聚偏氟乙烯微滤膜过滤纯生啤酒性能与滤菌效果研究

董 伦，陆 茵

（宁波大学海洋学院食品科学与工程系，浙江宁波 315211）

纯生啤酒又称生啤，是一种不经过巴氏灭菌或者高温瞬时消毒的无菌过滤、无菌灌装啤酒，内含有丰富的氨基酸、碳水化合物、无机盐类、多种维生素及多种活性酶类，具有增进食欲、促进消化等功效，属于啤酒中的高档品种。过滤除菌是生产的关键环节。膜分离技术利用筛分原理能较完整地保留食品中的各种营养成分［1－2］，应用于生啤除浊除菌的生产中，生产的酒液更加清亮透明、泡持性更长久，敏感蛋白和冷混浊等指标均低于硅藻土过滤30%以上。但不可避免的膜污染严重影响过滤性能，文献报道的稳定平衡通量也仅在 10L/（m2·h）左右［3］，限制了膜过滤技术在啤酒生产中的应用。

膜污染的产生主要是蛋白质、糖类等吸附在膜壁上堵塞过滤膜［4－5］，膜的清洗是个复杂的问题，现行的化学清洗会对生啤酒的质量有一定影响，而更换一套新过滤膜费用过高，导致纯生啤酒的运行成本高［6－9］。要降低膜污染关键是要改善膜材料的特性，研究认为亲水性的膜能有效减少膜污染，提高膜平衡通量［10－13］。在此基础上，如能通过清水反冲洗的方法恢复膜通量，则对生啤生产的实际应用意义重大。

本文选用亲水性PVDF膜［14］过滤生啤，研究了PVDF微滤膜过滤大肠杆菌菌悬液的滤菌性能与膜结构、膜孔径的关系，并考察了两种结构的微滤膜应用于生啤过滤的滤菌效果、膜通量变化以及不同清洗方式的清洗效果等，为进一步应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大肠杆菌 宁波大学海洋学院微生物实验室提供;菌种经活化扩大培养后配制成大肠杆菌菌悬液;生啤酒 取自宁波某啤酒厂;马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）、平板计数琼脂培养基（PCA） 海博生物技术有限公司;月桂基硫酸盐胰蛋白胨肉汤（LST）、煌绿乳糖胆盐肉汤（BGLB） 杭州微生物试剂有限公司;氯化钠、异丙醇 分析纯，国药集团化学试剂有限公司;水 通过ULUPURE超纯水制造系统制备;实验用膜 两种不同结构的自制亲水性聚偏氟乙烯微滤平板膜，分别标记为网状结构的PVDF－N膜和指孔状结构的PVDF－F膜。

LDZX－50KBS型立式压力蒸汽灭菌器 上海申安医疗器械厂;HWS－128型恒温恒湿培养箱 宁波江南仪器厂;QL－861型漩涡混合器 海门其林贝尔仪器制造有限公司;SU－70型扫描电子显微镜 日本日立公司;接触角/表面张力测定仪 Dropmetr A－100P;UPH－1－5T型 ULUPURE超纯水制造系统 成都超纯科技有限公司;泡点－流速法膜孔径分布测定仪 自制;过滤装置 自制，料液罐体积8.8L，膜池有效过滤面积 10.2cm2。

1.2 实验方法

1.2.1 PVDF膜孔径的测定 采用自制泡点－流速法［15］孔径分布测定仪测定微滤膜的孔径分布。在干膜上截取圆形膜片，置于浸泡液中浸泡至半透明状态，取出并用滤纸吸干表面附着的液体后铺于检测器上，进行检测。浸泡液为异丙醇，压力源为氮气。

1.2.2 接触角测定 截取2cm×2cm方形膜片，固定于载玻片上，放置在样品台上进行检测。记录水滴自滴到膜表面到完全消失时接触角的变化情况。

1.2.3 扫描电镜观察膜的结构 在干膜上截取具有代表性的膜样品，其上下表面分别用导电胶粘附于样品台上，截面经液氮冷冻淬断后将断面用导电胶粘附于样品台上，将样品真空镀金后放置于电镜平台上观察。

