膜分離技術在果汁加工中的應用

魏詩瑤　郝丹

摘 要：文章主要針對果汁加工過程中使用的各種膜分離技術（超濾、納濾、反滲透、電滲析、膜蒸餾等）及其性能進行分析討論，在果汁加工中膜分離技術可用于果汁澄清、濃縮、脫氣、脫酸、脫苦、脫色等過程。

關鍵詞：膜分離；果汁加工；反滲透；超濾

前言

膜分離技術是建立在材料化學和高分子化學的迅猛發展的基礎上，模擬生物體系中膜結構的選擇透過性以及對膜材料進行物理結構和表面親和性進行改良，在濃度差或壓差的推動下，實現體系中不同組分有效分離的新型化工分離技術（區別于傳統精餾）。膜分離技術主要包括反滲透、電滲析、超濾及納濾等，經過半個多世紀的發展，已經廣泛運用于海水及苦咸水淡化、食品加工、高純水制備、中藥有效成分的提取及紡織印染業廢水處理等領域，實現了經濟效益與社會環境效益的雙贏。

傳統的果汁加工業在原果蔬汁預處理后，為提高出汁率，在必要的分離純化基礎上，往往還需要經過復雜的加熱、酶處理與冷凍濃縮等過程，果汁中營養物質散失嚴重，同時也增大了加工工藝中的能耗從而降低了產品的附加產值。采用膜分離技術對原果蔬汁中損害果汁營養的生物酶及細菌等雜質進行分離具有常溫操作、選擇性好、無相變過程和無生物污染等優點，同時大大降低了工藝能耗，是果汁加工領域技術發展的必然趨勢。下面詳細介紹膜分離技術在果汁加工中的應用。

1 各種膜的分離技術

膜分離技術包括：微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、反滲透（RO）、電滲析（EO）、膜蒸餾（MD）等。

各種膜分離技術在傳遞機制、膜材料組成、截留分子量及推動力等多方面均有差異，適應于不同體系組分的分離。膜分離性能由滲透通量（主要是水）、截留率、孔道特征和完整性實驗表征，影響因素包括膜材料特性（最核心因素，涉及膜兩側親水疏水性、孔徑大小及分布）、待分離體系的性質（濃度，PH值等）、操作條件（膜兩側壓差、溫度、流速等）。

2 膜分離技術在果汁加工中的應用

果汁的加工過程主要包括四大部分：果汁澄清、果汁濃縮、果汁脫氣，果汁脫酸脫色脫苦，是各種膜分離技術集成的結果。

2.1 果汁澄清

經粉碎粗濾處理得到的原果蔬汁是一個組分復雜的多相體系，含有果膠（分子量約為5萬-30萬）、淀粉、維生素等大分子，溶解的離子及細菌等。由于果膠的存在使果汁整體粘度增大，不利于壓榨時出汁率的提高，實際加工時往往可以采取多種方式除去，包括自然沉降澄清、加熱凝聚澄清、酶處理法澄清等。酶處理法主要加入果膠酶，將果肉內的果膠分解為半乳糖醛酸從而達到分離純化的效果，極大地保留果汁中的氨基酸、維生素和礦物質。考慮到初級果汁中各項組分及果膠粒徑范圍，可以采用一定截留量的超濾膜輔助酶處理法進行果汁的澄清操作。即先使用少量果膠酶除去一部分果膠，再用超濾膜分離殘余果膠，這樣不僅節約了酶用量，增大了超濾操作時的膜通量，減少膜孔堵塞等問題，而且在不加熱的條件下除去了果汁中的大多數細菌。

近年來該法已經在實際果汁加工研究中取得了很好的成效，蔡同一等（1997）使用超濾膜進行草莓汁處理，芳香酸與醇得到很好保留，澄清度達到97.8%以上；師俊玲（1999）采用聚砜材料超濾膜處理獼猴桃汁，VC保留值達到97.36%。

2.2 果汁濃縮

實際生產工藝上為提高果汁中含糖量與酸度，保證不同采摘日期下果汁質量風味的均一化，同時為了節約果汁包裝及運輸費用，往往對果汁進行濃縮處理。傳統工藝為多級真空蒸發濃縮或冷凍濃縮，熱量變化不僅會使果汁中營養成分流失，同時降低芳香物質含量，改變果汁色澤風味。相比之下，采用膜分離技術進行果汁濃縮可在常溫下操作，減小能耗的同時避免有效成分揮發，保證產品質量，可用于果汁濃縮過程的膜分離技術有反滲透、納濾和膜蒸餾。

