膜分离技术在果蔬汁应用

膜分离技术在果蔬汁加工中的应用摘要：膜分离法现已广泛应用于饮料的原辅料生产，饮用水处理。膜分离技术可用于果蔬汁的脱酸、脱苦、澄清、浓缩及过滤等方面。它对于提高果蔬汁产品的质量，增加产量，降低饮料生产成本等均具有重要的作用。关键词：膜分离法；饮料；果蔬汁；应用Abstract:Membraneseparationprocessesarewidelyusedintheproductionofbeveragematerialsandthetreatmentofwaterfordrinking.Thetechnologycanbeappliedtodeacidify,debitter,clarify,concentrateandfilterfruitandvegetablejuices.Itplaysanimportantroleintheimprovementofproductquality,theincreaseinoutputandthedecreaseinproductioncost.Keywords:membraneseparationprocesses;beverage;fruitandvegetablejuice;application膜分离技术被公认为20世纪末至2l世纪中期最有发展前途的高新技术之一。尽管20世纪上半叶就出现了制造滤膜的企业，但膜分离技术的大发展和工业应用是在1968年美国N•Li博士发明了膜分离技术以后。经过50多年的发展，膜分离技术目前已广泛应用于各个工业领域，并已使海水淡化、烧碱生产、乳品加工等多种传统的工业生产面貌发生了根本性的变化，膜分离技术已经形成了一个相当规模的工业技术体系，已成为一项用于澄清、分离、浓缩、纯化和精制等方面的绿色节能技术[1-2]。l膜分离技术1.1膜分离的原理膜分离法[3]是指用天然或人工合成的高分子膜，以外加压力或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶液进行分离、分级、提纯和富集的方法。1.2膜分离的类型膜分离过程以选择性透过膜为分离介质，当膜的两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差或电位差等)时，原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。不同的膜分离过程使用的膜不同，推动力也不同，膜分离技术主要有透析、电渗析、微滤、超滤、反渗透及纳滤等，其中除透析和电渗析外，均以压力为推动力。1.3膜组件在膜分离的开发研究工作中，首先要选用合适的膜材料，研制生产出具有高选择性、高通量、基本无缺陷并能大规模生产的膜；其次是将一定面积的膜组装成组件。对膜组件的要求是密封性能可靠、膜装填密度高、流体流动方式合理而且造价低。目前，工业应用中的膜组件主要有平板式、管式、螺旋卷式及中空纤维式等。1.4膜分离的特点膜分离兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，与蒸馏、吸附、吸收、萃取、深冷分离等传统分离技术相比，具有以下特点：(1)操作过程是在常温下进行，特别适用于对热敏感物质的分离、浓缩与提纯，营养成分的损失较小。膜分离在食品加工、医药工业、生物技术等领域有其独特的适用性。例如，在抗生素的生产中，一般减压蒸馏法除水，很难完全避免设备的局部过热现象，在局部过热区域抗生素受热，或者被破坏或者产生有毒物质，它是引起抗生素针剂副作用的重要原因。用膜分离脱水，可以在室温甚至更低的温度下进行，确保不发生局部过热现象，大大提高了药品使用的安全性。(2)大多数膜分离过程都不发生相变化，能耗较低，故能保持饮料的芳香口味。李全宏[4]在综述中提到：采用蒸发法浓缩的果汁，其芳香成分几乎全部消失；采用冷冻法浓缩的果汁其芳香成分只保留8％，而用反渗透膜法芳香成分保留30％～60％，而且氨基酸及香气成分的损失均比真空蒸馏浓缩要小得多。(3)色素分解和褐变反应较少，饮料颜色纯正、悦目，达到澄清的目的。