葡萄汁膜濃縮工藝及其酚類物質(zhì)膜污染特征

(浙江工業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

葡萄汁不僅具有葡萄風(fēng)味，而且很好地保留了葡萄中所富含的營(yíng)養(yǎng)成分、微量元素和礦物質(zhì)等，深受人們喜愛。葡萄中的酚類物質(zhì)有很強(qiáng)的抗氧化能力，并具有預(yù)防高血壓、抗血栓、抗胃潰瘍、抗炎和抗腫瘤等功能[1-2]。同時(shí)，酚類物質(zhì)也會(huì)影響葡萄汁的風(fēng)味和色澤[3-4]。目前，濃縮葡萄汁主要采用蒸發(fā)濃縮等熱加工技術(shù)，容易造成其中有效成分的損失和產(chǎn)品風(fēng)味色澤的差異。膜分離技術(shù)是20 世紀(jì)中葉發(fā)展起來的一種高新綠色節(jié)能技術(shù)，具有效率高、適用性廣、操作條件溫和、過程無相變以及無需添加化學(xué)試劑等優(yōu)點(diǎn)，已被逐漸應(yīng)用于果蔬汁的生產(chǎn)加工[5-6]。納濾膜技術(shù)也在花青素等果蔬的活性成分分離與富集方面取得了不錯(cuò)的效果[7-11]。但是，目前針對(duì)采用超濾+納濾多級(jí)膜技術(shù)濃縮多酚富集葡萄汁的工藝研究還并不多見。同時(shí)，膜分離過程中造成的膜污染問題是阻礙該技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題，會(huì)導(dǎo)致膜通量下降、生產(chǎn)效率降低以及關(guān)鍵成分的損失等。因此，明確關(guān)鍵物質(zhì)在膜過程中的膜污染機(jī)制對(duì)膜法濃縮果蔬汁技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用極為重要。部分研究表明，酚類物質(zhì)對(duì)膜過程中膜污染的形成較為關(guān)鍵。該類物質(zhì)會(huì)在分離膜上形成不同程度的吸附或積聚造成膜孔堵塞，從而造成膜污染的加劇和酚類物質(zhì)的減少[12-13]。目前，Resistance-in-series(RIS)模型能夠較好地揭示物質(zhì)在膜過程中的膜污染機(jī)制[14]。因此，明確膜過程中酚類物質(zhì)的膜污染特征，能夠?yàn)橛行Э刂颇の廴竞头宇愇镔|(zhì)的損失提供理論基礎(chǔ)。

筆者通過比較膜通量和總酚截留率確定濃縮過程中的最佳操作條件，同時(shí)對(duì)比不同膜組合工藝中總糖和總酚濃度的差異以及關(guān)鍵酚類物質(zhì)膜污染機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅提購(gòu)買于當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)；膜購(gòu)買于中科瑞陽膜技術(shù)有限公司，具體參數(shù)見表1；Folin酚試劑(美國(guó)Sigma公司)；無水Na2CO3(太倉(cāng)美達(dá)試劑有限公司)；NaOH(天津博迪化工股份有限公司)；乙醇(阿拉丁試劑有限公司)；濃硫酸(天津博迪化工股份有限公司)；乙腈、甲醇(色譜純)(阿拉丁試劑有限公司)；沒食子酸、原兒茶酸、兒茶素、白藜蘆醇、水楊酸、香豆酸、阿魏酸等酚類標(biāo)準(zhǔn)品(南京澤朗醫(yī)藥有限公司)；其他有機(jī)溶劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

