魏詩瑤　郝丹

摘 要：文章主要針對(duì)果汁加工過程中使用的各種膜分離技術(shù)（超濾、納濾、反滲透、電滲析、膜蒸餾等）及其性能進(jìn)行分析討論，在果汁加工中膜分離技術(shù)可用于果汁澄清、濃縮、脫氣、脫酸、脫苦、脫色等過程。

關(guān)鍵詞：膜分離；果汁加工；反滲透；超濾

前言

膜分離技術(shù)是建立在材料化學(xué)和高分子化學(xué)的迅猛發(fā)展的基礎(chǔ)上，模擬生物體系中膜結(jié)構(gòu)的選擇透過性以及對(duì)膜材料進(jìn)行物理結(jié)構(gòu)和表面親和性進(jìn)行改良，在濃度差或壓差的推動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)體系中不同組分有效分離的新型化工分離技術(shù)（區(qū)別于傳統(tǒng)精餾）。膜分離技術(shù)主要包括反滲透、電滲析、超濾及納濾等，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)廣泛運(yùn)用于海水及苦咸水淡化、食品加工、高純水制備、中藥有效成分的提取及紡織印染業(yè)廢水處理等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)環(huán)境效益的雙贏。

傳統(tǒng)的果汁加工業(yè)在原果蔬汁預(yù)處理后，為提高出汁率，在必要的分離純化基礎(chǔ)上，往往還需要經(jīng)過復(fù)雜的加熱、酶處理與冷凍濃縮等過程，果汁中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)散失嚴(yán)重，同時(shí)也增大了加工工藝中的能耗從而降低了產(chǎn)品的附加產(chǎn)值。采用膜分離技術(shù)對(duì)原果蔬汁中損害果汁營(yíng)養(yǎng)的生物酶及細(xì)菌等雜質(zhì)進(jìn)行分離具有常溫操作、選擇性好、無相變過程和無生物污染等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)大大降低了工藝能耗，是果汁加工領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。下面詳細(xì)介紹膜分離技術(shù)在果汁加工中的應(yīng)用。

1 各種膜的分離技術(shù)

膜分離技術(shù)包括：微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、反滲透（RO）、電滲析（EO）、膜蒸餾（MD）等。

各種膜分離技術(shù)在傳遞機(jī)制、膜材料組成、截留分子量及推動(dòng)力等多方面均有差異，適應(yīng)于不同體系組分的分離。膜分離性能由滲透通量（主要是水）、截留率、孔道特征和完整性實(shí)驗(yàn)表征，影響因素包括膜材料特性（最核心因素，涉及膜兩側(cè)親水疏水性、孔徑大小及分布）、待分離體系的性質(zhì)（濃度，PH值等）、操作條件（膜兩側(cè)壓差、溫度、流速等）。

2 膜分離技術(shù)在果汁加工中的應(yīng)用

果汁的加工過程主要包括四大部分：果汁澄清、果汁濃縮、果汁脫氣，果汁脫酸脫色脫苦，是各種膜分離技術(shù)集成的結(jié)果。

2.1 果汁澄清

經(jīng)粉碎粗濾處理得到的原果蔬汁是一個(gè)組分復(fù)雜的多相體系，含有果膠（分子量約為5萬-30萬）、淀粉、維生素等大分子，溶解的離子及細(xì)菌等。由于果膠的存在使果汁整體粘度增大，不利于壓榨時(shí)出汁率的提高，實(shí)際加工時(shí)往往可以采取多種方式除去，包括自然沉降澄清、加熱凝聚澄清、酶處理法澄清等。酶處理法主要加入果膠酶，將果肉內(nèi)的果膠分解為半乳糖醛酸從而達(dá)到分離純化的效果，極大地保留果汁中的氨基酸、維生素和礦物質(zhì)。考慮到初級(jí)果汁中各項(xiàng)組分及果膠粒徑范圍，可以采用一定截留量的超濾膜輔助酶處理法進(jìn)行果汁的澄清操作。即先使用少量果膠酶除去一部分果膠，再用超濾膜分離殘余果膠，這樣不僅節(jié)約了酶用量，增大了超濾操作時(shí)的膜通量，減少膜孔堵塞等問題，而且在不加熱的條件下除去了果汁中的大多數(shù)細(xì)菌。

近年來該法已經(jīng)在實(shí)際果汁加工研究中取得了很好的成效，蔡同一等（1997）使用超濾膜進(jìn)行草莓汁處理，芳香酸與醇得到很好保留，澄清度達(dá)到97.8%以上；師俊玲（1999）采用聚砜材料超濾膜處理獼猴桃汁，VC保留值達(dá)到97.36%。

2.2 果汁濃縮

實(shí)際生產(chǎn)工藝上為提高果汁中含糖量與酸度，保證不同采摘日期下果汁質(zhì)量風(fēng)味的均一化，同時(shí)為了節(jié)約果汁包裝及運(yùn)輸費(fèi)用，往往對(duì)果汁進(jìn)行濃縮處理。傳統(tǒng)工藝為多級(jí)真空蒸發(fā)濃縮或冷凍濃縮，熱量變化不僅會(huì)使果汁中營(yíng)養(yǎng)成分流失，同時(shí)降低芳香物質(zhì)含量，改變果汁色澤風(fēng)味。相比之下，采用膜分離技術(shù)進(jìn)行果汁濃縮可在常溫下操作，減小能耗的同時(shí)避免有效成分揮發(fā)，保證產(chǎn)品質(zhì)量，可用于果汁濃縮過程的膜分離技術(shù)有反滲透、納濾和膜蒸餾。

