黃酒常溫微濾工藝影響因素及除菌效果研究

張雪艷, 陸 茵, 張 穎, 卓 鳴, 呂 愷, 史西志

黃酒常溫微濾工藝影響因素及除菌效果研究

張雪艷, 陸 茵*, 張 穎, 卓 鳴, 呂 愷, 史西志

（寧波大學 食品與藥學學院, 浙江 寧波 315832）

采用PVC中空纖維微濾膜對黃酒進行過濾, 分析不同流動形態、跨膜壓差以及錯流流量對黃酒過濾通量的影響以及其動力學變化規律. 最終確定黃酒最佳過濾條件為在垂直錯流流動形態下進行過濾, 跨膜壓差為40kPa, 錯流流量控制在125L·h-1左右. 對過濾前后的黃酒相關理化指標進行測定, 結果表明, 膜過濾技術對黃酒中必須營養物質的保留率較高, 過濾除菌效果明顯, 雜菌總數去除率達到99.45%以上, 可同時達到除濁和除菌的目的.

黃酒; PVC微濾膜; 流動形態; 跨膜壓差; 錯流流量

黃酒作為飲用兼烹調酒類中的一種, 因其含有豐富的氨基酸、有機酸、維生素以及礦物質等營養成分而深受人們的喜愛. 黃酒屬于非蒸餾酒中的一種, 所以未處理過的黃酒中存在大量的膠體、蛋白質、細菌、微生物等物質, 膠體和蛋白質的存在會導致其產生沉淀, 而細菌以及微生物的存在也會影響黃酒的非生物穩定性, 且這兩者都將直接影響到黃酒的風味特征及商品價值[1-2]. 為解決上述問題, 傳統的黃酒工藝多采用硅藻土過濾以及紙板精濾的方法去除渾濁, 再通過煎酒工藝達到滅菌目的[3-4]. 隨著食品工業的不斷發展以及人們對黃酒品質要求的不斷增加, 傳統澄清技術因勞動力投入多、運行成本大等缺點已遠遠不能滿足黃酒工業的運行需要.

膜分離技術因其具有低能耗、無相變以及分離效能好等優點而被廣泛應用于食品、生物、化工、水處理等領域[5-7]. 膜分離技術在啤酒以及葡萄酒的研究顯示, 其可作為酒類工藝的前處理階段, 省去了傳統的巴氏殺菌工藝, 既能達到除濁除菌的目的, 也能很好地保留酒類中的風味物質, 具有一定的實用價值[8-11]. 在黃酒過濾工藝中, 近幾年才開始引入膜分離技術[12-15]. 研究結果表明, 膜過濾技術用于黃酒除菌是可行的, 且處理后的黃酒非生物穩定性和感官質量明顯優于傳統工藝得到的黃酒樣品.

與傳統酒類加工工藝相比, 黃酒生產中采用膜過濾技術的研究在一定程度上改進了黃酒加工工藝, 提高了黃酒中膠體的非穩定性. 但由于黃酒黏度大, 膠體雜質比較多, 故常規的靜態過濾會引起濾膜污染以及過濾通量衰減嚴重等問題, 所以研究出一種既能減緩黃酒過濾過程中的膜污染問題, 也能提高膜過濾平衡通量, 降低膜過濾成本的過濾工藝條件顯得極其重要.

在過濾工藝中, 按照流體流動形態可分為動態過濾和靜態過濾. 在動態過濾中, 又可分為垂直錯流過濾和平行錯流過濾. 垂直錯流過濾意指進料液流向垂直流經過濾膜面的過濾方式, 平行錯流過濾意指進料液流向平行于過濾膜面的過濾方式. 近幾年的酒類過濾研究中, 黃酒過濾技術的研究大部分聚焦于靜態過濾或平行錯流過濾[16], 對于錯流過濾中垂直錯流過濾的研究很少報道. 本文以PVC中空纖維微濾膜為膜組件, 研究了不同流動形態下操作條件對黃酒過濾通量的影響, 探討黃酒過濾過程中最佳過濾工藝條件, 為黃酒過濾工藝流程提供一定的參考.

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

PVC微濾膜膜組件, 實驗室采用液致相分離法制備; 紹興黃酒由浙江越景紹興酒有限公司提供.

YP10002電子天平, 上海光正醫療儀器有限公司; DHG-9246A電熱恒溫鼓風干燥箱, 上海賀德實驗設備有限公司; DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器, 上海恬恒儀器有限公司; UPH-1-5T型超純水制造系統, 成都超純科技有限公司; 泡點流速法孔徑分布測定儀, 實驗室自制; 微濾膜過濾裝置, 實驗室自制.

