采用正渗透技术浓缩番茄汁

徐伟，孙建国，陈敏，赵炎春，黄光胜

(重庆大学 材料科学与工程学院，重庆，400030)

番茄收获期短，难以长期保存，不便于运输，故需浓缩加工成易于贮藏的制品，以调节其淡旺季供应［1］。

目前工业上主要采用真空蒸发并辅以反渗透技术来浓缩果汁，Rodrigues［2］等将反渗透运用于卡姆果(camu-camu)果汁的浓缩，并提出反渗透浓缩可作为经典的真空蒸发的一个浓缩环节来应用;同时Matta［3］在6MPa 的压力下将反渗透技术运用于樱桃汁的浓缩，使果汁糖度从7°Brix 提高到29.2°Brix;张鹏［4］等采用管式反渗透膜系统对番茄汁(原浆)进行脱水浓缩处理，考察了压力、温度及浓度对膜通量的影响，虽然反渗透浓缩可在较低的温度下进行，维生素等营养成分的流失少，保证了产品的高品质，但由于果汁渗透压的限制，使其所能达到的浓缩度比较低，而且生产运行能耗高，膜污染严重，不能一次浓缩成高浓度产品［5］，要与其他方法集成使用。

近些年，随着正渗透(FO)膜技术的发展，绿色低能的正渗透浓缩技术也逐步运用于果汁的浓缩实验研究［6］，与反渗透膜技术以及真空蒸发技术相比，正渗透膜技术以渗透压为驱动力对果汁进行低倍浓缩，能够降低能耗，更好地保留果汁的原有风味。

1 实验材料与方法

1.1 材料

HTI 的Pouch 正渗透膜，型号101013-NW-4;可果美纯正番茄汁1 000 mL(成分:水、浓缩番茄汁)，超市购买;分析纯NaCl;蒸馏水。

1.2 设备

中友WYT-4/0 -80 手持糖量仪，佰伦斯BLH-100 精密电子称，爱多乐TDS -3 离子浓度测量笔，摩品D889 摄像机，立升(LH3d)超滤净水器，华泰PS-40 超声波清洗器，Kamoer KPP-B 型蠕动泵。

1.3 实验方法

取1L 番茄汁，经棉布过滤后用超滤净水器超滤，加蒸馏水至超滤液中将其糖度调至2.2°Brix。配制2 000 mL不同质量质量分数的NaCl(6% ～26%)溶液作为汲取液，取400 mL 2.2°Brix 番茄汁。番茄汁浓缩实验装置如图1 所示，有效膜面积54 cm2(3 cm×18 cm)，膜的截留层朝向高浓度的汲取液侧。

图1 实验装置Fig.1 The experimental device

1.4 主要测定参数及计算

渗透速度:通过测试番茄汁的质量变化来计算。由于浓缩循环时间过长，故用录像记录电子称的读数变化，然后返回观看录像来记录每隔0.5 h 的数据。

截留率:实验前首先用TDS 离子浓度测量仪测定番茄汁(2.2°Brix)的TDS 记录为Q1(mg/mL)，体积为V (mL)，循环结束后，测量浓缩后的番茄汁质量，加入蒸馏水将番茄汁质量加至初始值，磁搅拌30 min，再次测量TDS 为Q2(mg/mL)。则从汲取液中渗透至番茄原汁的NaCl 的质量为(Q2-Q1)×V。

糖度:使用手持糖量仪测量浓缩后的番茄汁糖度。

2 结果与分析

2.1 温度对渗透速率的影响

研究了温度对渗透速率的影响，通过水浴控制番茄汁和汲取液的温度，在2 ～50 ℃选取6 个温度(大约2，10，20，30，40，50℃)用于实验，实验的条件为汲取液质量分数18%，番茄汁的浓度保持2.2°Brix，运行方式采用循环的方式进行，由于番茄汁为400 mL，而汲取液为2L，可保证汲取液质量分数基本维持在18%左右，可认为浓度不变。从图2 中可以看出，温度对渗透速率影响较大，在浓度保持不变的情况下，一定温度范围内，正渗透膜浓缩番茄汁的渗透速率随温度的升高而增大，在40℃左右达到最大值，相比于2℃时的渗透速率增加了200%，之后随着温度升高，渗透速率反而下降。实验前后汲取液质量分数有不超过0.3%的波动，这会引进渗透速率计算值的误差，但此误差不超过2%，故不予修正。Wrolstad 等［7］人将正渗透用于红覆盆子汁的浓缩，研究了温度对渗透速率的影响，得出了在一定温度范围内渗透速率随着温度升高而增加的结论，但是他们仅仅只在17℃和27℃下进行了研究讨论。Beaudry 等［8］也推测出渗透速率与温度具有同样的关系，因为温度的升高使扩散系数增加，从而促进了正渗透过程。由于实验过程中盛放番茄汁和汲取液的烧杯用保鲜膜包裹，因此可忽略水分蒸发的影响，当实验温度超过40℃，渗透速率下降可能是由于膜孔径收缩，导致单位时间内膜孔通量降低，从而使得渗透速率下降，与此同时，随着时间的推移，由于水透过膜而使番茄汁侧膜表面的溶质浓度增加，汲取液侧膜表面的溶质浓度降低，在浓度梯度作用下，二侧各溶质与水以相反方向向本体溶液扩散，在达到平衡状态时，膜表面形成一个溶质浓度分布边界层，它对水的透过也起着阻碍作用。因此，鉴于膜的耐温性能以及实验操作的方便性，后面的实验均在室温下［约(15 ±2)℃］进行。

