聚偏氟乙烯微濾膜過濾純生啤酒性能與濾菌效果研究

董 倫，陸 茵

（寧波大學(xué)海洋學(xué)院食品科學(xué)與工程系，浙江寧波 315211）

純生啤酒又稱生啤，是一種不經(jīng)過巴氏滅菌或者高溫瞬時消毒的無菌過濾、無菌灌裝啤酒，內(nèi)含有豐富的氨基酸、碳水化合物、無機鹽類、多種維生素及多種活性酶類，具有增進食欲、促進消化等功效，屬于啤酒中的高檔品種。過濾除菌是生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。膜分離技術(shù)利用篩分原理能較完整地保留食品中的各種營養(yǎng)成分［1－2］，應(yīng)用于生啤除濁除菌的生產(chǎn)中，生產(chǎn)的酒液更加清亮透明、泡持性更長久，敏感蛋白和冷混濁等指標(biāo)均低于硅藻土過濾30%以上。但不可避免的膜污染嚴(yán)重影響過濾性能，文獻報道的穩(wěn)定平衡通量也僅在 10L/（m2·h）左右［3］，限制了膜過濾技術(shù)在啤酒生產(chǎn)中的應(yīng)用。

膜污染的產(chǎn)生主要是蛋白質(zhì)、糖類等吸附在膜壁上堵塞過濾膜［4－5］，膜的清洗是個復(fù)雜的問題，現(xiàn)行的化學(xué)清洗會對生啤酒的質(zhì)量有一定影響，而更換一套新過濾膜費用過高，導(dǎo)致純生啤酒的運行成本高［6－9］。要降低膜污染關(guān)鍵是要改善膜材料的特性，研究認為親水性的膜能有效減少膜污染，提高膜平衡通量［10－13］。在此基礎(chǔ)上，如能通過清水反沖洗的方法恢復(fù)膜通量，則對生啤生產(chǎn)的實際應(yīng)用意義重大。

本文選用親水性PVDF膜［14］過濾生啤，研究了PVDF微濾膜過濾大腸桿菌菌懸液的濾菌性能與膜結(jié)構(gòu)、膜孔徑的關(guān)系，并考察了兩種結(jié)構(gòu)的微濾膜應(yīng)用于生啤過濾的濾菌效果、膜通量變化以及不同清洗方式的清洗效果等，為進一步應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大腸桿菌 寧波大學(xué)海洋學(xué)院微生物實驗室提供;菌種經(jīng)活化擴大培養(yǎng)后配制成大腸桿菌菌懸液;生啤酒 取自寧波某啤酒廠;馬鈴薯葡萄糖瓊脂（PDA）、平板計數(shù)瓊脂培養(yǎng)基（PCA） 海博生物技術(shù)有限公司;月桂基硫酸鹽胰蛋白胨肉湯（LST）、煌綠乳糖膽鹽肉湯（BGLB） 杭州微生物試劑有限公司;氯化鈉、異丙醇 分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司;水 通過ULUPURE超純水制造系統(tǒng)制備;實驗用膜 兩種不同結(jié)構(gòu)的自制親水性聚偏氟乙烯微濾平板膜，分別標(biāo)記為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的PVDF－N膜和指孔狀結(jié)構(gòu)的PVDF－F膜。

LDZX－50KBS型立式壓力蒸汽滅菌器 上海申安醫(yī)療器械廠;HWS－128型恒溫恒濕培養(yǎng)箱 寧波江南儀器廠;QL－861型漩渦混合器 海門其林貝爾儀器制造有限公司;SU－70型掃描電子顯微鏡 日本日立公司;接觸角/表面張力測定儀 Dropmetr A－100P;UPH－1－5T型 ULUPURE超純水制造系統(tǒng) 成都超純科技有限公司;泡點－流速法膜孔徑分布測定儀 自制;過濾裝置 自制，料液罐體積8.8L，膜池有效過濾面積 10.2cm2。

1.2 實驗方法

1.2.1 PVDF膜孔徑的測定 采用自制泡點－流速法［15］孔徑分布測定儀測定微濾膜的孔徑分布。在干膜上截取圓形膜片，置于浸泡液中浸泡至半透明狀態(tài)，取出并用濾紙吸干表面附著的液體后鋪于檢測器上，進行檢測。浸泡液為異丙醇，壓力源為氮氣。

1.2.2 接觸角測定 截取2cm×2cm方形膜片，固定于載玻片上，放置在樣品臺上進行檢測。記錄水滴自滴到膜表面到完全消失時接觸角的變化情況。

1.2.3 掃描電鏡觀察膜的結(jié)構(gòu) 在干膜上截取具有代表性的膜樣品，其上下表面分別用導(dǎo)電膠粘附于樣品臺上，截面經(jīng)液氮冷凍淬斷后將斷面用導(dǎo)電膠粘附于樣品臺上，將樣品真空鍍金后放置于電鏡平臺上觀察。

