响应曲面法优化中空纤维膜澄清保健酒工艺的研究

熊 璞，肖凯军

（华南理工大学轻工与食品学院，广东广州510640）

响应曲面法优化中空纤维膜澄清保健酒工艺的研究

熊 璞，肖凯军*

（华南理工大学轻工与食品学院，广东广州510640）

为避免保健酒的后浑浊，提高其澄清度和稳定性，采用膜过滤的方法，对中空纤维膜澄清保健酒的工艺进行了研究。实验选用压力、料液流速和温度为自变量，保健酒透光率和膜通量为响应值，采用Box-Benhnken设计的方法，拟合得到二次多项式回归方程的预测模型，并确定中空纤维膜澄清保健酒的最优条件为：压力0.1MPa，料液流速1.5L/min，温度37.4℃。在此条件下，酒液透光率为87.65%，膜通量为42mL/min，并且色泽得到明显改善，pH、电导率、酒精度以及主要有效成分总皂甙的变化不大。

保健酒，响应曲面法，中空纤维膜，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

保健酒是指具有某种功效成分或生物活性物质的获得卫生部批准的健字号保健食品，适用于处于亚健康、免疫力低下、内分泌失调、长期处于疲劳工作状态等人群饮用，每年以30%以上的发展速度平稳增长［1］。本实验所用保健酒是由西洋参等原料酿成，主要有效成分是总皂甙。皂甙是甙元与糖分子缩合而成的一类低聚糖甙，在自然界分布很广，具有抗疲劳、抑制肿瘤细胞、增强机体细胞免疫等功能［2-3］。无效成分主要有鞣质、树脂、果胶、纤维素等，不仅影响酒的浸提效果，还会影响酒的色泽、澄清度、口感、香味和稳定性，大大降低了产品的市场竞争力，它们在各种酒液中呈现颗粒状和大分子状态。常规的过滤机如硅藻土过滤机、微孔膜精滤机，可以将颗粒状的物质除去，而眼睛看不到的大分子状态的物质则难以除去，因此在货架期会发生沉淀。目前，对保健酒进行澄清处理主要有两种方法：一种是冷冻法，另一种是吸附法。但是冷冻法存在设备投入大、时间长、能耗大和沉淀不完全等问题；吸附法存在风味成分损失、操作复杂、成本高等问题。膜技术在药酒生产中的应用已有报道［4-5］，其原理是利用纳米孔径不同，选择性去除引起沉淀的大分子物质，而尽可能保留有效成分，可在常温低压下使用。但是采用中空纤维膜澄清保健酒的应用研究还较少。故本实验以日日红养生酒为原料，基于超滤机理研究了影响膜通量的主要因素，并通过响应曲面法实验设计探求中空纤维膜澄清保健酒的最佳工艺条件，为膜技术澄清保健酒的工业化生产提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

日日红养生酒 内含西洋参、紫灵芝、大枣、龙眼肉、茯苓、枸杞子、黄精、蜂蜜、高粱酒等成分，广东扶元堂康复服务有限公司；实验所用试剂 均为国产分析纯。

中空纤维膜 截留分子量10万，PVDF，广州洁圣膜科技有限公司；Master Flex77200-60蠕动泵Cole Parmer Instrument Company；Synthesis-A10 超纯水机 Millipore公司；TU-1810型紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司；酒精表三支组 上海医用仪表厂；Seven Easy实验室pH计 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；DDS-307型电导率仪 上海虹益仪器厂。

1.2 中空纤维膜的清洗

先用清水循环冲洗，再以0.2mol/L NaOH与0.05mol/L EDTA混合液清洗30min，后水洗至中性，膜通量恢复到95%以上［6］。

1.3 单因素实验

超滤装置如图1。每次超滤过程中，流出的酒液为原酒液20%时，即补加20%的新鲜酒液。如此反复，加5次料液，剩余部分为原酒液20%时，即停止超滤过程，重新换料液。此实验过程中，浓缩比为1∶10。重点研究超滤时间、压力、进料流速、温度对膜通量的影响规律。

