不同预处理方式对柠檬果汁超滤澄清效果和膜污染情况的影响

金丽梅,王 旭,田 伟,杨宏志,刘 伟,魏春红,夏 爽

(黑龙江八一农垦大学食品学院,黑龙江大庆 163319)

新鲜果汁在加工和贮藏过程中易变色和沉淀,澄清是提高果汁加工产品质量、延长货架期以及提高产品附加值的关键技术环节之一。目前常见的果汁澄清方法主要有果胶酶法[1-3]、电荷中和澄清[4-5]、加热絮凝澄清、冷冻和吸附澄清等[6-7],然而上述方法普遍存在成本高、操作复杂、澄清处理耗时长、易引起果汁二次沉淀等问题,在实际应用中受到了限制[8]。

超滤作为膜分离技术的一种,能够去除果汁中的果胶、淀粉等大分子物质和微小的果蔬组织碎屑等,具有条件温和、澄清快速、效果稳定、低温节能等优点[9-11],广泛应用于果汁加工业。金振宇等[12]使用中空纤维超滤膜澄清蓝莓果汁,果汁的透光率为97.8%，且其中的糖、酸等含量无明显影响。龚彦文等[13]以切割分子量为10、50和100 kDa的聚砜超滤膜在不同压力下对橙汁进行澄清实验,结果表明上述超滤过程可以脱除果汁中的蛋白质和果胶,透过液澄清度较高。D.Saura等[14]采取正切流过滤技术澄清柠檬汁,研究了果汁中芳香化合物的浓度随超滤膜孔径的变化规律。在超滤过程中,果汁中的果胶、蛋白质等大分子物质在膜表面形成的凝胶污染层,以及小分子物质引起的膜孔堵塞、膜表面的浓差极化现象等,均会引起膜通量的下降[15]。因此,超滤膜污染控制以及膜清洗等问题是决定其能否得到广泛应用的技术关键[16-17]。

目前人们尝试了几种技术手段来缓解膜污染,首先从膜材料上看,无机陶瓷膜因为亲水性好、抗污染能力强被广泛使用。另外,果胶酶法澄清果汁时,采取物理或化学方法强化预处理过程,有利于分解部分果胶,节约酶用量,增大超滤膜通量并减少膜孔堵塞。吴燕华等[8]向果汁中添加聚乙烯聚吡咯烷酮(PVCC),再通过超滤膜除去大分子的酚类物质和蛋白质等,取得了较好的处理效果。超声技术是指利用频率在20 kHz以上的声波强化胞内物质的释放、扩散和溶解等,在活性物质的提取方面得到了广泛应用[20],在膜技术领域也常用于膜污染的清洗[18]。目前果汁超滤的研究主要集中在操作温度、跨膜压力等工艺参数优化及果汁中溶质的截留透过情况等,而果汁的预处理方式对超滤效能的影响研究还较鲜见。

因此本研究拟采取超声与果胶酶处理相结合的方式预处理柠檬汁,并采取不同切割分子量的超滤膜对柠檬汁进行澄清,对比研究了几种预处理方法对超滤澄清果汁效果及超滤性能的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

聚丙烯腈(PAN)超滤膜(MWCO 50kDa)、聚醚砜(PES)超滤膜(MWCO 30 kDa) 北京赛普瑞特公司;新鲜柠檬 大庆华联超市;果胶酶 酶活力40000 U/g,来源于黑曲霉,北京索莱宝科技有限公司;氢氧化钠、冰醋酸、无水氯化钙 天津市大茂化学试剂厂(AR)。

ZZ103榨汁机 中山市优盟电器有限公司;KQ-500DE超声波清洗器 昆山超声仪器有限公司;TD5A台式离心机 长沙英泰仪器有限公司;723A可见分光光度计 上海光谱仪器有限公司;DHB-3A真空泵 郑州长城科工贸有限公司;DGG-9140B电热恒温鼓风干燥箱 上海森倍仪器有限公司;XFUF07601超滤膜分离实验装置 美国Millipore公司。

