采用正滲透技術濃縮番茄汁

徐偉，孫建國，陳敏，趙炎春，黃光勝

(重慶大學 材料科學與工程學院，重慶，400030)

番茄收獲期短，難以長期保存，不便于運輸，故需濃縮加工成易于貯藏的制品，以調節其淡旺季供應［1］。

目前工業上主要采用真空蒸發并輔以反滲透技術來濃縮果汁，Rodrigues［2］等將反滲透運用于卡姆果(camu-camu)果汁的濃縮，并提出反滲透濃縮可作為經典的真空蒸發的一個濃縮環節來應用;同時Matta［3］在6MPa 的壓力下將反滲透技術運用于櫻桃汁的濃縮，使果汁糖度從7°Brix 提高到29.2°Brix;張鵬［4］等采用管式反滲透膜系統對番茄汁(原漿)進行脫水濃縮處理，考察了壓力、溫度及濃度對膜通量的影響，雖然反滲透濃縮可在較低的溫度下進行，維生素等營養成分的流失少，保證了產品的高品質，但由于果汁滲透壓的限制，使其所能達到的濃縮度比較低，而且生產運行能耗高，膜污染嚴重，不能一次濃縮成高濃度產品［5］，要與其他方法集成使用。

近些年，隨著正滲透(FO)膜技術的發展，綠色低能的正滲透濃縮技術也逐步運用于果汁的濃縮實驗研究［6］，與反滲透膜技術以及真空蒸發技術相比，正滲透膜技術以滲透壓為驅動力對果汁進行低倍濃縮，能夠降低能耗，更好地保留果汁的原有風味。

1 實驗材料與方法

1.1 材料

HTI 的Pouch 正滲透膜，型號101013-NW-4;可果美純正番茄汁1 000 mL(成分:水、濃縮番茄汁)，超市購買;分析純NaCl;蒸餾水。

1.2 設備

中友WYT-4/0 -80 手持糖量儀，佰倫斯BLH-100 精密電子稱，愛多樂TDS -3 離子濃度測量筆，摩品D889 攝像機，立升(LH3d)超濾凈水器，華泰PS-40 超聲波清洗器，Kamoer KPP-B 型蠕動泵。

1.3 實驗方法

取1L 番茄汁，經棉布過濾后用超濾凈水器超濾，加蒸餾水至超濾液中將其糖度調至2.2°Brix。配制2 000 mL不同質量質量分數的NaCl(6% ～26%)溶液作為汲取液，取400 mL 2.2°Brix 番茄汁。番茄汁濃縮實驗裝置如圖1 所示，有效膜面積54 cm2(3 cm×18 cm)，膜的截留層朝向高濃度的汲取液側。

圖1 實驗裝置Fig.1 The experimental device

1.4 主要測定參數及計算

滲透速度:通過測試番茄汁的質量變化來計算。由于濃縮循環時間過長，故用錄像記錄電子稱的讀數變化，然后返回觀看錄像來記錄每隔0.5 h 的數據。

截留率:實驗前首先用TDS 離子濃度測量儀測定番茄汁(2.2°Brix)的TDS 記錄為Q1(mg/mL)，體積為V (mL)，循環結束后，測量濃縮后的番茄汁質量，加入蒸餾水將番茄汁質量加至初始值，磁攪拌30 min，再次測量TDS 為Q2(mg/mL)。則從汲取液中滲透至番茄原汁的NaCl 的質量為(Q2-Q1)×V。

