熊 璞，肖凱軍

（華南理工大學輕工與食品學院，廣東廣州510640）

響應曲面法優(yōu)化中空纖維膜澄清保健酒工藝的研究

熊 璞，肖凱軍*

（華南理工大學輕工與食品學院，廣東廣州510640）

為避免保健酒的后渾濁，提高其澄清度和穩(wěn)定性，采用膜過濾的方法，對中空纖維膜澄清保健酒的工藝進行了研究。實驗選用壓力、料液流速和溫度為自變量，保健酒透光率和膜通量為響應值，采用Box-Benhnken設計的方法，擬合得到二次多項式回歸方程的預測模型，并確定中空纖維膜澄清保健酒的最優(yōu)條件為：壓力0.1MPa，料液流速1.5L/min，溫度37.4℃。在此條件下，酒液透光率為87.65%，膜通量為42mL/min，并且色澤得到明顯改善，pH、電導率、酒精度以及主要有效成分總皂甙的變化不大。

保健酒，響應曲面法，中空纖維膜，澄清

Abstract：In order to improve the clarity and stability of healthy wine，the clarification technology of healthy wine filtrated by through hollow fiber membrane was studied.Based on single factor experiments，the pressure，liquid flow rate and temperature were selected as independent variables，and the transmittance and membrane flux of healthy wine were selected as response values.The quadratic polynomial regression equation predictive model was obtained by Box-Benhnken design.The optimum conditions were acquired that pressure was 0.1MPa，the liquid flow rate was 1.5L/min and the temperature was 37.4℃.Under these conditions，the transmittancy of healthy wine was 87.65%and the membrane flux was 42mL/min.Besides，the absorbance of healthy wine was reduced and the color was improved.Its pH，conductivity and the content of alcohol changed a little and saponins as the main active ingredient was retained.

Key words：healthy wine；response surface methodology；hollow fiber membrane；clarify

保健酒是指具有某種功效成分或生物活性物質(zhì)的獲得衛(wèi)生部批準的健字號保健食品，適用于處于亞健康、免疫力低下、內(nèi)分泌失調(diào)、長期處于疲勞工作狀態(tài)等人群飲用，每年以30%以上的發(fā)展速度平穩(wěn)增長［1］。本實驗所用保健酒是由西洋參等原料釀成，主要有效成分是總皂甙。皂甙是甙元與糖分子縮合而成的一類低聚糖甙，在自然界分布很廣，具有抗疲勞、抑制腫瘤細胞、增強機體細胞免疫等功能［2-3］。無效成分主要有鞣質(zhì)、樹脂、果膠、纖維素等，不僅影響酒的浸提效果，還會影響酒的色澤、澄清度、口感、香味和穩(wěn)定性，大大降低了產(chǎn)品的市場競爭力，它們在各種酒液中呈現(xiàn)顆粒狀和大分子狀態(tài)。常規(guī)的過濾機如硅藻土過濾機、微孔膜精濾機，可以將顆粒狀的物質(zhì)除去，而眼睛看不到的大分子狀態(tài)的物質(zhì)則難以除去，因此在貨架期會發(fā)生沉淀。目前，對保健酒進行澄清處理主要有兩種方法：一種是冷凍法，另一種是吸附法。但是冷凍法存在設備投入大、時間長、能耗大和沉淀不完全等問題；吸附法存在風味成分損失、操作復雜、成本高等問題。膜技術(shù)在藥酒生產(chǎn)中的應用已有報道［4-5］，其原理是利用納米孔徑不同，選擇性去除引起沉淀的大分子物質(zhì)，而盡可能保留有效成分，可在常溫低壓下使用。但是采用中空纖維膜澄清保健酒的應用研究還較少。故本實驗以日日紅養(yǎng)生酒為原料，基于超濾機理研究了影響膜通量的主要因素，并通過響應曲面法實驗設計探求中空纖維膜澄清保健酒的最佳工藝條件，為膜技術(shù)澄清保健酒的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

日日紅養(yǎng)生酒 內(nèi)含西洋參、紫靈芝、大棗、龍眼肉、茯苓、枸杞子、黃精、蜂蜜、高粱酒等成分，廣東扶元堂康復服務有限公司；實驗所用試劑 均為國產(chǎn)分析純。

中空纖維膜 截留分子量10萬，PVDF，廣州潔圣膜科技有限公司；Master Flex77200-60蠕動泵Cole Parmer Instrument Company；Synthesis-A10 超純水機 Millipore公司；TU-1810型紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；酒精表三支組 上海醫(yī)用儀表廠；Seven Easy實驗室pH計 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；DDS-307型電導率儀 上海虹益儀器廠。

