超濾-反滲透組合膜分離偶聯(lián)真空濃縮雞骨素中試

沈青山，李　俠，張春暉,※，鄭乾坤，王麗莎，賈　偉，李　敏，張兆靜，李元亮，胡　禮

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，北京 100193；2. 得利斯集團(tuán)有限公司，濰坊 262216；3. 山東鳳祥股份有限公司，聊城 252325）

0　引　言

2016年中國畜禽骨產(chǎn)量高達(dá)1 200萬t，約占世界產(chǎn)量的 22%，畜禽骨營養(yǎng)豐富，富含蛋白質(zhì)、脂肪、礦物質(zhì)及生物活性物質(zhì)[1-2]。然而，目前僅少量畜禽骨經(jīng)簡(jiǎn)單的初加工制備骨泥、骨粉等低附加值產(chǎn)品，未能實(shí)現(xiàn)資源高效利用[3]。骨素是以可食性畜禽骨為原料，借助食品分離抽提、濃縮等加工技術(shù)獲取原料骨中的蛋白、礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分而得到的一類具有多種功能的骨源食品[4]。廣泛應(yīng)用于肉制品、方便食品、餐飲及家庭廚房等領(lǐng)域[5]。

傳統(tǒng)的骨素真空濃縮工藝耗時(shí)耗能[6]，使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益降低。膜分離技術(shù)是以選擇性透過膜為分離介質(zhì)，借助外界推動(dòng)力將溶液中的物質(zhì)按分子大小進(jìn)行分離[7]，包含微濾（microfiltration，MF）、超濾（ultrafiltration，UF）、納濾（nanofiltration，NF）和反滲透（reverse osmosis，RO）等[8-9]，該項(xiàng)技術(shù)已在果蔬飲品、釀造產(chǎn)品、畜禽產(chǎn)品和食品天然成分等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[10-12]，研究表明膜分離技術(shù)不會(huì)破壞分離組分的生物活性，不會(huì)改變食品的風(fēng)味和品質(zhì)，尤其適宜分離純化活性物質(zhì)[13]。反滲透膜具有較強(qiáng)的耐污性，在過濾分離工業(yè)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[14-15]，如海水淡化處理[16]等，又因其無相變、應(yīng)用條件溫和、無污染、成本低等優(yōu)勢(shì)常被用于果蔬汁濃縮[17-18]。

目前，膜分離技術(shù)在骨素濃縮方面的應(yīng)用報(bào)道較少。反滲透膜孔徑較小，循環(huán)泵運(yùn)行壓力較大，濃縮后期截留液可溶性固形物含量（Brix）升高會(huì)導(dǎo)致膜污染嚴(yán)重、膜通量下降明顯、物料損失較大，最終導(dǎo)致濃縮效率較低[12,19]。因此，尋找新型的骨素濃縮技術(shù)是提高企業(yè)生產(chǎn)效率亟待解決的問題。真空濃縮與膜分離技術(shù)偶聯(lián)，低濃度的抽提液先后經(jīng)過膜分離，再進(jìn)行真空濃縮，能夠顯著降低真空濃縮耗時(shí)耗能，但膜分離存在物料損失、后期膜通量衰減嚴(yán)重等問題。且膜濃縮所能達(dá)到的極限濃度較低（Brix=15%～20%），實(shí)際生產(chǎn)中需要達(dá)到Brix=30%～50%。因此，需要建立一套能有效提高膜分離階段濃縮率的梯度膜分離體系與真空濃縮偶聯(lián)的濃縮工藝來克服膜分離濃縮和真空濃縮的不足。本文基于單效膜與組合膜分離特性的研究，開發(fā)一種高效節(jié)能骨素濃縮生產(chǎn)工藝，在一定程度上實(shí)現(xiàn)降低生產(chǎn)成本、節(jié)能減排的目的。