1.2 实验方法

1.2.1 柠檬汁制备及预处理 在前期研究工作[19]中优化了柠檬汁制备及澄清工艺参数,即新鲜柠檬经挑选清洗后人工去皮挤压榨汁,用纱布进行粗滤,并按体积比1∶3的比例加水兑成柠檬汁,然后分别进行果胶酶(①)、果胶酶+超声(②)以及未经果胶酶+超声(③)三种形式的预处理,果汁出现沉淀分层后,在3500 r/min下离心10 min并进行超滤,得到澄清柠檬汁。

1.2.1.1 果胶酶法预处理 准确称取上述100 mL柠檬汁加入0.05%(wt.)的果胶酶,在室温20 ℃下恒温放置3 h,随后进行沉淀等后续工艺步骤。

1.2.1.2 果胶酶+超声预处理 重复上述果胶酶法预处理过程,并将上述柠檬汁放入超声波清洗器中,在超声功率90 W、温度40 ℃、超声时间10 min的条件下对柠檬汁进行沉淀等后续工艺步骤。

1.2.1.3 未经果胶酶+超声处理 柠檬汁经稀释后,无需添加果胶酶,不进行超声处理,直接进行沉淀等后续工艺步骤。

1.2.2 果汁超滤实验 首先将聚丙烯腈(PAN)和聚醚砜(PES)超滤膜剪成直径为76 mm的圆形,用去离子水洗净后正面向上放置在超滤装置中。取1.2.1离心后的上清液100 mL倒入超滤杯中,打开磁力搅拌器调整其转数为179 r/min,在设定的压力下进行超滤实验。

1.2.2.1 超滤膜的筛选 分别选择前述两种不同超滤膜,压力控制在0.05 MPa,以果胶酶和果胶酶+超声两种方法处理后的柠檬汁为原料,对比分析超滤透过液中的果胶含量和透光率,筛选出较优的超滤膜进行后续实验。

1.2.2.2 不同预处理方式对果汁品质的影响 使用PAN膜进行超滤实验,压力控制在0.05 MPa,考察果胶酶、果胶酶+超声以及未经果胶酶+超声三种不同预处理方式对柠檬汁中的果胶含量和透光率的影响。

1.2.2.3 不同预处理方式对果汁超滤通量的影响 使用PAN超滤膜,压力控制在0.05～0.20 MPa之间,考察不同预处理方式和压力变化对超滤膜通量的影响。

1.2.2.4 超滤压力对柠檬汁品质的影响 采用超声+果胶酶结合的方式在前述条件下制备柠檬汁,使用PAN膜进行超滤实验,操作压力控制在0.05～0.20 MPa,研究超滤压力对柠檬汁中果胶含量和透光率的影响。

1.2.2.5 膜污染及清洗 将上述三种方式预处理后的柠檬果汁在0.1 MPa下使用PAN膜进行超滤试验,研究不同预处理方式下膜通量的衰减规律,分析柠檬汁超滤过程的膜污染情况。在膜过滤完成后,立即将膜片用pH=10的NaOH溶液进行清洗,并继续向膜装置内注入柠檬汁重复实验并测定其通量恢复情况。

1.2.3 指标测定

1.2.3.1 果胶含量测定 采取重量法测定果胶含量[20]。准确称取样品30 g于烧杯中,加去离子水150 mL,加热1 h(加热过程中不断搅拌并加水补充蒸发量),冷却后移入250 mL容量瓶中,加水定容摇匀。吸取25 mL,并加100 mL氢氧化钠溶液(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氯化钙溶液(2 mol/L),放置1 h。加热沸腾5 min后立即用烘干至恒重的滤纸过滤,用热水洗涤至无氯离子为止(用硝酸银检验)。然后把带滤渣的滤纸放在烘干至恒重的称量瓶内,置于105 ℃烘箱中烘至恒重。

式中:G-滤渣重量,g;W-样品重量,g;0.9235-果胶酸铵换算成果胶质的系数。

1.2.3.2 透光率的测定 离心处理后的柠檬汁上清液采用分光光度计测定其透光率,首先将柠檬汁倒入1 cm石英比色皿中,在波长为625 nm处测定其透光率,并使用蒸馏水作对比[21]。

1.2.3.3 膜通量的测定 在超滤膜过滤系统中加入上述条件下处理的果汁,调整不同的测试压力,膜的通量(J)按下式计算:

