采用正滲透技術(shù)濃縮番茄汁

徐偉，孫建國，陳敏，趙炎春，黃光勝

(重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶，400030)

番茄收獲期短，難以長期保存，不便于運輸，故需濃縮加工成易于貯藏的制品，以調(diào)節(jié)其淡旺季供應(yīng)［1］。

目前工業(yè)上主要采用真空蒸發(fā)并輔以反滲透技術(shù)來濃縮果汁，Rodrigues［2］等將反滲透運用于卡姆果(camu-camu)果汁的濃縮，并提出反滲透濃縮可作為經(jīng)典的真空蒸發(fā)的一個濃縮環(huán)節(jié)來應(yīng)用;同時Matta［3］在6MPa 的壓力下將反滲透技術(shù)運用于櫻桃汁的濃縮，使果汁糖度從7°Brix 提高到29.2°Brix;張鵬［4］等采用管式反滲透膜系統(tǒng)對番茄汁(原漿)進(jìn)行脫水濃縮處理，考察了壓力、溫度及濃度對膜通量的影響，雖然反滲透濃縮可在較低的溫度下進(jìn)行，維生素等營養(yǎng)成分的流失少，保證了產(chǎn)品的高品質(zhì)，但由于果汁滲透壓的限制，使其所能達(dá)到的濃縮度比較低，而且生產(chǎn)運行能耗高，膜污染嚴(yán)重，不能一次濃縮成高濃度產(chǎn)品［5］，要與其他方法集成使用。

近些年，隨著正滲透(FO)膜技術(shù)的發(fā)展，綠色低能的正滲透濃縮技術(shù)也逐步運用于果汁的濃縮實驗研究［6］，與反滲透膜技術(shù)以及真空蒸發(fā)技術(shù)相比，正滲透膜技術(shù)以滲透壓為驅(qū)動力對果汁進(jìn)行低倍濃縮，能夠降低能耗，更好地保留果汁的原有風(fēng)味。

1 實驗材料與方法

1.1 材料

HTI 的Pouch 正滲透膜，型號101013-NW-4;可果美純正番茄汁1 000 mL(成分:水、濃縮番茄汁)，超市購買;分析純NaCl;蒸餾水。

1.2 設(shè)備

中友WYT-4/0 -80 手持糖量儀，佰倫斯BLH-100 精密電子稱，愛多樂TDS -3 離子濃度測量筆，摩品D889 攝像機，立升(LH3d)超濾凈水器，華泰PS-40 超聲波清洗器，Kamoer KPP-B 型蠕動泵。

1.3 實驗方法

取1L 番茄汁，經(jīng)棉布過濾后用超濾凈水器超濾，加蒸餾水至超濾液中將其糖度調(diào)至2.2°Brix。配制2 000 mL不同質(zhì)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl(6% ～26%)溶液作為汲取液，取400 mL 2.2°Brix 番茄汁。番茄汁濃縮實驗裝置如圖1 所示，有效膜面積54 cm2(3 cm×18 cm)，膜的截留層朝向高濃度的汲取液側(cè)。

圖1 實驗裝置Fig.1 The experimental device

1.4 主要測定參數(shù)及計算

滲透速度:通過測試番茄汁的質(zhì)量變化來計算。由于濃縮循環(huán)時間過長，故用錄像記錄電子稱的讀數(shù)變化，然后返回觀看錄像來記錄每隔0.5 h 的數(shù)據(jù)。

截留率:實驗前首先用TDS 離子濃度測量儀測定番茄汁(2.2°Brix)的TDS 記錄為Q1(mg/mL)，體積為V (mL)，循環(huán)結(jié)束后，測量濃縮后的番茄汁質(zhì)量，加入蒸餾水將番茄汁質(zhì)量加至初始值，磁攪拌30 min，再次測量TDS 為Q2(mg/mL)。則從汲取液中滲透至番茄原汁的NaCl 的質(zhì)量為(Q2-Q1)×V。

糖度:使用手持糖量儀測量濃縮后的番茄汁糖度。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對滲透速率的影響

研究了溫度對滲透速率的影響，通過水浴控制番茄汁和汲取液的溫度，在2 ～50 ℃選取6 個溫度(大約2，10，20，30，40，50℃)用于實驗，實驗的條件為汲取液質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%，番茄汁的濃度保持2.2°Brix，運行方式采用循環(huán)的方式進(jìn)行，由于番茄汁為400 mL，而汲取液為2L，可保證汲取液質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本維持在18%左右，可認(rèn)為濃度不變。從圖2 中可以看出，溫度對滲透速率影響較大，在濃度保持不變的情況下，一定溫度范圍內(nèi)，正滲透膜濃縮番茄汁的滲透速率隨溫度的升高而增大，在40℃左右達(dá)到最大值，相比于2℃時的滲透速率增加了200%，之后隨著溫度升高，滲透速率反而下降。實驗前后汲取液質(zhì)量分?jǐn)?shù)有不超過0.3%的波動，這會引進(jìn)滲透速率計算值的誤差，但此誤差不超過2%，故不予修正。Wrolstad 等［7］人將正滲透用于紅覆盆子汁的濃縮，研究了溫度對滲透速率的影響，得出了在一定溫度范圍內(nèi)滲透速率隨著溫度升高而增加的結(jié)論，但是他們僅僅只在17℃和27℃下進(jìn)行了研究討論。Beaudry 等［8］也推測出滲透速率與溫度具有同樣的關(guān)系，因為溫度的升高使擴(kuò)散系數(shù)增加，從而促進(jìn)了正滲透過程。由于實驗過程中盛放番茄汁和汲取液的燒杯用保鮮膜包裹，因此可忽略水分蒸發(fā)的影響，當(dāng)實驗溫度超過40℃，滲透速率下降可能是由于膜孔徑收縮，導(dǎo)致單位時間內(nèi)膜孔通量降低，從而使得滲透速率下降，與此同時，隨著時間的推移，由于水透過膜而使番茄汁側(cè)膜表面的溶質(zhì)濃度增加，汲取液側(cè)膜表面的溶質(zhì)濃度降低，在濃度梯度作用下，二側(cè)各溶質(zhì)與水以相反方向向本體溶液擴(kuò)散，在達(dá)到平衡狀態(tài)時，膜表面形成一個溶質(zhì)濃度分布邊界層，它對水的透過也起著阻礙作用。因此，鑒于膜的耐溫性能以及實驗操作的方便性，后面的實驗均在室溫下［約(15 ±2)℃］進(jìn)行。

