直接膜法與順序膜法處理藍(lán)莓汁的工藝比較

蔡銘，謝春芳，王龑，鄒仙果，楊開(kāi)

(浙江工業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州，310014)

藍(lán)莓，又名篤斯、黑豆樹(shù)(大興安嶺)為杜鵑花科越橘屬植物，其漿果呈深藍(lán)色，近圓形，表皮一層白霜，含有豐富的VC、多酚、多糖，花色苷等營(yíng)養(yǎng)成分。藍(lán)莓中的化學(xué)成分既具有藥物學(xué)性質(zhì)，又具有生物活性功能，如抗氧化、抗衰老、改善眼部血液循環(huán)等，因此近年來(lái)受到消費(fèi)者的認(rèn)可[1]。藍(lán)莓果汁繼紫葡萄汁、黑莓汁和桑葚汁后作為天然紅色果汁飲料的新興飲料也受到了消費(fèi)者的追捧。相較于蘋(píng)果汁、梨汁、桃汁等，天然紅色果汁飲料的特征性成分為花色苷，如藍(lán)莓果汁中主要為飛燕草素、矢車(chē)菊素、芍藥素、矮牽牛素、天竺葵素等花青素與糖通過(guò)糖苷鍵結(jié)合而成的苷類物質(zhì)[2], 黑莓果汁中主要為矢車(chē)菊素、天竺葵素、錦葵素等與糖結(jié)合成的苷類物質(zhì)[3-4]。

果汁的生產(chǎn)以盡可能的保持新鮮水果的獨(dú)特性以及其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值為目的，天然花色苷成分賦予果汁鮮艷色澤的同時(shí)又具有較好的生理活性，但其穩(wěn)定性較差，易受到溫度、pH、光照等因素的影響。膜過(guò)濾工藝較于傳統(tǒng)的酶法澄清、熱濃縮等工藝具有溫度低、壓力小、不損害物質(zhì)生物活性、能耗低、設(shè)備簡(jiǎn)單、可連續(xù)生產(chǎn)、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)[5]。因此，膜技術(shù)也被越來(lái)越多地應(yīng)用到果汁加工領(lǐng)域,如VIVEKANAND等[6]使用5 000 Da 截留分子質(zhì)量的螺旋膜處理梨汁，得到澄清梨汁的同時(shí)也提高了梨汁的穩(wěn)定性。AREND等[7]使用納濾膜濃縮草莓中的多酚，得到的濃縮草莓汁抗氧化活性提高了60%。CONIDI等[8]研究了超濾和納濾膜從石榴汁中分離純化酚類化合物并考察了所選膜的產(chǎn)率和分離能力，發(fā)現(xiàn)聚酰胺類膜的產(chǎn)率高，污垢指數(shù)低，分離效率好，且截留液顯示出較高的抗氧化活性。GHOSH等[9]使用超濾膜(50 kDa)對(duì)果汁澄清后采用納濾膜(300 Da)濃縮，證實(shí)了集成膜處理果汁的可行性。就藍(lán)莓汁領(lǐng)域，有單獨(dú)利用超濾或納濾對(duì)藍(lán)莓汁進(jìn)行澄清和濃縮處理的研究[10-11]，但是利用不同膜工藝加工藍(lán)莓汁產(chǎn)品的對(duì)比研究并未見(jiàn)報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)比較了直接與順序膜法處理藍(lán)莓汁的工藝，考察了直接超濾、直接納濾和順序超濾+納濾對(duì)藍(lán)莓果汁滲透通量和果汁理化性質(zhì)的影響，分析了過(guò)濾前后膜表面特性的變化。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