J=V/AΔt

式中:J-膜通量,L/(m2·h);V-透水体积,L;A-有效过滤面积,m2;Δt-过滤时间,h。

1.2.3.4 膜通量的衰减速率 超滤膜的通量衰减速率可用膜通量的衰减比表示,其值为初始膜通量与某时刻的膜通量之间的比值。

1.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 超滤膜的筛选

分别采用聚丙烯腈(PAN)和聚醚砜(PES)两种不同超滤膜处理柠檬汁,进行对比实验,实验结果如表1所示。

由表1可知,在酶处理的基础上,无论是否进行超声辅助处理,在实验条件下两种超滤膜对柠檬汁的果胶含量及透光率影响并无明显区别,其中果胶含量均在0.86%左右,而透光率均在99.6%左右。表明上述两种超滤膜均能对柠檬汁起到很好的澄清效果。一般而言,超滤膜截留分子量越小,其膜孔径越小[22],即切割分子量为50 kDa的PAN膜孔径大于切割分子量为30 kDa的PES超滤膜的孔径,为了获得更高的膜通量,故接下来以PAN膜进行超滤实验研究。

表1 不同超滤膜对柠檬汁品质的影响

2.2 不同预处理方式对果汁品质的影响

果胶酶处理、果胶酶与超声协同处理以及未经果胶酶和超声处理三种方式对柠檬汁的品质影响如图1所示。由图1可见,未经酶及超声处理的果汁中果胶含量为3.8%,透光率为50.6%;酶处理之后,果汁透光率提高到77%左右,果胶含量则大幅降低到2.9%左右。超声+果胶酶处理后果汁透光率仍为77%左右,但超声之后果胶的含量降至2.2%,以上结果表明超声+果胶酶处理有利于促进果汁中大分子果胶进一步降解。

图1 不同处理方式对柠檬汁品质的影响

2.3 不同预处理方式对果汁超滤通量的影响

不同预处理方式对超滤膜通量以及果汁澄清效果的影响如图2所示。由图2可见,随着压力从0.05 MPa提高到0.10 MPa时,未经酶+超声处理的果汁超滤通量从12 L·m-2·h-1缓慢增大到14 L·m-2·h-1;而酶处理后的果汁,超滤通量从23 L·m-2·h-1增大到30 L·m-2·h-1,再继续提高压力时膜通量变化不明显;酶+超声处理的果汁超滤通量基本不随压力而变化,特别是压力增大到0.2 MPa时膜通量反而略有下降。这是由于未经酶+超声处理的果汁中含有未分解的大分子果胶,极易吸附在膜表面形成膜污染，从而增大过滤阻力,因此随着压力增加,膜两侧的过滤推动力增大从而提高膜通量。酶解后的果汁中果胶被部分分解,在压力的驱动下会迅速在膜表面聚积,同时小分子物质也会在膜孔内发生堵塞,因此当压力高于0.1 MPa时,膜通量变化不明显。在超声与果胶酶的协同作用下,柠檬汁中的果胶等大分子经超声处理后会引起分子的进一步断裂(从图1的结果得到证实),此时膜污染的主要形式是膜孔内的架桥和堵塞,而不只是在膜表面的吸附,因此当膜阻力基本一定时,再提高压力膜的通量变化不明显。当压力提高到0.20 MPa时,膜污染层更加致密,通量从32 L·m-2·h-1下降到30 L·m-2·h-1。

图2 不同预处理方式对超滤通量的影响

压力一定时,不同预处理方式对超滤膜通量大小的影响规律始终是酶+超声处理>酶处理>未经酶+超声处理,如压力为0.1 MPa时,其稳定通量分别为33.5、30和13 L·m-2·h-1左右。由此可见,酶处理有利于提高膜的通量,而超声作为酶法果汁澄清的辅助手段,则会进一步提高超滤通量并减缓膜污染,且较优的操作压力可确定为0.05～0.15 MPa。

2.4 超滤压力对柠檬汁品质的影响

不同压力下超滤柠檬汁时,透过液中果胶含量和透光率如图3所示。由图3可见,压力在0.05～0.15 MPa这一区间,果汁的透光率基本不变化,基本上保持在99.5%左右,当压力大于0.15 MPa时,透过液中的果胶含量增加,果汁的透光率略微下降到90%左右。

