中空纖維超濾膜澄清藍莓果汁工藝研究

金振宇 楊宏志

（黑龍江八一農(nóng)墾大學食品學院，黑龍江 大慶 163319）

藍莓，又名越橘、藍漿果，屬杜鵑花科（ericaceae）越桔屬（vaccinium L.）［1］。藍莓果實呈藍色，果肉細膩，口感酸甜適中，風味獨特，營養(yǎng)成分非常豐富，而且含有很多具有生理活性的物質(zhì)。根據(jù)分析測定［2］，每100g新鮮藍莓果實中含有機酸1.6～2.4g、Vc 18mg、糖類8～14g、花色苷100～2 00mg、多酚類物質(zhì)400～500mg；除此之外，葉酸、尼克酸、超氧化物歧化酶（SOD）的含量大大超過一般水果。這些活性物質(zhì)具有清除體內(nèi)自由基，緩解視力疲勞，改善高甘油脂脂蛋白的分解代謝，提高記憶力，抑制膽固醇吸收，抗變異、抗腫瘤、抗過敏和保護胃粘膜等多種功能［3］。經(jīng)美國農(nóng)業(yè)部人類營養(yǎng)研究中心的研究［4］證實，在該中心研究過的40多種果蔬中，藍莓的抗氧化成分是最為豐富的一種。因此聯(lián)合國糧農(nóng)組織將其列為五大健康食品之一［5］。

近年來，中國的藍莓產(chǎn)量增長很快，但是由于貯藏及加工技術(shù)的滯后，使得每年都有大量的藍莓果腐爛，利用率較低；又因為藍莓果汁中富含酚類、果膠等物質(zhì)，成為果汁在貯藏、銷售過程中引起渾濁和形成二次沉淀的主要因素。超濾（ultrafiltration）分離技術(shù)具有物料不發(fā)生相變、分離效果好、可在室溫和低壓下連續(xù)操作、節(jié)省能源、操作簡便，可以較好地保存果汁原有的風味等特點，因而在果蔬汁生產(chǎn)中已有廣泛應(yīng)用。張緒坤等［6］也利用中空纖維膜對山植汁進行澄清方面的研究，得到的清汁透光率達99%。許英一等［7］也利用超濾技術(shù)對酶解后的南瓜汁進行澄清處理，澄清后的南瓜汁的透光率高達98.9%，果膠保存率為29.03%，蛋白質(zhì)保存率為16.67%，總糖、總酸等含量少有下降，營養(yǎng)物質(zhì)得到了很好的保留。近幾年來，超濾技術(shù)被廣泛應(yīng)用于一些果汁的澄清處理中，但針對藍莓這類在貯藏期間易發(fā)生沉淀的果汁加工的應(yīng)用未見報道。因此，本研究擬以藍莓果汁為原料，對其超濾過程中影響膜通量的主要因素進行深入研究，并通過響應(yīng)面分析法獲得超濾澄清藍莓果汁的最佳工藝條件，以期為藍莓果汁的澄清技術(shù)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料與試劑

藍莓：摘自黑龍江省大興安嶺地區(qū)野生藍莓果，果實成熟，藍黑色；

果膠酶：食品級，酶活X＝2 910，天津市利華酶制劑技術(shù)有限公司；

纖維素酶：食品級，酶活X＝1 450，天津市利華酶制劑技術(shù)有限公司；

無水乙醇、氫氧化鈉：分析純，大慶市振華化學試劑有限公司；

2，6-二氯靛酚：分析純，北京篤信精細制劑廠；其他試驗所用試劑均為分析純。

1.1.2 儀器與設(shè)備

紫外可見分光光度計：UV-9100型，北京普析通用儀器有限責任公司；

電子分析天平：BT124S型，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；

九陽料理機：JYL-BO31型，九陽股份有限公司；

恒溫水浴鍋：HHS-21-4型，上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；

阿貝折光儀：WZS-1型，上海實驗儀器廠；

聚砜中空纖維膜超濾裝置：張家港市凈化設(shè)備廠生產(chǎn)的膜組件，有效面積為2.6m2，截留相對分子質(zhì)量10萬。

1.2 試驗方法

1.2.1 藍莓果汁的制備 新鮮藍莓，經(jīng)清洗，熱燙，打漿，添加原料0.04%的果膠酶、0.06%的纖維素酶，在pH 4.5、溫度50℃進行酶解3h，榨汁，120目尼龍布過濾，3 000r/min離心20min后得到用于超濾的藍莓原汁。

