(浙江工業(yè)大學 食品科學與工程學院，浙江 杭州 310014)

葡萄汁不僅具有葡萄風味，而且很好地保留了葡萄中所富含的營養(yǎng)成分、微量元素和礦物質等，深受人們喜愛。葡萄中的酚類物質有很強的抗氧化能力，并具有預防高血壓、抗血栓、抗胃潰瘍、抗炎和抗腫瘤等功能[1-2]。同時，酚類物質也會影響葡萄汁的風味和色澤[3-4]。目前，濃縮葡萄汁主要采用蒸發(fā)濃縮等熱加工技術，容易造成其中有效成分的損失和產品風味色澤的差異。膜分離技術是20 世紀中葉發(fā)展起來的一種高新綠色節(jié)能技術，具有效率高、適用性廣、操作條件溫和、過程無相變以及無需添加化學試劑等優(yōu)點，已被逐漸應用于果蔬汁的生產加工[5-6]。納濾膜技術也在花青素等果蔬的活性成分分離與富集方面取得了不錯的效果[7-11]。但是，目前針對采用超濾+納濾多級膜技術濃縮多酚富集葡萄汁的工藝研究還并不多見。同時，膜分離過程中造成的膜污染問題是阻礙該技術推廣應用的關鍵問題，會導致膜通量下降、生產效率降低以及關鍵成分的損失等。因此，明確關鍵物質在膜過程中的膜污染機制對膜法濃縮果蔬汁技術的進一步應用極為重要。部分研究表明，酚類物質對膜過程中膜污染的形成較為關鍵。該類物質會在分離膜上形成不同程度的吸附或積聚造成膜孔堵塞，從而造成膜污染的加劇和酚類物質的減少[12-13]。目前，Resistance-in-series(RIS)模型能夠較好地揭示物質在膜過程中的膜污染機制[14]。因此，明確膜過程中酚類物質的膜污染特征，能夠為有效控制膜污染和酚類物質的損失提供理論基礎。

筆者通過比較膜通量和總酚截留率確定濃縮過程中的最佳操作條件，同時對比不同膜組合工藝中總糖和總酚濃度的差異以及關鍵酚類物質膜污染機制。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅提購買于當?shù)厥袌?；膜購買于中科瑞陽膜技術有限公司，具體參數(shù)見表1；Folin酚試劑(美國Sigma公司)；無水Na2CO3(太倉美達試劑有限公司)；NaOH(天津博迪化工股份有限公司)；乙醇(阿拉丁試劑有限公司)；濃硫酸(天津博迪化工股份有限公司)；乙腈、甲醇(色譜純)(阿拉丁試劑有限公司)；沒食子酸、原兒茶酸、兒茶素、白藜蘆醇、水楊酸、香豆酸、阿魏酸等酚類標準品(南京澤朗醫(yī)藥有限公司)；其他有機溶劑均為國產分析純。

表1 膜特性參數(shù)Table 1 Characterics of membranes

1.2 儀器與設備

AY-120/BL-220H型電子天平(日本Shimadzu公司)，電熱恒溫鼓風干燥箱DHG-9140A型(上海一恒科技有限公司)，HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋(江蘇國華電器有限公司)，三聯(lián)高壓平板膜小試設備(廈門福美科技有限公司)，TDZ5-WS低速多管架自動平衡離心機(南京易普易達科技發(fā)展有限公司)，EPED-E2-10TH型實驗室級超純水器(上海愛朗儀器有限公司)，EYELA旋轉蒸發(fā)儀(鄭州長城科工貿有限公司)，SHB-III型循環(huán)水式真空泵(上海司樂儀器有限公司)，ALPHA2-4LD plus型真空冷凍干燥機(德國Christ公司)，UV-2450型紫外-可見分光光度計(日本島津公司)，DELTA 320 pH計(梅特勒-托利多儀器有限公司)。

1.3 實驗方法

1.3.1 葡萄汁原料制備

澄清葡萄汁的制備：1) 清洗干凈葡萄，連皮核一起放入榨汁機中榨汁，用小鋼絲網(wǎng)過濾除去果核果皮等碎渣；2) 采用90 mm(GB/T 1914)直徑的濾紙，用布氏漏斗進行抽濾；3) 用冷凍離心機對抽濾后的葡萄汁進行離心，進一步除去果渣，取上清液，離心條件：溫度4 ℃，轉速4 000 r/min，時間10 min，得到澄清汁存放于4 ℃冰箱備用。