图1 超滤澄清工艺实验流程图

1.4 响应曲面法优化实验［7-8］

在单因素实验基础上，采用Box-Behnken设计方案优化澄清工艺。以压力、料液流速、温度3个因素为自变量，分别用 X1、X2、X3来表示，并以 +1、0、-1分别代表变量的水平，透光率（Y1）和膜通量（Y2）为响应值。实验因素和水平设计见表1。

表1 实验因素与水平

1.5 测定指标与方法

1.5.1 膜通量J 用烧杯接滤过液，同时用秒表计时，用滤过液体积除以相应时间来表示。

1.5.2 pH pH计法，测量三次取平均值。

1.5.3 酒精度 酒精计法（GB/T 15038-94）。

1.5.4 电导率 校正后，用电导率仪测出。

1.5.5 澄清度［9-10］用TU-1810型紫外可见分光光度计，在680nm下用1cm比色皿测定吸光度值，蒸馏水作空白。根据公式，计算透光率（T%）。

1.5.6 色度［11］用TU-1810型紫外可见分光光度计，在520nm下用1cm比色皿测定吸光度值（A值），蒸馏水作空白。

1.5.7 总皂甙 按NY318-1997，人参皂甙与硫酸-香草醛显色，在544nm波长下测吸光度。

2 结果与分析

2.1 单因素实验及分析

2.1.1 超滤时间对膜通量的影响 在料液流速为1.5L/min，温度为30℃，压力为0.1MPa，并且保健酒浓度保持不变的情况下，考察处理时间与膜通量之间的关系。

从图2可以看出，膜通量前期衰减很快，10min后衰减速度下降，至2h这段时间趋于比较稳定的状态，之后随着时间的延长，膜通量继续衰减，在5h后又趋于稳定。这主要是由于保健酒的成分比较复杂，含有多糖、胶质等有机物及硫酸钙等无机盐。超滤前期，杂质在膜上吸附，浓差极化开始出现，膜孔被污染，引起膜通量迅速下降，之后趋于稳定；2h后，浓差极化现象越来越严重，膜面上溶质浓度越来越大，形成凝胶层越来越厚，过滤通道变得更加细小，能通过膜孔的物质分子质量越来越小，膜通量继续下降并达到最低值。故本研究在后续实验中，10min后开始检测数据，每运行2h后采用方法1.2进行膜清洗，清洗后膜通量恢复至95%以上。

图2 时间对膜通量的影响

2.1.2 压力对膜通量的影响 在料液流速为1.5L/min，温度为30℃，且保健酒浓度保持不变的情况下，考察压力与膜通量之间的关系。

从图3可以看出，当压力小于0.08MPa时，通量随着压力的增大呈线性升高；之后，随着压力的增大，通量升高的速度较为平缓；当压力达到0.1MPa时，通量达到最大，之后有减小趋势；透光率的变化则很小。这主要是因为操作压力较小时，经过膜表面的溶质量较少，对膜污染较小，膜通量与压力呈线性关系，但当压力达到某一临界值时，膜面凝胶层逐渐形成并增厚，使膜通量增长幅度明显减小，并且有减小趋势。

2.1.3 料液流速对膜通量的影响 在固定温度为30℃，压力为0.08MPa，且保健酒浓度保持不变的情况下，考察料液流速与膜通量之间的关系。

图3 压力对膜通量的影响

从图4可看出，增加料液的流速，有利于提高膜通量。这是因为料液流速的增加，加快了大分子物质离开膜面的速度，减轻了浓差极化现象带来的不利影响，使膜通量增加［12］。当料液流速增加到某一值时，膜通量基本不再上升。

图4 流速对膜通量的影响

2.1.4 温度对膜通量的影响 在料液流速为1.5L/min，压力为0.08MPa，且保健酒浓度保持不变的情况下，考察温度与膜通量之间的关系。

从图5可知，在温度低于40℃时，膜通量随温度的升高而迅速升高，之后趋于平衡，透光率则随着温度升高有下降的趋势。理论上温度越高越有利于超滤，但是由于受膜材料对温度的承受能力、物料的热敏性以及能源消耗等因素的限制，实验应选在适宜的温度范围进行。综合考虑，本实验选择35～45℃为响应面的水平范围。

