超滤反渗透组合膜分离偶联真空浓缩鸡骨素中试沈青山

第34卷第6期农业工程学报Vol.34No.62018年3月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringMar.2018285超滤-反渗透组合膜分离偶联真空浓缩鸡骨素中试沈青山1，李侠1，张春晖1,2※，郑乾坤2，王丽莎1，贾伟1，李敏2，张兆静3，李元亮3，胡礼1（1.中国农业科学院农产品加工研究所，北京100193；2.得利斯集团有限公司，潍坊262216；3.山东凤祥股份有限公司，聊城252325）摘要：该研究以鸡骨素为原料，中试条件下对比分析了真空浓缩与2种膜组合偶联真空浓缩工艺的优劣。通过测定真空浓缩工艺的浓缩速率和水分去除率，微滤-反渗透和超滤-反渗透组合膜的膜通量、物料损失率、干物质损失率和蛋白损失率，研发了梯度膜分离与真空浓缩偶联的新型骨素浓缩工艺并进行了中试研究。结果显示：真空浓缩前期60min内可溶性固形物含量升高缓慢，浓缩速率低，耗能大；微滤、超滤、纳滤和反渗透膜分离的物料损失率为0.5%、6.25%、4%、7.1%，干物质损失率为1.6%、19.4%、22.4%、20%，蛋白质损失率分别为35.8%、25.7%、22%、16%，膜通量衰减速率与膜孔径呈现负相关；膜组合结果表明超滤-反渗透膜组合能够提高反渗透膜通量，显著减少物料损失和干物质损失（P0.01）。中试结果表明，超滤-反渗透-真空浓缩工艺耗时110min，耗资27.85元，耗煤11.0188kg，污染气体SO2和NOx的排放量分别为0.0101kg和0.0146kg。超滤-反渗透-真空浓缩新型工艺缩短了浓缩时间，降低了生产成本，污染气体的排放显著（P0.01）减少，一定程度上实现了节能减排，可以作为一种新型工艺用于鸡骨素浓缩生产。关键词：农产品；真空；中试；鸡骨素；膜组合；膜偶联真空浓缩doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.06.036中图分类号：TS251.94文献标志码：A文章编号：1002-6819(2018)-06-0285-07沈青山，李侠，张春晖，郑乾坤，王丽莎，贾伟，李敏，张兆静，李元亮，胡礼.超滤-反渗透组合膜分离偶联真空浓缩鸡骨素中试[J].农业工程学报，2018，34(6)：285－291.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.06.036[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2018,34(6):285－291.(inChinesewithEnglishabstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.06.036引言2016年中国畜禽骨产量高达1200万t，约占世界产量的22%，畜禽骨营养丰富，富含蛋白质、脂肪、矿物质及生物活性物质[1-2]。然而，目前仅少量畜禽骨经简单的初加工制备骨泥、骨粉等低附加值产品，未能实现资源高效利用[3]。骨素是以可食性畜禽骨为原料，借助食品分离抽提、浓缩等加工技术获取原料骨中的蛋白、矿物质等营养成分而得到的一类具有多种功能的骨源食品[4]。广泛应用于肉制品、方便食品、餐饮及家庭厨房等领域[5]。传统的骨素真空浓缩工艺耗时耗能[6]，使企业经济效益降低。