直接膜法與順序膜法處理藍莓汁的工藝比較

蔡銘，謝春芳，王龑，鄒仙果，楊開

(浙江工業大學 食品科學與工程學院，浙江 杭州，310014)

藍莓，又名篤斯、黑豆樹(大興安嶺)為杜鵑花科越橘屬植物，其漿果呈深藍色，近圓形，表皮一層白霜，含有豐富的VC、多酚、多糖，花色苷等營養成分。藍莓中的化學成分既具有藥物學性質，又具有生物活性功能，如抗氧化、抗衰老、改善眼部血液循環等，因此近年來受到消費者的認可[1]。藍莓果汁繼紫葡萄汁、黑莓汁和桑葚汁后作為天然紅色果汁飲料的新興飲料也受到了消費者的追捧。相較于蘋果汁、梨汁、桃汁等，天然紅色果汁飲料的特征性成分為花色苷，如藍莓果汁中主要為飛燕草素、矢車菊素、芍藥素、矮牽牛素、天竺葵素等花青素與糖通過糖苷鍵結合而成的苷類物質[2], 黑莓果汁中主要為矢車菊素、天竺葵素、錦葵素等與糖結合成的苷類物質[3-4]。

果汁的生產以盡可能的保持新鮮水果的獨特性以及其營養價值為目的，天然花色苷成分賦予果汁鮮艷色澤的同時又具有較好的生理活性，但其穩定性較差，易受到溫度、pH、光照等因素的影響。膜過濾工藝較于傳統的酶法澄清、熱濃縮等工藝具有溫度低、壓力小、不損害物質生物活性、能耗低、設備簡單、可連續生產、無污染等優點[5]。因此，膜技術也被越來越多地應用到果汁加工領域,如VIVEKANAND等[6]使用5 000 Da 截留分子質量的螺旋膜處理梨汁，得到澄清梨汁的同時也提高了梨汁的穩定性。AREND等[7]使用納濾膜濃縮草莓中的多酚，得到的濃縮草莓汁抗氧化活性提高了60%。CONIDI等[8]研究了超濾和納濾膜從石榴汁中分離純化酚類化合物并考察了所選膜的產率和分離能力，發現聚酰胺類膜的產率高，污垢指數低，分離效率好，且截留液顯示出較高的抗氧化活性。GHOSH等[9]使用超濾膜(50 kDa)對果汁澄清后采用納濾膜(300 Da)濃縮，證實了集成膜處理果汁的可行性。就藍莓汁領域，有單獨利用超濾或納濾對藍莓汁進行澄清和濃縮處理的研究[10-11]，但是利用不同膜工藝加工藍莓汁產品的對比研究并未見報道。

本實驗比較了直接與順序膜法處理藍莓汁的工藝，考察了直接超濾、直接納濾和順序超濾+納濾對藍莓果汁滲透通量和果汁理化性質的影響，分析了過濾前后膜表面特性的變化。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

藍莓(兔眼藍莓),杭州市鮮豐水果店；聚醚砜超濾膜(5 kDa)、聚酰胺納濾膜(300 Da),中科瑞陽膜技術(北京)有限公司；葡萄糖(標準品)、濃H2SO4、苯酚(分析純),國藥集團化學試劑有限公司；無水Na2CO3(分析純),太倉美達試劑有限公司；NaOH、KCl、無水醋酸鈉(分析純),天津博迪化工股份有限公司；纖維素酶、果膠酶,阿拉丁試劑公司；福林-酚試劑,美國Sigma公司；矢車菊素-3-葡萄糖苷(>97%),上海源葉生物科技有限公司。

數顯恒溫水浴鍋,江蘇省金壇市醫療儀器廠；S-4700(II)場發射掃描電子顯微鏡、離心機,日本日立公司；UV-2450紫外-可見分光光度計,日本島津公司；三聯高壓平板膜設備,廈門福美科技有限公司；漩渦振蕩混合器,上海琪特儀器有限公司； pH計,奧豪斯儀器有限公司；電子天平,梅特勒-托利多儀器有限公司；榨汁機,飛利浦有限公司；接觸角測量儀,德國Dataphysics公司； zeta電位儀,奧地利Anton Paar公司； ColorQuest XE色差儀,美國HunterLab公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 藍莓汁制備及預處理