1.2 中空纖維膜的清洗

先用清水循環(huán)沖洗，再以0.2mol/L NaOH與0.05mol/L EDTA混合液清洗30min，后水洗至中性，膜通量恢復到95%以上［6］。

1.3 單因素實驗

超濾裝置如圖1。每次超濾過程中，流出的酒液為原酒液20%時，即補加20%的新鮮酒液。如此反復，加5次料液，剩余部分為原酒液20%時，即停止超濾過程，重新?lián)Q料液。此實驗過程中，濃縮比為1∶10。重點研究超濾時間、壓力、進料流速、溫度對膜通量的影響規(guī)律。

圖1 超濾澄清工藝實驗流程圖

1.4 響應曲面法優(yōu)化實驗［7-8］

在單因素實驗基礎上，采用Box-Behnken設計方案優(yōu)化澄清工藝。以壓力、料液流速、溫度3個因素為自變量，分別用 X1、X2、X3來表示，并以 +1、0、-1分別代表變量的水平，透光率（Y1）和膜通量（Y2）為響應值。實驗因素和水平設計見表1。

表1 實驗因素與水平

1.5 測定指標與方法

1.5.1 膜通量J 用燒杯接濾過液，同時用秒表計時，用濾過液體積除以相應時間來表示。

1.5.2 pH pH計法，測量三次取平均值。

1.5.3 酒精度 酒精計法（GB/T 15038-94）。

1.5.4 電導率 校正后，用電導率儀測出。

1.5.5 澄清度［9-10］用TU-1810型紫外可見分光光度計，在680nm下用1cm比色皿測定吸光度值，蒸餾水作空白。根據(jù)公式，計算透光率（T%）。

1.5.6 色度［11］用TU-1810型紫外可見分光光度計，在520nm下用1cm比色皿測定吸光度值（A值），蒸餾水作空白。

1.5.7 總皂甙 按NY318-1997，人參皂甙與硫酸-香草醛顯色，在544nm波長下測吸光度。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗及分析

2.1.1 超濾時間對膜通量的影響 在料液流速為1.5L/min，溫度為30℃，壓力為0.1MPa，并且保健酒濃度保持不變的情況下，考察處理時間與膜通量之間的關系。

從圖2可以看出，膜通量前期衰減很快，10min后衰減速度下降，至2h這段時間趨于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，之后隨著時間的延長，膜通量繼續(xù)衰減，在5h后又趨于穩(wěn)定。這主要是由于保健酒的成分比較復雜，含有多糖、膠質(zhì)等有機物及硫酸鈣等無機鹽。超濾前期，雜質(zhì)在膜上吸附，濃差極化開始出現(xiàn)，膜孔被污染，引起膜通量迅速下降，之后趨于穩(wěn)定；2h后，濃差極化現(xiàn)象越來越嚴重，膜面上溶質(zhì)濃度越來越大，形成凝膠層越來越厚，過濾通道變得更加細小，能通過膜孔的物質(zhì)分子質(zhì)量越來越小，膜通量繼續(xù)下降并達到最低值。故本研究在后續(xù)實驗中，10min后開始檢測數(shù)據(jù)，每運行2h后采用方法1.2進行膜清洗，清洗后膜通量恢復至95%以上。

圖2 時間對膜通量的影響

2.1.2 壓力對膜通量的影響 在料液流速為1.5L/min，溫度為30℃，且保健酒濃度保持不變的情況下，考察壓力與膜通量之間的關系。

從圖3可以看出，當壓力小于0.08MPa時，通量隨著壓力的增大呈線性升高；之后，隨著壓力的增大，通量升高的速度較為平緩；當壓力達到0.1MPa時，通量達到最大，之后有減小趨勢；透光率的變化則很小。這主要是因為操作壓力較小時，經(jīng)過膜表面的溶質(zhì)量較少，對膜污染較小，膜通量與壓力呈線性關系，但當壓力達到某一臨界值時，膜面凝膠層逐漸形成并增厚，使膜通量增長幅度明顯減小，并且有減小趨勢。

2.1.3 料液流速對膜通量的影響 在固定溫度為30℃，壓力為0.08MPa，且保健酒濃度保持不變的情況下，考察料液流速與膜通量之間的關系。

圖3 壓力對膜通量的影響

從圖4可看出，增加料液的流速，有利于提高膜通量。這是因為料液流速的增加，加快了大分子物質(zhì)離開膜面的速度，減輕了濃差極化現(xiàn)象帶來的不利影響，使膜通量增加［12］。當料液流速增加到某一值時，膜通量基本不再上升。

圖4 流速對膜通量的影響

2.1.4 溫度對膜通量的影響 在料液流速為1.5L/min，壓力為0.08MPa，且保健酒濃度保持不變的情況下，考察溫度與膜通量之間的關系。

從圖5可知，在溫度低于40℃時，膜通量隨溫度的升高而迅速升高，之后趨于平衡，透光率則隨著溫度升高有下降的趨勢。理論上溫度越高越有利于超濾，但是由于受膜材料對溫度的承受能力、物料的熱敏性以及能源消耗等因素的限制，實驗應選在適宜的溫度范圍進行。綜合考慮，本實驗選擇35～45℃為響應面的水平范圍。