糖度:使用手持糖量儀測量濃縮后的番茄汁糖度。

2 結果與分析

2.1 溫度對滲透速率的影響

研究了溫度對滲透速率的影響，通過水浴控制番茄汁和汲取液的溫度，在2 ～50 ℃選取6 個溫度(大約2，10，20，30，40，50℃)用于實驗，實驗的條件為汲取液質量分數18%，番茄汁的濃度保持2.2°Brix，運行方式采用循環的方式進行，由于番茄汁為400 mL，而汲取液為2L，可保證汲取液質量分數基本維持在18%左右，可認為濃度不變。從圖2 中可以看出，溫度對滲透速率影響較大，在濃度保持不變的情況下，一定溫度范圍內，正滲透膜濃縮番茄汁的滲透速率隨溫度的升高而增大，在40℃左右達到最大值，相比于2℃時的滲透速率增加了200%，之后隨著溫度升高，滲透速率反而下降。實驗前后汲取液質量分數有不超過0.3%的波動，這會引進滲透速率計算值的誤差，但此誤差不超過2%，故不予修正。Wrolstad 等［7］人將正滲透用于紅覆盆子汁的濃縮，研究了溫度對滲透速率的影響，得出了在一定溫度范圍內滲透速率隨著溫度升高而增加的結論，但是他們僅僅只在17℃和27℃下進行了研究討論。Beaudry 等［8］也推測出滲透速率與溫度具有同樣的關系，因為溫度的升高使擴散系數增加，從而促進了正滲透過程。由于實驗過程中盛放番茄汁和汲取液的燒杯用保鮮膜包裹，因此可忽略水分蒸發的影響，當實驗溫度超過40℃，滲透速率下降可能是由于膜孔徑收縮，導致單位時間內膜孔通量降低，從而使得滲透速率下降，與此同時，隨著時間的推移，由于水透過膜而使番茄汁側膜表面的溶質濃度增加，汲取液側膜表面的溶質濃度降低，在濃度梯度作用下，二側各溶質與水以相反方向向本體溶液擴散，在達到平衡狀態時，膜表面形成一個溶質濃度分布邊界層，它對水的透過也起著阻礙作用。因此，鑒于膜的耐溫性能以及實驗操作的方便性，后面的實驗均在室溫下［約(15 ±2)℃］進行。

2.2 不同濃度汲取液對滲透速率的影響

圖2 溫度對番茄汁滲透速率的影響Fig.2 The effect of temperature on the tomato juice osmosis rate

圖3 反映了室溫下滲透速率與汲取液濃度的關系，番茄汁的初始濃度為2.2°Brix，圖3 中曲線表明，濃縮的過程中，隨番茄汁濃度升高，滲透速率不斷下降。在這次實驗中，選取了4 種不同質量濃度的汲取液(6%、12%、18%、26%)作為番茄汁濃縮的驅動液，從圖3 中的曲線可以看出，濃度為6%的汲取液由于滲透壓較小，膜兩側的滲透壓差較低，對應的滲透速率低，曲線平緩，濃縮后的番茄汁糖度只有10.2°Brix(見表1)，濃縮效果不佳，達不到中濃度以上番茄醬商品所需要求(參考GB/T 14215 -2008)，而濃度為12%的汲取液滲透壓較高，滲透速率是6%的汲取液對應的2 倍，濃縮時間顯著縮短，最后濃縮番茄汁糖度可達29.8°Brix，濃縮效果明顯，繼續提高汲取液濃度，以期得到最佳的汲取液濃度，從圖3 看出，質量濃度分別為18%和26%的汲取液對應的滲透速率很大，曲線比較陡峭，濃縮時間短，效果十分明顯，最后糖度均達到32°Brix，滿足中濃度以上番茄醬商品所需要求所需濃度。但是實驗中發現，濃縮初始階段，質量分數為18%的汲取液對應的滲透速率比26%的還要高，理論上隨著汲取液濃度的增加，滲透壓提高，驅動力增大，滲透速率也會隨之增加［9-10］。

圖3 滲透速率與汲取液濃度的關系Fig.3 Relationship between osmosis rate and absorbing liquid concentration

表1 正滲透濃縮番茄汁實驗的相關參數Table 1 experiment related parameters of tomato juice osmotic concentration