稱取新鮮藍莓經清洗，熱燙(100 ℃蒸汽熱燙3 min)，打漿，添加0.22%果膠酶和0.73%纖維素酶，在溫度為50 ℃水浴鍋中酶解100 min，榨汁，紗布粗濾后布氏漏斗抽濾，4 500 r/min離心15 min后得到藍莓汁，置于-20 ℃冰箱內儲藏作為后續實驗的原料[12]。過濾實驗前將原果汁稀釋20倍，作為進料液。

1.2.2 實驗裝置

本實驗使用錯流膜分離實驗裝置，如圖1所示。高壓泵2提供實驗所需要的操作壓力，將料液泵入膜組件5(可拆卸更換膜)中進行膜分離，通過調節閥門8控制系統的操作壓力，流量計3測定溶液流速，壓力表4、7分別測定系統的進口壓力和出口壓力，計算跨膜壓差，量筒6 測定滲透液的體積，被膜截留的液體返回儲液罐1。

1-進料罐；2-泵；3-流量計；4、7-壓力表；5-膜組件；6-量筒；8-進料閥圖1 膜分離裝置實驗圖Fig.1 Schematic diagram of the membrane separation device

1.2.3 不同膜過濾工藝

選擇了2種不同的平板膜，用于順序過濾及直接過濾藍莓汁，最終得到體積減少系數為4.0的藍莓汁，工藝流程如圖2所示：

圖2 不同膜過濾工藝流程Fig.2 Flow chart of different membrane filtration

直接超濾：取藍莓汁約2 L，用截留分子質量為5 kDa 的超濾膜在1.0 MPa、600 r/min下進行超濾澄清，得到1.5 L滲透液。

直接納濾：取藍莓汁約2 L，用截留分子質量為300 Da的納濾膜在1.2 MPa、600 r/min下進行納濾濃縮，得到0.5 L截留液。

順序膜法：取藍莓汁約2 L，用截留分子質量為5 kDa 的超濾膜在1.0 MPa、600 r/min下進行超濾澄清，得到1 L超濾滲透液，再經截留分子質量為300 Da 的納濾膜進行納濾濃縮，得到0.5 L截留液。

藍莓汁的體積減少系數計算如公式(1)所示[13]：

(1)

式中：V0為進料液體積，L；Vf為截留液體積，L。

滲透液體積的計算如公式(2)所示：

Vp=V0-Vf

(2)

式中：Vp為滲透液體積，L。

1.2.4 藍莓汁理化性質分析

測定不同膜法得到的滲透液及截留液的理化指標。

1.2.4.1 果汁澄清度的測定

根據MONDAL等[14]的方法，以蒸餾水作為空白，測定樣品在660 nm下的吸光度，用T表示樣品的澄清度，計算如公式(3)所示：

T=100×10-A

(3)

式中：T為澄清度；A為樣品在660 nm下的吸收值。

1.2.4.2 總花色苷(total anthocyanins content, TAC)的測定

采用pH示差法[15]。根據溶液介質中花青素會隨pH的改變而發生結構的轉變，其結構的轉變是pH 的函數，而干擾物的特征光譜不隨pH的改變而發生變化。所以通過2個pH、同一波長(花青素最大吸收波長)下的吸光值差，結合Fuleki T公式測得總花色苷的含量。在25 ℃條件下，取10 mL藍莓汁，4 500 r/min離心15 min，收集上清液，取2個10 mL容量瓶各加入1 mL上清液，分別用pH值為1.0 KCl緩沖液和pH值為4.5醋酸鈉緩沖液定容，在冰箱內避光靜置2 h，以蒸餾水為空白，分別在520 nm和700 nm下測吸光值A520和A700，TAC含量按公式(4)計算(結果以矢車菊素-3-葡萄糖苷計)：