藍(lán)莓(兔眼藍(lán)莓),杭州市鮮豐水果店；聚醚砜超濾膜(5 kDa)、聚酰胺納濾膜(300 Da),中科瑞陽(yáng)膜技術(shù)(北京)有限公司；葡萄糖(標(biāo)準(zhǔn)品)、濃H2SO4、苯酚(分析純),國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；無(wú)水Na2CO3(分析純),太倉(cāng)美達(dá)試劑有限公司；NaOH、KCl、無(wú)水醋酸鈉(分析純),天津博迪化工股份有限公司；纖維素酶、果膠酶,阿拉丁試劑公司；福林-酚試劑,美國(guó)Sigma公司；矢車(chē)菊素-3-葡萄糖苷(>97%),上海源葉生物科技有限公司。

數(shù)顯恒溫水浴鍋,江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠；S-4700(II)場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡、離心機(jī),日本日立公司；UV-2450紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì),日本島津公司；三聯(lián)高壓平板膜設(shè)備,廈門(mén)福美科技有限公司；漩渦振蕩混合器,上海琪特儀器有限公司； pH計(jì),奧豪斯儀器有限公司；電子天平,梅特勒-托利多儀器有限公司；榨汁機(jī),飛利浦有限公司；接觸角測(cè)量?jī)x,德國(guó)Dataphysics公司； zeta電位儀,奧地利Anton Paar公司； ColorQuest XE色差儀,美國(guó)HunterLab公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 藍(lán)莓汁制備及預(yù)處理

稱取新鮮藍(lán)莓經(jīng)清洗，熱燙(100 ℃蒸汽熱燙3 min)，打漿，添加0.22%果膠酶和0.73%纖維素酶，在溫度為50 ℃水浴鍋中酶解100 min，榨汁，紗布粗濾后布氏漏斗抽濾，4 500 r/min離心15 min后得到藍(lán)莓汁，置于-20 ℃冰箱內(nèi)儲(chǔ)藏作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的原料[12]。過(guò)濾實(shí)驗(yàn)前將原果汁稀釋20倍，作為進(jìn)料液。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)使用錯(cuò)流膜分離實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示。高壓泵2提供實(shí)驗(yàn)所需要的操作壓力，將料液泵入膜組件5(可拆卸更換膜)中進(jìn)行膜分離，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)8控制系統(tǒng)的操作壓力，流量計(jì)3測(cè)定溶液流速，壓力表4、7分別測(cè)定系統(tǒng)的進(jìn)口壓力和出口壓力，計(jì)算跨膜壓差，量筒6 測(cè)定滲透液的體積，被膜截留的液體返回儲(chǔ)液罐1。

1-進(jìn)料罐；2-泵；3-流量計(jì)；4、7-壓力表；5-膜組件；6-量筒；8-進(jìn)料閥圖1 膜分離裝置實(shí)驗(yàn)圖Fig.1 Schematic diagram of the membrane separation device

1.2.3 不同膜過(guò)濾工藝

選擇了2種不同的平板膜，用于順序過(guò)濾及直接過(guò)濾藍(lán)莓汁，最終得到體積減少系數(shù)為4.0的藍(lán)莓汁，工藝流程如圖2所示：

圖2 不同膜過(guò)濾工藝流程Fig.2 Flow chart of different membrane filtration

直接超濾：取藍(lán)莓汁約2 L，用截留分子質(zhì)量為5 kDa 的超濾膜在1.0 MPa、600 r/min下進(jìn)行超濾澄清，得到1.5 L滲透液。

直接納濾：取藍(lán)莓汁約2 L，用截留分子質(zhì)量為300 Da的納濾膜在1.2 MPa、600 r/min下進(jìn)行納濾濃縮，得到0.5 L截留液。

順序膜法：取藍(lán)莓汁約2 L，用截留分子質(zhì)量為5 kDa 的超濾膜在1.0 MPa、600 r/min下進(jìn)行超濾澄清，得到1 L超濾滲透液，再經(jīng)截留分子質(zhì)量為300 Da 的納濾膜進(jìn)行納濾濃縮，得到0.5 L截留液。

藍(lán)莓汁的體積減少系數(shù)計(jì)算如公式(1)所示[13]：

(1)

式中：V0為進(jìn)料液體積，L；Vf為截留液體積，L。

滲透液體積的計(jì)算如公式(2)所示：

Vp=V0-Vf

(2)