1　材料與方法

1.1　材料與試劑

雞骨素Brix=4%（由河南省鶴壁市普樂泰生物科技有限公司提供）。

1.2　儀器與設(shè)備

真空濃縮中試設(shè)備（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所工程中心提供）；LYT330手持式糖度計(jì)；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司）；電子臺(tái)秤（梅特勒-托利多公司）；BSA423S電子天平（賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司）；KJELTEC2300型全自動(dòng)凱氏定氮儀（丹麥FOSS公司）；1812型膜分離設(shè)備、陶瓷膜設(shè)備及陶瓷膜（合肥風(fēng)云膜公司）；微濾、超濾、納濾及反滲透膜元件（北京中科瑞陽膜技術(shù)有限公司）。

1.3　試驗(yàn)方法

1.3.1真空濃縮速率的測(cè)定

通過工廠中試車間單批熱壓抽提雞骨素[20]，以Brix=4%雞骨素為原料進(jìn)行真空濃縮，真空度-0.08 MPa，物料總質(zhì)量約 360 kg，初始固形物含量Brix=4%，每隔15 min測(cè)定濃縮過程中Brix的變化，根據(jù)Brix的變化來確定單效真空濃縮的濃縮速率，并按照公式（1）計(jì)算水分去除率。

其中K為水分去除率，m0為原料總質(zhì)量，Brix0為原料初始Brix。

每個(gè)時(shí)間點(diǎn)測(cè)定 3次，取其平均值為測(cè)定值。真空濃縮工藝流程如圖1a所示。

圖1　不同的膜分離濃縮工藝的流程圖Fig.1　Flow diagram of different membrane separation concentration processes

1.3.2不同類型膜元件膜濃縮試驗(yàn)

使用孔徑0.5 μm的陶瓷膜微濾、10 kDa超濾膜（孔徑10～100 nm）、300 Da納濾膜（孔徑1～10 nm）及反滲透膜（孔徑小于1 nm）元件分別對(duì)雞骨素進(jìn)行膜分離，測(cè)定膜通量變化、物料損失率、物料干物質(zhì)損失率及蛋白質(zhì)損失率。單膜分離流程工藝如圖1b所示。根據(jù)不同膜分離技術(shù)的設(shè)備及工藝要求，具體操作如下。

微濾：以110 kg Brix=4%的雞骨素為原料，用孔徑0.5 μm的陶瓷膜進(jìn)行微濾分離測(cè)試，有效膜面積0.3 m2，壓力0.2 MPa，60 ℃，以4 m/s的流速運(yùn)行4 h，進(jìn)料罐體積為25 L。

超濾：以80 kg Brix=4%的雞骨素為原料，用10 kDa超濾膜進(jìn)行超濾分離測(cè)試，有效膜面積0.4 m2，壓力0.4 MPa，30 ℃，以3 m/s的流速運(yùn)行4 h，進(jìn)料罐體積25 L。

納濾：以80 kg Brix=4%的骨素為原料，用300 Da納濾膜進(jìn)行分離測(cè)定，有效膜面積1.8 m2，壓力0.75 MPa，30 ℃，以3 m/s的流速運(yùn)行4 h運(yùn)行，進(jìn)料罐體積為25 L。

反滲透：以100 kg Brix=4%的雞骨素為原料，選擇聚酰胺材料反滲透膜進(jìn)行了反滲透濃縮測(cè)試，有效膜面積1.8 m2，運(yùn)行壓力2 MPa，35 ℃，以 1 m/s的流速運(yùn)行4 h。

膜通量的變化的測(cè)定：開機(jī)運(yùn)行后，每隔25 min測(cè)定單位時(shí)間單位面積濾出液的質(zhì)量記為膜通量，單位：g/(m2·min)。每個(gè)時(shí)間點(diǎn)測(cè)定3次取平均值為測(cè)量值。

物料損失率的測(cè)定：停機(jī)后，測(cè)定截留液的質(zhì)量(m截留液)、濾出液的質(zhì)量(m濾出液)、初濾液的質(zhì)量（m初濾液），按照公式（2）計(jì)算物料損失率。