2.2 不同濃度汲取液對滲透速率的影響

圖2 溫度對番茄汁滲透速率的影響Fig.2 The effect of temperature on the tomato juice osmosis rate

圖3 反映了室溫下滲透速率與汲取液濃度的關(guān)系，番茄汁的初始濃度為2.2°Brix，圖3 中曲線表明，濃縮的過程中，隨番茄汁濃度升高，滲透速率不斷下降。在這次實驗中，選取了4 種不同質(zhì)量濃度的汲取液(6%、12%、18%、26%)作為番茄汁濃縮的驅(qū)動液，從圖3 中的曲線可以看出，濃度為6%的汲取液由于滲透壓較小，膜兩側(cè)的滲透壓差較低，對應(yīng)的滲透速率低，曲線平緩，濃縮后的番茄汁糖度只有10.2°Brix(見表1)，濃縮效果不佳，達(dá)不到中濃度以上番茄醬商品所需要求(參考GB/T 14215 -2008)，而濃度為12%的汲取液滲透壓較高，滲透速率是6%的汲取液對應(yīng)的2 倍，濃縮時間顯著縮短，最后濃縮番茄汁糖度可達(dá)29.8°Brix，濃縮效果明顯，繼續(xù)提高汲取液濃度，以期得到最佳的汲取液濃度，從圖3 看出，質(zhì)量濃度分別為18%和26%的汲取液對應(yīng)的滲透速率很大，曲線比較陡峭，濃縮時間短，效果十分明顯，最后糖度均達(dá)到32°Brix，滿足中濃度以上番茄醬商品所需要求所需濃度。但是實驗中發(fā)現(xiàn)，濃縮初始階段，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%的汲取液對應(yīng)的滲透速率比26%的還要高，理論上隨著汲取液濃度的增加，滲透壓提高，驅(qū)動力增大，滲透速率也會隨之增加［9-10］。

圖3 滲透速率與汲取液濃度的關(guān)系Fig.3 Relationship between osmosis rate and absorbing liquid concentration

表1 正滲透濃縮番茄汁實驗的相關(guān)參數(shù)Table 1 experiment related parameters of tomato juice osmotic concentration

2.3 室溫下不同濃度液汲取的初始滲透速度

如前所述，鑒于膜的耐溫性能以及實驗操作的方便性，實驗均在室溫［(15 ±2)℃)］下進(jìn)行，選取不同濃度汲取液前1 h 的平均滲透速度進(jìn)行分析。在膜面積為54 cm2、汲取液質(zhì)量濃度為6%時，初始滲透速度可達(dá)2.07(L/(h·m2)，從番茄汁側(cè)單位時間單位面積正滲透膜到汲取液中的水量可達(dá)2.07L，提高濃度后，該滲透速率還可繼續(xù)增加。從6%到12%，隨著濃度升高，初始滲透速率增加緩慢，12% ～18%這段范圍內(nèi)，初始滲透速度增加顯著，在18%左右達(dá)到最大值5.41(L/(h·m2)，相當(dāng)于6%時初始滲透速度的2 倍，濃縮效率不言而喻。之后適當(dāng)提高濃度，初始滲透速率不再增加，故為縮短濃縮時間，通常選用濃度為18%的汲取液進(jìn)行番茄汁的正滲透濃縮。另外，每組實驗正滲透膜對NaCl 的截留率都達(dá)99%以上。以上數(shù)據(jù)反映，正滲透技術(shù)依靠溶液的滲透壓差作為驅(qū)動力［11］進(jìn)行果汁的濃縮時間短、效率高，具有深遠(yuǎn)意義。

圖4 初始滲透速度與汲取液濃度關(guān)系Fig.4 Relationship between the initial osmosis rate and absorbing liquid concentration

3 結(jié)論

在正滲透濃縮實驗中，以NaCl 溶液為汲取液濃縮番茄汁可使糖度達(dá)到32°Brix 以上，且具有較高的滲透速率和截留率(＞99%)。滲透速率隨著溫度升高而增加，當(dāng)溫度超過一定值(大約40℃)時，滲透速率轉(zhuǎn)而下降。汲取液濃度對正滲透速率也有較大影響，且在高濃度時影響更加顯著。濃度提高加速正滲透的濃縮，但由于濃差極化，這一加速作用存在一個極限值，超過18%之后滲透速率不再增加。因此，操作溫度為40℃、汲取液濃度為18%時，濃縮時間短、效率高，最后濃縮番茄汁糖度可達(dá)32°Brix 以上，在正滲透在番茄汁的濃縮生產(chǎn)具有較好的應(yīng)用前景。

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