2.2 不同浓度汲取液对渗透速率的影响

图2 温度对番茄汁渗透速率的影响Fig.2 The effect of temperature on the tomato juice osmosis rate

图3 反映了室温下渗透速率与汲取液浓度的关系，番茄汁的初始浓度为2.2°Brix，图3 中曲线表明，浓缩的过程中，随番茄汁浓度升高，渗透速率不断下降。在这次实验中，选取了4 种不同质量浓度的汲取液(6%、12%、18%、26%)作为番茄汁浓缩的驱动液，从图3 中的曲线可以看出，浓度为6%的汲取液由于渗透压较小，膜两侧的渗透压差较低，对应的渗透速率低，曲线平缓，浓缩后的番茄汁糖度只有10.2°Brix(见表1)，浓缩效果不佳，达不到中浓度以上番茄酱商品所需要求(参考GB/T 14215 -2008)，而浓度为12%的汲取液渗透压较高，渗透速率是6%的汲取液对应的2 倍，浓缩时间显著缩短，最后浓缩番茄汁糖度可达29.8°Brix，浓缩效果明显，继续提高汲取液浓度，以期得到最佳的汲取液浓度，从图3 看出，质量浓度分别为18%和26%的汲取液对应的渗透速率很大，曲线比较陡峭，浓缩时间短，效果十分明显，最后糖度均达到32°Brix，满足中浓度以上番茄酱商品所需要求所需浓度。但是实验中发现，浓缩初始阶段，质量分数为18%的汲取液对应的渗透速率比26%的还要高，理论上随着汲取液浓度的增加，渗透压提高，驱动力增大，渗透速率也会随之增加［9-10］。

图3 渗透速率与汲取液浓度的关系Fig.3 Relationship between osmosis rate and absorbing liquid concentration

表1 正渗透浓缩番茄汁实验的相关参数Table 1 experiment related parameters of tomato juice osmotic concentration

2.3 室温下不同浓度液汲取的初始渗透速度

如前所述，鉴于膜的耐温性能以及实验操作的方便性，实验均在室温［(15 ±2)℃)］下进行，选取不同浓度汲取液前1 h 的平均渗透速度进行分析。在膜面积为54 cm2、汲取液质量浓度为6%时，初始渗透速度可达2.07(L/(h·m2)，从番茄汁侧单位时间单位面积正渗透膜到汲取液中的水量可达2.07L，提高浓度后，该渗透速率还可继续增加。从6%到12%，随着浓度升高，初始渗透速率增加缓慢，12% ～18%这段范围内，初始渗透速度增加显著，在18%左右达到最大值5.41(L/(h·m2)，相当于6%时初始渗透速度的2 倍，浓缩效率不言而喻。之后适当提高浓度，初始渗透速率不再增加，故为缩短浓缩时间，通常选用浓度为18%的汲取液进行番茄汁的正渗透浓缩。另外，每组实验正渗透膜对NaCl 的截留率都达99%以上。以上数据反映，正渗透技术依靠溶液的渗透压差作为驱动力［11］进行果汁的浓缩时间短、效率高，具有深远意义。

图4 初始渗透速度与汲取液浓度关系Fig.4 Relationship between the initial osmosis rate and absorbing liquid concentration

3 结论

在正渗透浓缩实验中，以NaCl 溶液为汲取液浓缩番茄汁可使糖度达到32°Brix 以上，且具有较高的渗透速率和截留率(＞99%)。渗透速率随着温度升高而增加，当温度超过一定值(大约40℃)时，渗透速率转而下降。汲取液浓度对正渗透速率也有较大影响，且在高浓度时影响更加显著。浓度提高加速正渗透的浓缩，但由于浓差极化，这一加速作用存在一个极限值，超过18%之后渗透速率不再增加。因此，操作温度为40℃、汲取液浓度为18%时，浓缩时间短、效率高，最后浓缩番茄汁糖度可达32°Brix 以上，在正渗透在番茄汁的浓缩生产具有较好的应用前景。

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