图3 超滤压力对柠檬汁品质的影响

压力由0.05 MPa增加到0.10 MPa时,透过液中果胶含量首先呈下降趋势,继续提高压力到0.2 MPa时,透过液中果胶含量又逐渐升高。这是由于在0.05～0.10 MPa这一压力区间,提高压力时果胶等物质容易堵塞膜孔从而提高其截留率。但继续提高超滤压力,超滤膜的孔径在压力的作用下不断增大,而大分子果胶在果胶酶和超声的协同作用下发生了分子断裂形成了小分子物质,在较大的过滤推动力下更容易穿过超滤膜,导致滤液中果胶含量增高。由以上分析,采取超声与果胶酶协同处理有利于提高果汁的超滤澄清效果及超滤通量,结合前面2.3节的试验结果,较优的超滤压力可确定为0.1 MPa,此时柠檬汁透过液中果胶含量为0.5%,透光率为99.6%。

2.5 膜污染

膜污染及清洗结果如图4所示。由图4可见,过滤之初膜通量均显著下降,说明这一阶段膜污染迅速形成。在超滤进行到5 min时,未经酶+超声处理、酶处理、酶+超声三种预处理方式下通量衰减比分别为1.67、1.25和1.12左右,可见酶+超声处理后的果汁超滤过程中膜污染相对较缓慢。随着时间的延长,未分解的果胶、蛋白质和一些大分子物质在超滤膜表面进一步截留,聚积成一层密集的“溶质凝胶层”,并开始出现浓差极化及膜孔的污染堵塞,超滤膜通量继续缓慢下降[16,23]。比较而言,未经酶+超声处理的稳定膜通量仅为9.0 L·m-2·h-1左右,而酶处理和酶+超声处理后的稳定通量分别为28.2和25.8 L·m-2·h-1左右,由此可见,未经酶+超声的果汁中果胶等大分子在过滤之初很快吸附在膜表面上,形成较厚并稳定的凝胶污染层,造成通量明显降低。超声和果胶酶处理后的果汁其膜污染相对较小,特别是超声+酶处理之后的膜通量略低于酶处理后的通量,其原因在于超声容易造成大分子物质的断裂，从而生成分子链段较小的物质，引起部分膜孔堵塞而造成通量的小幅衰减。

图4 不同预处理方式下膜通量的衰减规律

未经酶+超声处理的稳定膜通量为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,通量恢复效果较差,这是由于果胶等大分子未经酶解,在过滤之初很快吸附在膜表面上,形成较厚并稳定的凝胶污染层,不易清洗。酶处理的果汁其通量大约由清洗前的28.2 L·m-2·h-1恢复到20.5 L·m-2·h-1,其果胶大分子易在膜表面堆积覆盖并形成比较强的作用力,吸附在膜表面不利于去除。经超声+酶处理后的柠檬汁其通量恢复情况最好,清洗后的通量仍在22.6 L·m-2·h-1左右,与清洗前通量25.8 L·m-2·h-1相近。这是由于超声后的果汁产生的小分子物质并没有产生严重的堵塞膜孔的现象,清洗后易于溶解清除。A.Cassano[24]的研究结果表明在猕猴桃汁澄清试验中膜表面的污染物主要是悬浮颗粒和大分子物质,属可逆污染。

由此可见,超声辅助果胶酶法预处理柠檬汁,可显著降低其果胶含量,超滤膜通量得到提高,且有利于膜清洗后通量的恢复,超声作为果胶酶处理的辅助手段起到了良好的处理效果。

3 结论

超声辅助果胶酶预处理有利于促进果胶的进一步分解,提高果汁的透光率,并且在后续超滤膜处理过程中,有利于提高超滤膜的通量。未经酶及超声处理后的膜通量衰减很快,且通量恢复效果较差;经超声+酶处理后超滤通量衰减较小,且通量恢复效果较好,基本上与清洗前的通量相近。较优的超滤膜的操作压力为0.1 MPa,此时柠檬汁透过液中果胶含量为0.5%,透光率为99.6%。超声作为果胶酶的辅助处理手段，在果汁澄清中起到了较好的处理效果。