電滲析調(diào)控蘆筍汁離子組成及對感官品質(zhì)影響的研究

李博瑩，許津閣，許洪高，崔亞娟，毛立科*

1(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京，100083)2(北京市營養(yǎng)源研究所，北京，100069)

蘆筍含有多糖、皂苷等活性物質(zhì)，具有改善睡眠、修復(fù)記憶損傷、增強大腦功能、調(diào)節(jié)腸道菌群、抗焦慮、抗腫瘤等功效[1-4]。經(jīng)初加工得到的蘆筍汁保留了蘆筍原料的活性物質(zhì)，但鉀、鈉、鈣、鎂、鐵、錳、鋅等金屬離子含量高、適口性差，應(yīng)用受限。電滲析作為一種電場耦合膜分離技術(shù)，基于電化學(xué)和滲析擴散，以電滲差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，從溶液中脫除或富集電解質(zhì)，在食品、環(huán)境處理等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用[5]。已有研究表明，電滲析技術(shù)可應(yīng)用于脫除煙梗提取液中的C1-、蔓越莓汁中的酸、海藻提取物中的重金屬離子等[6-8]。

離子交換膜是電滲析裝置中的核心組件[9]。離子交換樹脂柱脫酸和脫金屬離子技術(shù)、膜過濾(納濾膜和反滲透)脫金屬離子等在工業(yè)生產(chǎn)的物料分離、水處理等方面已得到了廣泛的應(yīng)用，具有節(jié)省能源、前處理要求低等優(yōu)點。但由于離子交換樹脂物料回收率低、效率低，實驗廢液達標(biāo)排放存在較大壓力；而納濾技術(shù)和反滲透技術(shù)裝置結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便、能耗低、易于工業(yè)化生產(chǎn)，但無法除去結(jié)合態(tài)金屬離子，存在去除率低、高金屬濃水排放等問題[10]。

目前，在常規(guī)生產(chǎn)流程中缺乏專門調(diào)控蘆筍濃縮汁中金屬離子含量的加工單元，采用電滲析方法進行調(diào)控的研究未見報道。本研究旨在通過探究不同種類膜(合金膜、異相膜及均相膜)對蘆筍汁中金屬離子濃度的影響，確定最適的電滲析膜材料；根據(jù)離子濃度結(jié)合感官品評的結(jié)果，確定蘆筍汁的優(yōu)化質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并為改善蘆筍汁品質(zhì)的工藝方法提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

濃縮蘆筍汁(可溶性固形物含量8.4%，總酸0.56%)，寶得瑞(湖北)健康產(chǎn)業(yè)有限公司；菝葜皂苷元(高效液相色譜純≥98%)，上海源葉生物科技有限公司；香草醛、冰乙酸、甲醇、正丁醇、Na2SO4(均為分析純)，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DDS-307A電導(dǎo)率儀，上海雷磁儀器有限公司；異相膜(3363-1陽膜，3364陰膜)，上海上化水處理材料有限公司；EX-3BT臺式電滲析裝置、合金膜(LANRAN-CAM陽膜，LANRAN-AAM陰膜)、均相膜(ASTOM-CGU陽膜 ASTOM-AGU陰膜)，杭州藍然環(huán)境技術(shù)股份有限公司；FE28 pH計，梅特勒托利多公司；SI 0246 Vortex-Genie2旋渦振蕩器，美國Scientific Industries公司；HWS-24恒溫水浴鍋，上海壘固儀器有限公司；UV-1800紫外-可見分光光度計，日本島津公司；BXXW-040HAL2 120KHZ超聲波清洗器，北京博翔興旺科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 蘆筍汁電滲析工藝

取蘆筍汁(2 L)、純凈水(2 L)、40 g/L Na2SO4溶液(1 L)分別置于淡水槽、濃水槽和電極槽中，調(diào)節(jié)電滲析設(shè)備電壓為15.0 V，電流1.10 A，進行循環(huán)電滲析。在預(yù)設(shè)的電滲析時間后對淡水槽中物料進行取樣，并檢測物料的可溶性固形物含量、電導(dǎo)率、pH、可滴定酸，糖(葡萄糖、果糖、乳糖、蔗糖、麥芽糖)、有機酸(檸檬酸、蘋果酸、酒石酸、乳酸、琥珀酸、富馬酸、己二酸)、金屬元素(鉀、鈣、鈉、鎂、鐵、鋅、錳、銅、鉛、砷)和蘆筍皂苷的含量；同時對濃水槽中物料的電導(dǎo)率進行監(jiān)控，當(dāng)濃水槽中濃水的電導(dǎo)率≥12 ms/cm時用新純凈水更換槽中物料，以保持濃水室的鹽濃度略低于淡水室，防止造成濃差擴散，提高脫鹽效率[11]。