式中：Vp為滲透液體積，L。

1.2.4 藍(lán)莓汁理化性質(zhì)分析

測(cè)定不同膜法得到的滲透液及截留液的理化指標(biāo)。

1.2.4.1 果汁澄清度的測(cè)定

根據(jù)MONDAL等[14]的方法，以蒸餾水作為空白，測(cè)定樣品在660 nm下的吸光度，用T表示樣品的澄清度，計(jì)算如公式(3)所示：

T=100×10-A

(3)

式中：T為澄清度；A為樣品在660 nm下的吸收值。

1.2.4.2 總花色苷(total anthocyanins content, TAC)的測(cè)定

采用pH示差法[15]。根據(jù)溶液介質(zhì)中花青素會(huì)隨pH的改變而發(fā)生結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，其結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變是pH 的函數(shù)，而干擾物的特征光譜不隨pH的改變而發(fā)生變化。所以通過(guò)2個(gè)pH、同一波長(zhǎng)(花青素最大吸收波長(zhǎng))下的吸光值差，結(jié)合Fuleki T公式測(cè)得總花色苷的含量。在25 ℃條件下，取10 mL藍(lán)莓汁，4 500 r/min離心15 min，收集上清液，取2個(gè)10 mL容量瓶各加入1 mL上清液，分別用pH值為1.0 KCl緩沖液和pH值為4.5醋酸鈉緩沖液定容，在冰箱內(nèi)避光靜置2 h，以蒸餾水為空白，分別在520 nm和700 nm下測(cè)吸光值A(chǔ)520和A700，TAC含量按公式(4)計(jì)算(結(jié)果以矢車(chē)菊素-3-葡萄糖苷計(jì))：

TAC含量/(mg·L-1)=

(4)

式中：MW為矢車(chē)菊素葡萄糖苷的分子質(zhì)量(449.2 g/mol)；DF為稀釋倍數(shù)；ε為矢車(chē)菊素花葡萄糖苷的摩爾消化系數(shù)，26 900 L/(mol·cm)；L為比色皿的寬度，取1 cm。

1.2.4.3 總酚含量的測(cè)定

參考牛雪等[16]的方法。取1 mL膜法過(guò)濾得到的藍(lán)莓汁加入5 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%福林-酚試劑，搖勻反應(yīng)3～8 min，然后加入4.0 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.5% Na2CO3溶液，搖勻。室溫下放置60 min后在765 nm波長(zhǎng)處測(cè)吸光度。以蒸餾水為空白對(duì)照，用沒(méi)食子酸標(biāo)準(zhǔn)品建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到標(biāo)準(zhǔn)方程y=21.54x+0.007 2,R2= 0.999 4，定量范圍為0.01～0.05 mg/mL。測(cè)定出樣品的吸光度，用回歸方程計(jì)算出樣品溶液中總酚的含量。

1.2.4.4 總糖含量的測(cè)定

采用苯酚-硫酸測(cè)定法[17]。精確吸取不同膜法過(guò)濾得到的藍(lán)莓汁樣品2.0 mL，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%苯酚1 mL、濃H2SO45 mL，振蕩搖勻后沸水浴15 min，取出后迅速冷卻至室溫，測(cè)定490 nm波長(zhǎng)處的吸光度，以蒸餾水為空白對(duì)照，采用葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，方程為y=18.143x+0.001 4,R2= 0.999 8，定量范圍為0.01～0.04 mg/mL。測(cè)定樣品的吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計(jì)算出樣品總糖含量。

1.2.4.5 果汁pH的測(cè)定

使用手持式pH計(jì)測(cè)定。

1.2.4.6 果汁色差的測(cè)定

用色差計(jì)進(jìn)行分析[18]，其中：L*值表示亮度，L*越大亮度越大；a*值表示紅色強(qiáng)度；b*表示黃色強(qiáng)度。ΔE*表示總顏色變化，計(jì)算如公式(5)所示：

