微滤膜材质对杨梅汁理化品质及抗氧化活性的影响

陈虹吉，陈亦欣，叶兴乾，刘东红，陈健初

（浙江大学生物系统工程与食品科学学院 馥莉食品研究院浙江省农产品加工技术研究重点实验室 浙江省食品加工技术与装备工程中心 杭州310058）

近年来，人们推崇方便且易于食用的健康产品，其中果汁及其饮料产品的市场需求越来越大。杨梅（Myrica rubra Sieb.et Zucc）果实多汁，口感酸甜，色泽诱人，同时富含花色苷、酚酸、类黄酮等生物活性成分[1]，具有抗氧化、抑菌、防止便秘以及抑制癌细胞增长等保健功能[2]，将其加工成果汁产品，不仅能有效保留果实的特有风味和营养价值，而且方便食用利于人体吸收，越来越受到消费者的青睐。然而，经初步压榨获得的果汁通常含有大量的植物残渣，如不溶于水的纤维素、半纤维素和淀粉，以及可溶性的果胶、蛋白质和酚类物质[3]。这些物质的存在容易导致果汁浑浊和后续沉淀的产生，不仅对果汁的感官品质有直接影响，而且不利于果汁营养的吸收和利用，并影响消费者的接受程度。鉴于此，澄清工艺在澄清果汁加工过程中起着至关重要的作用。

目前，膜过滤技术温和的加工条件，对食品风味和营养的有效保留以及快速、经济等优势[4]，逐渐替代传统的果蔬汁澄清技术。近年来，国内外学者对膜过滤技术在果汁澄清方面的应用进行了大量的研究。例如：Ghosh 等[5]比较了不同操作参数下离心和微滤对印度黑莓汁的影响，筛选出在压力为137.89 kPa，通过孔径0.45 μm 的微滤膜获得最佳的果汁澄清度和品质。孙慧等[6]对比了3 种孔径的粉煤灰基微滤陶瓷膜对苹果汁的过滤效果，得到孔径为1.25 μm 的微滤膜过滤效果最佳。Mirsaeedghazi 等[7]考察了跨膜压力和进料速度对混合醋酸纤维膜澄清苦橙汁渗透通量和膜污染的影响，结果表明渗透通量随着两个参数的增加而增加，果汁酚类成分和抗氧化活性在膜澄清前、后无明显变化。

以上研究主要集中在膜过滤过程中不同操作参数对果汁过滤效果的影响，而滤膜作为膜技术的核心元件，不同的材质具有不同的耐受性，对果汁成分的吸附和色泽的影响也不尽相同[8]，因此滤膜对果汁的适用性至关重要。本研究以杨梅原汁为原料，分别采用孔径0.45 μm 的聚醚砜膜（PES）、尼龙膜（Nylon）、醋酸纤维膜（CA）、聚偏氟乙烯亲水膜（PVDF）、聚四氟乙烯亲水膜（PTFE）和聚丙烯膜（PP）6 种材质的微滤膜，对杨梅汁进行过滤澄清处理。以果汁的透光率、可溶性固形物、酸度、花色苷、总酚、总黄酮含量以及抗氧化活性为指标，考察不同材质滤膜对杨梅汁品质的影响，同时比较在相同操作参数下不同材质滤膜的渗透通量和污染情况，旨在为杨梅汁澄清工艺中滤膜的选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

荸荠种杨梅，采自浙江宁波慈溪，冷藏于-20℃冰箱。

孔径为0.45 μm 的聚醚砜膜（PES）、尼龙膜（Nylon）、醋酸纤维膜（CA）、聚偏氟乙烯亲水膜（PVDF）、聚四氟乙烯亲水膜（PTFE）和聚丙烯膜（PP），海宁市益博过滤器材公司。

福林酚试剂、无水乙酸钠、浓盐酸、氢氧化钠、氯化钾、芦丁、亚硝酸钠、硝酸铝，均为分析纯级，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

