葡萄汁膜浓缩工艺及其酚类物质膜污染特征

(浙江工业大学 食品科学与工程学院，浙江 杭州 310014)

葡萄汁不仅具有葡萄风味，而且很好地保留了葡萄中所富含的营养成分、微量元素和矿物质等，深受人们喜爱。葡萄中的酚类物质有很强的抗氧化能力，并具有预防高血压、抗血栓、抗胃溃疡、抗炎和抗肿瘤等功能[1-2]。同时，酚类物质也会影响葡萄汁的风味和色泽[3-4]。目前，浓缩葡萄汁主要采用蒸发浓缩等热加工技术，容易造成其中有效成分的损失和产品风味色泽的差异。膜分离技术是20 世纪中叶发展起来的一种高新绿色节能技术，具有效率高、适用性广、操作条件温和、过程无相变以及无需添加化学试剂等优点，已被逐渐应用于果蔬汁的生产加工[5-6]。纳滤膜技术也在花青素等果蔬的活性成分分离与富集方面取得了不错的效果[7-11]。但是，目前针对采用超滤+纳滤多级膜技术浓缩多酚富集葡萄汁的工艺研究还并不多见。同时，膜分离过程中造成的膜污染问题是阻碍该技术推广应用的关键问题，会导致膜通量下降、生产效率降低以及关键成分的损失等。因此，明确关键物质在膜过程中的膜污染机制对膜法浓缩果蔬汁技术的进一步应用极为重要。部分研究表明，酚类物质对膜过程中膜污染的形成较为关键。该类物质会在分离膜上形成不同程度的吸附或积聚造成膜孔堵塞，从而造成膜污染的加剧和酚类物质的减少[12-13]。目前，Resistance-in-series(RIS)模型能够较好地揭示物质在膜过程中的膜污染机制[14]。因此，明确膜过程中酚类物质的膜污染特征，能够为有效控制膜污染和酚类物质的损失提供理论基础。

笔者通过比较膜通量和总酚截留率确定浓缩过程中的最佳操作条件，同时对比不同膜组合工艺中总糖和总酚浓度的差异以及关键酚类物质膜污染机制。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

红提购买于当地市场；膜购买于中科瑞阳膜技术有限公司，具体参数见表1；Folin酚试剂(美国Sigma公司)；无水Na2CO3(太仓美达试剂有限公司)；NaOH(天津博迪化工股份有限公司)；乙醇(阿拉丁试剂有限公司)；浓硫酸(天津博迪化工股份有限公司)；乙腈、甲醇(色谱纯)(阿拉丁试剂有限公司)；没食子酸、原儿茶酸、儿茶素、白藜芦醇、水杨酸、香豆酸、阿魏酸等酚类标准品(南京泽朗医药有限公司)；其他有机溶剂均为国产分析纯。

表1 膜特性参数Table 1 Characterics of membranes

1.2 仪器与设备

AY-120/BL-220H型电子天平(日本Shimadzu公司)，电热恒温鼓风干燥箱DHG-9140A型(上海一恒科技有限公司)，HH-6数显恒温水浴锅(江苏国华电器有限公司)，三联高压平板膜小试设备(厦门福美科技有限公司)，TDZ5-WS低速多管架自动平衡离心机(南京易普易达科技发展有限公司)，EPED-E2-10TH型实验室级超纯水器(上海爱朗仪器有限公司)，EYELA旋转蒸发仪(郑州长城科工贸有限公司)，SHB-III型循环水式真空泵(上海司乐仪器有限公司)，ALPHA2-4LD plus型真空冷冻干燥机(德国Christ公司)，UV-2450型紫外-可见分光光度计(日本岛津公司)，DELTA 320 pH计(梅特勒-托利多仪器有限公司)。

1.3 实验方法

1.3.1 葡萄汁原料制备

澄清葡萄汁的制备：1) 清洗干净葡萄，连皮核一起放入榨汁机中榨汁，用小钢丝网过滤除去果核果皮等碎渣；2) 采用90 mm(GB/T 1914)直径的滤纸，用布氏漏斗进行抽滤；3) 用冷冻离心机对抽滤后的葡萄汁进行离心，进一步除去果渣，取上清液，离心条件：温度4 ℃，转速4 000 r/min，时间10 min，得到澄清汁存放于4 ℃冰箱备用。

