超濾膜剪成直徑為76 mm的圓形,用去離子水洗凈后正面向上放置在超濾裝置中。取1.2.1離心后的上清液100 mL倒入超濾杯中,打開磁力攪拌器調整其轉數為179 r/min,在設定的壓力下進行超濾實驗。

1.2.2.1 超濾膜的篩選 分別選擇前述兩種不同超濾膜,壓力控制在0.05 MPa,以果膠酶和果膠酶+超聲兩種方法處理后的檸檬汁為原料,對比分析超濾透過液中的果膠含量和透光率,篩選出較優的超濾膜進行后續實驗。

1.2.2.2 不同預處理方式對果汁品質的影響 使用PAN膜進行超濾實驗,壓力控制在0.05 MPa,考察果膠酶、果膠酶+超聲以及未經果膠酶+超聲三種不同預處理方式對檸檬汁中的果膠含量和透光率的影響。

1.2.2.3 不同預處理方式對果汁超濾通量的影響 使用PAN超濾膜,壓力控制在0.05～0.20 MPa之間,考察不同預處理方式和壓力變化對超濾膜通量的影響。

1.2.2.4 超濾壓力對檸檬汁品質的影響 采用超聲+果膠酶結合的方式在前述條件下制備檸檬汁,使用PAN膜進行超濾實驗,操作壓力控制在0.05～0.20 MPa,研究超濾壓力對檸檬汁中果膠含量和透光率的影響。

1.2.2.5 膜污染及清洗 將上述三種方式預處理后的檸檬果汁在0.1 MPa下使用PAN膜進行超濾試驗,研究不同預處理方式下膜通量的衰減規律,分析檸檬汁超濾過程的膜污染情況。在膜過濾完成后,立即將膜片用pH=10的NaOH溶液進行清洗,并繼續向膜裝置內注入檸檬汁重復實驗并測定其通量恢復情況。

1.2.3 指標測定

1.2.3.1 果膠含量測定 采取重量法測定果膠含量[20]。準確稱取樣品30 g于燒杯中,加去離子水150 mL,加熱1 h(加熱過程中不斷攪拌并加水補充蒸發量),冷卻后移入250 mL容量瓶中,加水定容搖勻。吸取25 mL,并加100 mL氫氧化鈉溶液(0.1 mol/L),放置0.5 h,再加50 mL的醋酸溶液(1 mol/L),5 min后加入50 mL氯化鈣溶液(2 mol/L),放置1 h。加熱沸騰5 min后立即用烘干至恒重的濾紙過濾,用熱水洗滌至無氯離子為止(用硝酸銀檢驗)。然后把帶濾渣的濾紙放在烘干至恒重的稱量瓶內,置于105 ℃烘箱中烘至恒重。

式中:G-濾渣重量,g;W-樣品重量,g;0.9235-果膠酸銨換算成果膠質的系數。

1.2.3.2 透光率的測定 離心處理后的檸檬汁上清液采用分光光度計測定其透光率,首先將檸檬汁倒入1 cm石英比色皿中,在波長為625 nm處測定其透光率,并使用蒸餾水作對比[21]。

1.2.3.3 膜通量的測定 在超濾膜過濾系統中加入上述條件下處理的果汁,調整不同的測試壓力,膜的通量(J)按下式計算:

J=V/AΔt

式中:J-膜通量,L/(m2·h);V-透水體積,L;A-有效過濾面積,m2;Δt-過濾時間,h。

1.2.3.4 膜通量的衰減速率 超濾膜的通量衰減速率可用膜通量的衰減比表示,其值為初始膜通量與某時刻的膜通量之間的比值。

1.3 數據處理

2 結果與分析

2.1 超濾膜的篩選

分別采用聚丙烯腈(PAN)和聚醚砜(PES)兩種不同超濾膜處理檸檬汁,進行對比實驗,實驗結果如表1所示。

由表1可知,在酶處理的基礎上,無論是否進行超聲輔助處理,在實驗條件下兩種超濾膜對檸檬汁的果膠含量及透光率影響并無明顯區別,其中果膠含量均在0.86%左右,而透光率均在99.6%左右。表明上述兩種超濾膜均能對檸檬汁起到很好的澄清效果。一般而言,超濾膜截留分子量越小,其膜孔徑越小[22],即切割分子量為50 kDa的PAN膜孔徑大于切割分子量為30 kDa的PES超濾膜的孔徑,為了獲得更高的膜通量,故接下來以PAN膜進行超濾實驗研究。