TAC含量/(mg·L-1)=

(4)

式中：MW為矢車菊素葡萄糖苷的分子質量(449.2 g/mol)；DF為稀釋倍數；ε為矢車菊素花葡萄糖苷的摩爾消化系數，26 900 L/(mol·cm)；L為比色皿的寬度，取1 cm。

1.2.4.3 總酚含量的測定

參考牛雪等[16]的方法。取1 mL膜法過濾得到的藍莓汁加入5 mL質量分數10%福林-酚試劑，搖勻反應3～8 min，然后加入4.0 mL質量分數7.5% Na2CO3溶液，搖勻。室溫下放置60 min后在765 nm波長處測吸光度。以蒸餾水為空白對照，用沒食子酸標準品建立標準曲線，得到標準方程y=21.54x+0.007 2,R2= 0.999 4，定量范圍為0.01～0.05 mg/mL。測定出樣品的吸光度，用回歸方程計算出樣品溶液中總酚的含量。

1.2.4.4 總糖含量的測定

采用苯酚-硫酸測定法[17]。精確吸取不同膜法過濾得到的藍莓汁樣品2.0 mL，加入質量分數6%苯酚1 mL、濃H2SO45 mL，振蕩搖勻后沸水浴15 min，取出后迅速冷卻至室溫，測定490 nm波長處的吸光度，以蒸餾水為空白對照，采用葡萄糖標準品建立標準曲線，方程為y=18.143x+0.001 4,R2= 0.999 8，定量范圍為0.01～0.04 mg/mL。測定樣品的吸光度，根據標準曲線方程計算出樣品總糖含量。

1.2.4.5 果汁pH的測定

使用手持式pH計測定。

1.2.4.6 果汁色差的測定

用色差計進行分析[18]，其中：L*值表示亮度，L*越大亮度越大；a*值表示紅色強度；b*表示黃色強度。ΔE*表示總顏色變化，計算如公式(5)所示：

(5)

式中：L0，a0，b0是樣品在標準樣品的顏色值。

1.2.4.7 總酚、花色苷、總糖等組分的保留率

按照公式(6)計算組分保留率[19]：

(6)

式中：CP為滲透液中組分濃度；CF為進料液組分濃度。

1.2.5 膜通量測定

通過一定時間內測定的透過液體積(ΔV)，計算出過濾過程的膜通量(Jv)，其計算如公式(7)所示[20]：

(7)

式中：Jv為過濾過程中的膜通量，L/(m2·h)；ΔV是在相同時間間隔內收集的透過液體積，L；Am為膜有效面積，m2(Am=7.34×10-3m2)；t為間隔時間，h。

1.2.6 zeta電位測量

zeta電位反應了膜的電荷性。將超濾膜樣品裁剪成合適矩形大小，插入塑料試管中，浸入含有質量分數為0.5%聚丙烯酸的10 mmol/L KCl 溶液，通過zeta電位儀檢測膜表面電荷隨pH的變化情況。原始超濾膜記為M1，直接超濾后膜記為M2，順序超濾后膜記為M3，原始納濾膜記為M4，直接納濾后膜記為M5，順序納濾后膜記為M6。

1.2.7 接觸角測量

參考文獻[21]，將超濾膜樣品置于載玻片上并用雙面膠粘貼確保膜表面平整。微量進樣器取2 μL 去離子水，每張膜樣品測3個不同的點取平均值。

1.2.8 掃描電鏡分析

采用場發射掃描電子顯微鏡(field emission scanning electron microscopy，FE-SEM)對膜表面微結構進行表征[22]。

1.3 數據處理與分析

本實驗所有數據均重復測定3次，使用SPSS 18.0軟件進行數據處理，采用Origin 9.1軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同膜法工藝對藍莓汁理化指標的影響