表1 膜特性參數(shù)Table 1 Characterics of membranes

1.2 儀器與設(shè)備

AY-120/BL-220H型電子天平(日本Shimadzu公司)，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱DHG-9140A型(上海一恒科技有限公司)，HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋(江蘇國(guó)華電器有限公司)，三聯(lián)高壓平板膜小試設(shè)備(廈門福美科技有限公司)，TDZ5-WS低速多管架自動(dòng)平衡離心機(jī)(南京易普易達(dá)科技發(fā)展有限公司)，EPED-E2-10TH型實(shí)驗(yàn)室級(jí)超純水器(上海愛朗儀器有限公司)，EYELA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司)，SHB-III型循環(huán)水式真空泵(上海司樂儀器有限公司)，ALPHA2-4LD plus型真空冷凍干燥機(jī)(德國(guó)Christ公司)，UV-2450型紫外-可見分光光度計(jì)(日本島津公司)，DELTA 320 pH計(jì)(梅特勒-托利多儀器有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 葡萄汁原料制備

澄清葡萄汁的制備：1) 清洗干凈葡萄，連皮核一起放入榨汁機(jī)中榨汁，用小鋼絲網(wǎng)過濾除去果核果皮等碎渣；2) 采用90 mm(GB/T 1914)直徑的濾紙，用布氏漏斗進(jìn)行抽濾；3) 用冷凍離心機(jī)對(duì)抽濾后的葡萄汁進(jìn)行離心，進(jìn)一步除去果渣，取上清液，離心條件：溫度4 ℃，轉(zhuǎn)速4 000 r/min，時(shí)間10 min，得到澄清汁存放于4 ℃冰箱備用。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

濃縮實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。膜用去離子水沖洗后浸泡30 min，測(cè)定膜的純水通量J0。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用去離子水沖洗設(shè)備和管路2 h，再用體積分?jǐn)?shù)為0.5%的NaOH溶液清洗0.5 h，除去管路中的污染。

1—進(jìn)料罐；2—泵；3,9—閥門；4—調(diào)頻器；5,8—壓力表；6—膜組件；7—收集罐。圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖Fig.1 Experimental flow chart

1.3.3 葡萄汁主要成分測(cè)定

總酚采用Folin-Ciocalteu法測(cè)定[15-16]；總糖采用苯酚-硫酸法測(cè)定[17]；蛋白質(zhì)采用考馬斯亮藍(lán)G-250測(cè)定[18]；總酸采用酸堿滴定法測(cè)定，參照GB/T 12456—2008《食品中總酸的測(cè)定》[19]，本文中酸的換算系數(shù)以酒石酸計(jì)，為8.1；抗氧化性采用ABTS法測(cè)定[20]，抗氧化性以水溶性維生素E(trolox)濃度表示；總可溶性固形物(TSS)和pH值分別使用折光儀和pH計(jì)測(cè)定。

1.3.4 膜通量及總酚截留率

膜通量及截留率的公式計(jì)算[21]為

(1)

(2)

式中：Jp為滲透物通量，L/(m2·h)；Vp為滲透物體積，L；t為時(shí)間，h；A為膜表面積，m2；R為截留率；C1為透過液中酚的質(zhì)量濃度，mg/mL；C2為截留液中酚的質(zhì)量濃度，mg/mL。

1.3.5 超濾納濾組合工藝的優(yōu)化

室溫條件下，設(shè)定操作壓力為1 MPa，流速為1 m/s，溶液為不稀釋的葡萄汁，通過膜分離系統(tǒng)過濾葡萄汁，每30 min取一次樣，通過式(1，2)計(jì)算膜通量和總酚的截留率，研究膜分離過程時(shí)間的影響。

室溫條件下，設(shè)定操作時(shí)間為1 h，流速為1 m/s，溶液為不稀釋的葡萄汁，操作壓力分別為0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5 MPa。通過膜分離系統(tǒng)過濾葡萄汁，每次循環(huán)結(jié)束后取樣，研究壓力對(duì)膜通量及總酚截留率的影響。

室溫條件下，設(shè)定操作時(shí)間為1 h，壓力1 MPa，溶液為不稀釋的葡萄汁，流速分別為0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5 m/s，通過膜分離系統(tǒng)過濾葡萄汁，每次循環(huán)結(jié)束后取樣，研究流速對(duì)膜通量及總酚截留率的影響。