研究顯示使用反滲透膜進(jìn)行果汁濃縮所需能量約為蒸發(fā)濃縮的1/7，冷凍濃縮的1/2。盡管反滲透能夠選擇性透過水分子，除去其他可溶物，分離效果極佳，然而隨著反滲透濃縮過程進(jìn)行，料液側(cè)的滲透壓隨濃度增大而逐步增大，所需操作壓力相應(yīng)增大，對(duì)分離設(shè)備的抗壓能力要求也提高。因而在實(shí)際生產(chǎn)中往往采用反滲透與納濾結(jié)合的方式進(jìn)行濃縮，即先通過反滲透預(yù)濃縮一部分果汁，在料液滲透壓達(dá)到一定程度后改用納濾膜（孔徑很?。┎僮?，截留其他溶質(zhì)、鹽和糖等。例如在葡萄汁的濃縮加工處理時(shí)，由于蘋果酸等對(duì)制得的葡萄酒質(zhì)量影響很大，可以通過反滲透除去大部分溶解雜質(zhì)，再通過納濾調(diào)節(jié)組分含量。

果汁濃縮過程也可通過滲透蒸餾（膜蒸餾特殊操作形式）完成，滲透蒸餾的遷移機(jī)理如下：

采用微孔疏水膜進(jìn)行處理，膜兩側(cè)分別為待濃縮的料液和濃鹽水，可揮發(fā)組分經(jīng)加熱汽化，通過擴(kuò)散或?qū)α鞣绞皆谀蓚?cè)遷移，實(shí)現(xiàn)物料的濃縮。據(jù)報(bào)道，采用滲透蒸餾法進(jìn)行果汁（蘋果汁、葡萄汁等）濃縮，果汁中可溶性固形物含量高達(dá)60%以上。此外，滲透蒸餾法排除了反滲透濃縮時(shí)料液滲透壓變化帶來的操作壓差問題，同時(shí)在高倍濃縮時(shí)，對(duì)果汁中某些有效組分（糖、有機(jī)酸等）的截留率可達(dá)100%。

2.3 果汁脫氣

果肉細(xì)胞呼吸作用的進(jìn)行使細(xì)胞間隙中存留氧氣、二氧化碳等氣體，加工過程中容易將果汁中維生素、芳香劑、色素等物質(zhì)氧化，影響果汁風(fēng)味和外觀，同時(shí)造成顆粒物懸浮，因此脫除這部分氣體。采用的有效脫除方式是水相脫氣法（膜蒸餾特殊形式），依據(jù)氣體在水中溶解度與其表面分壓成正比這一原理，逐漸降低氧氣分壓，從而使溶氧逸出。操作時(shí)將微孔膜一側(cè)與果汁接觸，另一側(cè)抽真空，調(diào)節(jié)孔徑可實(shí)現(xiàn)氧氣的選擇性脫除。

2.4 果汁脫酸脫色脫苦

原果蔬汁經(jīng)前幾步加工處理后，仍殘留少量有機(jī)酸、苦味物質(zhì)和色素等，往往會(huì)破壞果汁飲用時(shí)的風(fēng)味，降低產(chǎn)品質(zhì)量。

果汁脫酸：據(jù)劉茉娥等人介紹利用電滲析膜（兩側(cè)均用陰膜， 酸根一側(cè)滲出，另側(cè)滲入OH-與H+中和），可以有效脫除果汁中的有機(jī)酸，降低果汁酸度，提高產(chǎn)品質(zhì)量和口感。

果汁脫色：果汁不僅可以使用各種合成樹脂進(jìn)行脫色處理，還可以采用超濾技術(shù)進(jìn)行處理。Borneman等人用聚酯醚砜（PES）/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）復(fù)合膜超濾技術(shù)脫除蘋果汁中31%的色素，另有報(bào)道稱截留分子量為20～50KDa的超濾膜對(duì)紅霉果漿廢水中的花青素的回收率達(dá)80。

果汁脫苦：柑橘類果汁柚皮苷、類檸檬苦素等的存在，極大地影響破壞了產(chǎn)品的品質(zhì)和商業(yè)價(jià)值。目前可采取吸附、超臨界CO2脫苦等方式，此外，超濾技術(shù)能有效降低果汁中苦味物質(zhì)含量。例如，Hernandez等人研究了利用超濾和樹脂吸附的聯(lián)合過程對(duì)葡萄柚汁進(jìn)行脫苦，柚皮苷、類檸檬苦素幾乎完全脫除，分離效果極高，但由于膜性能不夠穩(wěn)定，還沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)使用。

3 結(jié)束語

膜分離技術(shù)有其各自的優(yōu)點(diǎn)、應(yīng)用范圍和一定的局限性，在果汁加工過程的各個(gè)階段均發(fā)揮了非常重要的作用。不僅極大地提高了產(chǎn)品質(zhì)量，而且簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，降低能耗，我們也很容易發(fā)現(xiàn)多種膜分離技術(shù)聯(lián)用可以克服許多單一膜分離無法解決的障礙，集成膜分離技術(shù)的發(fā)展前進(jìn)廣闊，此外性能更為優(yōu)良的膜材料制備也是我們今后必須思考和解決的大問題。

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