1.2 過濾裝置及方法

采用液致相分離法制備的PVC中空纖維微濾膜, 膜絲直徑為1.82mm, 泡點流速法測得中空纖維微濾膜孔徑為(0.35±0.05)μm, 封裝好的膜組件過濾總面積為312cm2, 過濾裝置如圖1所示.

封裝好的干態膜束經純凈水浸泡24h, 待膜絲充分浸濕后, 在垂直錯流和平行錯流兩種不同流動形態下, 研究跨膜壓差和錯流流量對膜過濾平衡通量的影響. 如圖1所示, 通過改變膜絲的安裝位置來實現過濾時的不同流動形態. 進行平行錯流和垂直錯流過濾試驗時, 分別將膜束以圖1(a)和圖1(b)的方式安裝于濾筒中, 進料液循環流動, 過濾出的濾液倒回料液桶, 保持進料液濃度不變. 實驗過程中, 溫度控制在14℃左右, 通過調整閥門來控制錯流流量和跨膜壓差, 每5min記錄1次過濾液體積, 連續測定至膜過濾通量穩定. 在同一流動形態下, 改變跨膜壓差以及錯流流量等操作條件時, 膜絲未進行清洗, 直至在另一流動形態下進行過濾, 用純凈水清洗膜絲3h后再進行過濾.

1.壓力表; 2.膜組件; 3.流量計; 4.閥門; 5.泵; 6.過濾筒; 7.料液桶.

1.3 分析方法

黃酒中總糖測定采用斐林試劑-間接碘量點位滴定法(GB/T13662-2018); 氨基酸態氮測定采用氫氧化鈉滴定法(GB/T13662-2018); 非糖固形物測定采用儀器法(GB/T13662-2018); 菌落總數測定采用平板計數法(GB4789.2-2016).

2 結果與討論

2.1 流動形態對膜過濾通量的影響

分別在垂直錯流和平行錯流兩種流動形態下, 測定了不同跨膜壓差以及錯流流量下的膜過濾通量, 測定結果如圖2所示. 由圖2可知, 測定時間范圍達到40~70min后, 不同工藝條件下的膜過濾通量值均趨于穩定. 據此, 將每種過濾工藝條件下最后30min內過濾通量趨于穩定后的平均值作為平衡通量, 計算出不同工藝條件下的膜過濾平衡通量值(表1).

表1 不同跨膜壓差變化范圍內的膜過濾平衡通量(J)

由表1可知, 兩種流動形態下的膜過濾平衡通量()差異較大, 在同一跨膜壓差或同一錯流流量過濾條件下, 垂直錯流過濾時的平衡通量均大于平行錯流過濾時的平衡通量. 分析其原因, 與平行錯流過濾相比, 垂直錯流過濾時, 由于流體流動方向與膜絲方向垂直, 由此產生的剪切力使料液在中空纖維膜表面形成強烈的沖刷效果, 使膜絲表面的污染層顆粒脫離膜表面, 擴散回待濾液主流體中, 從而使污染層維持在一個較薄水平, 減緩了膜過濾過程中的膜孔快速堵塞問題, 增加了膜過濾平衡通量.

2.2 跨膜壓差對膜過濾平衡通量的影響

在垂直錯流和平行錯流同流動形態下, 不同錯流流量時, 膜過濾平衡通量隨跨膜壓差的變化結果如圖3所示.

圖3 跨膜壓差對膜過濾平衡通量的影響

從圖3試驗結果可看出, 跨膜壓差對膜過濾通量的影響是非線性的, 且在低跨膜壓差范圍內, 黃酒過濾平衡通量受跨膜壓差的影響較為顯著, 顯示了PVC微濾膜過濾黃酒時產生的濾餅具有一定的可壓縮性. 采用達西定律(Darcy’s Law)[17]對實驗數據進行處理, 達西定律表達式為:

式中: J為過濾平衡通量; 為跨膜壓差; 為潔凈膜的膜面積; 為過濾阻力; 為物料(黃酒)的黏度. 由此可計算出不同流動形態下膜過濾阻力的大小, . 在垂直錯流和平行錯流兩種流動形態下, 膜過濾阻力隨跨膜壓差的變化結果如圖4所示.

表2 不同流動形態下濾餅壓縮指數s和比阻R0擬合參數

注: 不同流動形態下, 跨膜壓差的變化范圍均為20~60 kPa.