1.3.2 实验装置

浓缩实验装置如图1所示。膜用去离子水冲洗后浸泡30 min，测定膜的纯水通量J0。实验结束后，用去离子水冲洗设备和管路2 h，再用体积分数为0.5%的NaOH溶液清洗0.5 h，除去管路中的污染。

1—进料罐；2—泵；3,9—阀门；4—调频器；5,8—压力表；6—膜组件；7—收集罐。图1 实验装置流程图Fig.1 Experimental flow chart

1.3.3 葡萄汁主要成分测定

总酚采用Folin-Ciocalteu法测定[15-16]；总糖采用苯酚-硫酸法测定[17]；蛋白质采用考马斯亮蓝G-250测定[18]；总酸采用酸碱滴定法测定，参照GB/T 12456—2008《食品中总酸的测定》[19]，本文中酸的换算系数以酒石酸计，为8.1；抗氧化性采用ABTS法测定[20]，抗氧化性以水溶性维生素E(trolox)浓度表示；总可溶性固形物(TSS)和pH值分别使用折光仪和pH计测定。

1.3.4 膜通量及总酚截留率

膜通量及截留率的公式计算[21]为

(1)

(2)

式中：Jp为渗透物通量，L/(m2·h)；Vp为渗透物体积，L；t为时间，h；A为膜表面积，m2；R为截留率；C1为透过液中酚的质量浓度，mg/mL；C2为截留液中酚的质量浓度，mg/mL。

1.3.5 超滤纳滤组合工艺的优化

室温条件下，设定操作压力为1 MPa，流速为1 m/s，溶液为不稀释的葡萄汁，通过膜分离系统过滤葡萄汁，每30 min取一次样，通过式(1，2)计算膜通量和总酚的截留率，研究膜分离过程时间的影响。

室温条件下，设定操作时间为1 h，流速为1 m/s，溶液为不稀释的葡萄汁，操作压力分别为0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5 MPa。通过膜分离系统过滤葡萄汁，每次循环结束后取样，研究压力对膜通量及总酚截留率的影响。

室温条件下，设定操作时间为1 h，压力1 MPa，溶液为不稀释的葡萄汁，流速分别为0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5 m/s，通过膜分离系统过滤葡萄汁，每次循环结束后取样，研究流速对膜通量及总酚截留率的影响。

通过分析超滤+纳滤工艺各级产物的总酚和总糖含量，确定最佳操作工艺为，工艺组合参数见表2。

表2 膜组成工艺参数表Table 2 Parameters of integrated membrane processes

1.3.6 葡萄汁中主要酚类物质的HPLC法测定

采用高效液相色谱仪Waters e2695。色谱柱为Agilent C18柱(250 mm×4.6 mm，5 μm)，柱温25 ℃，流速1.0 mL/min，进样体积10.0 μL，检测器为紫外检测器Waters 2998，检测波长280 nm。流动相为乙腈(A)，0.1%乙酸溶液(B)；梯度洗脱程序：0～30 min，A为10%～35%，B为90%～65%；30～40 min，A为35%，B为65%；40～42 min，A为35%～10%，B为65%～90%；42～45 min，A为10%，B为90%。

1.3.7 酚类物质膜阻力分析

将没食子酸、原儿茶酸、儿茶素、白藜芦醇、水杨酸、香豆酸、阿魏酸等7 种不同的酚类物质分别配制成1 g/L的水溶液。通过超滤纳滤系统循环浓缩，对比不同酚类物质在过程中的膜污染情况。基于Darcy’s law和resistance-in-series模型[22-24]，计算不同膜污染阻力，即

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：J为膜分离过程的膜通量，L/(m2·h)；ΔP为膜两侧的压力差，MPa；μ为溶液黏度，MPa·h；RT为膜总阻力，m-1；Rm为清洁膜的固有阻力，m-1；Rr为可逆污染阻力；Ri为不可逆污染阻力；μ0为纯水黏度，MPa·h；J0为新膜的纯水通量，L/(m2·h)；J1为用去离子水清洗污染后膜的纯水通量，L/(m2·h)。

