有机膜过滤浓缩鱼粉压榨汁中营养物的研究

楚晓青，王啸宇，付晚涛,3*

(1. 大连海洋大学海洋科技与环境学院 辽宁大连116023；2. 大连海洋大学水产与生命学院 辽宁大连116023；3. 辽宁省高校近岸海洋环境科学与技术重点实验室 辽宁大连116023)

0 引 言

近几年来，随着我国养殖行业的迅速发展，饲料问题成为人们关注的热点[1]。鱼粉由于富含优质动物蛋白质，是养殖行业非常重要的蛋白质来源[2]，而且随着养殖行业的发展，对鱼粉饲料需求量也在不断增加[3]。其中鱼粉压榨汁是鱼粉制作过程中经过蒸煮、压榨、除油等工艺所形成的[4]，其产生量约是鱼粉产量的2 倍，而且含有丰富的蛋白质、微量元素和其他营养物质[5]，因而具有较大的回收利用价值，如果将其直接排放容易造成资源浪费[6]，甚至会引起环境污染。目前鱼粉生产流程采用烘干浓缩技术，但能耗太高，产生较大的成本。如何有效、相对低能耗地回收鱼粉压榨汁中的营养物质是生产中迫切需要解决的问题。

膜分离技术包括多种形式，如反渗透、微滤、超滤等[7]，同时膜的种类较多，有机膜材料主要有聚砜、聚氟乙烯等[8]。本论文主要采用PS 聚砜有机膜过滤的方式浓缩鱼粉压榨汁中的营养物，同其他分离方式相比，具有节能、环保特点，并起到分离、纯化的作用。其中由于聚砜有机膜具有良好的耐温性能、渗透功能，在膜分离技术方面发挥着重要作用。聚砜有机膜主要是基于分子水平，利用混合物选择性地透过膜两侧，从而对混合物进行分离、提纯[9]。本文将鱼粉加工过程中的压榨汁作为研究对象，以确定膜过滤方法的实验效果。

1 材料与方法

1.1 实验材料及设备

实验仪器及设备：100 mL 烧杯、500 mL 烧杯、1 L 烧杯、500 mL 和1 000 mL 量筒、Φ90 mm 玻璃培养皿、计时器、塑料桶、分析天平(FA2004，上海上平仪器有限公司)、烘箱(PH-070A，上海一恒科学仪器有限公司)、硅胶管、PS 聚砜有机膜(膜孔径0.02µm，有效膜面积为0.37 m2，天邦膜技术国家工程研究中心有限责任公司)、蠕动泵(Masterflex L/S Easy-Load II 泵头 77200-50)。

实验主要材料：鱼粉生产压榨汁来源于大连市某鱼粉生产企业新鲜生产的压榨汁，并在6 h 内送回实验室分装、冷冻保存。

1.2 鱼粉压榨汁成分分析

实验前一天将冷冻保存的鱼粉压榨汁取出，室温放置24 h 解冻，然后用量筒量取一定量的样品，以测量其中干物质、蛋白质、脂肪的含量。蛋白质和脂肪含量测量分别依据《食品中蛋白质的测定》[10]和《食品中脂肪的测定》[11]。

干物质含量的测量、计算方法：取玻璃培养皿(Φ90 mm)进行称重(M1)，然后取一定量压榨汁于玻璃培养皿中称重(M2)，将样品在烘箱中95 ℃烘干至恒重后称重(M3)，按照式(1)计算压榨汁中干物质含量：

其中：C为干物质含量(g/100 g)，M1为玻璃培养皿的质量(g)，M2为玻璃培养皿和压榨汁的质量(g)，M3为烘干后干物质和玻璃培养皿的质量(g)。

1.3 膜过滤实验方法

同样采用解冻24 h 压榨汁。实验当天用量筒量取10.0 L 鱼粉压榨汁倒入塑料桶中，搅拌压榨汁以混合均匀。用硅胶管将膜过滤装置连接，打开蠕动泵，驱动装置运行，使鱼粉压榨汁样品通过膜过滤组件。膜过滤压榨汁示意图见图1，过滤装置设有2 个出口，一个为浓缩液出口，另一个为清液出口。在装置运行过程中观察膜过滤情况适当地调节蠕动泵的转速，并记录蠕动泵运行转速和运行时间。过滤24 h后关闭蠕动泵，量取浓缩液和清液的体积，并取样品测量其中干物质、蛋白质和油脂的含量。