1.3.2 理化性質(zhì)的測定

可溶性固形物含量測定參考GB/T 12143—2008《飲用水通用分析方法》[12]；水分含量測定參考GB 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測定》[13]；可滴定酸含量測定參考GB/T 12456—2008《食品中總酸的測定》[14]；初始電導(dǎo)率含量及pH測定參考GB/T 5750.4—2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法感官性狀和物理指標(biāo)》[15]。

1.3.3 金屬離子、有機酸和糖的含量測定

在電滲析過程中，每隔30 min從物料室(淡水槽)取部分樣品，用于糖組成、有機酸組成和金屬離子組成的測定。

葡萄糖、果糖、乳糖、蔗糖、麥芽糖，檢測方法按照GB 5009.8—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、乳糖的測定》[16]第一法執(zhí)行。

酒石酸、蘋果酸、乳酸、檸檬酸、琥珀酸、富馬酸、己二酸，檢測方法按照GB 5009.157—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品有機酸的測定》[17]執(zhí)行。

K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Cu2+、Fe3+、Mn2+、Pb2+、As3+，檢測方法按照GB 5009.268—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中多元素的測定》第二法[18]執(zhí)行。

鉛測定按照GB 5009.12—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中鉛的測定》[19]第二法執(zhí)行。

總砷測定按照GB 5009.11—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中總砷及無機砷的測定》[20]第二法執(zhí)行。(2.1～2.3部分中未提到的組成部分在蘆筍汁中低于定量限。)

1.3.4 蘆筍皂苷含量測定

精密吸取蘆筍汁樣品25 mL(V1)，置于分液漏斗中，用水飽和正丁醇溶液超聲波振搖提取4次，每次25 mL，合并正丁醇液(上層)于100 mL(V2)容量瓶中，定容至刻度，搖勻，精密吸取2 mL(V3)，置10 mL(V4)容量瓶中，加入甲醇稀釋至刻度，搖勻。

精密吸取供試品溶液200 L(V5)于比色管中，70 ℃水浴揮干；準(zhǔn)確加入0.2 mL 50 g/L香草醛冰乙酸溶液，使殘渣充分溶解；準(zhǔn)確加入0.8 mL HClO4，渦旋混勻，于70 ℃水浴加熱15 min后取出，冰浴冷卻至室溫后；準(zhǔn)確加入冰乙酸5.0 mL，渦旋搖勻。以正丁醇試劑作空白，在535 nm處測定吸光度，參照預(yù)先建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線對蘆筍總皂苷(以菝葜皂苷元計)的含量進行計算。

試樣中蘆筍總皂苷含量按公式(1)計算：

(1)

式中：X，試樣中蘆筍總皂苷含量(以菝葜皂苷元計)，g/100mL；C，由線性方程得出的菝葜皂苷元的量，g。

結(jié)果以重復(fù)性條件下獲得的2次獨立測定結(jié)果的算術(shù)平均值表示。蘆筍總皂苷含量≥1 g/100mL時，結(jié)果保留3位有效數(shù)字，蘆筍總皂苷含量<1 g/100mL時，結(jié)果保留兩位有效數(shù)字。

1.4 感官品評

挑選6名有經(jīng)驗的技術(shù)員組成感官品評小組進行感官評定，每次取5 g樣品。

(1)觀察蘆筍汁的色澤和形態(tài)：樣品應(yīng)澄清透明，無沉淀渾濁現(xiàn)象。

(2)嗅聞樣品：樣品應(yīng)具有蘆筍汁自身所特有的典型香氣，無酸臭味、金屬味或異味。

(3)取不同點取樣的蘆筍汁各30 mL，樣品應(yīng)具有產(chǎn)品原有的氣味和滋味，無可察覺的不良異味。

(4)請評價員對不同樣品關(guān)于各項指標(biāo)進行打分，項目包括：色澤、氣味、形態(tài)、口感、總體可接受性(評分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示)。參考食品感官評定要素中的標(biāo)準(zhǔn)要求[21]進行實驗。