表1 不同超濾膜對檸檬汁品質的影響

2.2 不同預處理方式對果汁品質的影響

果膠酶處理、果膠酶與超聲協同處理以及未經果膠酶和超聲處理三種方式對檸檬汁的品質影響如圖1所示。由圖1可見,未經酶及超聲處理的果汁中果膠含量為3.8%,透光率為50.6%;酶處理之后,果汁透光率提高到77%左右,果膠含量則大幅降低到2.9%左右。超聲+果膠酶處理后果汁透光率仍為77%左右,但超聲之后果膠的含量降至2.2%,以上結果表明超聲+果膠酶處理有利于促進果汁中大分子果膠進一步降解。

圖1 不同處理方式對檸檬汁品質的影響

2.3 不同預處理方式對果汁超濾通量的影響

不同預處理方式對超濾膜通量以及果汁澄清效果的影響如圖2所示。由圖2可見,隨著壓力從0.05 MPa提高到0.10 MPa時,未經酶+超聲處理的果汁超濾通量從12 L·m-2·h-1緩慢增大到14 L·m-2·h-1;而酶處理后的果汁,超濾通量從23 L·m-2·h-1增大到30 L·m-2·h-1,再繼續提高壓力時膜通量變化不明顯;酶+超聲處理的果汁超濾通量基本不隨壓力而變化,特別是壓力增大到0.2 MPa時膜通量反而略有下降。這是由于未經酶+超聲處理的果汁中含有未分解的大分子果膠,極易吸附在膜表面形成膜污染，從而增大過濾阻力,因此隨著壓力增加,膜兩側的過濾推動力增大從而提高膜通量。酶解后的果汁中果膠被部分分解,在壓力的驅動下會迅速在膜表面聚積,同時小分子物質也會在膜孔內發生堵塞,因此當壓力高于0.1 MPa時,膜通量變化不明顯。在超聲與果膠酶的協同作用下,檸檬汁中的果膠等大分子經超聲處理后會引起分子的進一步斷裂(從圖1的結果得到證實),此時膜污染的主要形式是膜孔內的架橋和堵塞,而不只是在膜表面的吸附,因此當膜阻力基本一定時,再提高壓力膜的通量變化不明顯。當壓力提高到0.20 MPa時,膜污染層更加致密,通量從32 L·m-2·h-1下降到30 L·m-2·h-1。

圖2 不同預處理方式對超濾通量的影響

壓力一定時,不同預處理方式對超濾膜通量大小的影響規律始終是酶+超聲處理>酶處理>未經酶+超聲處理,如壓力為0.1 MPa時,其穩定通量分別為33.5、30和13 L·m-2·h-1左右。由此可見,酶處理有利于提高膜的通量,而超聲作為酶法果汁澄清的輔助手段,則會進一步提高超濾通量并減緩膜污染,且較優的操作壓力可確定為0.05～0.15 MPa。

2.4 超濾壓力對檸檬汁品質的影響

不同壓力下超濾檸檬汁時,透過液中果膠含量和透光率如圖3所示。由圖3可見,壓力在0.05～0.15 MPa這一區間,果汁的透光率基本不變化,基本上保持在99.5%左右,當壓力大于0.15 MPa時,透過液中的果膠含量增加,果汁的透光率略微下降到90%左右。