图5 温度对膜通量的影响

2.2 响应面实验结果与分析

实验采用Box-Behnken设计方案及进行澄清效果分析，结果见表2。

2.2.1 模型的建立与显著性检验 利用SAS9.2软件，通过表2中实验数据进行多元回归拟合，分别获得保健酒透光率和膜通量对压力、流速、温度的二次多项回归方程式（1）和式（2）：

表2 Box-Behnken设计方案及实验结果

对透光率方差分析（表3）结果表明，所建立的二次多项回归模型是极显著的（“Pr＞F值”＜0.01），失拟项在 P=0.05水平上不显著，其模型的 R2=0.9706，即回归方程中所有自变量的变化可以解释97.06%的因变量变化，说明该模型与实验值拟合较好，可用于膜澄清工艺的理论预测。回归方程各项方差分析结果还表明，方程中的一次项和二次项的影响都是极显著的，因此各个具体实验因子与响应值都不是简单的线性关系。同样，对膜通量的方差分析（表4）结果表明，所建立的回归模型是显著的，R2=0.9232，各个具体实验因子与响应值也不是简单的线性关系。

表3 透光率的回归各项方差分析

表4 膜通量的回归各项方差分析

2.2.2 响应曲面分析与优化 由曲面图6、图7可以看出，在选定区域内，各因素对酒液透光率的影响顺序为：温度＞压力＞流速；对膜通量的影响顺序为：压力＞温度＞流速。为进一步确定最优点，通过软件分析，当响应值Y1有最大值时，可求得各因素的水平：X1=0.0162，X2=-0.07505，X3=-0.517。转化后得到最佳工艺条件：压力为0.100324MPa，流速为1.477485L/min，温度为37.415℃。在此条件下，酒液透光率的理论值为87.52%，膜通量为42.04mL/min。

表5 酒液超滤原液与透过液测试数据

图6 透光率响应曲面

图7 膜通量响应曲面

2.3 验证实验及检测结果

采用优化后的最佳工艺参数进行验证实验，同时考虑到实际操作的情况，将条件修正为：压力0.1MPa，流速1.5L/min，温度37.4℃。在此条件下，重复3次实验，结果表明，实际测得酒液透光率为87.65%，膜通量为42mL/min，说明拟合结果是可信的。对原液和透过液进行分析，其分析检测结果见表5。

保健酒在超滤前液体较浑浊并且透光性差，经过中空纤维膜处理后，透过液清澈透明，呈红褐色，风味口感佳。酒中的悬浮杂质全部除去，澄清效果非常明显。在常温下放置3个月后，酒液稳定，透过液未出现浑浊。从表5的检测结果也可以看出，超滤后的酒体透光率明显上升，吸光度降低，色泽得到明显改善，pH、电导率、酒精度以及主要有效成分总皂甙变化不大。这说明中空纤维膜处理保健酒是一种理想的澄清方式，澄清效果显著。

3 结论

随着超滤时间延长，膜污染增加，膜通量会降低，采用定时清洗的方法，膜通量恢复至95%以上。

在单因素的基础上，采用响应曲面法实验设计建立了主要因素对保健酒透光率和膜通量的预测模型。经过优化后，最佳澄清工艺参数为：压力0.1MPa，流速1.5L/min，温度37.4℃。此时酒液透光率为87.65%，膜通量为42mL/min，吸光度降低，色泽得到改善，pH、电导率、酒精度以及主要有效成分总皂甙的变化不大。采用中空纤维膜澄清保健酒的工艺条件简单可行，能耗小，运行成本低，保健酒的澄清度能得到明显提高，并能避免有效成分的丧失，为保健酒工业化生产提供有益参考。

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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 *通讯联系人

熊璞（1987-），男，硕士生，研究方向：天然产物分离和食品工程。

2007国家863计划重点项目（2007AA100405）；2007年粤港关键领域重点突破项目（2007Z1-E6011）。