(5)

式中：L0，a0，b0是樣品在標(biāo)準(zhǔn)樣品的顏色值。

1.2.4.7 總酚、花色苷、總糖等組分的保留率

按照公式(6)計(jì)算組分保留率[19]：

(6)

式中：CP為滲透液中組分濃度；CF為進(jìn)料液組分濃度。

1.2.5 膜通量測(cè)定

通過(guò)一定時(shí)間內(nèi)測(cè)定的透過(guò)液體積(ΔV)，計(jì)算出過(guò)濾過(guò)程的膜通量(Jv)，其計(jì)算如公式(7)所示[20]：

(7)

式中：Jv為過(guò)濾過(guò)程中的膜通量，L/(m2·h)；ΔV是在相同時(shí)間間隔內(nèi)收集的透過(guò)液體積，L；Am為膜有效面積，m2(Am=7.34×10-3m2)；t為間隔時(shí)間，h。

1.2.6 zeta電位測(cè)量

zeta電位反應(yīng)了膜的電荷性。將超濾膜樣品裁剪成合適矩形大小，插入塑料試管中，浸入含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%聚丙烯酸的10 mmol/L KCl 溶液，通過(guò)zeta電位儀檢測(cè)膜表面電荷隨pH的變化情況。原始超濾膜記為M1，直接超濾后膜記為M2，順序超濾后膜記為M3，原始納濾膜記為M4，直接納濾后膜記為M5，順序納濾后膜記為M6。

1.2.7 接觸角測(cè)量

參考文獻(xiàn)[21]，將超濾膜樣品置于載玻片上并用雙面膠粘貼確保膜表面平整。微量進(jìn)樣器取2 μL 去離子水，每張膜樣品測(cè)3個(gè)不同的點(diǎn)取平均值。

1.2.8 掃描電鏡分析

采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(field emission scanning electron microscopy，F(xiàn)E-SEM)對(duì)膜表面微結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征[22]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

本實(shí)驗(yàn)所有數(shù)據(jù)均重復(fù)測(cè)定3次，使用SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用Origin 9.1軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同膜法工藝對(duì)藍(lán)莓汁理化指標(biāo)的影響

如表1所示，直接超濾對(duì)花色苷與總酚的保留率分別為92.7%和81.5%，這一結(jié)果與MADY等[23]探究不同超濾膜和跨膜壓力對(duì)總花色苷的保留率結(jié)論一致。經(jīng)過(guò)直接超濾后果汁澄清度提高，由28.84%增至為91.71%，與金振宇等[10]使用中空纖維超濾膜澄清藍(lán)莓汁，得到果汁的透光率為97.8% 結(jié)果相似。花色苷和總酚在直接超濾過(guò)程中沒(méi)有質(zhì)量平衡，可能涉及到溶質(zhì)分子與膜材料的相互作用、溶質(zhì)與殘留大分子的締合等。值得關(guān)注的是，直接超濾截留液中總糖比進(jìn)料液低但其營(yíng)養(yǎng)成分與原果汁較接近,且總花色苷及總酚分別為133.89 mg/L和0.80 g/L。直接納濾顯著提高了藍(lán)莓汁活性成分的含量，其截留液中總花色苷為430.94 mg/L是進(jìn)料液花色苷含量的2.6倍，總酚為3.81 g/L是進(jìn)料液總酚含量的2.9倍，可以得出直接納濾用于回收藍(lán)莓汁活性成分是可行的，同樣也有很多研究證明了膜濃縮花色苷的高效率[23-24]。要得到澄清的果汁，需要降低色值、花色苷含量，但降低花色苷含量會(huì)影響果汁的營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量。與直接膜法相比，順序膜法可得到的澄清度較高的藍(lán)莓汁且在一定程度上保留了藍(lán)莓汁的活性成分，如總花色苷含量為65.87 mg/L, 總酚含量為0.76 g/L，因此可以將其作為食品添加劑或者軟飲料的基質(zhì)。3種不同的膜工藝就回收花色苷及多酚方面以直接膜法為最佳，其次是順序膜法，可以以產(chǎn)品為導(dǎo)向選擇合適的膜工藝。