通過分析超濾+納濾工藝各級(jí)產(chǎn)物的總酚和總糖含量，確定最佳操作工藝為，工藝組合參數(shù)見表2。

表2 膜組成工藝參數(shù)表Table 2 Parameters of integrated membrane processes

1.3.6 葡萄汁中主要酚類物質(zhì)的HPLC法測(cè)定

采用高效液相色譜儀Waters e2695。色譜柱為Agilent C18柱(250 mm×4.6 mm，5 μm)，柱溫25 ℃，流速1.0 mL/min，進(jìn)樣體積10.0 μL，檢測(cè)器為紫外檢測(cè)器Waters 2998，檢測(cè)波長(zhǎng)280 nm。流動(dòng)相為乙腈(A)，0.1%乙酸溶液(B)；梯度洗脫程序：0～30 min，A為10%～35%，B為90%～65%；30～40 min，A為35%，B為65%；40～42 min，A為35%～10%，B為65%～90%；42～45 min，A為10%，B為90%。

1.3.7 酚類物質(zhì)膜阻力分析

將沒食子酸、原兒茶酸、兒茶素、白藜蘆醇、水楊酸、香豆酸、阿魏酸等7 種不同的酚類物質(zhì)分別配制成1 g/L的水溶液。通過超濾納濾系統(tǒng)循環(huán)濃縮，對(duì)比不同酚類物質(zhì)在過程中的膜污染情況?；贒arcy’s law和resistance-in-series模型[22-24]，計(jì)算不同膜污染阻力，即

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：J為膜分離過程的膜通量，L/(m2·h)；ΔP為膜兩側(cè)的壓力差，MPa；μ為溶液黏度，MPa·h；RT為膜總阻力，m-1；Rm為清潔膜的固有阻力，m-1；Rr為可逆污染阻力；Ri為不可逆污染阻力；μ0為純水黏度，MPa·h；J0為新膜的純水通量，L/(m2·h)；J1為用去離子水清洗污染后膜的純水通量，L/(m2·h)。

2 結(jié)果與分析

2.1 操作因素對(duì)膜通量的影響

由圖2(a)可知：膜法濃縮葡萄汁過程中，孔徑大的膜初始膜通量高，隨著過程的進(jìn)行，各種膜的膜通量均在60 min內(nèi)急劇下降，在120～140 min時(shí)趨于穩(wěn)定。初始通量急劇下降的主要原因是溶質(zhì)吸附和膜孔堆積[25]，由于濾餅層的加厚加密，后階段膜通量繼續(xù)下降。此外，孔徑較小的膜的通量趨于穩(wěn)定的過程更快，原因可能是孔徑小的膜能在單位時(shí)間內(nèi)截留更多溶質(zhì)，形成濾餅層/凝膠層的時(shí)間較短。壓力是影響膜通量的重要因素之一。如圖2(b)所示：壓力從0.5 MPa增加至5 MPa，5 000，3 000，1 000，300，150 Da的膜通量分別增加了140，120，119，85 ，79 L/(m2·h)。隨著壓力增大，系統(tǒng)內(nèi)的驅(qū)動(dòng)力大大增加，膜通量上升；但是，隨著壓力繼續(xù)升高膜通量變化趨勢(shì)逐漸平緩，這是由于膜固有阻力的存在以及濾餅層阻力的增加[26-27]。如圖2(c)所示，隨著系統(tǒng)流速的增加，膜通量隨之升高，在4 m/s時(shí)趨于穩(wěn)定。此時(shí)，5 000，3 000，1 000，300，150 Da的膜通量分別達(dá)到了231，215，183，113 ，80 L/(m2·h)。因?yàn)檩^高的流速增加了膜表面溶液的剪切力，減緩了濾餅層/凝膠層的形成，并減弱了濃差極化，使溶液(大部分是水分)的透過量增大[28]。由圖2(c)可見：當(dāng)流速達(dá)到一定值時(shí)，繼續(xù)增大流速對(duì)膜通量的變化影響較小。所以在工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，并不能以單獨(dú)增加系統(tǒng)的流速來提高膜通量。