图1 膜过滤装置Fig.1 Membrane filtration device

1.4 膜过滤通量的计算方法

膜通量是指单位时间内通过单位膜面积上的流体量，膜过滤通量计算如式(2)所示：

其中：J为膜通量(L/m2·h)，V为取样体积(L)，T为过滤装置运行时间(h)，A为实验中所使用的滤膜的有效面积(m2)。

1.5 数据分析处理

除膜过滤通量外，其他指标测定均设3 组平行实验，主要采用SPSS 20 软件进行数据分析处理。

2 结果与讨论

2.1 鱼粉压榨汁成分分析

鱼粉压榨汁成分分析结果见表1。压榨汁中蛋白质含量占干物质含量的86.05%。因此，采用有机膜过滤方法浓缩压榨汁中蛋白质等营养物质可以减少损失压榨汁中的营养成分。

表1 鱼粉压榨汁的成分Tab.1 Ingredients of fish meal pressed juice

2.2 膜过滤对压榨离心液的处理效果

PS 聚砜有机膜过滤鱼粉压榨液24 h 前后压榨汁原液、过滤后的浓缩液和清液表观性状见表2。

表2 各组分的表观性状Tab.2 Apparent properties of each component

从表2 中可以看出，鱼粉压榨汁样品通过膜过滤装置之后，浓缩液黏稠度增加、清液颜色变浅、刺鼻性气味减轻，该实验现象表明膜过滤实验具有一定的实验效果。

2.3 膜过滤对干物质含量的影响

PS 聚砜有机膜过滤鱼粉压榨液24 h 后，浓缩液和清液的干物质含量见表3。

表3 各组分中干物质的含量Tab.3 Dry matter content of each component

实验结束后分别测量浓缩液、清液的体积，浓缩液体积为1.8 L，清液体积为8.0 L，约为浓缩液体积的4.5 倍。从表1 可知，初始鱼粉压榨汁样品的干物质含量均值为8.46 g/100 g，清液的干物质含量均值为 6.45 g/100 g，与鱼粉压榨汁样品相比下降了23.76%；浓缩液的干物质含量均值为12.13 g/100 g，与鱼粉压榨汁样品均值相比增加了43.38%。该实验结果表明，鱼粉压榨汁在过滤过程中不断浓缩，导致浓缩液体积减小、干物质含量增加。有研究发现，使用0.2µm 孔径的膜过滤茶汤，并经膜组件进行分离、浓缩，其中约有50%的干物质能够透过膜组件[12]。由此可见，膜分离技术在对物质进行分离、浓缩等方面具有重要的作用。

2.4 膜过滤对脂肪、蛋白质含量的影响

PS 聚砜有机膜过滤鱼粉压榨液24 h 后，浓缩液和清液的蛋白质、脂肪含量见表4。

表4 各组分脂肪、蛋白质的含量Tab.4 Fat content and protein content of each component

该实验结果表明，鱼粉压榨汁经有机膜过滤后能将清液中脂肪全部分离，蛋白质含量有所降低，浓缩液蛋白质含量升高。由于蛋白质会吸附在聚砜膜表面，这是一个复杂多变的现象[13]，且随着时间的延长逐渐加剧，并发生较强的化学反应，导致出现膜污染现象[14]，而膜污染会导致膜通量的下降，进而降低膜分离的效率[15]。同时，由于装置运行时间延长，可能会引起仪器发热，导致样品中某些物质发生变化，从而影响实验结果。有研究表明聚醚酮材料膜可以有效地去除茶汁中的蛋白质、果胶等物质[16]，因此为了提高膜分离的效率，可以使用其他材质的膜或对聚砜膜进行改性研究。

2.5 膜过滤通量的计算

通过实验可知，装置运行时间为24 h，滤膜的有效膜面积为0.37 m2，理论上取样体积为70.6 L，依据膜过滤通量计算公式进行计算，本次实验的膜过滤通量为7.95 L/m2·h[17]。在装置运行中可能会由于聚砜膜受到污染而影响整个实验过程的膜通量[18]。

3 结 论

本文利用聚砜有机膜的特性，将鱼粉压榨汁通过膜过滤装置以达到分离、浓缩鱼粉压榨汁中的营养物的目的。经有机聚砜膜过滤24 h 后，浓缩液中体积仅为压榨汁初始体积的18%，浓缩液中干物质(含有77.66%蛋白质)含量比初始压榨汁高43.38%，可见有机聚砜膜过滤浓缩压榨液中营养物质为后续研究提供了基础。但由于聚砜膜的使用具有一定的局限性，在企业生产中使用时易产生一些麻烦，如出现膜污染现象。张建友等[19]对陶瓷膜微滤浓缩鳀鱼蒸煮液进行了研究，他们通过改变压力、温度、陶瓷膜孔径、蒸煮液浓度等条件影响膜通量，并确定了膜过滤的最优条件。杨青莉等[20]对聚砜膜进行研究，结果表明过滤时间、pH 都会对聚砜膜造成污染。因此，还需继续进行研究，找到膜过滤的最优条件，提高膜过滤的效率，减轻或解决一些实际生产问题，以达到更好的生产实验效果。