有機(jī)膜過(guò)濾濃縮魚粉壓榨汁中營(yíng)養(yǎng)物的研究

楚曉青，王嘯宇，付晚濤,3*

(1. 大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院 遼寧大連116023；2. 大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院 遼寧大連116023；3. 遼寧省高校近岸海洋環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧大連116023)

0 引 言

近幾年來(lái)，隨著我國(guó)養(yǎng)殖行業(yè)的迅速發(fā)展，飼料問(wèn)題成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。魚粉由于富含優(yōu)質(zhì)動(dòng)物蛋白質(zhì)，是養(yǎng)殖行業(yè)非常重要的蛋白質(zhì)來(lái)源[2]，而且隨著養(yǎng)殖行業(yè)的發(fā)展，對(duì)魚粉飼料需求量也在不斷增加[3]。其中魚粉壓榨汁是魚粉制作過(guò)程中經(jīng)過(guò)蒸煮、壓榨、除油等工藝所形成的[4]，其產(chǎn)生量約是魚粉產(chǎn)量的2 倍，而且含有豐富的蛋白質(zhì)、微量元素和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[5]，因而具有較大的回收利用價(jià)值，如果將其直接排放容易造成資源浪費(fèi)[6]，甚至?xí)瓠h(huán)境污染。目前魚粉生產(chǎn)流程采用烘干濃縮技術(shù)，但能耗太高，產(chǎn)生較大的成本。如何有效、相對(duì)低能耗地回收魚粉壓榨汁中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是生產(chǎn)中迫切需要解決的問(wèn)題。

膜分離技術(shù)包括多種形式，如反滲透、微濾、超濾等[7]，同時(shí)膜的種類較多，有機(jī)膜材料主要有聚砜、聚氟乙烯等[8]。本論文主要采用PS 聚砜有機(jī)膜過(guò)濾的方式濃縮魚粉壓榨汁中的營(yíng)養(yǎng)物，同其他分離方式相比，具有節(jié)能、環(huán)保特點(diǎn)，并起到分離、純化的作用。其中由于聚砜有機(jī)膜具有良好的耐溫性能、滲透功能，在膜分離技術(shù)方面發(fā)揮著重要作用。聚砜有機(jī)膜主要是基于分子水平，利用混合物選擇性地透過(guò)膜兩側(cè)，從而對(duì)混合物進(jìn)行分離、提純[9]。本文將魚粉加工過(guò)程中的壓榨汁作為研究對(duì)象，以確定膜過(guò)濾方法的實(shí)驗(yàn)效果。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備：100 mL 燒杯、500 mL 燒杯、1 L 燒杯、500 mL 和1 000 mL 量筒、Φ90 mm 玻璃培養(yǎng)皿、計(jì)時(shí)器、塑料桶、分析天平(FA2004，上海上平儀器有限公司)、烘箱(PH-070A，上海一恒科學(xué)儀器有限公司)、硅膠管、PS 聚砜有機(jī)膜(膜孔徑0.02μm，有效膜面積為0.37 m2，天邦膜技術(shù)國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司)、蠕動(dòng)泵(Masterflex L/S Easy-Load II 泵頭 77200-50)。

實(shí)驗(yàn)主要材料：魚粉生產(chǎn)壓榨汁來(lái)源于大連市某魚粉生產(chǎn)企業(yè)新鮮生產(chǎn)的壓榨汁，并在6 h 內(nèi)送回實(shí)驗(yàn)室分裝、冷凍保存。

1.2 魚粉壓榨汁成分分析

實(shí)驗(yàn)前一天將冷凍保存的魚粉壓榨汁取出，室溫放置24 h 解凍，然后用量筒量取一定量的樣品，以測(cè)量其中干物質(zhì)、蛋白質(zhì)、脂肪的含量。蛋白質(zhì)和脂肪含量測(cè)量分別依據(jù)《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》[10]和《食品中脂肪的測(cè)定》[11]。