從色差結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)直接超濾藍(lán)莓汁的L*增加,這是因?yàn)槌瑸V除去了懸浮物固體，直接納濾滲透液具有最高L*，因?yàn)槠漭^低的截留分子質(zhì)量，致使大分子不能透過(guò)膜只能滯留在截留液中。花色苷的損失最明顯的特征是a*減少，通過(guò)直接超濾及超濾后納濾，藍(lán)莓果汁的a*相較于進(jìn)料液降低，而直接納濾截留液a*約為進(jìn)料液1.4倍，相應(yīng)的直接納濾藍(lán)莓汁截留液與進(jìn)料液色差最大。藍(lán)莓果汁過(guò)濾前后的樣品如圖3所示。

圖3 藍(lán)莓汁不同膜處理后的樣品示圖Fig.3 Blueberry juice samples of different membrane treatments

表1 過(guò)濾前后藍(lán)莓汁理化性質(zhì)變化Table 1 Physicochemical properties of blueberry juice after filtration

2.2 不同膜法工藝過(guò)程中膜通量的變化

如圖4所示，在所有過(guò)濾過(guò)程的前20 min，通量顯著下降，這是由于膜過(guò)濾過(guò)程中，果汁中大分子如蛋白質(zhì)、果膠等物質(zhì)不斷地堆積在膜表面，致使?jié)B透通量逐漸下降[25]，另外果汁成分復(fù)雜其溶質(zhì)分子在膜表面的吸附堵塞膜孔。直接納濾的膜通量從26.3下降至3.2 L/(m2·h)，順序納濾通量從34.5下降至8.4 L/(m2·h)，因此得出順序膜法在增大納濾膜通量方面有顯著效果。得到相同濃縮系數(shù)的濃縮液或澄清液，直接納濾需要約180 min，直接超濾則需要120 min，順序超濾納濾需要約133 min。因此，盡管直接納濾在濃縮生物活性成分方面效率較高，但其滲透通量低，耗時(shí)較長(zhǎng)。

圖4 膜過(guò)濾過(guò)程中膜通量的變化Fig.4 Changes of permeate flux with time during membrane filtration

2.3 膜法過(guò)濾前后膜特性的變化

2.3.1 zeta電位的差異

超濾納濾前后膜zeta電位的測(cè)定結(jié)果如圖5所示。

圖5 過(guò)濾前后膜zeta電位的變化Fig.5 Zeta potential changes of membrane with filtration注：M1-原始超濾膜；M2-直接超濾后膜；M3-順序超濾后膜；M4-原始納濾膜；M5-直接納濾后膜；M6-順序的納濾后膜(下同)

由圖5可知，M1及M4都帶有正電荷分別為5.63、1.64 mV，M2與M5的zeta電位均出現(xiàn)負(fù)電位分別為-0.24、-5.59 mV，且M5負(fù)電位的絕對(duì)值最大。zeta電位數(shù)值降低通常意味著膜表面污染層的形成，zeta電位的下降可以解釋為溶液中帶有負(fù)電荷的溶質(zhì)與膜在過(guò)濾過(guò)程中發(fā)生靜電相互作用，從而沉積或吸附于膜表面及孔內(nèi)，形成污染層，導(dǎo)致zeta電位的下降。M3與M6的zeta電位仍為正值分別為0.60、0.79 mV，可以看出M5受靜電相互作用的影響最大，膜污染是最嚴(yán)重的，可知順序膜法可以有效地減輕膜污染。這是因?yàn)橹苯映瑸V，直接納濾分別比順序超濾及順序納濾操作時(shí)間長(zhǎng)，致使溶質(zhì)中物質(zhì)與膜接觸時(shí)間增長(zhǎng)，又因離子化花色苷及酚酸在弱酸性pH值帶有負(fù)電荷[26]，因此直接膜法中，更多帶有負(fù)電荷的物質(zhì)滯留在膜表面，膜污染較為嚴(yán)重。