1.3.2 實驗裝置

濃縮實驗裝置如圖1所示。膜用去離子水沖洗后浸泡30 min，測定膜的純水通量J0。實驗結束后，用去離子水沖洗設備和管路2 h，再用體積分數(shù)為0.5%的NaOH溶液清洗0.5 h，除去管路中的污染。

1—進料罐；2—泵；3,9—閥門；4—調頻器；5,8—壓力表；6—膜組件；7—收集罐。圖1 實驗裝置流程圖Fig.1 Experimental flow chart

1.3.3 葡萄汁主要成分測定

總酚采用Folin-Ciocalteu法測定[15-16]；總糖采用苯酚-硫酸法測定[17]；蛋白質采用考馬斯亮藍G-250測定[18]；總酸采用酸堿滴定法測定，參照GB/T 12456—2008《食品中總酸的測定》[19]，本文中酸的換算系數(shù)以酒石酸計，為8.1；抗氧化性采用ABTS法測定[20]，抗氧化性以水溶性維生素E(trolox)濃度表示；總可溶性固形物(TSS)和pH值分別使用折光儀和pH計測定。

1.3.4 膜通量及總酚截留率

膜通量及截留率的公式計算[21]為

(1)

(2)

式中：Jp為滲透物通量，L/(m2·h)；Vp為滲透物體積，L；t為時間，h；A為膜表面積，m2；R為截留率；C1為透過液中酚的質量濃度，mg/mL；C2為截留液中酚的質量濃度，mg/mL。

1.3.5 超濾納濾組合工藝的優(yōu)化

室溫條件下，設定操作壓力為1 MPa，流速為1 m/s，溶液為不稀釋的葡萄汁，通過膜分離系統(tǒng)過濾葡萄汁，每30 min取一次樣，通過式(1，2)計算膜通量和總酚的截留率，研究膜分離過程時間的影響。

室溫條件下，設定操作時間為1 h，流速為1 m/s，溶液為不稀釋的葡萄汁，操作壓力分別為0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5 MPa。通過膜分離系統(tǒng)過濾葡萄汁，每次循環(huán)結束后取樣，研究壓力對膜通量及總酚截留率的影響。

室溫條件下，設定操作時間為1 h，壓力1 MPa，溶液為不稀釋的葡萄汁，流速分別為0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5 m/s，通過膜分離系統(tǒng)過濾葡萄汁，每次循環(huán)結束后取樣，研究流速對膜通量及總酚截留率的影響。

通過分析超濾+納濾工藝各級產物的總酚和總糖含量，確定最佳操作工藝為，工藝組合參數(shù)見表2。

表2 膜組成工藝參數(shù)表Table 2 Parameters of integrated membrane processes

1.3.6 葡萄汁中主要酚類物質的HPLC法測定

采用高效液相色譜儀Waters e2695。色譜柱為Agilent C18柱(250 mm×4.6 mm，5 μm)，柱溫25 ℃，流速1.0 mL/min，進樣體積10.0 μL，檢測器為紫外檢測器Waters 2998，檢測波長280 nm。流動相為乙腈(A)，0.1%乙酸溶液(B)；梯度洗脫程序：0～30 min，A為10%～35%，B為90%～65%；30～40 min，A為35%，B為65%；40～42 min，A為35%～10%，B為65%～90%；42～45 min，A為10%，B為90%。

1.3.7 酚類物質膜阻力分析

將沒食子酸、原兒茶酸、兒茶素、白藜蘆醇、水楊酸、香豆酸、阿魏酸等7 種不同的酚類物質分別配制成1 g/L的水溶液。通過超濾納濾系統(tǒng)循環(huán)濃縮，對比不同酚類物質在過程中的膜污染情況?；贒arcy’s law和resistance-in-series模型[22-24]，計算不同膜污染阻力，即

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：J為膜分離過程的膜通量，L/(m2·h)；ΔP為膜兩側的壓力差，MPa；μ為溶液黏度，MPa·h；RT為膜總阻力，m-1；Rm為清潔膜的固有阻力，m-1；Rr為可逆污染阻力；Ri為不可逆污染阻力；μ0為純水黏度，MPa·h；J0為新膜的純水通量，L/(m2·h)；J1為用去離子水清洗污染后膜的純水通量，L/(m2·h)。