干物質(zhì)含量的測(cè)量、計(jì)算方法：取玻璃培養(yǎng)皿(Φ90 mm)進(jìn)行稱重(M1)，然后取一定量壓榨汁于玻璃培養(yǎng)皿中稱重(M2)，將樣品在烘箱中95 ℃烘干至恒重后稱重(M3)，按照式(1)計(jì)算壓榨汁中干物質(zhì)含量：

其中：C為干物質(zhì)含量(g/100 g)，M1為玻璃培養(yǎng)皿的質(zhì)量(g)，M2為玻璃培養(yǎng)皿和壓榨汁的質(zhì)量(g)，M3為烘干后干物質(zhì)和玻璃培養(yǎng)皿的質(zhì)量(g)。

1.3 膜過(guò)濾實(shí)驗(yàn)方法

同樣采用解凍24 h 壓榨汁。實(shí)驗(yàn)當(dāng)天用量筒量取10.0 L 魚粉壓榨汁倒入塑料桶中，攪拌壓榨汁以混合均勻。用硅膠管將膜過(guò)濾裝置連接，打開蠕動(dòng)泵，驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行，使魚粉壓榨汁樣品通過(guò)膜過(guò)濾組件。膜過(guò)濾壓榨汁示意圖見圖1，過(guò)濾裝置設(shè)有2 個(gè)出口，一個(gè)為濃縮液出口，另一個(gè)為清液出口。在裝置運(yùn)行過(guò)程中觀察膜過(guò)濾情況適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速，并記錄蠕動(dòng)泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時(shí)間。過(guò)濾24 h后關(guān)閉蠕動(dòng)泵，量取濃縮液和清液的體積，并取樣品測(cè)量其中干物質(zhì)、蛋白質(zhì)和油脂的含量。

圖1 膜過(guò)濾裝置Fig.1 Membrane filtration device

1.4 膜過(guò)濾通量的計(jì)算方法

膜通量是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位膜面積上的流體量，膜過(guò)濾通量計(jì)算如式(2)所示：

其中：J為膜通量(L/m2·h)，V為取樣體積(L)，T為過(guò)濾裝置運(yùn)行時(shí)間(h)，A為實(shí)驗(yàn)中所使用的濾膜的有效面積(m2)。

1.5 數(shù)據(jù)分析處理

除膜過(guò)濾通量外，其他指標(biāo)測(cè)定均設(shè)3 組平行實(shí)驗(yàn)，主要采用SPSS 20 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 魚粉壓榨汁成分分析

魚粉壓榨汁成分分析結(jié)果見表1。壓榨汁中蛋白質(zhì)含量占干物質(zhì)含量的86.05%。因此，采用有機(jī)膜過(guò)濾方法濃縮壓榨汁中蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以減少損失壓榨汁中的營(yíng)養(yǎng)成分。

表1 魚粉壓榨汁的成分Tab.1 Ingredients of fish meal pressed juice

2.2 膜過(guò)濾對(duì)壓榨離心液的處理效果

PS 聚砜有機(jī)膜過(guò)濾魚粉壓榨液24 h 前后壓榨汁原液、過(guò)濾后的濃縮液和清液表觀性狀見表2。

表2 各組分的表觀性狀Tab.2 Apparent properties of each component

從表2 中可以看出，魚粉壓榨汁樣品通過(guò)膜過(guò)濾裝置之后，濃縮液黏稠度增加、清液顏色變淺、刺鼻性氣味減輕，該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明膜過(guò)濾實(shí)驗(yàn)具有一定的實(shí)驗(yàn)效果。