如表1所示，直接超濾對花色苷與總酚的保留率分別為92.7%和81.5%，這一結果與MADY等[23]探究不同超濾膜和跨膜壓力對總花色苷的保留率結論一致。經過直接超濾后果汁澄清度提高，由28.84%增至為91.71%，與金振宇等[10]使用中空纖維超濾膜澄清藍莓汁，得到果汁的透光率為97.8% 結果相似。花色苷和總酚在直接超濾過程中沒有質量平衡，可能涉及到溶質分子與膜材料的相互作用、溶質與殘留大分子的締合等。值得關注的是，直接超濾截留液中總糖比進料液低但其營養成分與原果汁較接近,且總花色苷及總酚分別為133.89 mg/L和0.80 g/L。直接納濾顯著提高了藍莓汁活性成分的含量，其截留液中總花色苷為430.94 mg/L是進料液花色苷含量的2.6倍，總酚為3.81 g/L是進料液總酚含量的2.9倍，可以得出直接納濾用于回收藍莓汁活性成分是可行的，同樣也有很多研究證明了膜濃縮花色苷的高效率[23-24]。要得到澄清的果汁，需要降低色值、花色苷含量，但降低花色苷含量會影響果汁的營養質量。與直接膜法相比，順序膜法可得到的澄清度較高的藍莓汁且在一定程度上保留了藍莓汁的活性成分，如總花色苷含量為65.87 mg/L, 總酚含量為0.76 g/L，因此可以將其作為食品添加劑或者軟飲料的基質。3種不同的膜工藝就回收花色苷及多酚方面以直接膜法為最佳，其次是順序膜法，可以以產品為導向選擇合適的膜工藝。

從色差結果可以看出，經過直接超濾藍莓汁的L*增加,這是因為超濾除去了懸浮物固體，直接納濾滲透液具有最高L*，因為其較低的截留分子質量，致使大分子不能透過膜只能滯留在截留液中。花色苷的損失最明顯的特征是a*減少，通過直接超濾及超濾后納濾，藍莓果汁的a*相較于進料液降低，而直接納濾截留液a*約為進料液1.4倍，相應的直接納濾藍莓汁截留液與進料液色差最大。藍莓果汁過濾前后的樣品如圖3所示。

圖3 藍莓汁不同膜處理后的樣品示圖Fig.3 Blueberry juice samples of different membrane treatments

表1 過濾前后藍莓汁理化性質變化Table 1 Physicochemical properties of blueberry juice after filtration

2.2 不同膜法工藝過程中膜通量的變化

如圖4所示，在所有過濾過程的前20 min，通量顯著下降，這是由于膜過濾過程中，果汁中大分子如蛋白質、果膠等物質不斷地堆積在膜表面，致使滲透通量逐漸下降[25]，另外果汁成分復雜其溶質分子在膜表面的吸附堵塞膜孔。直接納濾的膜通量從26.3下降至3.2 L/(m2·h)，順序納濾通量從34.5下降至8.4 L/(m2·h)，因此得出順序膜法在增大納濾膜通量方面有顯著效果。得到相同濃縮系數的濃縮液或澄清液，直接納濾需要約180 min，直接超濾則需要120 min，順序超濾納濾需要約133 min。因此，盡管直接納濾在濃縮生物活性成分方面效率較高，但其滲透通量低，耗時較長。

圖4 膜過濾過程中膜通量的變化Fig.4 Changes of permeate flux with time during membrane filtration

2.3 膜法過濾前后膜特性的變化

2.3.1 zeta電位的差異

超濾納濾前后膜zeta電位的測定結果如圖5所示。

圖5 過濾前后膜zeta電位的變化Fig.5 Zeta potential changes of membrane with filtration注：M1-原始超濾膜；M2-直接超濾后膜；M3-順序超濾后膜；M4-原始納濾膜；M5-直接納濾后膜；M6-順序的納濾后膜(下同)