2.3.2 接觸角的差異

過(guò)濾前后膜接觸角的變化如圖6所示。

圖6 過(guò)濾前后膜接觸角的變化Fig.6 Changes of water contact angle on membrane with filtration

實(shí)驗(yàn)中所用膜接觸角小于90°均為親水性膜，且原始納濾膜的親水性比原始超濾膜強(qiáng)。M1接觸角為55.9°，M2的接觸角上升為78.3°，與此相反M3接觸角降低為46.9°，M4接觸角為13.9°，M5與M6的接觸角分別上升為46.4°和59.7°。可以看出，經(jīng)過(guò)過(guò)濾后，膜的親疏水性均發(fā)生了變化，說(shuō)明在過(guò)濾澄清及濃縮過(guò)程中，膜與藍(lán)莓汁某些溶質(zhì)成分相互作用使的表面性質(zhì)發(fā)生了改變[21]。順序超濾膜與直接超濾膜相比接觸角變化較小，是因?yàn)槠涑瑸V時(shí)間短，因而受到親水/疏水影響較小。順序納濾膜接觸角增大其疏水性增強(qiáng)，是因?yàn)轫樞蚣{濾以超濾滲透液為原料，因此含有更多大分子親水性物質(zhì)如果膠、蛋白質(zhì)等,它們的親水基團(tuán)由于親水相互作用而更易于黏附在親水膜表面，其疏水性基團(tuán)暴露在溶液中，這樣增加了親水膜的疏水性[27]。

2.4 膜表面微觀結(jié)構(gòu)的差異

圖7為原始膜與實(shí)驗(yàn)后膜表面微結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖。由圖7中可以看出，原始的超濾膜M1表面沒(méi)有雜質(zhì)，且較不平整。經(jīng)過(guò)超濾后，可以看到膜表面發(fā)生了一些變化，其中M2表面出現(xiàn)凸起的污染層，出現(xiàn)有輕微裂痕。M3中可以看到較平整的污染層均勻分布在膜表面，同時(shí)有裂痕出現(xiàn)。M5直接納濾后膜與M4原始的納濾膜相比，表面覆蓋了一層污染物，并有星點(diǎn)的白色污染物。M6順序納濾膜表面污染較小，沒(méi)有明顯的污垢層，可以解釋為超濾過(guò)程除掉大分子物質(zhì)，從而在后續(xù)納濾中減少污染，這與前面膜通量及Zeta電位的變化是相對(duì)應(yīng)的。即順序膜法在減輕膜污染方面有較好的表現(xiàn)。

a-M1；b-M2；c-M3；d-M4；e-M5；f-M6圖7 掃描電鏡觀察膜表面Fig.7 SEM images of membrane surface

3 結(jié)論

本文就直接膜法及順序膜法對(duì)處理得到的藍(lán)莓汁進(jìn)行比較，分析了不同膜法在處理果汁的優(yōu)缺點(diǎn)，有利于開(kāi)發(fā)以產(chǎn)品為導(dǎo)向的膜工藝。其中直接納濾得到的截留液中花色苷與總酚含量分別為430.94 mg/L和3.81 g/L，證實(shí)了納濾可以濃縮回收藍(lán)莓汁中的活性成分，可用于生產(chǎn)天然著色劑或添加到營(yíng)養(yǎng)保健品中。但其耗時(shí)較長(zhǎng)，且膜污染最為嚴(yán)重。直接超濾可以除去藍(lán)莓汁中大分子懸浮固體，可用于前處理澄清果汁，適合于產(chǎn)生透明的滲透液和富含酚類化合物的截留液。順序膜法適合用于生產(chǎn)較澄清且營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高的藍(lán)莓汁，可將其作為食品添加劑或做軟飲料的基質(zhì)同時(shí)可以增加膜通量，減少膜污染，縮短減少過(guò)濾時(shí)間。