表1 評分標(biāo)準(zhǔn)表Table 1 Scoring Standard

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種類膜對蘆筍汁理化性質(zhì)的影響

本實驗選用合金膜、異相膜、均相膜進行電滲析操作，在相同電壓、電流、膜面積的前提下，比較不同種類膜對蘆筍汁的電導(dǎo)率、酸度、可溶性固形物含量的影響。

圖1顯示，在電滲析初期，均相膜脫除金屬離子的速率高于異相膜，更高于合金膜。均相膜作用的100 min 內(nèi)電導(dǎo)率有明顯的下降趨勢，隨后趨于平緩；異相膜和合金膜作用下電導(dǎo)率降低速率較慢，但最后都可以將電導(dǎo)率值降至較低水平。以上曲線的變化趨勢均隨電滲析時間的延長而逐漸趨于平緩，主要是由于隨著脫鹽的進行，物料室的離子濃度下降，相對應(yīng)的電流密度降低，同時濃水室的離子濃度增大，導(dǎo)致脫鹽速率減慢[22]。樣品原汁經(jīng)過均相膜、合金膜及異相膜電滲析之后電導(dǎo)率分別降低為原汁的7.71%、6.62%、0.73%。

圖1 電滲析過程中電導(dǎo)率隨時間的變化Fig.1 Variations of electrical conductivity during electrodialysis

感官品評表明，均相膜作用的樣品由于脫鹽效率較低，電導(dǎo)率平衡后的蘆筍汁感官描述詞“澀味、過咸、鮮味、苦”等高頻出現(xiàn)，無法達到優(yōu)化感官品質(zhì)的目的。雖然均相膜對蘆筍汁金屬元素的初始脫除速率很快，但脫除能力有限，且達到平衡后的蘆筍汁經(jīng)感官品評后仍不能達到理想的感官水平。因此，后續(xù)工作主要研究合金膜和異相膜對蘆筍汁的品質(zhì)影響。

點滲析過程中pH隨時間的變化如圖2所示，隨著電滲析的進行，體系pH值不斷降低，說明離子交換膜作用下會使蘆筍汁的酸度升高，可能的原因是物料在電離作用下H+的濃度變大，同時由于H+半徑較小、遷移速率快，所以膜對其脫除效率較低。通過比較斜率和終點縱坐標(biāo)可知，異相膜對于酸度影響的速率和程度略高于合金膜。pH值的變化對感官評價的適口性有較大的影響，具體內(nèi)容將會在2.4部分展開討論；另一方面，較低的pH值可以保證加工產(chǎn)品過程中的安全性[23]，能夠起到抑菌的作用。

圖2 電滲析過程中pH隨時間的變化Fig.2 Variations of pH values during electrodialysis

電滲析過程中，不同離子交換膜對蘆筍汁中可溶性固形物的截留量如圖3所示，異相膜對蘆筍汁可溶性固形物的截留效果不及合金膜。此結(jié)果與李麗等[24]對不同離子交換膜電滲析濃縮高濃鹽水性能差異的研究相似。另外，截留量的差異也取決于異相膜和合金膜的結(jié)構(gòu)差異，合金膜的選擇透過率<95%，異相膜的選擇透過率≥96%，由于異相膜的選擇透過率較高，對可溶性固形物的截留作用較弱。陳學(xué)紅等[25]認為對可溶性固形物含量適度調(diào)控有利于改良蘆筍汁品質(zhì)。據(jù)此，通過對比折光率變化情況可驗證電滲析方法改善蘆筍汁品質(zhì)的科學(xué)可行性。

圖3 電滲析過程中折光率隨時間的變化Fig.3 Variations of refractive index during electrodialysis

2.2 金屬離子組成變化情況比較

蘆筍汁中的金屬離子含量對感官品質(zhì)有很大的影響，會帶來澀味、咸味、金屬味等不愉快的味覺感受。為探究不同種類膜對各類金屬離子脫除效果的影響，根據(jù)常量金屬離子、微量金屬離子的分類分別討論。