1.2.4 微生物计数 大肠杆菌计数:取待测样品，参照GB 4789.3－2010进行检测。生啤总菌落计数:取过滤前后生啤样品，参照GB 4789.2－2010进行检测。酵母菌计数:取过滤前后生啤样品，参照GB 4789.15－2010进行检测。

1.2.5 膜通量的变化测定 亲水性 PVDF－N或者PVDF－F微滤膜放入膜池中整体经121℃高压蒸汽灭菌20min。采用自制的过滤装置（见图1）测定100kPa过滤压力下的生啤过滤通量随过滤时间的变化情况，实验流程见图2。其中新膜第一次过滤过程记为C0，过滤一段时间至膜通量衰减达到稳定值后，对滤膜进行清洗以恢复膜通量，清洗后的膜继续过滤生啤。膜清洗前四个循环采用清水浸泡清洗，后四个循环采用 0.05mol/L的 NaOH溶液、清水、0.05mol/L HCl溶液、清水交替浸泡清洗。

图1 实验装置图Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

图2 实验流程图Fig.2 Experimental flowchart

2 结果与分析

2.1 膜滤菌效果与孔径之间的关系

用网状结构的 PVDF－N膜和指孔状结构的PVDF－F膜两种结构、不同孔径的亲水性PVDF微滤膜过滤含有大肠杆菌的菌悬液，根据过滤前后液体中大肠杆菌浓度的变化确定亲水性微滤膜滤菌效果与孔径之间的关系。实验中每种孔径的微滤膜做两组平行过滤实验，每种滤过液取两个样进行平行检测，过滤前后大肠杆菌的浓度如表1所示。

从表1可以看出膜孔径在0.22μm数量级的两个膜（0.179～0.234μm，0.199～0.252μm）过滤时，滤液的大肠杆菌浓度在0～2cfu/mL范围内。膜孔径在0.45μm 数量级的两个膜（0.464～0.579μm，0.424 ～0.652μm）过滤时，滤液的大肠杆菌浓度约为14～20cfu/mL。

本实验采用大肠菌群平板计数法，然而GB 2758－2005中采用大肠菌群MPN计数法，为此对三个人为污染含大肠杆菌的自来水样分别进行大肠菌群平板计数法和大肠菌群MPN计数法的对比实验，实验结果见表2。

从表2中可以看出大肠杆菌浓度在0～10cfu/mL范围时，对应的MPN＜3，符合GB 2758－2005中大肠杆菌含量≤3MPN/100mL的要求。大肠杆菌浓度在15～20cfu/mL 范围时，MPN 为 6.1，不符合 GB 2758－2005中大肠杆菌含量的要求。

表1 不同种类PVDF微滤膜对大肠杆菌滤除效果Table 1 Degerming effect of E.coli with different PVDF microfiltration membranes

表3 过滤前后生啤微生物检测结果Table 3 Microbial test before and after draft beer filtration

表2 大肠杆菌平板计数法与MPN计数法对照Table 2 Contrast of E.coli test with plate count and MPN count method

2.2 生啤过滤效果和过滤通量研究

根据上述实验结果，选用孔径0.179～0.234μm 的网状结构 PVDF－N 膜和孔径 0.199～0.252μm 的指孔状结构PVDF－F膜进行生啤过滤实验，测定过滤前后啤酒的菌含量，并研究过滤过程中膜通量变化情况。生啤取自某啤酒厂灌装前的清酒罐，装在未经消毒的塑料桶中运回实验室。过滤后的啤酒收集在预先经高温蒸汽消毒过的不锈钢罐中，过滤完毕后分别从塑料桶和不锈钢罐中对过滤前后的啤酒各取两个平行样检测总菌落、大肠杆菌和酵母菌。表3为生啤过滤前后啤酒中总菌落、大肠杆菌、酵母菌的测定结果，数据表明过滤后生啤中没检测到微生物，采用该孔径的微滤膜进行滤菌过滤，符合GB 2758－2005中对生啤大肠杆菌含量≤3MPN/100mL的要求。