膜分离技术是以选择性透过膜为分离介质，借助外界推动力将溶液中的物质按分子大小进行分离[7]，包含微滤（microfiltration，MF）、超滤（ultrafiltration，UF）、纳滤（nanofiltration，NF）和反渗透（reverseosmosis，RO）等[8-9]，该项技术已在果蔬饮品、酿造产品、畜禽产收稿日期：2017-11-30修订日期：2018-03-05基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（Y2016CG38）；鸢都产业领军人才资金资助；国家农业科技创新工程作者简介：沈青山，博士生，研究方向为农产品加工利用。Email：[e-mail]※通信作者：张春晖，研究员，博士生导师，研究方向为肉品科学。Email：[e-mail]品和食品天然成分等领域应用广泛[10-12]，研究表明膜分离技术不会破坏分离组分的生物活性，不会改变食品的风味和品质，尤其适宜分离纯化活性物质[13]。反渗透膜具有较强的耐污性，在过滤分离工业领域受到广泛关注[14-15]，如海水淡化处理[16]等，又因其无相变、应用条件温和、无污染、成本低等优势常被用于果蔬汁浓缩[17-18]。目前，膜分离技术在骨素浓缩方面的应用报道较少。反渗透膜孔径较小，循环泵运行压力较大，浓缩后期截留液可溶性固形物含量（Brix）升高会导致膜污染严重、膜通量下降明显、物料损失较大，最终导致浓缩效率较低[12,19]。因此，寻找新型的骨素浓缩技术是提高企业生产效率亟待解决的问题。真空浓缩与膜分离技术偶联，低浓度的抽提液先后经过膜分离，再进行真空浓缩，能够显著降低真空浓缩耗时耗能，但膜分离存在物料损失、后期膜通量衰减严重等问题。且膜浓缩所能达到的极限浓度较低（Brix=15%～20%），实际生产中需要达到Brix=30%～50%。因此，需要建立一套能有效提高膜分离阶段浓缩率的梯度膜分离体系与真空浓缩偶联的浓缩工艺来克服膜分离浓缩和真空浓缩的不足。本文基于单效膜与组合膜分离特性的研究，开发一种高效节能骨素浓缩生产工艺，在一定程度上实现降低生产成本、节能减排的目的。农业工程学报（）2018年2861材料与方法1.1材料与试剂鸡骨素Brix=4%（由河南省鹤壁市普乐泰生物科技有限公司提供）。1.2仪器与设备真空浓缩中试设备（中国农业科学院农产品加工研究所工程中心提供）；LYT330手持式糖度计；电热恒温鼓风干燥箱（上海新苗医疗器械制造有限公司）；电子台秤（梅特勒-托利多公司）；BSA423S电子天平（赛多利斯科学仪器（北京）有限公司）；KJELTEC2300型全自动凯氏定氮仪（丹麦FOSS公司）；1812型膜分离设备、陶瓷膜设备及陶瓷膜（合肥风云膜公司）；微滤、超滤、纳滤及反渗透膜元件（北京中科瑞阳膜技术有限公司）。1.3试验方法1.3.1真空浓缩速率的测定通过工厂中试车间单批热压抽提鸡骨素[20]，以Brix=4%鸡骨素为原料进行真空浓缩，真空度0.08MPa，物料总质量约360kg，初始固形物含量Brix=4%，每隔15min测定浓缩过程中Brix的变化，根据Brix的变化来确定单效真空浓缩的浓缩速率，并按照公式（1）计算水分去除率。K=[m0(1Brix0)(1Brix)/Brixm0Brix0]/[m0(1Brix0)]（1）其中K为水分去除率，m0为原料总质量，Brix0为原料初始Brix。每个时间点测定3次，取其平均值为测定值。真空浓缩工艺流程如图1a所示。图1不同的膜分离浓缩工艺的流程图Fig.1Flowdiagramofdifferentmembraneseparationconcentrationprocesses1.3.2不同类型膜元件膜浓缩试验使用孔径0.5μm的陶瓷膜微滤、10kDa超滤膜（孔径10～100nm）、300Da纳滤膜（孔径1～10nm）及反渗透膜（孔径小于1nm）元件分别对鸡骨素进行膜分离，测定膜通量变化、物料损失率、物料干物质损失率及蛋白质损失率。单膜分离流程工艺如图1b所示。