膜分离技术在果蔬加工中的研究进展

膜分离技术在果蔬加工中的研究进展

随着消费观念的更新，人们越来越重视饮食和健康，天然食品和绿色植物的消费变得越来越流行。因此,富含天然维生素和微量元素的果汁饮料日益受到人们欢迎。此外,我国水果资源丰富,近年来水果连续增产,客观上也推动了果汁业的发展。但是,传统的果汁加工工艺过程复杂,果汁产率低且品质较差,制约了果汁业的发展。而膜分离技术则可一定程度上弥补传统工艺的不足,并且具有常温操作,无相变及化学变化,选择性高及能耗低等优点,因此已广泛应用于果汁加工业。选择适当的分离膜和操作参数,即可实现果汁的澄清、浓缩、脱气等。本文主要介绍国内外膜分离技术在果汁加工中的研究进展。1膜分离工艺特点膜分离技术以天然或人工合成的高分子膜为分离介质,以外加压力或化学位差为推动力,对双组分或多组分物质溶液进行分离、提纯、浓缩。膜分离应用于食品工业具有如下优势:设备简单,操作方便;常温操作,避免了加工中的热过程,高度保持了产品的色香味及各种营养成分;分离过程不发生相变,挥发性成分损失较少;能耗低,选择性好,分离范围广;在密闭系统中进行,避免了空气中的氧与原料的接触,减少了原料中的色素分解和褐变反应。1.1膜蒸馏md几种类型可用于果汁加工的膜分离过程主要有微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)、电渗析(ED)、膜蒸馏(MD)六种类型。它们的分离特性如表1所示。1.2膜分离参数的优化膜分离性能主要由渗透通量和截留率表征。影响膜分离性能的主要参数有溶液状况(包括料液浓度、pH值及离子强度等)、操作条件(包括跨膜压差、温度、循环流速等)和膜特性(包括膜材料及其构型、膜表面的亲水/疏水性、膜孔大小及其分布等)。这些参数的优化对实际膜分离过程十分重要。一般先通过对待分离体系进行小试,测定不同条件下的渗透通量和截留率,从而确定最佳的分离性能参数。2纳滤、反渗透分离法果汁,是“未发酵但可发酵,适宜直接食用,采用机械方法从质量好、成熟的水果中制取,仅用物理方法保存,可以浓缩以保留其基本成分和质量要素,然后再加水可复原成果汁”的天然饮品,因而备受人们青睐。但传统的加工工艺复杂、风味物质和营养成分损失多、成本高、能耗大,而利用膜分离技术则能有效克服这些缺陷。在果汁加工中,超滤多用于果汁的澄清、脱苦、脱色、脱酸、回收果胶和酶;纳滤用于果汁的浓缩;反渗透用于果汁的预浓缩、脱酸及回收果胶;电渗析可用于果汁的脱苦、脱色、脱酸;膜蒸馏可用于果汁的浓缩、脱气。2.1超滤技术的应用早在1977年,Heatherbell等就把超滤技术应用于苹果汁的澄清。通过超滤或微滤来澄清果汁,只需先部分脱除果胶,既可减少酶的用量,同时果汁的提取率也有所提高,可达98%～99%。此外,经过超滤处理的果汁质量也有所提高,浊度仅0.4～0.6NTU(传统工艺为1.5～3.0NTU)。又因超滤可无加热除去果汁中的微生物,因而可延长果汁的保质期。随后,人们又对梨汁、柑橘汁和柠檬汁、菠萝汁、西番莲汁的澄清进行了研究。在法国,微滤也广泛应用于苹果汁的澄清,其效果与超滤相同。臧大存等对超滤法加工猕猴桃清汁进行了研究。研究表明,用截留分子量为10000的CA-醋酸纤维素膜平板式超滤器,N2气加压处理果汁,Vc保存率高达98%。近年来,无机膜在果汁过滤中逐渐显示其优越性,由于具有较长的使用寿命,高质量的滤汁和较高的渗透通量等性能,陶瓷膜澄清苹果汁在工业上已获得了广泛的应用。目前,国产膜面积为220M2的果汁澄清用陶瓷膜装置,其处理量可达17M3/h,全自动控制运行,处理效果达到并超过国外陶瓷膜的处理效果。此外,人们也对影响膜的分离性能参数进行了研究。Vladisavljevic等对使用陶瓷膜超滤脱果胶苹果汁的渗透通量进行了研究。结果表明,当跨膜压力为200KPa时,通量达最大的稳定状态,温度升高可使通量增大,在一定范围内,渗透通量与进料速率成正比。2.2纳滤和反渗透果汁浓缩可以减少体积,便于储存和运输,还可以提高其贮存的稳定性。传统上多采用多级真空蒸发浓缩,但该法易使芳香物质挥发而导致果汁风味变差、色泽改变和“蒸煮味”的产生,能耗也高,故现在多采用膜分离技术进行浓缩。可用于果汁浓缩的膜分离技术有反渗透、纳滤和膜蒸馏(包括渗透蒸馏)。用反渗透浓缩果汁,浓缩倍数取决于果汁的渗透压,为提高膜分离过程的效率,膜分离压力通常为果汁渗透压的数倍。但随着果汁的浓缩,其渗透压也随之增大而分离设备的承受能力有限,故通常只能将果汁浓缩至原浓度的2～5倍,一般只能浓缩到25～30波美度,所以工业生产中多以反渗透进行预浓缩。纳滤膜由于其孔径很小,可截留住较大分子量的物质,故与反渗透相结合可用于果汁的高度浓缩。近年来,人们还开展了对膜蒸馏浓缩果汁的研究。由于膜蒸馏可以在较低的温度下进行,故对含热敏性物质果汁的浓缩具有实用意义。同时,其能力也是反渗透过程无法比拟的,浓溶液极高的渗透压会使反渗透过程无法进行,而膜蒸馏则可把溶液浓缩至过饱和状态。此外,作为膜蒸馏特殊操作形式的渗透蒸馏,其传质机理与膜蒸馏相似,疏水微孔一侧为待浓缩的料液,另一侧为高浓度盐水,在渗透压的作用下料液一侧的水蒸汽就会透过膜孔进入盐水,而使料液浓缩.据报道,采用膜蒸馏和渗透蒸馏对苹果汁、葡萄汁、柑橘汁、西番莲汁进行浓缩,可使果汁中的可溶性固形物含量高达60%以上。2.3膜蒸馏脱气技术的操作通常,果肉组织间隙内有一定量的氧气,果汁加工用水中也会不同程度溶解部分氧气。在果汁加工中,这部分氧气与果肉细胞作用,会导致果汁颜色变化、风味变劣及产生后浑浊,影响产品质量。作为膜蒸馏特殊操作形式的水相脱气,是一种操作方便、成本低、效率高的脱气技术。使果汁与疏水微孔接触,在膜的另一侧抽真空,只要合理控制膜的孔径,即可使溶解的气体在真空中脱出,而不使水在真空下透过膜孔,从而达到脱气目的。2.4合膜超滤技术果汁中的色素物质、有机酸和柑橘类果汁中的苦味物质会破坏果汁的风味及稳定性,影响产品质量。Bomeman等用聚酯醚砜(PES)/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)复合膜超滤技术澄清苹果汁,可脱除31%的色素,从而使果汁的稳定性大大提高。刘茉娥等用电渗析脱除果汁中的有机酸,可减低果汁酸度,提高果汁质量;Hermandez等人利用超滤和二乙烯基聚苯乙烯基树