UV-2550 紫外分光光度计，日本岛津公司；荧光酶标仪，美国Thermo Fisher 公司；PAL-BX |ACID F5 便携式糖酸测量仪，日本ATAGO 公司；SU8010 场发射扫描电镜，日本HITACHI 公司；高压平板膜小试设备，厦门福美科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 杨梅原汁的制备 取-20 ℃冷冻贮藏的杨梅，于室温解冻，用榨汁机破碎打浆，压榨机压榨出汁。用200 目尼龙布粗滤，得杨梅原汁，备用。

采用黄原胶澄清剂对杨梅原汁进行预澄清，澄清方法参考Fang 等[9]并稍作修改，配制1%的黄原胶溶液，于60 ℃水浴中充分搅拌至溶解，将黄原胶澄清剂溶液加入杨梅原汁中使其最终质量浓度为0.05 g/L，于25 ℃静置澄清2 h，以自然澄清（杨梅原汁于25 ℃静置2 h）为对照，澄清结束后离心（4 000 r/min，10 min）取上清液，得黄原胶澄清汁和自然澄清汁。经黄原胶澄清处理后的杨梅汁用于微滤处理。

1.3.2 杨梅汁的微滤处理 杨梅汁的微滤处理采用高压平板膜小试设备。图1 为设备装置示意图。主要组成部分包括小型高压柱塞隔膜泵、膜组件、2 L 料罐及其控制系统，内置集成冷却温控系统。

滤膜使用前，用去离子水浸泡半小时。设备进料前，使用去离子水清洗管路，并测定膜的纯水通量（Jw）。若纯水通量低于新膜纯水通量的85%，则需对膜片进行清洗或更换新膜。

膜通量计算公式如下：

式中：J——膜通量（L/m2h）；V——渗透体积（L）；A——有效膜面积（m2）；t——时间（h）。

设备清洗结束，往物料罐中加入杨梅黄原胶澄清汁，使用孔径为0.45 μm 的6 种材质滤膜进行微滤处理，记录过滤时间和渗透体积。本微滤试验均在跨膜压力0.1 MPa，温度20 ℃条件下进行。

图1 高压平板膜小试设备装置示意图Fig.1 Schematic diagram of laboratory high pressure flat membrane microfiltration unit

1.3.3 基本理化性质的测定 透光率的测定采用分光光度法，取适量杨梅汁于比色皿中，以蒸馏水为参比溶液，在720 nm 处测定杨梅果汁的透光率，用T（%）表示。pH 值的测定采用pH 计测定，可溶性固形物和酸度的测定采用便携式糖度酸度测定仪测定。

1.3.4 花色苷的测定 花色苷的测定采用pH 示差法[10]。取两个10 mL 容量瓶，各加入1 mL 杨梅汁，分别用pH 1.0 的缓冲液【V（0.2 mol/L KCl）∶V（0.2 mol/L HCl）=25∶67】和pH 4.5 缓冲液【V（1 mol/L NaAc）∶V（1 mol/L HCl）∶V（H2O）=100∶60∶90】 定容，避光静置1 h，分别在波长520 nm 和700 nm 处测吸光值A。花色苷含量按下式计算，结果以矢车菊3-葡萄糖苷计。

式中：ΔA=（A520nm- A700nm）pH 1.0 -（A520nm-A700nm）pH 4.5；MW——矢车菊3-葡萄糖苷的相对分子质量，449.2；DF——稀释倍数，10；ε——矢车菊3-葡萄糖苷的摩尔消光系数，26 900；1——比色皿的光程。1 000——体积单位换算系数。

1.3.5 总酚的测定 总酚含量的测定采用福林酚法[11]。以没食子酸为标准品，纵坐标为吸光度，横坐标为没食子酸质量，绘制标准曲线，得到回归方程y=0.0182x+0.0105，R2=0.9997。

1.3.6 总黄酮的测定 总黄酮含量的测定采用NaNO2-Al（NO3）3比色法[12]。以芦丁为标准品，纵坐标为吸光度，横坐标为芦丁浓度，绘制标准曲线，得到回归方程y=3.8017x+0.0446，R2=0.9997。