根据不同膜分离技术的设备及工艺要求，具体操作如下。微滤：以110kgBrix=4%的鸡骨素为原料，用孔径0.5μm的陶瓷膜进行微滤分离测试，有效膜面积0.3m2，压力0.2MPa，60℃，以4m/s的流速运行4h，进料罐体积为25L。超滤：以80kgBrix=4%的鸡骨素为原料，用10kDa超滤膜进行超滤分离测试，有效膜面积0.4m2，压力0.4MPa，30℃，以3m/s的流速运行4h，进料罐体积25L。纳滤：以80kgBrix=4%的骨素为原料，用300Da纳滤膜进行分离测定，有效膜面积1.8m2，压力0.75MPa，30℃，以3m/s的流速运行4h运行，进料罐体积为25L。反渗透：以100kgBrix=4%的鸡骨素为原料，选择聚酰胺材料反渗透膜进行了反渗透浓缩测试，有效膜面积1.8m2，运行压力2MPa，35℃，以1m/s的流速运行4h。膜通量的变化的测定：开机运行后，每隔25min测定单位时间单位面积滤出液的质量记为膜通量，单位：g/(m2·min)。每个时间点测定3次取平均值为测量值。物料损失率的测定：停机后，测定截留液的质量(m截留液)、滤出液的质量(m滤出液)、初滤液的质量（m初滤液），按照公式（2）计算物料损失率。损失率=[1(m截留液+m滤出液)/m初滤液]100%（2）干物质损失率的测定：称取单位质量的初滤液、截留液和滤出液依照GB/T5009.3—2010食品中水分的测定方法[21]测定干物质含量，确定干物质损失率。蛋白损失率的测定：称取单位质量的初滤液、截留液和滤出液依照GB/T5009.5—2010食品中蛋白质的测定方法[22]测定滤出液蛋白质含量，进而确定蛋白质损失率。1.3.3组合膜浓缩试验及工艺优化根据滤出液膜通量变化，物料损失率，干物质及蛋白损失率等的测定结果，选择单膜试验当中性能较好的几种膜元件，通过两两组合联用的方法分别对鸡骨素进行膜分离，组合膜浓缩工艺流程如图1c和1d所示。1.3.4组合膜浓缩工艺生产验证及能耗评估利用真空浓缩（vacuumconcentration,VC）、反渗透-真空浓缩（reverseosmosis-vacuumconcentration,RO-VC）、超滤-反渗透-真空浓缩（ultrafiltration-reverseosmosis-vacuumconcentration,UF-RO-VC）3种浓缩工艺将360kgBrix=4%的鸡骨素浓缩至Brix=48%时的运行条件如下，真空浓缩工艺条件为：真空度0.08MPa，60℃温度条件下浓缩时间120min；反渗透-真空浓缩工艺条件为：反渗透过程运行压力2MPa，35℃温度条件下运行60min，浓缩过程真空度及温度同上，运行45min；超滤-反渗透-真空浓缩工艺条件：超滤过程运行压力0.4MPa，30℃温度条件下运行30min，反渗透条件同上，浓缩过程真空度及温度同上，运行时间20min。测定主要指标：第6期沈青山等：超滤-反渗透组合膜分离偶联真空浓缩鸡骨素中试287耗电量、标准煤用量、产品损失、膜元件损耗及保养、总费用和总能源煤的消耗量，以这些指标作为评价依据，评价3种方法的优劣。3种工艺方法消耗电量和标准煤用量不同，为了使能源消耗便于比较我们把电的消耗转化为标准煤的消耗。1.3.5数据处理与统计分析本研究中每组试验重复3次取平均值作为试验结果，SPSS17.0软件采用one-wayANOVA对数据进行方差分析同时利用Duncan新复极差法进行显著性检测。Origin8.0进行绘图，其中各图同一指标中不同字母表示差异显著（P0.05或P0.01）。2结果与分析2.1真空浓缩骨素研究报道真空浓缩可以应用于龙眼果汁的浓缩，与直接加热浓缩相比该技术可以使浓缩后的果汁风味更好[23]。利用该技术对鸡骨素进行浓缩，浓缩