干物質(zhì)損失率的測(cè)定：稱取單位質(zhì)量的初濾液、截留液和濾出液依照GB/T5009.3—2010食品中水分的測(cè)定方法[21]測(cè)定干物質(zhì)含量，確定干物質(zhì)損失率。

蛋白損失率的測(cè)定：稱取單位質(zhì)量的初濾液、截留液和濾出液依照GB/T5009.5—2010食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定方法[22]測(cè)定濾出液蛋白質(zhì)含量，進(jìn)而確定蛋白質(zhì)損失率。

1.3.3組合膜濃縮試驗(yàn)及工藝優(yōu)化

根據(jù)濾出液膜通量變化，物料損失率，干物質(zhì)及蛋白損失率等的測(cè)定結(jié)果，選擇單膜試驗(yàn)當(dāng)中性能較好的幾種膜元件，通過兩兩組合聯(lián)用的方法分別對(duì)雞骨素進(jìn)行膜分離，組合膜濃縮工藝流程如圖1c和1d所示。

1.3.4組合膜濃縮工藝生產(chǎn)驗(yàn)證及能耗評(píng)估

利用真空濃縮（vacuum concentration, VC）、反滲透-真空濃縮（reverse osmosis-vacuum concentration,RO-VC）、超濾-反滲透-真空濃縮（ultrafiltration-reverse osmosis-vacuum concentration, UF-RO-VC）3種濃縮工藝將360 kg Brix=4%的雞骨素濃縮至Brix=48%時(shí)的運(yùn)行條件如下，真空濃縮工藝條件為：真空度-0.08 MPa，60℃溫度條件下濃縮時(shí)間120 min；反滲透-真空濃縮工藝條件為：反滲透過程運(yùn)行壓力2 MPa，35 ℃溫度條件下運(yùn)行60 min，濃縮過程真空度及溫度同上，運(yùn)行45 min；超濾-反滲透-真空濃縮工藝條件：超濾過程運(yùn)行壓力0.4 MPa，30 ℃溫度條件下運(yùn)行30 min，反滲透條件同上，濃縮過程真空度及溫度同上，運(yùn)行時(shí)間20 min。測(cè)定主要指標(biāo)：耗電量、標(biāo)準(zhǔn)煤用量、產(chǎn)品損失、膜元件損耗及保養(yǎng)、總費(fèi)用和總能源煤的消耗量，以這些指標(biāo)作為評(píng)價(jià)依據(jù)，評(píng)價(jià)3種方法的優(yōu)劣。3種工藝方法消耗電量和標(biāo)準(zhǔn)煤用量不同，為了使能源消耗便于比較我們把電的消耗轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗。

1.3.5數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

本研究中每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，SPSS17.0軟件采用one-way ANOVA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析同時(shí)利用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢測(cè)。Origin 8.0進(jìn)行繪圖，其中各圖同一指標(biāo)中不同字母表示差異顯著（P＜0.05 或 P＜0.01）。

2　結(jié)果與分析

2.1　真空濃縮骨素

研究報(bào)道真空濃縮可以應(yīng)用于龍眼果汁的濃縮，與直接加熱濃縮相比該技術(shù)可以使?jié)饪s后的果汁風(fēng)味更好[23]。利用該技術(shù)對(duì)雞骨素進(jìn)行濃縮，濃縮過程中可溶性固形物含量及水分去除率變化如圖 2所示。水分蒸發(fā)速率約為2.75 kg/min，水分蒸發(fā)量：蒸汽耗量為1∶1.2～1.3（質(zhì)量比），真空濃縮前期水分去除率小，原因是水的比熱容較高，在-0.08 MPa條件下到達(dá)沸點(diǎn)后仍需加熱，所以Brix變化也較小。隨著濃縮時(shí)間的延長，含水率不斷下降，固形物含量迅速上升，濃縮120 min時(shí)水分去除率幾乎達(dá)到40.6%，固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到48.5%。