2.3 膜過(guò)濾對(duì)干物質(zhì)含量的影響

PS 聚砜有機(jī)膜過(guò)濾魚粉壓榨液24 h 后，濃縮液和清液的干物質(zhì)含量見表3。

表3 各組分中干物質(zhì)的含量Tab.3 Dry matter content of each component

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分別測(cè)量濃縮液、清液的體積，濃縮液體積為1.8 L，清液體積為8.0 L，約為濃縮液體積的4.5 倍。從表1 可知，初始魚粉壓榨汁樣品的干物質(zhì)含量均值為8.46 g/100 g，清液的干物質(zhì)含量均值為 6.45 g/100 g，與魚粉壓榨汁樣品相比下降了23.76%；濃縮液的干物質(zhì)含量均值為12.13 g/100 g，與魚粉壓榨汁樣品均值相比增加了43.38%。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，魚粉壓榨汁在過(guò)濾過(guò)程中不斷濃縮，導(dǎo)致濃縮液體積減小、干物質(zhì)含量增加。有研究發(fā)現(xiàn)，使用0.2μm 孔徑的膜過(guò)濾茶湯，并經(jīng)膜組件進(jìn)行分離、濃縮，其中約有50%的干物質(zhì)能夠透過(guò)膜組件[12]。由此可見，膜分離技術(shù)在對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分離、濃縮等方面具有重要的作用。

2.4 膜過(guò)濾對(duì)脂肪、蛋白質(zhì)含量的影響

PS 聚砜有機(jī)膜過(guò)濾魚粉壓榨液24 h 后，濃縮液和清液的蛋白質(zhì)、脂肪含量見表4。

表4 各組分脂肪、蛋白質(zhì)的含量Tab.4 Fat content and protein content of each component

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，魚粉壓榨汁經(jīng)有機(jī)膜過(guò)濾后能將清液中脂肪全部分離，蛋白質(zhì)含量有所降低，濃縮液蛋白質(zhì)含量升高。由于蛋白質(zhì)會(huì)吸附在聚砜膜表面，這是一個(gè)復(fù)雜多變的現(xiàn)象[13]，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸加劇，并發(fā)生較強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致出現(xiàn)膜污染現(xiàn)象[14]，而膜污染會(huì)導(dǎo)致膜通量的下降，進(jìn)而降低膜分離的效率[15]。同時(shí)，由于裝置運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，可能會(huì)引起儀器發(fā)熱，導(dǎo)致樣品中某些物質(zhì)發(fā)生變化，從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。有研究表明聚醚酮材料膜可以有效地去除茶汁中的蛋白質(zhì)、果膠等物質(zhì)[16]，因此為了提高膜分離的效率，可以使用其他材質(zhì)的膜或?qū)垌磕みM(jìn)行改性研究。

2.5 膜過(guò)濾通量的計(jì)算

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，裝置運(yùn)行時(shí)間為24 h，濾膜的有效膜面積為0.37 m2，理論上取樣體積為70.6 L，依據(jù)膜過(guò)濾通量計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，本次實(shí)驗(yàn)的膜過(guò)濾通量為7.95 L/m2·h[17]。在裝置運(yùn)行中可能會(huì)由于聚砜膜受到污染而影響整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的膜通量[18]。

3 結(jié) 論

本文利用聚砜有機(jī)膜的特性，將魚粉壓榨汁通過(guò)膜過(guò)濾裝置以達(dá)到分離、濃縮魚粉壓榨汁中的營(yíng)養(yǎng)物的目的。經(jīng)有機(jī)聚砜膜過(guò)濾24 h 后，濃縮液中體積僅為壓榨汁初始體積的18%，濃縮液中干物質(zhì)(含有77.66%蛋白質(zhì))含量比初始?jí)赫ブ?3.38%，可見有機(jī)聚砜膜過(guò)濾濃縮壓榨液中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為后續(xù)研究提供了基礎(chǔ)。但由于聚砜膜的使用具有一定的局限性，在企業(yè)生產(chǎn)中使用時(shí)易產(chǎn)生一些麻煩，如出現(xiàn)膜污染現(xiàn)象。張建友等[19]對(duì)陶瓷膜微濾濃縮鳀魚蒸煮液進(jìn)行了研究，他們通過(guò)改變壓力、溫度、陶瓷膜孔徑、蒸煮液濃度等條件影響膜通量，并確定了膜過(guò)濾的最優(yōu)條件。楊青莉等[20]對(duì)聚砜膜進(jìn)行研究，結(jié)果表明過(guò)濾時(shí)間、pH 都會(huì)對(duì)聚砜膜造成污染。因此，還需繼續(xù)進(jìn)行研究，找到膜過(guò)濾的最優(yōu)條件，提高膜過(guò)濾的效率，減輕或解決一些實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題，以達(dá)到更好的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)效果。