研究顯示使用反滲透膜進行果汁濃縮所需能量約為蒸發濃縮的1/7，冷凍濃縮的1/2。盡管反滲透能夠選擇性透過水分子，除去其他可溶物，分離效果極佳，然而隨著反滲透濃縮過程進行，料液側的滲透壓隨濃度增大而逐步增大，所需操作壓力相應增大，對分離設備的抗壓能力要求也提高。因而在實際生產中往往采用反滲透與納濾結合的方式進行濃縮，即先通過反滲透預濃縮一部分果汁，在料液滲透壓達到一定程度后改用納濾膜（孔徑很小）操作，截留其他溶質、鹽和糖等。例如在葡萄汁的濃縮加工處理時，由于蘋果酸等對制得的葡萄酒質量影響很大，可以通過反滲透除去大部分溶解雜質，再通過納濾調節組分含量。

果汁濃縮過程也可通過滲透蒸餾（膜蒸餾特殊操作形式）完成，滲透蒸餾的遷移機理如下：

采用微孔疏水膜進行處理，膜兩側分別為待濃縮的料液和濃鹽水，可揮發組分經加熱汽化，通過擴散或對流方式在膜兩側遷移，實現物料的濃縮。據報道，采用滲透蒸餾法進行果汁（蘋果汁、葡萄汁等）濃縮，果汁中可溶性固形物含量高達60%以上。此外，滲透蒸餾法排除了反滲透濃縮時料液滲透壓變化帶來的操作壓差問題，同時在高倍濃縮時，對果汁中某些有效組分（糖、有機酸等）的截留率可達100%。

2.3 果汁脫氣

果肉細胞呼吸作用的進行使細胞間隙中存留氧氣、二氧化碳等氣體，加工過程中容易將果汁中維生素、芳香劑、色素等物質氧化，影響果汁風味和外觀，同時造成顆粒物懸浮，因此脫除這部分氣體。采用的有效脫除方式是水相脫氣法（膜蒸餾特殊形式），依據氣體在水中溶解度與其表面分壓成正比這一原理，逐漸降低氧氣分壓，從而使溶氧逸出。操作時將微孔膜一側與果汁接觸，另一側抽真空，調節孔徑可實現氧氣的選擇性脫除。

2.4 果汁脫酸脫色脫苦

原果蔬汁經前幾步加工處理后，仍殘留少量有機酸、苦味物質和色素等，往往會破壞果汁飲用時的風味，降低產品質量。

果汁脫酸：據劉茉娥等人介紹利用電滲析膜（兩側均用陰膜， 酸根一側滲出，另側滲入OH-與H+中和），可以有效脫除果汁中的有機酸，降低果汁酸度，提高產品質量和口感。

果汁脫色：果汁不僅可以使用各種合成樹脂進行脫色處理，還可以采用超濾技術進行處理。Borneman等人用聚酯醚砜（PES）/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）復合膜超濾技術脫除蘋果汁中31%的色素，另有報道稱截留分子量為20～50KDa的超濾膜對紅霉果漿廢水中的花青素的回收率達80。

果汁脫苦：柑橘類果汁柚皮苷、類檸檬苦素等的存在，極大地影響破壞了產品的品質和商業價值。目前可采取吸附、超臨界CO2脫苦等方式，此外，超濾技術能有效降低果汁中苦味物質含量。例如，Hernandez等人研究了利用超濾和樹脂吸附的聯合過程對葡萄柚汁進行脫苦，柚皮苷、類檸檬苦素幾乎完全脫除，分離效果極高，但由于膜性能不夠穩定，還沒有實現大規模工業使用。

3 結束語

膜分離技術有其各自的優點、應用范圍和一定的局限性，在果汁加工過程的各個階段均發揮了非常重要的作用。不僅極大地提高了產品質量，而且簡化生產工藝，降低能耗，我們也很容易發現多種膜分離技術聯用可以克服許多單一膜分離無法解決的障礙，集成膜分離技術的發展前進廣闊，此外性能更為優良的膜材料制備也是我們今后必須思考和解決的大問題。

參考文獻

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