图3为亲水性PVDF微滤膜过滤啤酒时过滤通量随时间的变化曲线。从图中可以看出，随着过滤的进行，过滤通量衰减至稳定的平衡通量，其中清水清洗和碱、清水、酸、清水交替清洗两种清洗方式对PVDF－N膜的过滤性能影响不大，最终稳定平衡通量约在 22.2～22.4L/（m2·h）。同样条件下，两种清洗方式对PVDF－F膜的过滤性能有一定的影响，清水清洗后 PVDF－F 膜的稳定平衡通量为 35.0L/（m2·h）;碱、清水、酸、清水交替清洗后PVDF－F膜的稳定平衡通量为 40.8L/（m2·h）。

实验表明采用两种结构的亲水性微滤膜过滤啤酒时的稳定平衡通量均大于文献中记载的生产中10L/（m2·h）左右［3］的稳定平衡通量，其中指孔状结构的PVDF－F微滤膜用碱、清水、酸、清水交替清洗具有更高的稳定平衡通量，但即使采用清水进行清洗，其稳定平衡通量也达到35.0L/（m2·h）。说明用指孔状结构的PVDF－F微滤膜过滤生啤除菌，仅采用清水清洗膜在生产上是可行的。

2.3 聚偏氟乙烯过滤膜性能分析

图4为过滤前后网状结构的PVDF－N和指孔状结构的 PVDF－F两种微滤膜的 SEM图像，（a）和（a′）表示过滤前、后膜的上游面，（b）和（b′）表示过滤前、后膜的下游面，（j）和（j′）表示过滤前、后膜的截面。从各个面的SEM图像来看，生啤过滤后网状结构PVDF－N微滤膜的上游面被一些物质所覆盖，污染严重，膜下游面基本没变化;指孔状结构PVDF－N微滤膜上游面覆盖物质较少，依然可以见到膜孔，下游侧变化不明显，表明指孔状结构PVDF－F微滤膜抗污染性能较好。这与前述实验中指孔状结构的PVDF－F 膜稳定平衡通量为 35.0L/（m2·h），而网状结构的PVDF－N 膜稳定平衡通量为22.2L/（m2·h）的实验结果相吻合，说明在对生啤这种含有丰富营养成分的液体过滤时，指孔状结构的PVDF－F膜具有更好的抗污染性和更高的稳定平衡通量。

图5所示为水滴自接触PVDF微滤膜表面到完全消失时的接触角变化曲线。结果表明两种结构的微滤膜均具有良好的亲水性，水滴在120s内完全融入膜中。可见正是由于滤膜具有良好的亲水性能，在生啤过滤中表现出了较好的抗污染能力，其稳定平衡通量较之一般工业生产过程中有一定的提高。

图3 亲水性PVDF膜过滤啤酒通量随时间变化曲线Fig.3 Time dependent draft beer flux filter with hydrophilic PVDF membranes

3 结论

3.1 当微滤膜孔径在0.22μm数量级或以下时，能够有效除去生啤中的微生物，达到啤酒生产要求。

3.2 指孔状结构的PVDF－F微滤膜用碱、清水、酸、清水交替清洗具有更高的稳定平衡通量，但即使采用清水进行清洗，其稳定平衡通量也达到35.0L/（m2·h）。说明用指孔状结构的PVDF－F微滤膜过滤生啤除菌，仅采用清水清洗膜在生产上是可行的。

3.3 从SEM图像可以看出，生啤过滤后网状结构PVDF－N微滤膜上游面被一些物质所覆盖，污染严重，而指孔状结构PVDF－F膜上游面覆盖物质较少，依然可以见到膜孔，说明指孔状结构PVDF－F膜具有更好的抗污染性。

图4 PVDF－N和PVDF－F膜过滤生啤前后的SEM显微照片Fig.4 SEM photographs of PVDF－N and PVDF－F membranes before and after draft beer filtration

图5 亲水性PVDF微滤膜接触角测定Fig.5 Contact angle of hydrophilic PVDF microfiltration membranes

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