2 结果与分析

2.1 操作因素对膜通量的影响

由图2(a)可知：膜法浓缩葡萄汁过程中，孔径大的膜初始膜通量高，随着过程的进行，各种膜的膜通量均在60 min内急剧下降，在120～140 min时趋于稳定。初始通量急剧下降的主要原因是溶质吸附和膜孔堆积[25]，由于滤饼层的加厚加密，后阶段膜通量继续下降。此外，孔径较小的膜的通量趋于稳定的过程更快，原因可能是孔径小的膜能在单位时间内截留更多溶质，形成滤饼层/凝胶层的时间较短。压力是影响膜通量的重要因素之一。如图2(b)所示：压力从0.5 MPa增加至5 MPa，5 000，3 000，1 000，300，150 Da的膜通量分别增加了140，120，119，85 ，79 L/(m2·h)。随着压力增大，系统内的驱动力大大增加，膜通量上升；但是，随着压力继续升高膜通量变化趋势逐渐平缓，这是由于膜固有阻力的存在以及滤饼层阻力的增加[26-27]。如图2(c)所示，随着系统流速的增加，膜通量随之升高，在4 m/s时趋于稳定。此时，5 000，3 000，1 000，300，150 Da的膜通量分别达到了231，215，183，113 ，80 L/(m2·h)。因为较高的流速增加了膜表面溶液的剪切力，减缓了滤饼层/凝胶层的形成，并减弱了浓差极化，使溶液(大部分是水分)的透过量增大[28]。由图2(c)可见：当流速达到一定值时，继续增大流速对膜通量的变化影响较小。所以在工业生产时，并不能以单独增加系统的流速来提高膜通量。

图2 操作因素对膜通量的影响Fig.2 Effects of operating factors on membrane flux

2.2 操作因素对总酚截留率的影响

如图3所示，总酚截留率随时间的增加而增大，并以150 Da膜的截留率最高。孔径较小的膜的总酚截留率更高，并能更快地趋于稳定。溶液中的溶质更易造成孔径较大的膜形成膜污染，孔径变化较大，因此截留率的变化也会更大[29]。总酚截留率随着压力的增加先下降后上升，相同压力下几种膜的总酚截留率有所差异，当压力达到5 MPa时各膜的总酚截留率最高，这是因为当压力过小时，系统的驱动力不足，溶质及颗粒会快速地沉积在膜表面，堵塞膜孔，酚类物质没有足够的驱动力很难透过膜，此时的总酚截留率高；当压力稍稍增大后，酚类物质透过膜的量变多，此时总酚的截留率有所下降；当施加在膜上的驱动力压力继续增大时，膜会被压力压实，高压导致滤饼层密度变大，有效驱动力大大降低，总酚的截留率升高[30]，并且随着膜两侧压力的增大，膜两侧溶液浓度也会相差较大，构成浓差极化现象，形成反向渗透压，同时水分大量的渗透使得浓缩液浓度快速上升，溶液黏度上升导致膜阻力增加，总酚的截留率越来越高并逐渐趋于稳定。许多研究也表明，在一定操作压力范围内，提高操作压力可以提高纳滤膜的膜通量，但当升至一定压力时膜通量便趋于稳定[31]。总酚截留率随流速的增大呈下降趋势。流速从1 m/s增加至5 m/s，由于流体剪切力的增大，致使膜污染程度减小和渗透通量增大，透过的酚类物质将增加，因此不同孔径的膜的总酚截留率均表现出下降的趋势。