据曾凡坤纠[5]报道，超滤对果蔬汁的营养成分没有负面影响，果蔬汁超滤后维生素C透过率在86％以上，总糖和酸的透过率在90％以上，矿物质透过率较高，钾的透过率平均达85％以上，镁、磷平均也在90％以上，而蛋白质和果胶的透过率较小，大部分能被除去，且孔径越小，去除率越大；超滤还能够大大减少透过液中的细菌总数，从而减少灭菌的负荷；超滤后的果汁透光率达99％以上，澄清而透明。(4)分离效率较高。据报道：超滤替代传统的离心分离、硅藻土或纸析过滤等澄清工艺，时间可缩短50％，得率可提高5％～10％。陈兴国等[6]指出：与传统的蒸发法相比，渗透蒸馏法的最大优点是能在常温常压下操作，即对溶质能以最小的热损失和机械损失，达到分离或富集的目的。用于果汁浓缩，就可避免果汁受高温或高压的影响，较好地保留了果汁原有的色香味，也可大大减少膜污染的程度。尤其在高倍浓缩时，膜蒸馏的透水速率显著高于其他过程，其对果汁中的各种糖、有机酸和矿质元素的截留率几乎均在100％。(5)由于膜的推动力主要是压力，所以膜分离设备本身没有运动部件，工作温度又在室温附近，所以很少需要维护，可靠度很高，正如Logemann的经济分析报告中指出：一般膜设备的年维修费用仅占总投资的2.2％加工中的应用具有操作、控制和维修简单，占地而积小等优点。据徐黎等[7]报道，以超滤法结合酶处理生产苹果汁能够提高产量、保持果汁原味、较多的保留了营养物质，如总酸量、维生素C、葡萄糖等；节省成本：节省澄清剂，节省助滤剂费用，减少离心机、压滤机、反应罐等设备的费用；能除去细菌、酵母菌等微生物，做到无菌过滤，无需再进行加热灭菌；可节省60％的酶并回收果胶，减少废渣排放污染；有利于果汁进一步浓缩。据汇源果汁公司介绍，与传统生产方法相比，采用超滤法可使果汁损失减少2％～3％，生产时间减少1/2，劳动力减少2/3。1.4膜分离技术应用于果蔬汁中的优点膜分离法现已广泛应用于饮料的原辅料生产、饮用水处理、果蔬汁的澄清及过滤等方面。而且作为一种具有产生新的附加值的有效技术博得了很高的评价。膜分离技术应用于果蔬汁生产具有如下优点：1)膜分离过程为物理过程，不需加入化学药剂，属于“绿色”分离技术，因此将膜技术应用于果蔬汁生产过程，既可以达到分离的目的，又可以保持果蔬汁的“绿色、天然”本质。2)膜分离过程是在压力驱动下，在常温下进行的分离过程，特别适合于对热敏感的物质，如酶、果蔬汁、某些药品等的分离、浓缩、精制等．因此将膜分离技术用于果蔬汁生产可以减少果蔬汁中Vc等热敏性物质的损失，减少挥发性芳香类物质的挥发，保持果蔬汁的的营养成分，有利于保持果蔬汁的“原汁原味”。3)膜分离技术由于只是以压力差作为驱动力，因此，该项技术所采用的装置简单，操作方便。采用该项技术可以减少果蔬汁的生产环节，简化生产流程，减少生产损耗，缩短生产周期，有利于避免加工时问过长而导致果蔬色、香、味的损失。4)膜分离技术适用分离的范围极广，分离范围可以从小分子到大分子；从细菌到病毒；从蛋白质、胶体到多糖；选择不同分离精度的膜可以满足果蔬汁生产过程的澄清、浓缩等不同的分离要求。5)膜分离过程不发生相变化，基本在常温下进行，特别是与其它如蒸馏、冷冻等分离方法比较，节能效果显著，因此将膜分离技术用于果蔬汁生产可以明显减少能源的消耗，节约生产成本。鉴于上述优点，膜分离技术既符合果蔬汁天然、健康的加工要求，又符合当今社会发展节约型经济的潮流。目前，果蔬汁产品根据是否含有果肉和粗纤维分为浊汁、清汁，通常把含有果肉的果蔬汁称为浊汁，不含果肉的果蔬汁称为清汁。由于二者生产要求的不同，膜分离技术在果蔬清汁、浊汁生产中的应用也存在一定的差异。2膜分离技术在果蔬清汁生产中的应用2.1微/超滤技术用于澄清过滤果蔬清汁生产过程中，澄清工序的目的不仅要除去果蔬汁中的果肉等肉眼可见的悬浮性物质(悬浮固体、纤维等)，同时浊汁里的蛋白质、淀粉、糊精和单宁分子等引起果蔬汁成品的存储期内产生浑浊、二次沉淀的物质必须去除，在保证果蔬汁长期保持澄清的同时，很少损失果蔬汁的有效营养成分和芳香成分．