1.2.2 單因素試驗設(shè)計

（1）操作時間對膜通量的影響：固定壓力0.08MPa、溫度25℃、料液流速1.5L/min，分別在5，10，15，20，25，30，35 min時測其膜通量，考察操作時間與膜通量的關(guān)系。

（2）操作壓力對膜通量的影響：固定溫度25℃、時間1 5min、料液流速1.5L/min，分別測定0.02，0.04，0.06，0.08，0.10，0.12，0.14MPa壓力對膜通量的影響，考察壓力與膜通量的關(guān)系。

（3）料液流速對膜通量的影響：在壓力0.08MPa、固定溫度25℃、超濾時間15min的條件下，測定料液流速分別在0.3，0.6，0.9，1.2，1.5，18，2.1L/min下膜的通量，考察料液流速與膜通量之間的關(guān)系。

（4）溫度對膜通量的影響：在壓力0.08MPa、料液流速1.5L/min、超濾時間15min的條件下，分別測定溫度在20，25，30，35，40，45，50℃下膜的通量，考察溫度與膜通量之間的關(guān)系。

1.2.3 響應(yīng)面法試驗設(shè)計 在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選擇對膜通量影響最大的3個因素為自變量，膜通量為響應(yīng)值。利用SAS 9.1的Box-Behnken設(shè)計響應(yīng)面試驗。

1.3 試驗測定指標與方法

1.3.1 膜通量的計算 按式（1）進行［8］：

式中：

J——膜通量，mL/（m2·min）；

V——透過液體積，mL；

S——有效膜面積，m2；

t——超濾時間，min。

1.3.2 果膠物質(zhì)的定性測定 采用酒精法將果汁與用1%鹽酸酸化的95%乙醇1∶2混和，輕微搖動，以免破壞果膠的形成，如在15～30min內(nèi)有絮狀物質(zhì)出現(xiàn)，則說明果汁中有果膠；沒有絮狀物出現(xiàn)，則果汁不含果膠。根據(jù)果膠的多少，果汁中果膠含量分別記為“＋＋＋”、“＋＋”、“＋”、“－”；“＋”愈多表示果膠的含量愈多［9］。

1.3.3 其余指標的測定

（1）可溶性固形物（TSS）含量測定：按 GB/T 12295—1990規(guī)定的方法，用阿貝折射儀測定；

（2）總糖測定：采用菲林試劑法［10］；

（3）總酸測定：采用酸堿滴定法［11］；

（4）蛋白質(zhì)測定：采用凱氏定氮法［12］；

（5）單寧的測定：采用福林丹試劑法［13］；

（6）澄清度的測定：采用分光光度法［14］，即以蒸餾水作空白，測定樣液在波長660nm下的透光率，用（T%）表示藍莓果汁的澄清度。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 操作時間對膜通量的影響 由圖1可知，隨著過濾時間的延長，膜通量呈現(xiàn)出下降趨勢，當超濾時間在15min后，膜通量的下降趨勢變緩。可能是因為膜表面出現(xiàn)的由大分子物質(zhì)形成的密集“溶質(zhì)層”，濃差極化現(xiàn)象形成，逐漸污染了超濾膜內(nèi)部的孔徑，膜孔被堵塞，使得膜通量有下降趨勢，隨著時間的推移，凝膠極化現(xiàn)象越來越嚴重，膜通量達到最低值并且趨于平穩(wěn)。所以在后續(xù)試驗中，先運行15min使得膜通量穩(wěn)定后再測定相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖1 超濾時間對膜通量的影響Figure 1 The effect of ultrafiltration time on the membrane flux

