膜分離技術(shù)在果蔬加工中的研究進(jìn)展

膜分離技術(shù)在果蔬加工中的研究進(jìn)展

隨著消費(fèi)觀念的更新，人們?cè)絹碓街匾曪嬍澈徒】?，天然食品和綠色植物的消費(fèi)變得越來越流行。因此,富含天然維生素和微量元素的果汁飲料日益受到人們歡迎。此外,我國水果資源豐富,近年來水果連續(xù)增產(chǎn),客觀上也推動(dòng)了果汁業(yè)的發(fā)展。但是,傳統(tǒng)的果汁加工工藝過程復(fù)雜,果汁產(chǎn)率低且品質(zhì)較差,制約了果汁業(yè)的發(fā)展。而膜分離技術(shù)則可一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)工藝的不足,并且具有常溫操作,無相變及化學(xué)變化,選擇性高及能耗低等優(yōu)點(diǎn),因此已廣泛應(yīng)用于果汁加工業(yè)。選擇適當(dāng)?shù)姆蛛x膜和操作參數(shù),即可實(shí)現(xiàn)果汁的澄清、濃縮、脫氣等。本文主要介紹國內(nèi)外膜分離技術(shù)在果汁加工中的研究進(jìn)展。1膜分離工藝特點(diǎn)膜分離技術(shù)以天然或人工合成的高分子膜為分離介質(zhì),以外加壓力或化學(xué)位差為推動(dòng)力,對(duì)雙組分或多組分物質(zhì)溶液進(jìn)行分離、提純、濃縮。膜分離應(yīng)用于食品工業(yè)具有如下優(yōu)勢(shì):設(shè)備簡單,操作方便;常溫操作,避免了加工中的熱過程,高度保持了產(chǎn)品的色香味及各種營養(yǎng)成分;分離過程不發(fā)生相變,揮發(fā)性成分損失較少;能耗低,選擇性好,分離范圍廣;在密閉系統(tǒng)中進(jìn)行,避免了空氣中的氧與原料的接觸,減少了原料中的色素分解和褐變反應(yīng)。1.1膜蒸餾md幾種類型可用于果汁加工的膜分離過程主要有微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)、反滲透(RO)、電滲析(ED)、膜蒸餾(MD)六種類型。它們的分離特性如表1所示。1.2膜分離參數(shù)的優(yōu)化膜分離性能主要由滲透通量和截留率表征。影響膜分離性能的主要參數(shù)有溶液狀況(包括料液濃度、pH值及離子強(qiáng)度等)、操作條件(包括跨膜壓差、溫度、循環(huán)流速等)和膜特性(包括膜材料及其構(gòu)型、膜表面的親水/疏水性、膜孔大小及其分布等)。這些參數(shù)的優(yōu)化對(duì)實(shí)際膜分離過程十分重要。一般先通過對(duì)待分離體系進(jìn)行小試,測(cè)定不同條件下的滲透通量和截留率,從而確定最佳的分離性能參數(shù)。2納濾、反滲透分離法果汁,是“未發(fā)酵但可發(fā)酵,適宜直接食用,采用機(jī)械方法從質(zhì)量好、成熟的水果中制取,僅用物理方法保存,可以濃縮以保留其基本成分和質(zhì)量要素,然后再加水可復(fù)原成果汁”的天然飲品,因而備受人們青睞。但傳統(tǒng)的加工工藝復(fù)雜、風(fēng)味物質(zhì)和營養(yǎng)成分損失多、成本高、能耗大,而利用膜分離技術(shù)則能有效克服這些缺陷。在果汁加工中,超濾多用于果汁的澄清、脫苦、脫色、脫酸、回收果膠和酶;納濾用于果汁的濃縮;反滲透用于果汁的預(yù)濃縮、脫酸及回收果膠;電滲析可用于果汁的脫苦、脫色、脫酸;膜蒸餾可用于果汁的濃縮、脫氣。2.1超濾技術(shù)的應(yīng)用早在1977年,Heatherbell等就把超濾技術(shù)應(yīng)用于蘋果汁的澄清。通過超濾或微濾來澄清果汁,只需先部分脫除果膠,既可減少酶的用量,同時(shí)果汁的提取率也有所提高,可達(dá)98%～99%。此外,經(jīng)過超濾處理的果汁質(zhì)量也有所提高,濁度僅0.4～0.6NTU(傳統(tǒng)工藝為1.5～3.0NTU)。又因超濾可無加熱除去果汁中的微生物,因而可延長果汁的保質(zhì)期。隨后,人們又對(duì)梨汁、柑橘汁和檸檬汁、菠蘿汁、西番蓮汁的澄清進(jìn)行了研究。在法國,微濾也廣泛應(yīng)用于蘋果汁的澄清,其效果與超濾相同。臧大存等對(duì)超濾法加工獼猴桃清汁進(jìn)行了研究。