蜂蜜過(guò)濾工藝的優(yōu)化及其對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)影響的研究

寧準(zhǔn)梅

上海冠生園食品有限公司技術(shù)中心，上海 200233

蜂蜜原料中通常含有結(jié)晶顆粒、沙塵顆粒、蜜蜂殘留肢體等肉眼可見(jiàn)物質(zhì)，還含有蜂蠟、花粉等蜜蜂采蜜過(guò)程中帶入或自身分泌的微粒。其中結(jié)晶顆粒和蜂蠟經(jīng)過(guò)加熱融晶后可溶解部分，其余部分在粗濾階段隨同沙塵顆粒等雜質(zhì)予以分離，但大部分花粉仍會(huì)留在成品蜂蜜中。蜂蜜中的花粉為蜂蜜提供豐富的營(yíng)養(yǎng)組分，也是蜂蜜真實(shí)性和蜜源種類的主要鑒定依據(jù)[1-2]。瓶裝成品蜂蜜儲(chǔ)存過(guò)程中特別環(huán)境溫度較高時(shí)，經(jīng)常在瓶頸處出現(xiàn)一圈顏色較深的薄層黏附物，影響產(chǎn)品的外觀。經(jīng)分析這層瓶頸黑圈的主要成分是褐變后的花粉，蜂蜜中的部分花粉會(huì)緩慢上浮并在包裝瓶頸處聚集，經(jīng)氧化后色澤加深。需要采用合理的過(guò)濾方法將蜂蜜中的花粉含量降至適當(dāng)水平，不影響蜂蜜營(yíng)養(yǎng)水平的同時(shí)提高其品質(zhì)。蜂蜜的含水量和溫度對(duì)其黏度影響較大[3]，可適當(dāng)提高溫度使蜂蜜流動(dòng)性更好，利于工藝操作。但長(zhǎng)時(shí)間處于高溫下的蜂蜜的品質(zhì)會(huì)下降，代表蜂蜜新鮮度的淀粉酶值會(huì)降低，羥甲基糠醛值會(huì)升高[4-5]。本文將分析蜂蜜原料過(guò)濾前增加預(yù)沉淀對(duì)過(guò)濾效率的影響，確定花粉計(jì)數(shù)方法后，以蜂蜜中的花粉數(shù)量為指標(biāo)，對(duì)影響過(guò)濾效果的因素和水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，得到最佳精濾工藝，并對(duì)優(yōu)化工藝所得蜂蜜產(chǎn)品的淀粉酶值、羥甲基糠醛值及瓶頸黑圈出現(xiàn)的時(shí)間進(jìn)行比較，以評(píng)估過(guò)濾工藝對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響及應(yīng)用至大生產(chǎn)的合理性。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

蜂蜜原料(油菜原料蜂蜜、洋槐原料蜂蜜按一定比例混合)，由上海冠生園蜂制品有限公司提供。

MS204TS電子天平，上海梅特勒-托利多；NDJ-8S數(shù)顯黏度計(jì)，上海精密儀器；TDL-5A離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器；恒溫水浴鍋，上海齊欣儀器；光學(xué)顯微鏡BX53，上海奧林巴斯；Agilent 1260液相色譜，安捷倫科技；Cary 100分光光度計(jì)，安捷倫科技；恒溫培養(yǎng)箱，上海一恒儀器；不同孔徑絹絲濾布，市售。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1預(yù)沉淀對(duì)粗濾的影響試驗(yàn)

將蜂蜜原料分為兩份，每份2 L，一份置于量筒中進(jìn)行30 min預(yù)沉淀，棄去底部濾渣后進(jìn)行過(guò)濾，另一部分直接過(guò)濾；分別記錄其粗濾(80目)所需時(shí)間，記錄預(yù)沉淀雜質(zhì)和濾布濾渣質(zhì)量。

進(jìn)一步考察預(yù)沉淀時(shí)間對(duì)減輕后續(xù)過(guò)濾壓力的影響，將蜂蜜原料混勻后分成5份，每份2 L，置于量筒中進(jìn)行10 min、20 min、30 min、40 min和50 min預(yù)沉淀，記錄量筒中沉降物體積。

1.2.2花粉提取方法對(duì)鏡檢觀察的影響試驗(yàn)