1.3.7 蛋白质的测定 蛋白质含量的测定采用考马斯亮蓝法[13]。以牛血清白蛋白为标准品，纵坐标为吸光度，横坐标为牛血清白蛋白浓度，绘制标准曲线，得到回归方程y = 0.3637x + 0.0057，R2=0.9992。

1.3.8 抗氧化活性分析 杨梅汁样品抗氧化活性的分析通过DPPH、ABTS、FRAP 3 个抗氧化体系来评价[14]。结果以Trolox 等价抗氧化能力TEAC（Trolox equivalent antioxidant capacity）表示。

1.3.9 微滤膜表面结构分析 将经微滤处理的污染膜于室温自然挥干，对膜片表面进行拍照记录。同时，通过场发射扫描电镜（Field emission scanning electron microscope，FE-SEM）对未处理的新膜和污染膜表面微观结构进行表征。取适量膜片样品贴于FE-SEM 样品台上，喷金，使用FESEM 观察膜表面结构变化。

1.3.10 统计分析 试验数据采用Excel 2016 进行处理，结果以（±s）表示。采用SPSS 21 进行显著性和相关性分析，采用Origin 2017 作图。

2 结果与分析

2.1 不同材质滤膜的纯水通量及杨梅汁渗透通量

渗透通量是衡量滤膜性能和膜污染情况的重要指标[15]。图2 显示6 种材质滤膜在无污染情况下的纯水通量（a）和过滤杨梅汁的渗透通量（b）随时间的变化情况。由图2a 可看出，随着时间的延长6 种材质滤膜的纯水通量均呈良好的稳定性，其中聚丙烯膜（PP）的纯水通量最大，尼龙膜（Nylon）的纯水通量最小，聚醚砜膜（PES）、醋酸纤维膜（CA）、聚偏氟乙烯亲水膜（PVDF）和聚四氟乙烯亲水膜（PTFE）的纯水通量差异较小。由图2b可看出，6 种材质滤膜在过滤杨梅汁时，在最初的5 min 内，渗透通量迅速下降，10 min 后渗透通量趋于稳定。其中，PP 膜的杨梅汁渗透通量显著高于其它5 种材质的滤膜，PVDF 膜的杨梅汁渗透通量次之，PTFE、PES、CA 和Nylon 4 种材质滤膜的渗透通量基本一致。

4 种材质滤膜的渗透通量的减小，主要是由于随着过滤时间的延长，膜的孔径被逐渐堵塞，未能通过滤膜的物质在膜表面形成一层滤饼污垢[16]，导致过滤受阻，膜渗透通量迅速下降。Ming等[17]在研究模拟果汁超滤过程中的膜污染时，发现疏水且带正电的膜具有较高的渗透通量。本试验结果表明聚丙烯膜相对于其它5 种材质的滤膜具有更大的纯水通量和杨梅汁渗透通量，这可能与聚丙烯膜的疏水性相关。

图2 不同材质滤膜纯水通量（a）和杨梅汁渗透通量（b）Fig.2 Membrane permeation flux of pure water（a）and bayberry juices（b）

2.2 不同材质滤膜对杨梅汁基本理化性质的影响

经黄原胶澄清的杨梅原汁以及不同材质滤膜过滤前、后的基本理化性质变化如表1所示。杨梅原汁经澄清剂澄清和微滤，透光率显著性提高（P＜0.05），经不同材质滤膜过滤后透光率均在97%以上，说明孔径为0.45 μm 的滤膜能有效提高杨梅汁的澄清度。不同材质滤膜之间透光率差异不显著（P＞0.05），这可能是由于滤膜的孔径相同，能透过的物质粒径一致，因此所得的杨梅汁透光率基本一致[18]。杨梅原汁中的蛋白质经澄清过滤后含量均显著减少（P＜0.05），不同材质滤膜对蛋白质的截留稍有不同，其中Nylon 膜对杨梅汁中蛋白质截留最大，PVDF 和CA 膜次之，PP、PTFE 和PES 膜对蛋白质的截留相对较小，这可能是由于不同材质对蛋白质的吸附作用不同导致的[19]。杨梅汁的可溶性固形物、酸度和pH 值经澄清和不同材质滤膜过滤后无显著性差异（P＞0.05），说明不同材质滤膜对可溶性固形物、酸度和pH 值无影响。