图3 操作因素对总酚截留率的影响Fig.3 Effect of operating factors on total phenols retention

2.3 超滤纳滤组合最佳工艺优化

由表3可知：6 条组合工艺超滤浓缩液Ⅰ的总糖质量浓度分别为43.84，45.11，65.73，66.45，74.15， 78.04 mg/mL，总酚的质量浓度分别为1.17，1.23，1.31，1.28，1.53，1.51 mg/mL。由此可见，相比1 000 Da和3 000 Da的超滤膜，5 000 Da的超滤膜对多糖的截留效果差异不大，但能更多地将多酚类物质透过。同时，多酚更多地集中在纳滤浓缩液Ⅱ，6 条工艺的纳滤浓缩液Ⅱ总酚质量浓度分别为2.07，3.75，1.83，3.21，1.63，2.90 mg/mL。150 Da和300 Da的纳滤浓缩液Ⅱ中的总酚质量浓度差异明显。150 Da的纳滤膜比300 Da的纳滤膜能更有效地截留酚类化合物。因此，工艺2(5 000 Da超滤膜+150 Da纳滤膜)能将总糖集中在超滤截留液中，同时能得到最大浓度的多酚富集液。本工艺既可得到高浓度的多酚富集型葡萄汁，也能获得可作为副产品的高浓度多糖富集液。同时，通过2.1和2.2的分析，超滤的最佳条件为压力1 MPa、流速5 m/s、时间2 h；纳滤的最佳条件为压力5 MPa、流速5 m/s、时间2 h。

表3 超滤和纳滤集成工艺对比Table 3 Comparison of integrated ultrafiltration and nanofiltration technologies 单位：mg/mL

2.4 葡萄汁浓缩前后关键成分的差异

最佳工艺浓缩前后的关键成分的差异结果如表4所示。澄清葡萄汁在经过集成工艺浓缩后得到了超滤浓缩液Ⅰ和纳滤浓缩液Ⅱ。与原汁相比，浓缩液Ⅰ中的总糖、蛋白质和溶性固形物含量提升明显，表明超滤过程不仅截留了许多大分子多糖物质以及蛋白质，还截留了许多溶液中的大颗粒和溶质。浓缩液Ⅱ中总糖、总酚、蛋白质、总抗氧化性和可溶性固形物的浓度分别提升了102.1%，228.9%，49.7%，119.2%，60.8%。总糖浓度提升近一倍，总酚浓度提升了两倍多，总抗氧化能力在经纳滤浓缩后也有了较大程度的提高。

表4 葡萄汁浓缩前后关键成分Table 4 Key components of grape juice before and after concentration

2.5 酚类物质模拟溶液的膜污染机制

不同酚类物质的膜污染情况如图4所示。由图4(a)可知：7 种酚类物质中以儿茶素造成的不可逆膜阻力Ri最高，为26 nm-1，占膜总阻力的9.12%。说明儿茶素易被膜吸附或堵塞膜孔径，造成不可逆污染的程度较大。而没食子酸和儿茶素在超滤过程中造成的可逆膜污染阻力最高，分别为109 nm-1和111 nm-1，分别占膜总阻力的40.30%和39.49%。图4(b)显示：纳滤过程中由于纳滤膜孔径较小，不易造成膜孔中的堆积和堵塞，不可逆膜阻力Ri的占比较低，约占总阻力的1%～6%。7 种酚类物质中以香豆酸造成的不可逆阻力最高，为72 nm-1。没食子酸造成的不可逆阻力最低，为18 nm-1。儿茶素和没食子酸造成的可逆阻力最高，分别为467 nm-1和441 nm-1。说明这两种酚类物质较容易吸附在膜表面。原因是不同酚类物质存在分子结构差异，导致膜表面对其吸附能力不同，从而造成膜分离过程中的膜污染程度的差异。

图4 不同酚类物质膜污染阻力的差异Fig.4 Fouling mechanisms of different phenols

3 结 论

探明了时间、压力、流速等条件对葡萄汁膜法浓缩过程中膜通量和总酚截留率的影响，并分析了浓缩前后葡萄汁中主要成分的差异和不同酚类物质的膜污染机制。具体结论如下：多酚富集葡萄汁的最佳膜浓缩工艺为5 000 Da超滤膜+150 Da纳滤膜，超滤的最佳条件为压力1 MPa、流速5 m/s和时间2 h；纳滤的最佳条件为压力5 MPa、流速5 m/s和时间2 h。浓缩后的总糖和总酚质量浓度分别提高了102.1%和228.9%。总酚截留率随时间和压力的增加而上升，随着流速的增加而下降。纳滤浓缩过程中Rm是主要阻力，占60%～70%左右。由于分子结构的差异，7 种酚类物质以香豆酸造成的不可逆污染阻力最高，以儿茶素和没食子酸造成的可逆污染阻力最高。