花粉鏡檢方法參照GB/T 23194—2008，分別采用普通水洗離心和化學(xué)處理提取蜂蜜中的花粉[6-7]，于顯微鏡下以40×10倍進(jìn)行鏡檢，觀察花粉顆粒，確定提取方法。

1.2.3蜂蜜溫度對(duì)其黏度的影響試驗(yàn)

將水分19.8%的500 mL蜂蜜樣品置于燒杯中，通過(guò)水浴加熱至60 ℃后，再逐漸冷卻至室溫，記錄不同溫度下的黏度值。

1.2.4精濾工藝參數(shù)的單因素和正交實(shí)驗(yàn)

對(duì)經(jīng)預(yù)沉淀和80目粗濾的蜂蜜原料，采用單因素結(jié)合正交試驗(yàn)，以過(guò)濾時(shí)原料溫度、絹絲濾布孔徑和層數(shù)為考察因素，花粉數(shù)量為考察指標(biāo)，選擇最佳精濾參數(shù)。

單因素試驗(yàn)中，考察溫度對(duì)精濾效果的影響時(shí)，在固定孔徑為200目，層數(shù)為1層的條件下，溫度選擇分別為：40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃；考察孔徑對(duì)精濾效果的影響時(shí)，在固定溫度(單因素最佳過(guò)濾溫度)，層數(shù)為1層的條件下，孔徑選擇分別為：100目、150目、200目、250目、300目；考察層數(shù)對(duì)精濾效果的影響時(shí)，在固定溫度(單因素最佳過(guò)濾溫度)，孔徑(單因素最佳過(guò)濾孔徑)的條件下，層數(shù)選擇分別為：1層、2層、3層、4層、5層。所有試驗(yàn)均重復(fù)5次。

根據(jù)單因素試驗(yàn)，選出溫度、孔徑和層數(shù)的最優(yōu)參數(shù)，并以最優(yōu)參數(shù)為中間水平，確定正交試驗(yàn)因素水平表，進(jìn)行正交試驗(yàn)，采用SPSS 20.0分析數(shù)據(jù)。所有試驗(yàn)均重復(fù)5次。

驗(yàn)證正交試驗(yàn)所得的最優(yōu)水平組合，并使用顯微鏡及其配套軟件對(duì)花粉粒徑進(jìn)行測(cè)量。

1.2.5精濾工藝對(duì)蜂蜜品質(zhì)的影響

分別選取10批次蜂蜜原料、傳統(tǒng)精濾工藝和最優(yōu)水平組合精濾工藝的蜜樣，檢測(cè)羥甲基糠醛和淀粉酶值的變化。其中羥甲基糠醛的檢測(cè)方法參照GB/T 18932.18—2003，淀粉酶值的檢測(cè)方法參照GB/T 18932.16—2003。

采用精濾工藝生產(chǎn)的20批的成品蜂蜜放置在常溫環(huán)境中，18個(gè)月后檢測(cè)其淀粉酶值和羥甲基糠醛值。

1.2.6加速試驗(yàn)對(duì)瓶頸黑圈出現(xiàn)時(shí)間的影響試驗(yàn)

將采用傳統(tǒng)精濾工藝、優(yōu)化精濾工藝和理想精濾工藝處理后的蜂蜜樣品，置于500 mL錐形瓶中進(jìn)行加速試驗(yàn)(45 ℃)，每周觀察一次，記錄瓶頸黑圈出現(xiàn)情況。所有蜂蜜物料均經(jīng)80目粗濾后再進(jìn)行精濾試驗(yàn)，各精濾工藝具體參數(shù)：(1)傳統(tǒng)，200目過(guò)濾，不控制過(guò)濾溫度；(2)最優(yōu)水平組合，250目過(guò)濾，過(guò)濾溫度50 ℃；(3)理想，多層逐級(jí)過(guò)濾(150目-200目-250目-300目-350目-400目)，過(guò)濾溫度50 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)沉淀對(duì)粗濾的影響