2.2.1 常量金屬離子變化情況

蘆筍汁中主要含有的常量金屬離子包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+，會造成感官水平上的苦味和少許鮮味[26]，且對電導(dǎo)率和濁度影響較大。結(jié)合2.1部分提到的電導(dǎo)率和可溶性固形物折光率的下降情況，離子交換膜對這幾種離子的有效脫除是造成電導(dǎo)率下降的根本原因。合金膜和異相膜對于不同常量金屬離子的脫除作用如圖4所示。

異相膜作用下，150 min電滲析后，Ca2+完全被脫除，180 min時，K+、Na+、Mg2+都完全被脫除；合金膜作用下的脫除率較異相膜更低，直到終點處4種離子仍然存在部分截留，K+、Na+、Mg2+、Ca2+的脫除率分別為80.6%、65.4%、75.2%、76.4%。金屬離子的脫除速率與離子的價態(tài)、水合離子大小有關(guān)，低價態(tài)、不易形成水合離子的K+可被快速脫除，而高價態(tài)、易形成水合離子的Mg2+和Ca2+脫除速度相對較慢。[27]

2.2.2 微量金屬離子含量變化情況

蘆筍汁中主要的微量金屬離子包括Fe3+、Mn2+、Zn2+，與人體健康有著十分密切的關(guān)系，適當(dāng)補充礦物質(zhì)元素對健康有益，但過多的微量元素積累會對人體造成慢性傷害。因此，調(diào)控微量金屬離子含量更有利于保證蘆筍汁的安全性，優(yōu)化其作為保健食品的健康功效。不同膜的作用下微量金屬離子變化情況如圖5所示。

根據(jù)圖5，對合金膜和異相膜的脫除情況進行對比分析，異相膜作用下，電滲析120、150、180 min時，Zn2+、Mn2+、Fe3+均被完全脫除；合金膜作用下金屬離子有所截留，Zn2+、Mn2+、Fe3+的脫除率分別為18.5%、47.1%、29.3%。

a-K+；b-Na+；c-Ca2+；d-Mg2+圖4 電滲析過程中K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量隨時間的變化Fig.4 The change in the content of potassium, sodium, calcium and magnesium during electrodialysis

a-Fe3+；b-Mn2+；c-Zn2+圖5 電滲析過程中Fe3+、Mn2+、Zn2+含量隨時間的變化Fig.5 The change in the content of iron, manganese and zinc during electrodialysis

由此可見，隨著電滲析的進行，合金膜和異相膜都對金屬離子有顯著脫除作用，曲線總體呈現(xiàn)下降趨勢，異相膜對金屬離子的脫除率明顯高于合金膜。在均為離子交換膜的條件下，不同價態(tài)微量金屬離子的傳輸效果主要是由膜的微觀結(jié)構(gòu)決定的，而與組成膜的聚合物材料以及離子帶電荷情況關(guān)系不大[28]。

在脫鹽過程中，H2O大量解離為H+和OH-傳遞電流，電流效率明顯下降，同時由于濃差極化現(xiàn)象的加劇，脫鹽速率逐漸減小。其中，異相膜誤差較小，原因是異相膜是由離子交換樹脂和黏結(jié)劑通過熱壓成膜的，離子交換基團在膜上結(jié)合較為緊密，異相膜相對穩(wěn)定，性能改變較小[29]，實驗數(shù)據(jù)的日重復(fù)性也更好。

2.3 糖組成和有機酸含量變化情況

2.3.1 糖組成含量變化情況

蘆筍汁中含量較多的2種糖是葡萄糖和果糖，對蘆筍汁的甜度起著主要的作用。本文結(jié)果與徐小榮等[30]的研究相似，通過測定糖組成含量建立如圖6所示曲線，可見在異相膜和合金膜作用下，電滲析對糖組分含量均無顯著影響，不影響感官水平的甜度。

a-葡萄糖；b-果糖圖6 電滲析過程中葡萄糖、果糖含量隨時間的變化Fig.6 The change in the content of glucose and fructose during electrodialysis