研究表明,用截留分子量為10000的CA-醋酸纖維素膜平板式超濾器,N2氣加壓處理果汁,Vc保存率高達(dá)98%。近年來,無機(jī)膜在果汁過濾中逐漸顯示其優(yōu)越性,由于具有較長的使用壽命,高質(zhì)量的濾汁和較高的滲透通量等性能,陶瓷膜澄清蘋果汁在工業(yè)上已獲得了廣泛的應(yīng)用。目前,國產(chǎn)膜面積為220M2的果汁澄清用陶瓷膜裝置,其處理量可達(dá)17M3/h,全自動(dòng)控制運(yùn)行,處理效果達(dá)到并超過國外陶瓷膜的處理效果。此外,人們也對(duì)影響膜的分離性能參數(shù)進(jìn)行了研究。Vladisavljevic等對(duì)使用陶瓷膜超濾脫果膠蘋果汁的滲透通量進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,當(dāng)跨膜壓力為200KPa時(shí),通量達(dá)最大的穩(wěn)定狀態(tài),溫度升高可使通量增大,在一定范圍內(nèi),滲透通量與進(jìn)料速率成正比。2.2納濾和反滲透果汁濃縮可以減少體積,便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸,還可以提高其貯存的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)上多采用多級(jí)真空蒸發(fā)濃縮,但該法易使芳香物質(zhì)揮發(fā)而導(dǎo)致果汁風(fēng)味變差、色澤改變和“蒸煮味”的產(chǎn)生,能耗也高,故現(xiàn)在多采用膜分離技術(shù)進(jìn)行濃縮。可用于果汁濃縮的膜分離技術(shù)有反滲透、納濾和膜蒸餾(包括滲透蒸餾)。用反滲透濃縮果汁,濃縮倍數(shù)取決于果汁的滲透壓,為提高膜分離過程的效率,膜分離壓力通常為果汁滲透壓的數(shù)倍。但隨著果汁的濃縮,其滲透壓也隨之增大而分離設(shè)備的承受能力有限,故通常只能將果汁濃縮至原濃度的2～5倍,一般只能濃縮到25～30波美度,所以工業(yè)生產(chǎn)中多以反滲透進(jìn)行預(yù)濃縮。納濾膜由于其孔徑很小,可截留住較大分子量的物質(zhì),故與反滲透相結(jié)合可用于果汁的高度濃縮。近年來,人們還開展了對(duì)膜蒸餾濃縮果汁的研究。由于膜蒸餾可以在較低的溫度下進(jìn)行,故對(duì)含熱敏性物質(zhì)果汁的濃縮具有實(shí)用意義。同時(shí),其能力也是反滲透過程無法比擬的,濃溶液極高的滲透壓會(huì)使反滲透過程無法進(jìn)行,而膜蒸餾則可把溶液濃縮至過飽和狀態(tài)。此外,作為膜蒸餾特殊操作形式的滲透蒸餾,其傳質(zhì)機(jī)理與膜蒸餾相似,疏水微孔一側(cè)為待濃縮的料液,另一側(cè)為高濃度鹽水,在滲透壓的作用下料液一側(cè)的水蒸汽就會(huì)透過膜孔進(jìn)入鹽水,而使料液濃縮.據(jù)報(bào)道,采用膜蒸餾和滲透蒸餾對(duì)蘋果汁、葡萄汁、柑橘汁、西番蓮汁進(jìn)行濃縮,可使果汁中的可溶性固形物含量高達(dá)60%以上。2.3膜蒸餾脫氣技術(shù)的操作通常,果肉組織間隙內(nèi)有一定量的氧氣,果汁加工用水中也會(huì)不同程度溶解部分氧氣。在果汁加工中,這部分氧氣與果肉細(xì)胞作用,會(huì)導(dǎo)致果汁顏色變化、風(fēng)味變劣及產(chǎn)生后渾濁,影響產(chǎn)品質(zhì)量。作為膜蒸餾特殊操作形式的水相脫氣,是一種操作方便、成本低、效率高的脫氣技術(shù)。使果汁與疏水微孔接觸,在膜的另一側(cè)抽真空,只要合理控制膜的孔徑,即可使溶解的氣體在真空中脫出,而不使水在真空下透過膜孔,從而達(dá)到脫氣目的。2.4合膜超濾技術(shù)果汁中的色素物質(zhì)、有機(jī)酸和柑橘類果汁中的苦味物質(zhì)會(huì)破壞果汁的風(fēng)味及穩(wěn)定性,影響產(chǎn)品質(zhì)量。Bomeman等用聚酯醚砜(PES)/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)復(fù)合膜超濾技術(shù)澄清蘋果汁,可脫除31%的色素,從而使果汁的穩(wěn)定性大大提高。劉茉娥等用電滲析脫除果汁中的有機(jī)酸,可減低果汁酸度,提高果汁質(zhì)量;Hermandez等人利用超濾和二乙烯基聚苯乙烯基樹