2 結果與分析

2.1 操作因素對膜通量的影響

由圖2(a)可知：膜法濃縮葡萄汁過程中，孔徑大的膜初始膜通量高，隨著過程的進行，各種膜的膜通量均在60 min內急劇下降，在120～140 min時趨于穩(wěn)定。初始通量急劇下降的主要原因是溶質吸附和膜孔堆積[25]，由于濾餅層的加厚加密，后階段膜通量繼續(xù)下降。此外，孔徑較小的膜的通量趨于穩(wěn)定的過程更快，原因可能是孔徑小的膜能在單位時間內截留更多溶質，形成濾餅層/凝膠層的時間較短。壓力是影響膜通量的重要因素之一。如圖2(b)所示：壓力從0.5 MPa增加至5 MPa，5 000，3 000，1 000，300，150 Da的膜通量分別增加了140，120，119，85 ，79 L/(m2·h)。隨著壓力增大，系統(tǒng)內的驅動力大大增加，膜通量上升；但是，隨著壓力繼續(xù)升高膜通量變化趨勢逐漸平緩，這是由于膜固有阻力的存在以及濾餅層阻力的增加[26-27]。如圖2(c)所示，隨著系統(tǒng)流速的增加，膜通量隨之升高，在4 m/s時趨于穩(wěn)定。此時，5 000，3 000，1 000，300，150 Da的膜通量分別達到了231，215，183，113 ，80 L/(m2·h)。因為較高的流速增加了膜表面溶液的剪切力，減緩了濾餅層/凝膠層的形成，并減弱了濃差極化，使溶液(大部分是水分)的透過量增大[28]。由圖2(c)可見：當流速達到一定值時，繼續(xù)增大流速對膜通量的變化影響較小。所以在工業(yè)生產時，并不能以單獨增加系統(tǒng)的流速來提高膜通量。

圖2 操作因素對膜通量的影響Fig.2 Effects of operating factors on membrane flux

2.2 操作因素對總酚截留率的影響

如圖3所示，總酚截留率隨時間的增加而增大，并以150 Da膜的截留率最高。孔徑較小的膜的總酚截留率更高，并能更快地趨于穩(wěn)定。溶液中的溶質更易造成孔徑較大的膜形成膜污染，孔徑變化較大，因此截留率的變化也會更大[29]。總酚截留率隨著壓力的增加先下降后上升，相同壓力下幾種膜的總酚截留率有所差異，當壓力達到5 MPa時各膜的總酚截留率最高，這是因為當壓力過小時，系統(tǒng)的驅動力不足，溶質及顆粒會快速地沉積在膜表面，堵塞膜孔，酚類物質沒有足夠的驅動力很難透過膜，此時的總酚截留率高；當壓力稍稍增大后，酚類物質透過膜的量變多，此時總酚的截留率有所下降；當施加在膜上的驅動力壓力繼續(xù)增大時，膜會被壓力壓實，高壓導致濾餅層密度變大，有效驅動力大大降低，總酚的截留率升高[30]，并且隨著膜兩側壓力的增大，膜兩側溶液濃度也會相差較大，構成濃差極化現(xiàn)象，形成反向滲透壓，同時水分大量的滲透使得濃縮液濃度快速上升，溶液黏度上升導致膜阻力增加，總酚的截留率越來越高并逐漸趨于穩(wěn)定。許多研究也表明，在一定操作壓力范圍內，提高操作壓力可以提高納濾膜的膜通量，但當升至一定壓力時膜通量便趨于穩(wěn)定[31]?？偡咏亓袈孰S流速的增大呈下降趨勢。流速從1 m/s增加至5 m/s，由于流體剪切力的增大，致使膜污染程度減小和滲透通量增大，透過的酚類物質將增加，因此不同孔徑的膜的總酚截留率均表現(xiàn)出下降的趨勢。