2.3.2 有機酸含量變化情況

蘆筍汁中含量較多的酸包括蘋果酸、檸檬酸和乳酸，同樣也是蘆筍汁風(fēng)味的重要組成部分。由圖7可知，隨著電滲析的進行，2種膜對有機酸有不同程度的脫除作用。電滲析條件下有機酸鹽的脫除速率也與有機酸根離子的價態(tài)和水合離子半徑大小相關(guān)[27]。合金膜對有機酸含量的影響較小，而異相膜對有機酸含量的脫除效率較高。在異相膜作用下，電滲析180 min時，蘋果酸、乳酸均完全被脫除；210 min時，檸檬酸完全被脫除。而在合金膜作用下，有機酸有所截留，蘋果酸、乳酸、檸檬酸的脫除率分別為46.2%、34.0%、33.0%。王建等[27]也得出二元酸鹽比三元酸鹽的脫除速率快的相似結(jié)論。

a-蘋果酸；b-檸檬酸；c-乳酸圖7 電滲析過程中蘋果酸、檸檬酸、乳酸含量隨時間的變化Fig.7 The change in the content of malic acid, citric acid and lactic acid during electrodialysis

有機酸和糖是產(chǎn)生風(fēng)味的重要組分，在合理優(yōu)化電滲析工藝的過程中，糖組分和有機酸含量的調(diào)控是風(fēng)味和營養(yǎng)品質(zhì)改良的重要環(huán)節(jié)，既要適度調(diào)控，又要有所保留。具體加工的適宜水平結(jié)合2.4的感官評價指標(biāo)進行綜合分析。

2.4 感官評價指標(biāo)

在電滲析過程中分別取經(jīng)過合金膜和異相膜處理的蘆筍汁樣品：電滲析開始之前樣品和電滲析90、180、270 min的樣品分別進行感官評價，并參照表1對蘆筍汁的各項指標(biāo)進行打分。問卷統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 合金膜、異相膜代表性點取樣感官評價 單位：分

結(jié)合以上數(shù)據(jù)分析得知，4個不同取樣時刻的蘆筍汁樣品存在顯著差異(P<0.05)，感官差異主要由色澤和口感2個方面組成。同時，根據(jù)特征詞統(tǒng)計和評價員描述情況發(fā)現(xiàn)，隨著電滲析過程的進行，蘆筍汁中各類金屬離子含量降低，故其咸味、澀味、鮮味都明顯減弱，而甜度基本保持不變，酸度略有增加；另一方面，隨著金屬離子和有機酸的降低使適口性得到優(yōu)化，但180 min之后由于過度脫除作用香味反而變得寡淡，因此，要保證香氣成分的適度脫除，以達到最合理的優(yōu)化感官品質(zhì)的效果。據(jù)此可知，選用合金膜進行電滲析更適合改善蘆筍汁的應(yīng)用品質(zhì)，在合金膜作用下電滲析180 min得到的蘆筍汁品質(zhì)最佳。

2.5 皂苷含量變化情況

ZHU等[31]研究表明，蘆筍中的主要活性成分具有降血脂和保護肝臟的作用。蘆筍皂苷作為蘆筍汁中最具優(yōu)勢的活性成分[32]，在電滲析加工過程中需要維持其含量不發(fā)生明顯下降，才能確保工藝優(yōu)化的可行性，按照1.3.4的實驗方法，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)曲線，計算出蘆筍皂苷含量在電滲析過程的起始點和終止點的比較情況如圖8所示,在電滲析過程中，蘆筍皂苷含量并不發(fā)生明顯變化。

圖8 電滲析前后蘆筍皂苷含量對比Fig.8 Saponin content in asparagus juice before and after electrodialysis注：相同指標(biāo)，大、小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)

3 結(jié)論

利用電滲析手段加工蘆筍汁可以有效調(diào)控蘆筍汁中常量金屬離子和微量金屬離子含量，增加蘆筍汁的適口性。不同電滲析膜對離子脫除效率有較大的差異，其中，均相膜雖然初始脫鹽速率比較高，但是脫鹽效果不好，無法達到優(yōu)化適口性的目的。合金膜和異相膜的脫鹽效果較好，同時又能保留功能成分蘆筍皂苷。將二者在相同條件下進一步比較，雖然異相膜的脫鹽速率和脫鹽能力都更高，但這一作用也導(dǎo)致了其對營養(yǎng)物質(zhì)進行截留效果較差。具體表現(xiàn)在合金膜對于有機酸含量影響不大，而異相膜會使有機酸含量降低；合金膜可以截留部分礦物質(zhì)元素，而異相膜將其完全脫除。結(jié)合感官品評結(jié)果，利用合金膜進行適度的電滲析加工可以得到感官品質(zhì)較好的蘆筍汁，故合金膜比較適合改善蘆筍汁品質(zhì)的應(yīng)用。