由表2可見, 在試驗條件范圍內, 兩種流動形態下的壓縮指數值均表現出一定波動性. 垂直錯流過濾時, 在低流量和較高流量范圍內, 壓縮指數值在0.68~0.73范圍內波動; 錯流流量在225~335L·h-1范圍內變化時, 壓縮指數最大值為0.82. 平行錯流過濾時, 壓縮指數在0.68~0.79范圍內波動, 在整個錯流流量區間變化范圍內, 壓縮指數最大值為0.79, 高壓縮指數值表明黃酒過濾過程中產生的濾餅具有很強壓縮性. 因此, 在實際過濾過程中, 在低跨膜壓差下進行過濾更適合黃酒過濾條件的工藝需要. 壓縮指數隨錯流流量產生波動的原因可能是垂直錯流過濾時, 一部分流體流動的動能轉化為壓力能, 增加了膜絲表面存在的壓縮效應, 因此, 垂直錯流過濾時的壓縮指數值波動范圍較大. 其次, 在錯流過濾過程中, 錯流流量越大, 其沖刷效果越明顯, 膜過濾阻力有所降低, 所對應的壓縮指數值又會變小. 由于這兩種相反機制的共同影響, 導致膜過濾過程中, 壓縮指數值會隨錯流流量的增加, 表現出一定的波動性.

2.3 錯流流量對膜過濾通量的影響

圖5 兩種流動形態下錯流流量對膜過濾平衡通量的影響

表3 不同流動形態下Re對平衡通量的影響模型參數

2.4 PVC膜過濾對黃酒相關質量指標的影響

黃酒過濾前后理化指標變化結果見表4. 由表可知, 進行過濾處理后, 膜過濾技術對黃酒中必須營養物質的保留率較高, 總糖保留率達到96.71%, 氨基酸態氮保留率達到98.36%, 非糖固形物保留率達到99.11%, 雜菌總數去除率達到99.45%以上, 過濾后黃酒菌落總數降為11cfu·mL-1, 符合國標要求. 說明膜過濾除菌效果明顯, 在保留營養物質的同時可以解決黃酒的沉淀和殺菌問題.

表4 黃酒過濾前后的相關指標對比

3 結論

采用PVC微濾膜對黃酒進行過濾, 不同流動形態對黃酒的過濾通量影響顯著, 在同一跨膜壓差及同一錯流流量范圍內, 垂直錯流過濾時的平衡通量大于平行錯流過濾時的平衡通量. 隨著跨膜壓差的增大以及錯流流量的增加, 膜過濾平衡通量均有所增加, 且在低跨膜壓差范圍內, 黃酒過濾平衡通量受跨膜壓差的影響較為顯著; 隨著錯流流量的增加, 垂直錯流過濾過程中膜過濾通量受錯流流量的影響更為顯著. 為進一步確定黃酒的最佳過濾條件, 重點研究了跨膜壓差以及錯流流量對膜過濾通量的影響, 確定最佳過濾條件為: 在垂直錯流過濾條件下進行過濾, 跨膜壓差為40kPa, 錯流流量控制在125L·h-1左右.

膜過濾技術對黃酒中必須營養物質的保留率較高, 過濾后黃酒的總糖保留率達到96.71%, 氨基酸態氮保留率達到98.36%, 非糖固形物保留率達到99.11%, 雜菌總數去除率達到99.45%以上, 濾后黃酒的菌落總數降為11cfu·mL-1, 同時解決了黃酒的沉淀和殺菌問題, 有效提高了黃酒的非生物穩定性和市場價值.

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Study on the factors affecting the microfiltration process of rice wine and the effect of sterilization

ZHANG Xueyan, LU Yin*, ZHANG Ying, ZHUO Ming, Lü Kai, SHI Xizhi

( College of Food and Pharmaceutical Sciences, Ningbo University, Ningbo 315832, China )

The Chinese rice wine was filtered by PVC hollow fiber microfiltration membrane. The effects of different flow patterns, trans-membrane pressure differences and cross-flow on the filtration flux of rice wine and its dynamics were analyzed. The optimal filtration conditions for Chinese rice wine were determined as: filtration under vertical cross-flow pattern with 40 kPa trans-membrane pressure and 125 L·h-1cross-flow flow. The physicochemical indexes of Chinese rice wine were measured before and after filtration. The results showed that the membrane filtration technology had higher retention rate of essential nutrients in Chinese rice wine. The effect of membrane filtration sterilization was evident. The removal rate of bacteria reaches 99.45%, and the purpose of removing turbidity and sterilization can be achieved simultaneously.

rice wine; PVC microfiltration membrane; flow pattern; transmembrane pressure; cross-flow flow

TS261.4

A

1001-5132（2021）01-0110-06

2019?09?12.

寧波大學學報（理工版）網址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國家自然科學基金（31772856）; 寧波大學王寬誠幸福基金.

張雪艷（1994－）, 女, 云南昭通人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: PVC膜的應用. E-mail: xyzhang1581814358@163.com

陸茵（1965－）, 女, 江蘇南京人, 教授, 主要研究方向: 膜分離及應用技術. E-mail: luyin@nbu.edu.cn

（責任編輯 章踐立）