2.2　單效膜對(duì)骨素的分離特性

微濾、超濾、納濾及反滲透的膜通量隨著濃縮時(shí)間的變化如圖3a所示，隨著濃縮時(shí)間的延長，這4種膜通量都呈現(xiàn)明顯衰減趨勢(shì)。前60 min微濾、超濾、納濾和反滲透的膜通量衰減率（膜通量30 min－膜通量60 min）/膜通量30 min分別為20.8%、23.3%、50%、51.6%呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，之后超濾膜通量衰減相對(duì)緩慢。另外，納濾和反滲透膜通量要比超濾和微濾的膜通量先達(dá)到飽和不再變化，最終微濾、超濾和納濾的膜通量基本趨于相同，在250～320 g/(m2·min)范圍，并高于反滲透的膜通量 80 g/(m2·min)。膜通量呈現(xiàn)的衰減變化是因?yàn)樵诳扇苄怨绦挝锖肯嗤那闆r下部分物質(zhì)會(huì)被吸附到膜表面而影響膜通量[24]，其中膜孔徑越小這種影響就越顯著，膜通量的衰減率就越大[25]。

圖3　單膜對(duì)骨素的分離特性Fig.3　Separation characteristics of single membrane for bone extract

不同的膜分離濃縮技術(shù)造成的物料損失率、干物質(zhì)損失率、蛋白質(zhì)損失率如圖3b所示。微濾和超濾2種膜分離后的濾出液中測(cè)得Brix質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3%和1%而納濾和反滲透膜的濾出液中 Brix質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎為0。微濾、超濾、納濾和反滲透 4種膜分離技術(shù)造成的物料損失率和干物質(zhì)損失率分別為0.5%、6.25%、4%、7.1%和1.6%、19.4%、22.4%、20%，造成的蛋白質(zhì)損失率分別為 35.8%、25.7%、22%、16%。總的來講物料損失率和干物質(zhì)損失率在微濾、超濾、納濾和反滲透 4種膜分離濃縮技術(shù)中呈現(xiàn)相同趨勢(shì)，即超濾、納濾和反滲透濃縮技術(shù)造成的物料和干物質(zhì)損失率要顯著高于微濾技術(shù)導(dǎo)致的損失率。這可能是由于膜本身的性質(zhì)和骨素原料特性導(dǎo)致的，陶瓷微濾膜不易吸附溶質(zhì)分子故損失率較低[24]。該原料中蛋白等分子量主要分布在小于10 kDa的范圍，該范圍屬于超濾或納濾的分子范圍[26]，導(dǎo)致孔徑大的微濾膜不易對(duì)其吸附，相反孔徑較小的超濾、納濾膜更易吸附。另外這種吸附特性不但是造成損失率變化的一個(gè)主要原因也是導(dǎo)致超濾膜、納濾膜及反滲透膜的膜通量快速衰減原因之一。但是就蛋白損失率來講，隨著膜孔徑的增大損失率變大即微濾的蛋白損失率顯著高于超濾、納濾和反滲透造成的蛋白損失率。這是由于膜的孔徑過大會(huì)造成一些小分子物質(zhì)如短肽等不能被截留而流失，這會(huì)造成骨素中大量營養(yǎng)成分的流失降低骨素產(chǎn)品的營養(yǎng)價(jià)值。

2.3　組合膜濃縮試驗(yàn)

要將雞骨素濃縮至Brix=48%，僅依靠單純的一種膜分離濃縮技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中通常需要將幾種分離濃縮技術(shù)和裝備進(jìn)行偶聯(lián)。單膜對(duì)骨素的分離特性的結(jié)果表明，初始膜通量較大的是微濾、超濾，在有效膜面積相同的條件下，其膜分離速度為納濾、反滲透的1～2倍，且其膜通量衰減速率也明顯低于納濾、反滲透。并且微濾和超濾技術(shù)造成的物料損失和干物質(zhì)損失率很低，而反滲透的優(yōu)勢(shì)在于蛋白質(zhì)的損失率較小。實(shí)現(xiàn)高效濃縮的關(guān)鍵就在于增加膜分離階段滲透比，減少物料損失。因此，進(jìn)行組合膜濃縮是非常必要的。