2.1.2 操作壓力對膜通量的影響 超濾是以膜兩側(cè)的壓力差為傳質(zhì)驅(qū)動力的膜分離過程，當壓力增大時，超濾膜的膜透過率也增大。因此，壓力是影響膜通量的重要因素。由圖2可知，當壓力在0.02～0.08MPa時，膜通量呈線性增長；此后隨著操作壓力不斷的增大，膜通量升高的速度越來越平緩。分析此變化的原因，認為是當壓力低于0.08MPa時，膜自身產(chǎn)生的阻力起主導作用，因為物料未形成較明顯的濃差極化層，所以膜通量隨壓力的增加而增加得較快；而當壓力大于0.08MPa時，膜表面形成的凝膠層以及膜自身對通量都產(chǎn)生了影響，所以膜通量增加趨勢減緩。

圖2 操作壓力對膜通量的影響Figure 2 The effect of operating pressure on the membrane flux

2.1.3 料液流速對膜通量的影響 超濾的過程中，濃差極化現(xiàn)象是影響超濾過程是否能順利進行的重要因素。濃差極化是超濾過程中膜表面截留物料濃度不斷上升所產(chǎn)生的與流動物料之間的濃度差。因此，進料流速的提高有利于減少濃差極化以及提高膜的透過量。由圖3可知，增加料液的流速，膜通量逐漸增大，且料液流速在0.6～1.2L/min范圍內(nèi)的膜通量增長幅度相對較大。因為加快料液流速縮短了大分子物質(zhì)脫離膜表面的時間，使得濃差極化現(xiàn)象的不利因素減輕［15］。綜合考慮，在后續(xù)試驗中，選擇1.2L/min為中心點。

圖3 料液流速對膜通量的影響Figure 3 The effect of liquid flow rate on the membrane flux

2.1.4 溫度對膜通量的影響 由圖4可知，隨著溫度的升高膜通量呈上升趨勢，溫度在20～40℃時膜通量上升較快，但溫度超過40℃后，膜通量的上升程度減緩。由于溫度的上升，果汁黏度下降，一些未能透過膜的大分子物質(zhì)相繼透過濾膜，從而使膜通量增加。但溫度超過45℃后，會對超濾膜造成一定的損壞［16］。因此，溫度控制在30～40℃為宜。

圖4 溫度對膜通量的影響Figure 4 The effect of temperature on the membrane flux

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果與分析

2.2.1 Box-Behnken試驗設(shè)計 根據(jù)單因素試驗結(jié)果，以溫度、操作壓力、料液流速為自變量，膜通量為響應(yīng)值，采用Box-Behnken設(shè)計方案（表1）優(yōu)化澄清工藝，結(jié)果見表2。

2.2.2 模型的建立與顯著性檢驗 為了進一步確定果汁澄清的最佳工藝條件，采用SAS 9.1軟件，對Box-Behnken試驗結(jié)果進行多元回歸分析，獲得了二次多項回歸方程：

對該模型進行方差分析，結(jié)果見表3。

由表3可知，模型具有高度的顯著性，二次回歸模型的F值為27.424 14，P＝0.000 984（P＜0.01），失擬項的F值為6.955 963，P＝0.128 277＞0.05不顯著，模型的R2＝0.980 1，說明該模型響應(yīng)值的變化98.01%都來自所選的因素，擬合度好，具有很好的代表性，可以用來預測澄清工藝理論參數(shù)。根據(jù)回歸模型方程中各因素回歸系數(shù)絕對值的大小，可以看出各因素影響膜通量的大小順序為溫度、操作壓力、料液流速；同時求得3個因素的優(yōu)化條件為：溫度35.290 59℃、壓力0.082 579MPa、流速1.279 069L/min。在此條件下，膜通量的理論值為36.67mL/（m2·min）。

表1 試驗因素與水平Table 1 Experimental factors and levels

表2 Box-Behnken試驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Box-Behnken design and test results