由圖5可知，M1及M4都帶有正電荷分別為5.63、1.64 mV，M2與M5的zeta電位均出現負電位分別為-0.24、-5.59 mV，且M5負電位的絕對值最大。zeta電位數值降低通常意味著膜表面污染層的形成，zeta電位的下降可以解釋為溶液中帶有負電荷的溶質與膜在過濾過程中發生靜電相互作用，從而沉積或吸附于膜表面及孔內，形成污染層，導致zeta電位的下降。M3與M6的zeta電位仍為正值分別為0.60、0.79 mV，可以看出M5受靜電相互作用的影響最大，膜污染是最嚴重的，可知順序膜法可以有效地減輕膜污染。這是因為直接超濾，直接納濾分別比順序超濾及順序納濾操作時間長，致使溶質中物質與膜接觸時間增長，又因離子化花色苷及酚酸在弱酸性pH值帶有負電荷[26]，因此直接膜法中，更多帶有負電荷的物質滯留在膜表面，膜污染較為嚴重。

2.3.2 接觸角的差異

過濾前后膜接觸角的變化如圖6所示。

圖6 過濾前后膜接觸角的變化Fig.6 Changes of water contact angle on membrane with filtration

實驗中所用膜接觸角小于90°均為親水性膜，且原始納濾膜的親水性比原始超濾膜強。M1接觸角為55.9°，M2的接觸角上升為78.3°，與此相反M3接觸角降低為46.9°，M4接觸角為13.9°，M5與M6的接觸角分別上升為46.4°和59.7°。可以看出，經過過濾后，膜的親疏水性均發生了變化，說明在過濾澄清及濃縮過程中，膜與藍莓汁某些溶質成分相互作用使的表面性質發生了改變[21]。順序超濾膜與直接超濾膜相比接觸角變化較小，是因為其超濾時間短，因而受到親水/疏水影響較小。順序納濾膜接觸角增大其疏水性增強，是因為順序納濾以超濾滲透液為原料，因此含有更多大分子親水性物質如果膠、蛋白質等,它們的親水基團由于親水相互作用而更易于黏附在親水膜表面，其疏水性基團暴露在溶液中，這樣增加了親水膜的疏水性[27]。

2.4 膜表面微觀結構的差異

圖7為原始膜與實驗后膜表面微結構掃描電鏡圖。由圖7中可以看出，原始的超濾膜M1表面沒有雜質，且較不平整。經過超濾后，可以看到膜表面發生了一些變化，其中M2表面出現凸起的污染層，出現有輕微裂痕。M3中可以看到較平整的污染層均勻分布在膜表面，同時有裂痕出現。M5直接納濾后膜與M4原始的納濾膜相比，表面覆蓋了一層污染物，并有星點的白色污染物。M6順序納濾膜表面污染較小，沒有明顯的污垢層，可以解釋為超濾過程除掉大分子物質，從而在后續納濾中減少污染，這與前面膜通量及Zeta電位的變化是相對應的。即順序膜法在減輕膜污染方面有較好的表現。

a-M1；b-M2；c-M3；d-M4；e-M5；f-M6圖7 掃描電鏡觀察膜表面Fig.7 SEM images of membrane surface

3 結論

本文就直接膜法及順序膜法對處理得到的藍莓汁進行比較，分析了不同膜法在處理果汁的優缺點，有利于開發以產品為導向的膜工藝。其中直接納濾得到的截留液中花色苷與總酚含量分別為430.94 mg/L和3.81 g/L，證實了納濾可以濃縮回收藍莓汁中的活性成分，可用于生產天然著色劑或添加到營養保健品中。但其耗時較長，且膜污染最為嚴重。直接超濾可以除去藍莓汁中大分子懸浮固體，可用于前處理澄清果汁，適合于產生透明的滲透液和富含酚類化合物的截留液。順序膜法適合用于生產較澄清且營養價值較高的藍莓汁，可將其作為食品添加劑或做軟飲料的基質同時可以增加膜通量，減少膜污染，縮短減少過濾時間。