表1 不同材质滤膜对杨梅汁理化性质的影响Table 1 Effects of different membranes on the physicochemical properties of bayberry juices

2.3 不同材质滤膜对杨梅汁活性成分的影响

果汁中活性成分的含量是影响果汁营养价值的重要参数，杨梅中的主要功能活性成分包括花色苷、酚酸及黄酮糖苷类物质[20]，因此探究杨梅汁经不同材质滤膜过滤前、后活性成分的变化，是筛选适宜滤膜的重要依据。图3a、3b、3c 分别对应杨梅原汁经黄原胶澄清和不同材质滤膜过滤前、后的花色苷、总酚和总黄酮含量。由图3 可看出，杨梅原汁经澄清过滤后其花色苷、总酚和总黄酮含量显著降低（P＜0.05）。以自然澄清为对照，黄原胶澄清剂对花色苷、总酚和总黄酮3 种活性物质无显著性影响（P＞0.05）。黄原胶澄清汁经6 种材质滤膜过滤后，花色苷、总酚和总黄酮3 种活性物质的含量呈显著性差异（P＜0.05），其中，经过Nylon膜过滤后杨梅汁中3 种活性物质的含量最低，且与其它5 种滤膜具有显著性差异（P＜0.05），说明Nylon 膜对杨梅汁中的花色苷、酚酸及黄酮类化合物的截留最大。而经PP、PVDF、PTFE、PES 和CA膜过滤后果汁中的花色苷、总酚和总黄酮3 种活性物质含量与过滤前果汁中的含量差异较小，说明PP、PVDF、PTFE、PES 和CA 膜对杨梅汁中的酚类活性成分影响较小，其中经PP 膜过滤后的果汁中花色苷和总酚含量略高于其它5 种滤膜。

王丽丽等[21]在研究不同材质滤膜对茶叶儿茶素类和生物碱HPLC 检测的影响时，发现尼龙66材质滤膜过滤后滤液中的儿茶素含量最小，其原因可能是尼龙材质对儿茶素类具有较强的吸附作用。与本试验结果相似，尼龙膜对于杨梅汁中的酚类活性物质的吸附作用相比于其它5 种材质的滤膜是最大的。彭菲等[22]在研究不同材质滤膜对人参皂苷类成分的影响时，发现纤维素材质的滤膜对人参皂苷的透过率要高于聚醚砜膜，认为可能是由于两种材质的亲水性不同所致。本试验中，聚醚砜膜和醋酸纤维素膜对杨梅汁酚类物质的影响无显著性差异，说明滤膜的亲水性对杨梅汁酚类活性成分的影响较小。不同材质滤膜对活性成分的吸附作用可能是引起果汁中活性成分差异的主要原因。

2.4 不同材质滤膜对杨梅汁抗氧化活性的影响

杨梅作为富含酚类物质的浆果，具有较强的抗氧化能力，杨梅果汁作为杨梅的主要产品之一，其抗氧化能力是一项重要的活性指标[23]。通过3个体外抗氧化体系（DPPH、ABTS 和FRAP）对杨梅原汁及其澄清过滤后抗氧化能力的评价及对杨梅汁中花色苷、总酚和总黄酮含量与抗氧化能力（DPPH、ABTS 和FRAP）的相关性分析，如图4所示，杨梅原汁的抗氧化能力最强，经澄清、过滤后抗氧化能力显著性降低（P＜0.05），其中经Nylon 膜过滤的杨梅汁抗氧化能力最低。经PP、PVDF、PTFE、PES 和CA 膜过滤的果汁清除DPPH 自由基能力无显著性差异（P＞0.05），而在清除ABTS·+自由基和铁离子还原能力方面，经PES 和CA 膜过滤的果汁相对于PP、PVDF、PTFE 膜过滤的果汁更强。由表2 的相关性分析可知，DPPH、ABTS和FRAP 3 个体外抗氧化体系的测定结果间具有极显著的正相关性（P＜0.01），说明这3 个体系均能反映杨梅汁的抗氧化活性。此外，DPPH、ABTS与花色苷、总酚和总黄酮含量均呈显著正相关性（P＜0.05），说明杨梅汁中的酚类物质对杨梅汁抗氧化活性有重要的贡献[24]。从不同材质滤膜对杨梅汁活性成分及抗氧化活性的影响可以看出，经Nylon 膜过滤的杨梅汁活性成分以及抗氧化活性的损失最大，不适于杨梅汁的过滤澄清处理。