果蔬清汁的基本生产工艺流程为：果蔬→前处理→破碎→巴氏灭菌一酶处理→脱胶→澄清→蒸发浓缩→巴氏灭菌→无菌灌装传统的果蔬汁澄清方法通常是用酶长时间处理，然后再用硅藻土过滤除去悬浮物。传统的澄清过程需要几个单元操作，如碟片离心机分离、酶处理、用硅藻土进行转动真空过滤等。超滤作为新兴的分离技术，具有澄清度高，果蔬汁风味保持较好，保留Vc，截留可溶性蛋白，褐变程度小等优点，自1977年Heatherbell等人利用超滤技术进行了苹果汁的澄清研究以来，该项技术获得了迅速发展。近年来国内外对超滤澄清苹果汁、葡萄汁、猕猴桃汁、甘蔗汁、西番莲汁及桑椹汁等果蔬汁开展了广泛的研究，其中许多已实现了工业化生产。超滤法成为近年来新兴的果蔬汁澄清方法。以超滤法结合酶处理生产果蔬汁比常规法优越之处在于：1)节省成本，节省澄清剂，增加澄清度，节省助滤剂费用，减少离心机、压滤机、反应罐等设备的费用，可节省60％的酶；2)操作单元少，减少过程损耗，采用超滤膜可使果蔬汁的工艺损失少于2％～3％；3)质量稳定可靠，在连续的操作工艺中始终保持产品质量一致；4)减少生产环节，过程时间较硅藻土过滤减少近1/2。2.2微/超滤技术用于果蔬汁脱色目前，用于果蔬清汁脱色的方法主要有两种：1)采用树脂脱色；2)采用活性炭结合微/超滤技术实现脱色过程。其中树脂脱色由于控制较为方便可靠得到广泛应用，但是由于吸附技术对酚类化合物并无选择性，使一些具有突出生理功效的小分子酚类化合物中如类黄酮(芦丁、槲皮素等)同样被从果蔬汁中脱出，降低了果蔬汁的营养价值。因此，采用活性炭吸附脱色技术在保持果蔬汁营养、口感方面仍然有独特的优势。活性炭是一种优良的吸附剂，其内部有大量的微孔和空隙，表面积可达200～500ｍ2/g。它对色素、细菌、热原等杂质有很强的吸附能力通常，采用活性炭脱色是在果蔬浊汁酶解脱胶后加入活性炭，经过一段时问后再进行微/超滤，从而实现果蔬汁脱色。2.3纳滤/反渗透技术用于果蔬汁浓缩浓缩果蔬汁由于体积小、糖度高，便于运输贮藏，因此目前大部分果蔬汁产品都是以浓缩汁的形式生产。常规的果蔬汁浓缩方法是采用多级真空蒸发法，在蒸发过程中，果蔬汁要承受高达90多度的高温，易导致果蔬汁芳香成分的挥发损失、褐变和产生焦糊味道，而且在蒸发过程存在相变过程，因此耗能非常高。由于膜分离过程可以在常温条件下操作，而且分离过程无相变，因此能源的消耗较蒸发过程少，而且可以减少由于蒸发受热导致的芳香成分的挥发损失、褐变和产生焦糊味道等弊端。多年的研究表明，果蔬汁浓缩多用醋酸纤维素反渗透膜，它对醇和有机酸的分离率较低，与蒸发法相比，反渗透浓缩的果蔬汁可使浓缩果蔬汁有更好的芳香感与清凉感；采用蒸发法浓缩的果蔬汁，其中芳香成分几乎全部损失了，而采用反渗透法芳香成分可保留30％～60％，Vc、氨基酸及香气成分的损失均比真空蒸馏浓缩要小得多。目前采用反渗透技术浓缩果蔬汁存在的主要问题：反渗透技术对果蔬汁的浓缩程度无法满足一般要求达到60°～70°Brix的生产要求。由于膜分离技术是压力差作为驱动力进行的分离过程，其中反渗透浓缩过程所消耗的压力主要用于克服果蔬汁的渗透压在反渗透浓缩果蔬汁的过程中，透过膜的主要是水、部分水溶性低分子醇等风味物质，而其余成分基本上被截留，一般的研究表明，仅采用反渗透膜技术，果蔬汁的浓缩限度为25°～30°Brix，如果采用反渗透为第一级浓缩，纳滤为第二级浓缩的方法，可把果蔬汁的浓度提高到40°Brix，而要将浓度提高到60°～70°Brix还得借助于蒸发等其他技术因此目前比较可行的方法是将反渗透作为果蔬汁预浓缩手段，特别是用于蔬菜汁的预浓缩，因为一般蔬菜汁的糖度比较低，如黄瓜汁、胡萝卜汁的初始糖度一般为3°～5°Brix，如果首先采用反渗透膜预浓缩到15°Brix再采用蒸发浓缩到要求糖度，则可减少3～5倍的蒸发量，可以极大减小蒸发器的规模，减少浓缩所需要的能耗。3膜分离技术在果蔬浊汁生产中的应用3.1微/超滤技术用于果蔬浊汁脱苦柑橘类果蔬汁由于含有柚皮苷、柠檬类苦素等苦味物质，破坏了产品的风味和商业价值。一般情况下，主要是采用树脂对这类果蔬汁脱苦处理，但是