本研究在中試條件下，通過膜組合來實(shí)現(xiàn)對(duì)骨素的高效梯度濃縮。首先，利用微濾或超濾對(duì)骨素進(jìn)行初分離；然后，將第一步得到的濾出液通過納濾或反滲透再分離；其次，將初分離和再分離的濃縮液混合，最后利用真空濃縮繼續(xù)濃縮混合液得到高度濃縮的骨素。首先檢測(cè)了微濾-反滲透和超濾-反滲透膜組合技術(shù)的物料損失率、干物質(zhì)損失率及膜通量的變化，結(jié)果如圖4所示，超濾-反滲透膜組合技術(shù)的物料損及干物質(zhì)損失率顯著降低（P＜0.01）。其中，超濾-反滲透干物質(zhì)損失率約為7.14%，比微濾-反滲透損失率小30.56%，超濾-反滲透物料損失率約為1.16%，比微濾-反滲透物料損失率小7.10%（圖 4a），并且超濾-反滲組合中反滲透透膜通量提高了2～3倍（圖4b）。

圖4　膜組合分離技術(shù)對(duì)骨素的分離特性。Fig.4　Separation characteristics of combination separation technologies for bone extract

根據(jù)以上結(jié)果，在對(duì)Brix=4%的雞骨素進(jìn)行微濾或超濾后，再進(jìn)行反滲透時(shí)，超濾濾出液相對(duì)于微濾濾出液膜通量高、反滲透速率快、質(zhì)量損失及干物質(zhì)損失小，因此超濾濾出液更適合進(jìn)行反滲透，且有利于對(duì)濾出液中的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行富集。盡管單膜分離結(jié)果顯示初濾時(shí)，超濾分離相對(duì)于微濾膜通量較小且衰減較快，物質(zhì)損失率也較大，但膜分離的目的是提高雞骨素進(jìn)入真空濃縮環(huán)節(jié)時(shí)的初始 Brix，并且要盡可能使雞骨素營養(yǎng)成分損失少，以減少真空濃縮過程中的耗時(shí)耗能。在二次膜濃縮階段，微濾-反滲透干物質(zhì)損失嚴(yán)重，物料損失較大，綜合考慮初濾階段微濾、超濾損失，得出在濃縮至相同Brix時(shí)，超濾-反滲透組合膜濃縮偶聯(lián)真空濃縮為較佳濃縮工藝。

2.4　生產(chǎn)驗(yàn)證及能耗評(píng)估

根據(jù)單效膜分離濃縮及膜組合分離濃縮特性，我們選擇真空濃縮、反滲透-真空濃縮、超濾-反滲透-真空濃縮濃縮，并分別將 360 kg Brix=4%的雞骨素濃縮至Brix=48%時(shí)，耗時(shí)耗能的結(jié)果作為能耗評(píng)估依據(jù)，分析梯度膜分離偶聯(lián)真空濃縮工藝的優(yōu)越性，主要指標(biāo)測(cè)定結(jié)果如表1所示。真空濃縮水分蒸發(fā)率約為2.75 kg/min，水分蒸發(fā)量：蒸汽耗量為1∶1.2～1.3（質(zhì)量比），真空濃縮真空泵功率0.81 kW，膜過濾循環(huán)泵功率2.2 kW；1 t標(biāo)準(zhǔn)煤約能生產(chǎn)0.8 MPa飽和蒸汽6.5 t左右，標(biāo)準(zhǔn)煤市價(jià)500元/t，北京市工業(yè)用電價(jià)格為0.799元/kW·h，雞骨素市場(chǎng)價(jià)為18元/kg。