2.3 室溫下不同濃度液汲取的初始滲透速度

如前所述，鑒于膜的耐溫性能以及實驗操作的方便性，實驗均在室溫［(15 ±2)℃)］下進行，選取不同濃度汲取液前1 h 的平均滲透速度進行分析。在膜面積為54 cm2、汲取液質量濃度為6%時，初始滲透速度可達2.07(L/(h·m2)，從番茄汁側單位時間單位面積正滲透膜到汲取液中的水量可達2.07L，提高濃度后，該滲透速率還可繼續增加。從6%到12%，隨著濃度升高，初始滲透速率增加緩慢，12% ～18%這段范圍內，初始滲透速度增加顯著，在18%左右達到最大值5.41(L/(h·m2)，相當于6%時初始滲透速度的2 倍，濃縮效率不言而喻。之后適當提高濃度，初始滲透速率不再增加，故為縮短濃縮時間，通常選用濃度為18%的汲取液進行番茄汁的正滲透濃縮。另外，每組實驗正滲透膜對NaCl 的截留率都達99%以上。以上數據反映，正滲透技術依靠溶液的滲透壓差作為驅動力［11］進行果汁的濃縮時間短、效率高，具有深遠意義。

圖4 初始滲透速度與汲取液濃度關系Fig.4 Relationship between the initial osmosis rate and absorbing liquid concentration

3 結論

在正滲透濃縮實驗中，以NaCl 溶液為汲取液濃縮番茄汁可使糖度達到32°Brix 以上，且具有較高的滲透速率和截留率(＞99%)。滲透速率隨著溫度升高而增加，當溫度超過一定值(大約40℃)時，滲透速率轉而下降。汲取液濃度對正滲透速率也有較大影響，且在高濃度時影響更加顯著。濃度提高加速正滲透的濃縮，但由于濃差極化，這一加速作用存在一個極限值，超過18%之后滲透速率不再增加。因此，操作溫度為40℃、汲取液濃度為18%時，濃縮時間短、效率高，最后濃縮番茄汁糖度可達32°Brix 以上，在正滲透在番茄汁的濃縮生產具有較好的應用前景。

［1］ 宋宏新，劉曉陽. 四種干燥方法生產番茄粉的品質特性研究［J］. 食品科技，2006(8):101 -104.

［2］ Rodrigues R B，Menezes H C，Dornier M，et al. Evaluation of reverse osmosis and osmotic evaporation to concentrate camu-camu juice (Myrciaria dubia)［J］. J Food Eng，2004，63:97 -102.

［3］ Matta V M，Moretti R H，Cabral L M C.Microfiltration and reverse osmosis for clarification and concentration of acerola juice［J］. J Food Eng，2004，61:477 -482.

［4］ 張鵬. 管式反滲透膜法濃縮番茄汁實驗研究［J］. 食品工業科技，2007，33(3):38 -39.

［5］ 呂建國，王文正，高輝. 卷式反滲透膜濃縮番茄汁的實驗研究［J］. 食品工業科技，2006，27(09):127 -129.

［6］ 李麗麗，許春玲，王鐸. 正滲透膜用于橙汁濃縮及其污染研究［J］. 膜科學與技術，2012，32(6):87 -91.

［7］ Wrolstad R E，McDaniel M R，Durst R W，et al. Composition and sensorycharacterization of red raspberry juice concentrated by direct-osmosis or evaporisation［J］. J Food Sci，1993，58(3):633 -637.

［8］ Beaudry E G，Lampi K A.Membrane technology for directosmosis concentration of fruit juices［J］. Food Technology，1990，44(6):121 -126.

［9］ 劉忠洲，張國俊，紀樹蘭. 研究濃差極化和膜污染過程的方法與策略［J］. 膜科學與技術，2006，26(5):1 -15.

［10］ Lanzend?rfer M.On steady inner flows of an incompressible fluid with the viscosity depending on the pressure and the shear rate［J］. Real World Applications，2009，10(4):1 943 -1 954.

［11］ 方彥彥，田野，王曉琳. 正滲透的機理［J］. 膜科學與技術，2011，31(6):95 -100.