過(guò)濾過(guò)程中，原料蜜中的大顆粒雜質(zhì)會(huì)沉積在過(guò)濾介質(zhì)上，導(dǎo)致過(guò)濾效率降低。若提前對(duì)其進(jìn)行沉降，取上清液進(jìn)行過(guò)濾則可減少濾布更換次數(shù)，提高過(guò)濾效率。表1比較了預(yù)沉淀對(duì)蜂蜜原料粗濾效率的影響。經(jīng)過(guò)預(yù)沉淀的蜂蜜原料，其粗濾耗時(shí)為160 s，而未經(jīng)預(yù)沉淀的蜂蜜原料，其粗濾耗時(shí)也僅為183 s，略長(zhǎng)于經(jīng)預(yù)沉淀的蜂蜜原料。但是，在實(shí)際操作過(guò)程中觀察到，當(dāng)過(guò)濾進(jìn)行至150 s后，未經(jīng)預(yù)沉淀的蜂蜜原料，其濾布上已有較多濾渣，過(guò)濾速率略有放緩之勢(shì)。若呈數(shù)量級(jí)放大過(guò)濾總量，預(yù)沉淀工序的設(shè)置可明顯加大過(guò)濾時(shí)間的差距。經(jīng)預(yù)沉淀的蜂蜜物料，其雜質(zhì)質(zhì)量為15 g，而未經(jīng)預(yù)沉淀的蜂蜜物料，其雜質(zhì)質(zhì)量為87 g，可見(jiàn)，經(jīng)預(yù)沉淀的蜂蜜原料可分離大部分雜質(zhì)，一定程度上可緩解后續(xù)過(guò)濾壓力。

表1 預(yù)沉淀對(duì)粗濾效率的影響

為進(jìn)一步明確最佳預(yù)沉淀時(shí)間，考察了預(yù)沉淀時(shí)間與雜質(zhì)沉降之間的關(guān)系。由圖1可得，隨著預(yù)沉淀時(shí)間的增加，蜂蜜原料中沉淀物也隨著增加，當(dāng)沉淀進(jìn)行至30 min后，曲線逐漸趨于平緩。為盡可能沉降密度較高的雜質(zhì)，同時(shí)兼顧生產(chǎn)效率，選擇30 min作為最佳預(yù)沉淀時(shí)間。

圖1 預(yù)沉淀時(shí)間與沉積物析出之間的關(guān)系

2.2 蜂蜜中花粉濃度的測(cè)定方法

圖2比較了采用不同方法處理提取蜂蜜中的花粉在40×10倍鏡檢時(shí)的形態(tài)。圖(a)為采用普通水洗離心法提取所得花粉形態(tài)，圖(b)為采用化學(xué)處理法提取所得花粉形態(tài)?；瘜W(xué)處理后所得花粉可清晰辨識(shí)其結(jié)構(gòu)，普通離心后僅可觀察其輪廓。過(guò)濾試驗(yàn)主要是考察不同過(guò)濾條件下蜂蜜中花粉含量的變化，即只需對(duì)花粉進(jìn)行計(jì)數(shù)。因此，采用普通水洗離心法即可滿足要求。

圖2 普通水洗離心和化學(xué)處理后的花粉形態(tài)

2.3 蜂蜜溫度對(duì)其黏度的影響

圖3為不同溫度下蜂蜜(水分為19.8%)的黏度值，蜂蜜溫度由60 ℃逐漸降至40 ℃的過(guò)程中，黏度增大緩慢；進(jìn)一步降低至40 ℃以下后，黏度陡然上升，上升趨勢(shì)呈指數(shù)規(guī)律[8]。為保證過(guò)濾時(shí)黏度維持在流變性較好且較穩(wěn)定的狀態(tài)，過(guò)濾溫度確定在40 ℃～60 ℃之間。

圖3 蜂蜜黏度與溫度的關(guān)系圖

2.4 蜂蜜精濾工藝參數(shù)的正交實(shí)驗(yàn)

不同蜜源種類的花粉形狀和大小有所差異，魏麗等[9]提出可根據(jù)花粉的粒徑大小采用不同孔徑的濾布過(guò)濾。我國(guó)油菜原料蜜的產(chǎn)量最大，是百花蜜或混合蜜的主要配料，油菜原料蜜中油菜花粉的含量相對(duì)較多，花粉粒徑大小為30 μm左右，具有典型性，故以油菜原料蜜和洋槐原料蜜按一定比例配成的混合原料蜜作為本試驗(yàn)的樣本。