圖3 超濾壓力對檸檬汁品質的影響

壓力由0.05 MPa增加到0.10 MPa時,透過液中果膠含量首先呈下降趨勢,繼續提高壓力到0.2 MPa時,透過液中果膠含量又逐漸升高。這是由于在0.05～0.10 MPa這一壓力區間,提高壓力時果膠等物質容易堵塞膜孔從而提高其截留率。但繼續提高超濾壓力,超濾膜的孔徑在壓力的作用下不斷增大,而大分子果膠在果膠酶和超聲的協同作用下發生了分子斷裂形成了小分子物質,在較大的過濾推動力下更容易穿過超濾膜,導致濾液中果膠含量增高。由以上分析,采取超聲與果膠酶協同處理有利于提高果汁的超濾澄清效果及超濾通量,結合前面2.3節的試驗結果,較優的超濾壓力可確定為0.1 MPa,此時檸檬汁透過液中果膠含量為0.5%,透光率為99.6%。

2.5 膜污染

膜污染及清洗結果如圖4所示。由圖4可見,過濾之初膜通量均顯著下降,說明這一階段膜污染迅速形成。在超濾進行到5 min時,未經酶+超聲處理、酶處理、酶+超聲三種預處理方式下通量衰減比分別為1.67、1.25和1.12左右,可見酶+超聲處理后的果汁超濾過程中膜污染相對較緩慢。隨著時間的延長,未分解的果膠、蛋白質和一些大分子物質在超濾膜表面進一步截留,聚積成一層密集的“溶質凝膠層”,并開始出現濃差極化及膜孔的污染堵塞,超濾膜通量繼續緩慢下降[16,23]。比較而言,未經酶+超聲處理的穩定膜通量僅為9.0 L·m-2·h-1左右,而酶處理和酶+超聲處理后的穩定通量分別為28.2和25.8 L·m-2·h-1左右,由此可見,未經酶+超聲的果汁中果膠等大分子在過濾之初很快吸附在膜表面上,形成較厚并穩定的凝膠污染層,造成通量明顯降低。超聲和果膠酶處理后的果汁其膜污染相對較小,特別是超聲+酶處理之后的膜通量略低于酶處理后的通量,其原因在于超聲容易造成大分子物質的斷裂，從而生成分子鏈段較小的物質，引起部分膜孔堵塞而造成通量的小幅衰減。

圖4 不同預處理方式下膜通量的衰減規律

未經酶+超聲處理的穩定膜通量為9.0 L·m-2·h-1左右,清洗后的膜通量在5.7 L·m-2·h-1左右,通量恢復效果較差,這是由于果膠等大分子未經酶解,在過濾之初很快吸附在膜表面上,形成較厚并穩定的凝膠污染層,不易清洗。酶處理的果汁其通量大約由清洗前的28.2 L·m-2·h-1恢復到20.5 L·m-2·h-1,其果膠大分子易在膜表面堆積覆蓋并形成比較強的作用力,吸附在膜表面不利于去除。經超聲+酶處理后的檸檬汁其通量恢復情況最好,清洗后的通量仍在22.6 L·m-2·h-1左右,與清洗前通量25.8 L·m-2·h-1相近。這是由于超聲后的果汁產生的小分子物質并沒有產生嚴重的堵塞膜孔的現象,清洗后易于溶解清除。A.Cassano[24]的研究結果表明在獼猴桃汁澄清試驗中膜表面的污染物主要是懸浮顆粒和大分子物質,屬可逆污染。

由此可見,超聲輔助果膠酶法預處理檸檬汁,可顯著降低其果膠含量,超濾膜通量得到提高,且有利于膜清洗后通量的恢復,超聲作為果膠酶處理的輔助手段起到了良好的處理效果。

3 結論

超聲輔助果膠酶預處理有利于促進果膠的進一步分解,提高果汁的透光率,并且在后續超濾膜處理過程中,有利于提高超濾膜的通量。未經酶及超聲處理后的膜通量衰減很快,且通量恢復效果較差;經超聲+酶處理后超濾通量衰減較小,且通量恢復效果較好,基本上與清洗前的通量相近。較優的超濾膜的操作壓力為0.1 MPa,此時檸檬汁透過液中果膠含量為0.5%,透光率為99.6%。超聲作為果膠酶的輔助處理手段，在果汁澄清中起到了較好的處理效果。