圖2 操作因素對(duì)膜通量的影響Fig.2 Effects of operating factors on membrane flux

2.2 操作因素對(duì)總酚截留率的影響

如圖3所示，總酚截留率隨時(shí)間的增加而增大，并以150 Da膜的截留率最高。孔徑較小的膜的總酚截留率更高，并能更快地趨于穩(wěn)定。溶液中的溶質(zhì)更易造成孔徑較大的膜形成膜污染，孔徑變化較大，因此截留率的變化也會(huì)更大[29]?？偡咏亓袈孰S著壓力的增加先下降后上升，相同壓力下幾種膜的總酚截留率有所差異，當(dāng)壓力達(dá)到5 MPa時(shí)各膜的總酚截留率最高，這是因?yàn)楫?dāng)壓力過小時(shí)，系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力不足，溶質(zhì)及顆粒會(huì)快速地沉積在膜表面，堵塞膜孔，酚類物質(zhì)沒有足夠的驅(qū)動(dòng)力很難透過膜，此時(shí)的總酚截留率高；當(dāng)壓力稍稍增大后，酚類物質(zhì)透過膜的量變多，此時(shí)總酚的截留率有所下降；當(dāng)施加在膜上的驅(qū)動(dòng)力壓力繼續(xù)增大時(shí)，膜會(huì)被壓力壓實(shí)，高壓導(dǎo)致濾餅層密度變大，有效驅(qū)動(dòng)力大大降低，總酚的截留率升高[30]，并且隨著膜兩側(cè)壓力的增大，膜兩側(cè)溶液濃度也會(huì)相差較大，構(gòu)成濃差極化現(xiàn)象，形成反向滲透壓，同時(shí)水分大量的滲透使得濃縮液濃度快速上升，溶液黏度上升導(dǎo)致膜阻力增加，總酚的截留率越來越高并逐漸趨于穩(wěn)定。許多研究也表明，在一定操作壓力范圍內(nèi)，提高操作壓力可以提高納濾膜的膜通量，但當(dāng)升至一定壓力時(shí)膜通量便趨于穩(wěn)定[31]?？偡咏亓袈孰S流速的增大呈下降趨勢(shì)。流速?gòu)? m/s增加至5 m/s，由于流體剪切力的增大，致使膜污染程度減小和滲透通量增大，透過的酚類物質(zhì)將增加，因此不同孔徑的膜的總酚截留率均表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

圖3 操作因素對(duì)總酚截留率的影響Fig.3 Effect of operating factors on total phenols retention

2.3 超濾納濾組合最佳工藝優(yōu)化

由表3可知：6 條組合工藝超濾濃縮液Ⅰ的總糖質(zhì)量濃度分別為43.84，45.11，65.73，66.45，74.15， 78.04 mg/mL，總酚的質(zhì)量濃度分別為1.17，1.23，1.31，1.28，1.53，1.51 mg/mL。由此可見，相比1 000 Da和3 000 Da的超濾膜，5 000 Da的超濾膜對(duì)多糖的截留效果差異不大，但能更多地將多酚類物質(zhì)透過。同時(shí)，多酚更多地集中在納濾濃縮液Ⅱ，6 條工藝的納濾濃縮液Ⅱ總酚質(zhì)量濃度分別為2.07，3.75，1.83，3.21，1.63，2.90 mg/mL。150 Da和300 Da的納濾濃縮液Ⅱ中的總酚質(zhì)量濃度差異明顯。150 Da的納濾膜比300 Da的納濾膜能更有效地截留酚類化合物。因此，工藝2(5 000 Da超濾膜+150 Da納濾膜)能將總糖集中在超濾截留液中，同時(shí)能得到最大濃度的多酚富集液。本工藝既可得到高濃度的多酚富集型葡萄汁，也能獲得可作為副產(chǎn)品的高濃度多糖富集液。同時(shí)，通過2.1和2.2的分析，超濾的最佳條件為壓力1 MPa、流速5 m/s、時(shí)間2 h；納濾的最佳條件為壓力5 MPa、流速5 m/s、時(shí)間2 h。