1.2.4 微生物計數(shù) 大腸桿菌計數(shù):取待測樣品，參照GB 4789.3－2010進行檢測。生啤總菌落計數(shù):取過濾前后生啤樣品，參照GB 4789.2－2010進行檢測。酵母菌計數(shù):取過濾前后生啤樣品，參照GB 4789.15－2010進行檢測。

1.2.5 膜通量的變化測定 親水性 PVDF－N或者PVDF－F微濾膜放入膜池中整體經(jīng)121℃高壓蒸汽滅菌20min。采用自制的過濾裝置（見圖1）測定100kPa過濾壓力下的生啤過濾通量隨過濾時間的變化情況，實驗流程見圖2。其中新膜第一次過濾過程記為C0，過濾一段時間至膜通量衰減達到穩(wěn)定值后，對濾膜進行清洗以恢復(fù)膜通量，清洗后的膜繼續(xù)過濾生啤。膜清洗前四個循環(huán)采用清水浸泡清洗，后四個循環(huán)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。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

圖2 實驗流程圖Fig.2 Experimental flowchart

2 結(jié)果與分析

2.1 膜濾菌效果與孔徑之間的關(guān)系

用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的 PVDF－N膜和指孔狀結(jié)構(gòu)的PVDF－F膜兩種結(jié)構(gòu)、不同孔徑的親水性PVDF微濾膜過濾含有大腸桿菌的菌懸液，根據(jù)過濾前后液體中大腸桿菌濃度的變化確定親水性微濾膜濾菌效果與孔徑之間的關(guān)系。實驗中每種孔徑的微濾膜做兩組平行過濾實驗，每種濾過液取兩個樣進行平行檢測，過濾前后大腸桿菌的濃度如表1所示。

從表1可以看出膜孔徑在0.22μm數(shù)量級的兩個膜（0.179～0.234μm，0.199～0.252μm）過濾時，濾液的大腸桿菌濃度在0～2cfu/mL范圍內(nèi)。膜孔徑在0.45μm 數(shù)量級的兩個膜（0.464～0.579μm，0.424 ～0.652μm）過濾時，濾液的大腸桿菌濃度約為14～20cfu/mL。

本實驗采用大腸菌群平板計數(shù)法，然而GB 2758－2005中采用大腸菌群MPN計數(shù)法，為此對三個人為污染含大腸桿菌的自來水樣分別進行大腸菌群平板計數(shù)法和大腸菌群MPN計數(shù)法的對比實驗，實驗結(jié)果見表2。

從表2中可以看出大腸桿菌濃度在0～10cfu/mL范圍時，對應(yīng)的MPN＜3，符合GB 2758－2005中大腸桿菌含量≤3MPN/100mL的要求。大腸桿菌濃度在15～20cfu/mL 范圍時，MPN 為 6.1，不符合 GB 2758－2005中大腸桿菌含量的要求。

表1 不同種類PVDF微濾膜對大腸桿菌濾除效果Table 1 Degerming effect of E.coli with different PVDF microfiltration membranes

表3 過濾前后生啤微生物檢測結(jié)果Table 3 Microbial test before and after draft beer filtration

表2 大腸桿菌平板計數(shù)法與MPN計數(shù)法對照Table 2 Contrast of E.coli test with plate count and MPN count method

2.2 生啤過濾效果和過濾通量研究

根據(jù)上述實驗結(jié)果，選用孔徑0.179～0.234μm 的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) PVDF－N 膜和孔徑 0.199～0.252μm 的指孔狀結(jié)構(gòu)PVDF－F膜進行生啤過濾實驗，測定過濾前后啤酒的菌含量，并研究過濾過程中膜通量變化情況。生啤取自某啤酒廠灌裝前的清酒罐，裝在未經(jīng)消毒的塑料桶中運回實驗室。過濾后的啤酒收集在預(yù)先經(jīng)高溫蒸汽消毒過的不銹鋼罐中，過濾完畢后分別從塑料桶和不銹鋼罐中對過濾前后的啤酒各取兩個平行樣檢測總菌落、大腸桿菌和酵母菌。表3為生啤過濾前后啤酒中總菌落、大腸桿菌、酵母菌的測定結(jié)果，數(shù)據(jù)表明過濾后生啤中沒檢測到微生物，采用該孔徑的微濾膜進行濾菌過濾，符合GB 2758－2005中對生啤大腸桿菌含量≤3MPN/100mL的要求。