图3 不同材质滤膜对杨梅汁活性成分的影响Fig.3 Effects of different membranes on the active components of bayberry juices

图4 不同材质滤膜对杨梅汁抗氧化活性的影响Fig.4 Effects of different membranes on the antioxidant activities of bayberry juices

表2 花色苷、总酚、总黄酮、DPPH、ABTS 和FRAP 的相关性Table 2 Correlations of anthocyanins，total phenols，total flavonoids，DPPH，ABTS and FRAP

2.5 不同材质滤膜表面微观结构分析

滤膜的污染情况是影响膜过滤效率和使用寿命的重要因素[25]。不同材质滤膜过滤杨梅汁后的表面宏观情况和微观结构如图5 和图6所示。由图5 可看出，所有滤膜在过滤杨梅汁后均被污染呈现浅红色至深红色，从颜色的深浅可以看出不同材质滤膜的污染情况，其中Nylon 膜表面的颜色最深，说明其对杨梅汁成分的吸附、截留最多，这与上文中果汁理化指标的测定结果一致。由图6 可看出，不同材质的滤膜具有不同的微观形态结构，过滤后的滤膜均受到不同程度的污染，已基本看不出膜的原始形貌，滤膜表面形成较为致密的滤饼层，这也是导致膜的渗透通量大大降低的原因。

图5 不同材质滤膜表面污染情况Fig.5 Membrane fouling of different materials

图6 不同材质滤膜过滤前（a）后（b）表面微观结构Fig.6 Micro morphology of membranes before（a）and after（b）microfiltration

滤膜的材质决定其与过滤物料的适用性，酸性物料如柑橘汁、柠檬汁等对滤膜具有较强的腐蚀性，因此要求所需滤膜具有耐强酸侵蚀性，PVDF、PTFE 膜被证实具有良好的耐酸性[26]，更适用于杨梅汁等酸性物料的过滤。此外，杨梅、覆盆子、黑加仑等具有鲜艳红紫色的水果在加工果汁时，对于颜色的保留也是需要考虑的重要因素[27]。从本试验结果可以看出，尼龙膜对于杨梅汁色泽的吸附明显高于其它5 种滤膜，因此从对果汁色泽保护方面来看，尼龙膜不适于有色物料的过滤处理。

3 结论

本文以杨梅汁为对象，研究6 种材质微滤膜对杨梅汁基本理化性质、活性成分及抗氧化活性的影响，比较不同材质滤膜的渗透通量及污染情况。不同材质滤膜的渗透通量不同，其中PP 膜具有最高的纯水通量和杨梅汁渗透通量。经不同材质滤膜过滤后的杨梅汁，透光率均显著性提高（P＜0.05），蛋白质含量均显著性降低（P＜0.05）。不同材质滤膜对杨梅汁可溶性固形物、酸度和pH 值无显著性影响（P＞0.05）；对花色苷、总酚和总黄酮含量的影响具有显著性差异（P＜0.05），其中经Nylon 膜过滤的杨梅汁3 种活性成分的含量最低，经PP、PVDF、PTFE、PES 和CA 膜过滤的果汁中活性成分含量差异不显著（P＞0.05）。杨梅汁抗氧化活性与花色苷、总酚和总黄酮含量具有显著正相关性（P＜0.05）。不同材质滤膜具有不同的微观结构，过滤后6 种材质滤膜的表面均被明显污染。综合考虑膜的渗透通量以及对杨梅汁活性成分及色泽的影响，尼龙膜不适于杨梅汁的过滤处理，聚丙烯膜相比于其它5 种滤膜用于过滤杨梅汁能获得更高的过滤效率。