表3 回歸模型方差分析表Table 3 Variance analysis of experimental results

表3 回歸模型方差分析表Table 3 Variance analysis of experimental results

＊＊表示極顯著（P＜0.01），＊表示顯著（P＜0.05）；R2＝0.980 1；Radj2＝0.944 4。

變異源 自由度 平方和 均方差 F值 Pr＞F A 1 3.892 05 3.892 05 17.498 0.008 629 B 1 10.511 11 10.511 11 47.256 18 0.000 996 C 1 0.348 612 0.348 612 1.567 303 0.265 972 A2 1 11.792 11.792 53.014 83 0.000 764 AB 1 2.856 1 2.856 1 12.840 54 0.015 818 AC 1 0.230 4 0.230 4 1.035 839 0.355 483 B2 1 14.689 34 14.689 34 66.040 77 0.000 458 BC 1 0.235 225 0.235 225 1.057 532 0.350 932 C2 1 15.968 15.968 71.789 42 0.000 376模型 9 54.899 15 6.099 906 27.424 14 0.000 984一次項 3 14.751 77 4.917 258 22.107 16 0.002 584二次項 3 36.825 65 12.275 22 55.187 29 0.000 297交互項 3 3.321 725 1.107 242 4.977 97 0.058 127殘差5 1.112 142 0.222 428失擬項 3 1.014 875 0.338 292 6.955 963 0.128 277純誤差 2 0.097 267 0.048 633總和14 56.011 29

2.2.3 響應(yīng)面兩兩因素分析 根據(jù)回歸分析結(jié)果做出響應(yīng)曲面圖。由圖5～7可知，在選定區(qū)域內(nèi)各因素對膜通量的影響和各因素之間的交互作用表現(xiàn)為：隨著溫度和壓力的增加，膜通量增大的幅度較快，當溫度和壓力達到一定值后膜通量趨于平緩，對膜通量的影響差異顯著。膜通量隨著料液流速的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，差異不顯著。比較3組圖并結(jié)合表3可知，模型中的一次項溫度和操作壓力差異顯著，溫度、操作壓力、料液流速的二次項對膜通量有極顯著的影響，溫度與操作壓力之間的交互作用對膜通量有顯著影響。

圖5 溫度和操作壓力對膜通量影響的響應(yīng)面圖Figure 5 Operating pressure and temperature effects on the response surface flux diagram

圖6 溫度和料液流速對膜通量影響的響應(yīng)面圖Figure 6 Temperature and flow rate of liquid flux diagram impact on the response surface chart

圖7 操作壓力和料液流速對膜通量影響的響應(yīng)面圖Figure 7 Operating pressure and flow rate of liquid flux diagram impact on the response surface chart

2.2.4 驗證實驗結(jié)果 為了檢驗響應(yīng)面優(yōu)化方法的可靠性，根據(jù)優(yōu)化后得到的工藝參數(shù)，做3組平行實驗進行驗證。為了方便實際操作，將優(yōu)化條件修訂為：溫度35.3℃、操作壓力0.08MPa、料液流速1.3L/min。在此條件下進行3次驗證實驗，測得實際膜通量的平均值為36.59mL/（m2·min），與理論預測值36.67mL/（m2·min）相比，誤差小于1%，說明模型擬合良好，響應(yīng)面優(yōu)化方法可靠。

2.2.5 藍莓果汁超濾前后理化指標的分析 由表4可知，超濾處理后的藍莓果汁澄清度明顯上升，醇試驗呈陰性，表明不含果膠，同時超濾前后的固形物含量、總糖、總酸變化較小，差異不顯著（P＞0.05），但蛋白質(zhì)、果膠含量變化較大，差異顯著（P＜0.05），即超濾截留了大部分蛋白質(zhì)、果膠。果汁的透光率經(jīng)超濾后明顯提高，差異顯著（P＜0.05）。結(jié)果說明中空纖維超濾膜澄清藍莓果汁的效果顯著。超濾處理后的果汁在常溫下放置1個月未出現(xiàn)渾濁，呈穩(wěn)定的澄清狀態(tài)。

表4 超濾前后藍莓果汁品質(zhì)的變化Table 4 Changes of blueberry juice quality before and after ultrafiltration

3 結(jié)論

采用中空纖維膜對藍莓果汁進行澄清，在單因素的基礎(chǔ)上，采用中心組合試驗設(shè)計建立了操作壓力、料液流速以及溫度對膜通量影響的預測模型。確定其最佳工藝參數(shù)為：溫度35.3℃，操作壓力0.08MPa，料液流速1.3L/min。該條件下的藍莓果汁的透光率達到97.8%，膜通量為3 6.59mL/（m2·min）；超濾處理對果汁中總糖、總酸的影響不顯著。

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