圖5 溫度對膜通量的影響

2.2 響應面實驗結(jié)果與分析

實驗采用Box-Behnken設計方案及進行澄清效果分析，結(jié)果見表2。

2.2.1 模型的建立與顯著性檢驗 利用SAS9.2軟件，通過表2中實驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，分別獲得保健酒透光率和膜通量對壓力、流速、溫度的二次多項回歸方程式（1）和式（2）：

表2 Box-Behnken設計方案及實驗結(jié)果

對透光率方差分析（表3）結(jié)果表明，所建立的二次多項回歸模型是極顯著的（“Pr＞F值”＜0.01），失擬項在 P=0.05水平上不顯著，其模型的 R2=0.9706，即回歸方程中所有自變量的變化可以解釋97.06%的因變量變化，說明該模型與實驗值擬合較好，可用于膜澄清工藝的理論預測?；貧w方程各項方差分析結(jié)果還表明，方程中的一次項和二次項的影響都是極顯著的，因此各個具體實驗因子與響應值都不是簡單的線性關系。同樣，對膜通量的方差分析（表4）結(jié)果表明，所建立的回歸模型是顯著的，R2=0.9232，各個具體實驗因子與響應值也不是簡單的線性關系。

表3 透光率的回歸各項方差分析

表4 膜通量的回歸各項方差分析

2.2.2 響應曲面分析與優(yōu)化 由曲面圖6、圖7可以看出，在選定區(qū)域內(nèi)，各因素對酒液透光率的影響順序為：溫度＞壓力＞流速；對膜通量的影響順序為：壓力＞溫度＞流速。為進一步確定最優(yōu)點，通過軟件分析，當響應值Y1有最大值時，可求得各因素的水平：X1=0.0162，X2=-0.07505，X3=-0.517。轉(zhuǎn)化后得到最佳工藝條件：壓力為0.100324MPa，流速為1.477485L/min，溫度為37.415℃。在此條件下，酒液透光率的理論值為87.52%，膜通量為42.04mL/min。

表5 酒液超濾原液與透過液測試數(shù)據(jù)

圖6 透光率響應曲面

圖7 膜通量響應曲面

2.3 驗證實驗及檢測結(jié)果

采用優(yōu)化后的最佳工藝參數(shù)進行驗證實驗，同時考慮到實際操作的情況，將條件修正為：壓力0.1MPa，流速1.5L/min，溫度37.4℃。在此條件下，重復3次實驗，結(jié)果表明，實際測得酒液透光率為87.65%，膜通量為42mL/min，說明擬合結(jié)果是可信的。對原液和透過液進行分析，其分析檢測結(jié)果見表5。

保健酒在超濾前液體較渾濁并且透光性差，經(jīng)過中空纖維膜處理后，透過液清澈透明，呈紅褐色，風味口感佳。酒中的懸浮雜質(zhì)全部除去，澄清效果非常明顯。在常溫下放置3個月后，酒液穩(wěn)定，透過液未出現(xiàn)渾濁。從表5的檢測結(jié)果也可以看出，超濾后的酒體透光率明顯上升，吸光度降低，色澤得到明顯改善，pH、電導率、酒精度以及主要有效成分總皂甙變化不大。這說明中空纖維膜處理保健酒是一種理想的澄清方式，澄清效果顯著。

3 結(jié)論

隨著超濾時間延長，膜污染增加，膜通量會降低，采用定時清洗的方法，膜通量恢復至95%以上。

在單因素的基礎上，采用響應曲面法實驗設計建立了主要因素對保健酒透光率和膜通量的預測模型。經(jīng)過優(yōu)化后，最佳澄清工藝參數(shù)為：壓力0.1MPa，流速1.5L/min，溫度37.4℃。此時酒液透光率為87.65%，膜通量為42mL/min，吸光度降低，色澤得到改善，pH、電導率、酒精度以及主要有效成分總皂甙的變化不大。采用中空纖維膜澄清保健酒的工藝條件簡單可行，能耗小，運行成本低，保健酒的澄清度能得到明顯提高，并能避免有效成分的喪失，為保健酒工業(yè)化生產(chǎn)提供有益參考。

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Optimization of clarification technology of healthy wine through hollow fiber membrane by response surface methodology

XIONG Pu，XIAO Kai-jun*
（College of Light Industry and Food Sciences，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

TS262.91

B

1002-0306（2010）10-0251-04

2009-11-05 *通訊聯(lián)系人

熊璞（1987-），男，碩士生，研究方向：天然產(chǎn)物分離和食品工程。

2007國家863計劃重點項目（2007AA100405）；2007年粵港關鍵領域重點突破項目（2007Z1-E6011）。