表1　不同濃縮工藝能耗Table 1　Energy consumption of the different concentration technologies

如表 1所示，將 360 kg Brix=4%的雞骨素濃縮至Brix=48%時(shí)單獨(dú)真空濃縮、反滲透-真空濃縮和超濾-反滲透-真空濃縮聯(lián)用3種濃縮工藝耗時(shí)分別為：120、105、110 min；耗電量分別為：1.62、2.81、3.57 kW·h；蒸汽消耗對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)煤用量分別為：63.46、23.80、10.58 Kg；經(jīng)過計(jì)算得到SO2排放量分別為：0.057 6、0.021 9、0.010 1 Kg；NOx排放量分別為：0.068 2、0.027 9、0.014 6 Kg；最終耗資分別為：33.03、50.78、27.85元。根據(jù)電力折標(biāo)系數(shù)[27]（0.122 9 kg/ kW·h）計(jì)算可得3種耗電量對(duì)應(yīng)的耗煤量分別為0.199 1、0.345 3、0.438 8 kg，分別與蒸汽耗量對(duì)應(yīng)的煤用量加和得到 3種濃縮技術(shù)最終消耗的能源煤的量為63.659 1、24.145 3、11.018 8 kg，換算濃縮每t相同雞骨素時(shí)的耗煤量如圖5a所示，根據(jù)每燃燒1 t煤電廠[28]及工業(yè)鍋爐[29-30]排放SO2和NOx的量（表2）計(jì)算得到相同條件下濃縮1 t雞骨素釋放污染氣體的量如圖5b所示。結(jié)果顯示3種濃縮技術(shù)中超濾-反滲透-真空濃縮技術(shù)的耗煤量（30.61 kg/t）和污染氣體的排放量（SO2，0.028 1 kg/t；NOX，0.040 6 kg/t）顯著（P＜0.01）低于另外 2種濃縮技術(shù)。表明這種梯度膜濃縮偶聯(lián)真空濃縮工藝不但可以降低成本，同時(shí)還可以減少耗能和污染氣體的排放，一定程度上實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排生產(chǎn)?？梢源_定為雞骨素較佳濃縮工藝。

表2　燃燒1 t煤污染氣體的排放量Table 2　Emission of pollutant gas about one ton coal combustion

圖5　不同膜組合分離濃縮技術(shù)濃縮骨素的耗能評(píng)估Fig.5　Evaluation of energy consumption about different concentration technologies concentrating bone extract

3　結(jié)　論

本文以Brix=4%的脫脂雞骨抽提物為原材料，中試化研究了幾種濃縮工藝的優(yōu)劣，并開發(fā)了超濾-反滲透組合膜偶聯(lián)真空濃縮的新型骨素濃縮工藝。得出以下結(jié)論：

1）傳統(tǒng)真空濃縮工藝能耗相對(duì)較高；

2）微濾、超濾、納濾及反滲透單效膜分離工藝都會(huì)造成大量蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)損失，尤其是微濾蛋白損失率可達(dá)35.8%，會(huì)造成骨素產(chǎn)品價(jià)值的降低；

3）膜組合分離濃縮工藝中，超濾-反滲透組合分離工藝能夠使物料損失率和干物質(zhì)損失率顯著（P＜0.01）降低，同時(shí)可將反滲透膜通量提高2～3倍；

4）真空濃縮、反滲透-真空濃縮和超濾-反滲透-真空濃縮 3種工藝中超濾-反滲透-真空濃縮工藝成本最低（77.36 元/t），能源標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗量僅需30.61 kg/t，污染氣體SO2和NOx的排放量分別為0.028 1 kg/t和0.040 6 kg/t，能源消耗和污染氣體排放顯著（P＜0.01）降低。該新型梯度膜偶聯(lián)真空濃縮技術(shù)降低了節(jié)約成本，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，可作為一種新型骨素濃縮工藝。

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