蜂蜜精濾最佳工藝參數(shù)的明確，首先對(duì)經(jīng)預(yù)沉淀和粗濾后的蜂蜜進(jìn)行單因素試驗(yàn)，所選擇的因素分別為：溫度、孔徑和層數(shù)。圖4為不同過(guò)濾溫度對(duì)花粉數(shù)量的影響，過(guò)濾溫度介于45 ℃和55 ℃之間時(shí)，花粉數(shù)量減幅較為明顯，其中過(guò)濾溫度由45 ℃升至50 ℃時(shí)，花粉減少幅度最大。因此，綜合考慮花粉和能耗等情況，選擇50 ℃作為最佳過(guò)濾溫度。

圖4 過(guò)濾溫度對(duì)花粉數(shù)量的影響

圖5是不同過(guò)濾孔徑對(duì)花粉數(shù)量的影響，隨著過(guò)濾孔徑的減小(即濾布目數(shù)的增大)，花粉數(shù)量逐漸減少。當(dāng)過(guò)濾孔徑達(dá)到300目時(shí)，花粉數(shù)量?jī)H剩(12 805±1 139)個(gè)/mL。但隨著過(guò)濾孔徑的減小，過(guò)濾耗時(shí)成倍遞增。綜合考慮花粉和效率等情況，選擇200目作為最佳過(guò)濾孔徑。

圖5 過(guò)濾孔徑對(duì)花粉數(shù)量的影響

圖6為不同過(guò)濾層數(shù)對(duì)花粉數(shù)量的影響，隨著過(guò)濾層數(shù)的增多，花粉數(shù)量呈平穩(wěn)減少的態(tài)勢(shì)。當(dāng)過(guò)濾層數(shù)由1層增加至2層時(shí)，蜂蜜樣品中的花粉數(shù)量由(14 765±1 183)個(gè)/mL減至(14 151±724)個(gè)/mL；而當(dāng)過(guò)濾層數(shù)進(jìn)一步遞增時(shí)，花粉數(shù)量減幅基本趨于平穩(wěn)。在兼顧花粉和效率等情況的基礎(chǔ)上，最終選定2層作為最佳過(guò)濾層數(shù)。

圖6 過(guò)濾層數(shù)對(duì)花粉數(shù)量的影響

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以上述各因素的最優(yōu)條件為中間水平，進(jìn)行正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)，如表2所示，結(jié)果和方差分析分別見(jiàn)表3和表4。影響精濾效果的因素從大到小依次為：孔徑>層數(shù)>溫度?？讖胶蛯訑?shù)對(duì)精濾效果有顯著性影響(P<0.05)，溫度對(duì)精濾效果無(wú)顯著影響。溫度的三個(gè)水平中，50 ℃時(shí)均值最大，孔徑的三個(gè)水平中，250目時(shí)均值最大，層數(shù)的三個(gè)水平中，1層時(shí)均值最大。即正交試驗(yàn)所得的最優(yōu)精濾組合為B3C1A2。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

表3 正交試驗(yàn)安排及結(jié)果

表4 方差分析結(jié)果

以最優(yōu)組合B3C1A2進(jìn)行精濾效果驗(yàn)證試驗(yàn)，花粉數(shù)量為(12 453±621)個(gè)/mL，小于正交試驗(yàn)表中任一組合的花粉數(shù)量，驗(yàn)證了“孔徑250目，層數(shù)1層，溫度50 ℃”為精濾最佳水平組合。

同時(shí)，對(duì)采用最優(yōu)水平組合精濾后的蜂蜜樣品中的微粒進(jìn)行粒徑大小分析，經(jīng)20×10倍顯微鏡條件下觀察蜂蜜中的微粒，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)是花粉粒。通過(guò)顯微鏡軟件測(cè)量其長(zhǎng)軸，統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)蜂蜜中花粉的平均粒徑大小為(25.55±6.39) μm?；ǚ哿酱笮∫云溟L(zhǎng)軸計(jì)，個(gè)別如圖7所示的橢球形花粉的平面長(zhǎng)軸為49.46 μm，短軸為29.82 μm，則以其短軸計(jì)。

圖7 蜂蜜中花粉的粒徑大小(20×10倍)