表3 超濾和納濾集成工藝對(duì)比Table 3 Comparison of integrated ultrafiltration and nanofiltration technologies 單位：mg/mL

2.4 葡萄汁濃縮前后關(guān)鍵成分的差異

最佳工藝濃縮前后的關(guān)鍵成分的差異結(jié)果如表4所示。澄清葡萄汁在經(jīng)過集成工藝濃縮后得到了超濾濃縮液Ⅰ和納濾濃縮液Ⅱ。與原汁相比，濃縮液Ⅰ中的總糖、蛋白質(zhì)和溶性固形物含量提升明顯，表明超濾過程不僅截留了許多大分子多糖物質(zhì)以及蛋白質(zhì)，還截留了許多溶液中的大顆粒和溶質(zhì)。濃縮液Ⅱ中總糖、總酚、蛋白質(zhì)、總抗氧化性和可溶性固形物的濃度分別提升了102.1%，228.9%，49.7%，119.2%，60.8%。總糖濃度提升近一倍，總酚濃度提升了兩倍多，總抗氧化能力在經(jīng)納濾濃縮后也有了較大程度的提高。

表4 葡萄汁濃縮前后關(guān)鍵成分Table 4 Key components of grape juice before and after concentration

2.5 酚類物質(zhì)模擬溶液的膜污染機(jī)制

不同酚類物質(zhì)的膜污染情況如圖4所示。由圖4(a)可知：7 種酚類物質(zhì)中以兒茶素造成的不可逆膜阻力Ri最高，為26 nm-1，占膜總阻力的9.12%。說明兒茶素易被膜吸附或堵塞膜孔徑，造成不可逆污染的程度較大。而沒食子酸和兒茶素在超濾過程中造成的可逆膜污染阻力最高，分別為109 nm-1和111 nm-1，分別占膜總阻力的40.30%和39.49%。圖4(b)顯示：納濾過程中由于納濾膜孔徑較小，不易造成膜孔中的堆積和堵塞，不可逆膜阻力Ri的占比較低，約占總阻力的1%～6%。7 種酚類物質(zhì)中以香豆酸造成的不可逆阻力最高，為72 nm-1。沒食子酸造成的不可逆阻力最低，為18 nm-1。兒茶素和沒食子酸造成的可逆阻力最高，分別為467 nm-1和441 nm-1。說明這兩種酚類物質(zhì)較容易吸附在膜表面。原因是不同酚類物質(zhì)存在分子結(jié)構(gòu)差異，導(dǎo)致膜表面對(duì)其吸附能力不同，從而造成膜分離過程中的膜污染程度的差異。

圖4 不同酚類物質(zhì)膜污染阻力的差異Fig.4 Fouling mechanisms of different phenols

3 結(jié) 論

探明了時(shí)間、壓力、流速等條件對(duì)葡萄汁膜法濃縮過程中膜通量和總酚截留率的影響，并分析了濃縮前后葡萄汁中主要成分的差異和不同酚類物質(zhì)的膜污染機(jī)制。具體結(jié)論如下：多酚富集葡萄汁的最佳膜濃縮工藝為5 000 Da超濾膜+150 Da納濾膜，超濾的最佳條件為壓力1 MPa、流速5 m/s和時(shí)間2 h；納濾的最佳條件為壓力5 MPa、流速5 m/s和時(shí)間2 h。濃縮后的總糖和總酚質(zhì)量濃度分別提高了102.1%和228.9%?？偡咏亓袈孰S時(shí)間和壓力的增加而上升，隨著流速的增加而下降。納濾濃縮過程中Rm是主要阻力，占60%～70%左右。由于分子結(jié)構(gòu)的差異，7 種酚類物質(zhì)以香豆酸造成的不可逆污染阻力最高，以兒茶素和沒食子酸造成的可逆污染阻力最高。