圖3為親水性PVDF微濾膜過濾啤酒時過濾通量隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，隨著過濾的進行，過濾通量衰減至穩(wěn)定的平衡通量，其中清水清洗和堿、清水、酸、清水交替清洗兩種清洗方式對PVDF－N膜的過濾性能影響不大，最終穩(wěn)定平衡通量約在 22.2～22.4L/（m2·h）。同樣條件下，兩種清洗方式對PVDF－F膜的過濾性能有一定的影響，清水清洗后 PVDF－F 膜的穩(wěn)定平衡通量為 35.0L/（m2·h）;堿、清水、酸、清水交替清洗后PVDF－F膜的穩(wěn)定平衡通量為 40.8L/（m2·h）。

實驗表明采用兩種結(jié)構(gòu)的親水性微濾膜過濾啤酒時的穩(wěn)定平衡通量均大于文獻中記載的生產(chǎn)中10L/（m2·h）左右［3］的穩(wěn)定平衡通量，其中指孔狀結(jié)構(gòu)的PVDF－F微濾膜用堿、清水、酸、清水交替清洗具有更高的穩(wěn)定平衡通量，但即使采用清水進行清洗，其穩(wěn)定平衡通量也達到35.0L/（m2·h）。說明用指孔狀結(jié)構(gòu)的PVDF－F微濾膜過濾生啤除菌，僅采用清水清洗膜在生產(chǎn)上是可行的。

2.3 聚偏氟乙烯過濾膜性能分析

圖4為過濾前后網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的PVDF－N和指孔狀結(jié)構(gòu)的 PVDF－F兩種微濾膜的 SEM圖像，（a）和（a′）表示過濾前、后膜的上游面，（b）和（b′）表示過濾前、后膜的下游面，（j）和（j′）表示過濾前、后膜的截面。從各個面的SEM圖像來看，生啤過濾后網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)PVDF－N微濾膜的上游面被一些物質(zhì)所覆蓋，污染嚴(yán)重，膜下游面基本沒變化;指孔狀結(jié)構(gòu)PVDF－N微濾膜上游面覆蓋物質(zhì)較少，依然可以見到膜孔，下游側(cè)變化不明顯，表明指孔狀結(jié)構(gòu)PVDF－F微濾膜抗污染性能較好。這與前述實驗中指孔狀結(jié)構(gòu)的PVDF－F 膜穩(wěn)定平衡通量為 35.0L/（m2·h），而網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的PVDF－N 膜穩(wěn)定平衡通量為22.2L/（m2·h）的實驗結(jié)果相吻合，說明在對生啤這種含有豐富營養(yǎng)成分的液體過濾時，指孔狀結(jié)構(gòu)的PVDF－F膜具有更好的抗污染性和更高的穩(wěn)定平衡通量。

圖5所示為水滴自接觸PVDF微濾膜表面到完全消失時的接觸角變化曲線。結(jié)果表明兩種結(jié)構(gòu)的微濾膜均具有良好的親水性，水滴在120s內(nèi)完全融入膜中。可見正是由于濾膜具有良好的親水性能，在生啤過濾中表現(xiàn)出了較好的抗污染能力，其穩(wěn)定平衡通量較之一般工業(yè)生產(chǎn)過程中有一定的提高。

圖3 親水性PVDF膜過濾啤酒通量隨時間變化曲線Fig.3 Time dependent draft beer flux filter with hydrophilic PVDF membranes

3 結(jié)論

3.1 當(dāng)微濾膜孔徑在0.22μm數(shù)量級或以下時，能夠有效除去生啤中的微生物，達到啤酒生產(chǎn)要求。

3.2 指孔狀結(jié)構(gòu)的PVDF－F微濾膜用堿、清水、酸、清水交替清洗具有更高的穩(wěn)定平衡通量，但即使采用清水進行清洗，其穩(wěn)定平衡通量也達到35.0L/（m2·h）。說明用指孔狀結(jié)構(gòu)的PVDF－F微濾膜過濾生啤除菌，僅采用清水清洗膜在生產(chǎn)上是可行的。

3.3 從SEM圖像可以看出，生啤過濾后網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)PVDF－N微濾膜上游面被一些物質(zhì)所覆蓋，污染嚴(yán)重，而指孔狀結(jié)構(gòu)PVDF－F膜上游面覆蓋物質(zhì)較少，依然可以見到膜孔，說明指孔狀結(jié)構(gòu)PVDF－F膜具有更好的抗污染性。

圖4 PVDF－N和PVDF－F膜過濾生啤前后的SEM顯微照片F(xiàn)ig.4 SEM photographs of PVDF－N and PVDF－F membranes before and after draft beer filtration

圖5 親水性PVDF微濾膜接觸角測定Fig.5 Contact angle of hydrophilic PVDF microfiltration membranes

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