2.5 精濾對(duì)蜂蜜品質(zhì)的影響

對(duì)蜂蜜原料、傳統(tǒng)精濾工藝和最優(yōu)水平組合精濾工藝的蜜樣進(jìn)行檢測(cè)分析，觀察其對(duì)新鮮度指標(biāo)羥甲基糠醛值和淀粉酶值的影響，結(jié)果傳統(tǒng)精濾工藝和最優(yōu)水平組合精濾工藝對(duì)羥甲基糠醛值和淀粉酶值的影響相當(dāng)，降幅都不明顯，說(shuō)明過(guò)濾時(shí)的溫度和持續(xù)時(shí)長(zhǎng)對(duì)蜂蜜的品質(zhì)影響不大。

將該過(guò)濾工藝轉(zhuǎn)化至大生產(chǎn)后的成品蜂蜜放置于常溫環(huán)境下儲(chǔ)存，18個(gè)月后檢測(cè)其淀粉酶值和羥甲基糠醛值，20批樣品在保質(zhì)期內(nèi)的淀粉酶值和羥甲基糠醛值均符合內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求[10]。

2.6 精濾方式影響瓶頸黑圈出現(xiàn)時(shí)間的加速實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步考察最優(yōu)水平組合工藝與理想化工藝之間的差距，在不考慮工業(yè)化生產(chǎn)等因素的前提下，將理想精濾工藝參數(shù)設(shè)定為“多層逐級(jí)過(guò)濾(150目-200目-250目-300目-350目-400目)，過(guò)濾溫度50 ℃”。經(jīng)傳統(tǒng)、優(yōu)化、理想精濾工藝過(guò)濾后的蜂蜜樣品中的花粉含量分別為18 931個(gè)/mL、12 453個(gè)/mL、5 487個(gè)/mL。

經(jīng)三種工藝過(guò)濾后的樣品瓶頸黑圈出現(xiàn)時(shí)間見(jiàn)表5，結(jié)果表明，理想工藝樣品，在加速試驗(yàn)中未發(fā)生任何改變；最優(yōu)工藝樣品，在加速試驗(yàn)進(jìn)行至第8周時(shí)，瓶頸僅出現(xiàn)黑色微粒聚積現(xiàn)象；而傳統(tǒng)工藝樣品，第5周就出現(xiàn)該現(xiàn)象，第8周已形成明顯的瓶頸黑圈?？梢?jiàn)，理想精濾工藝可有效避免瓶頸黑圈的出現(xiàn)，但其逐級(jí)過(guò)濾層數(shù)較多，過(guò)濾速度緩慢，不適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，而優(yōu)化的精濾工藝可在效推遲瓶頸黑圈出現(xiàn)的前提下兼顧實(shí)際生產(chǎn)的效率需求。目前，該工藝已運(yùn)用于日常大規(guī)模生產(chǎn)，近五年來(lái)蜂蜜成品在保質(zhì)期內(nèi)極少發(fā)現(xiàn)有瓶頸黑圈現(xiàn)象。

表5 精濾工藝對(duì)瓶頸黑圈出現(xiàn)時(shí)間的影響

3 結(jié)論

過(guò)濾蜂蜜原料前增置預(yù)沉淀工序，最佳預(yù)沉淀時(shí)間為30 min，可分離部分密度較高的雜質(zhì)，緩解了后續(xù)過(guò)濾壓力，提高過(guò)濾效率。以溫度、孔徑和層數(shù)為考察因素，花粉數(shù)量為考察指標(biāo)，單因素優(yōu)選后再進(jìn)行正交試驗(yàn)，最終選定“孔徑：250目，層數(shù)：1層，溫度：50 ℃”作為最佳精濾條件，其中孔徑對(duì)花粉數(shù)量的影響最大，層數(shù)次之，溫度基本無(wú)影響。通過(guò)該最優(yōu)水平組合過(guò)濾后的蜂蜜樣品中的花粉數(shù)量為(12 453±621)個(gè)/mL，平均粒徑為(25.55±6.39) μm；樣品在45 ℃高溫下出現(xiàn)瓶頸黑圈的時(shí)間較傳統(tǒng)工藝推遲了3周。優(yōu)化后的過(guò)濾工藝應(yīng)用至大生產(chǎn)后，近五年來(lái)蜂蜜成品在保質(zhì)期內(nèi)極少發(fā)現(xiàn)有瓶頸黑圈現(xiàn)象。