圖3 操作因素對總酚截留率的影響Fig.3 Effect of operating factors on total phenols retention

2.3 超濾納濾組合最佳工藝優(yōu)化

由表3可知：6 條組合工藝超濾濃縮液Ⅰ的總糖質量濃度分別為43.84，45.11，65.73，66.45，74.15， 78.04 mg/mL，總酚的質量濃度分別為1.17，1.23，1.31，1.28，1.53，1.51 mg/mL。由此可見，相比1 000 Da和3 000 Da的超濾膜，5 000 Da的超濾膜對多糖的截留效果差異不大，但能更多地將多酚類物質透過。同時，多酚更多地集中在納濾濃縮液Ⅱ，6 條工藝的納濾濃縮液Ⅱ總酚質量濃度分別為2.07，3.75，1.83，3.21，1.63，2.90 mg/mL。150 Da和300 Da的納濾濃縮液Ⅱ中的總酚質量濃度差異明顯。150 Da的納濾膜比300 Da的納濾膜能更有效地截留酚類化合物。因此，工藝2(5 000 Da超濾膜+150 Da納濾膜)能將總糖集中在超濾截留液中，同時能得到最大濃度的多酚富集液。本工藝既可得到高濃度的多酚富集型葡萄汁，也能獲得可作為副產品的高濃度多糖富集液。同時，通過2.1和2.2的分析，超濾的最佳條件為壓力1 MPa、流速5 m/s、時間2 h；納濾的最佳條件為壓力5 MPa、流速5 m/s、時間2 h。

表3 超濾和納濾集成工藝對比Table 3 Comparison of integrated ultrafiltration and nanofiltration technologies 單位：mg/mL

2.4 葡萄汁濃縮前后關鍵成分的差異

最佳工藝濃縮前后的關鍵成分的差異結果如表4所示。澄清葡萄汁在經過集成工藝濃縮后得到了超濾濃縮液Ⅰ和納濾濃縮液Ⅱ。與原汁相比，濃縮液Ⅰ中的總糖、蛋白質和溶性固形物含量提升明顯，表明超濾過程不僅截留了許多大分子多糖物質以及蛋白質，還截留了許多溶液中的大顆粒和溶質。濃縮液Ⅱ中總糖、總酚、蛋白質、總抗氧化性和可溶性固形物的濃度分別提升了102.1%，228.9%，49.7%，119.2%，60.8%?？偺菨舛忍嵘槐?，總酚濃度提升了兩倍多，總抗氧化能力在經納濾濃縮后也有了較大程度的提高。

表4 葡萄汁濃縮前后關鍵成分Table 4 Key components of grape juice before and after concentration

2.5 酚類物質模擬溶液的膜污染機制

不同酚類物質的膜污染情況如圖4所示。由圖4(a)可知：7 種酚類物質中以兒茶素造成的不可逆膜阻力Ri最高，為26 nm-1，占膜總阻力的9.12%。說明兒茶素易被膜吸附或堵塞膜孔徑，造成不可逆污染的程度較大。而沒食子酸和兒茶素在超濾過程中造成的可逆膜污染阻力最高，分別為109 nm-1和111 nm-1，分別占膜總阻力的40.30%和39.49%。圖4(b)顯示：納濾過程中由于納濾膜孔徑較小，不易造成膜孔中的堆積和堵塞，不可逆膜阻力Ri的占比較低，約占總阻力的1%～6%。7 種酚類物質中以香豆酸造成的不可逆阻力最高，為72 nm-1。沒食子酸造成的不可逆阻力最低，為18 nm-1。兒茶素和沒食子酸造成的可逆阻力最高，分別為467 nm-1和441 nm-1。說明這兩種酚類物質較容易吸附在膜表面。原因是不同酚類物質存在分子結構差異，導致膜表面對其吸附能力不同，從而造成膜分離過程中的膜污染程度的差異。

圖4 不同酚類物質膜污染阻力的差異Fig.4 Fouling mechanisms of different phenols

3 結 論

探明了時間、壓力、流速等條件對葡萄汁膜法濃縮過程中膜通量和總酚截留率的影響，并分析了濃縮前后葡萄汁中主要成分的差異和不同酚類物質的膜污染機制。具體結論如下：多酚富集葡萄汁的最佳膜濃縮工藝為5 000 Da超濾膜+150 Da納濾膜，超濾的最佳條件為壓力1 MPa、流速5 m/s和時間2 h；納濾的最佳條件為壓力5 MPa、流速5 m/s和時間2 h。濃縮后的總糖和總酚質量濃度分別提高了102.1%和228.9%?？偡咏亓袈孰S時間和壓力的增加而上升，隨著流速的增加而下降。納濾濃縮過程中Rm是主要阻力，占60%～70%左右。由于分子結構的差異，7 種酚類物質以香豆酸造成的不可逆污染阻力最高，以兒茶素和沒食子酸造成的可逆污染阻力最高。