有機膜過濾濃縮魚粉壓榨汁中營養(yǎng)物的研究

楚曉青，王嘯宇，付晚濤,3*

(1. 大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院 遼寧大連116023；2. 大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院 遼寧大連116023；3. 遼寧省高校近岸海洋環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點實驗室 遼寧大連116023)

0 引 言

近幾年來，隨著我國養(yǎng)殖行業(yè)的迅速發(fā)展，飼料問題成為人們關(guān)注的熱點[1]。魚粉由于富含優(yōu)質(zhì)動物蛋白質(zhì)，是養(yǎng)殖行業(yè)非常重要的蛋白質(zhì)來源[2]，而且隨著養(yǎng)殖行業(yè)的發(fā)展，對魚粉飼料需求量也在不斷增加[3]。其中魚粉壓榨汁是魚粉制作過程中經(jīng)過蒸煮、壓榨、除油等工藝所形成的[4]，其產(chǎn)生量約是魚粉產(chǎn)量的2 倍，而且含有豐富的蛋白質(zhì)、微量元素和其他營養(yǎng)物質(zhì)[5]，因而具有較大的回收利用價值，如果將其直接排放容易造成資源浪費[6]，甚至?xí)瓠h(huán)境污染。目前魚粉生產(chǎn)流程采用烘干濃縮技術(shù)，但能耗太高，產(chǎn)生較大的成本。如何有效、相對低能耗地回收魚粉壓榨汁中的營養(yǎng)物質(zhì)是生產(chǎn)中迫切需要解決的問題。

膜分離技術(shù)包括多種形式，如反滲透、微濾、超濾等[7]，同時膜的種類較多，有機膜材料主要有聚砜、聚氟乙烯等[8]。本論文主要采用PS 聚砜有機膜過濾的方式濃縮魚粉壓榨汁中的營養(yǎng)物，同其他分離方式相比，具有節(jié)能、環(huán)保特點，并起到分離、純化的作用。其中由于聚砜有機膜具有良好的耐溫性能、滲透功能，在膜分離技術(shù)方面發(fā)揮著重要作用。聚砜有機膜主要是基于分子水平，利用混合物選擇性地透過膜兩側(cè)，從而對混合物進(jìn)行分離、提純[9]。本文將魚粉加工過程中的壓榨汁作為研究對象，以確定膜過濾方法的實驗效果。

1 材料與方法

1.1 實驗材料及設(shè)備

實驗儀器及設(shè)備：100 mL 燒杯、500 mL 燒杯、1 L 燒杯、500 mL 和1 000 mL 量筒、Φ90 mm 玻璃培養(yǎng)皿、計時器、塑料桶、分析天平(FA2004，上海上平儀器有限公司)、烘箱(PH-070A，上海一恒科學(xué)儀器有限公司)、硅膠管、PS 聚砜有機膜(膜孔徑0.02μm，有效膜面積為0.37 m2，天邦膜技術(shù)國家工程研究中心有限責(zé)任公司)、蠕動泵(Masterflex L/S Easy-Load II 泵頭 77200-50)。

實驗主要材料：魚粉生產(chǎn)壓榨汁來源于大連市某魚粉生產(chǎn)企業(yè)新鮮生產(chǎn)的壓榨汁，并在6 h 內(nèi)送回實驗室分裝、冷凍保存。

1.2 魚粉壓榨汁成分分析

實驗前一天將冷凍保存的魚粉壓榨汁取出，室溫放置24 h 解凍，然后用量筒量取一定量的樣品，以測量其中干物質(zhì)、蛋白質(zhì)、脂肪的含量。蛋白質(zhì)和脂肪含量測量分別依據(jù)《食品中蛋白質(zhì)的測定》[10]和《食品中脂肪的測定》[11]。

干物質(zhì)含量的測量、計算方法：取玻璃培養(yǎng)皿(Φ90 mm)進(jìn)行稱重(M1)，然后取一定量壓榨汁于玻璃培養(yǎng)皿中稱重(M2)，將樣品在烘箱中95 ℃烘干至恒重后稱重(M3)，按照式(1)計算壓榨汁中干物質(zhì)含量：

其中：C為干物質(zhì)含量(g/100 g)，M1為玻璃培養(yǎng)皿的質(zhì)量(g)，M2為玻璃培養(yǎng)皿和壓榨汁的質(zhì)量(g)，M3為烘干后干物質(zhì)和玻璃培養(yǎng)皿的質(zhì)量(g)。

1.3 膜過濾實驗方法

同樣采用解凍24 h 壓榨汁。實驗當(dāng)天用量筒量取10.0 L 魚粉壓榨汁倒入塑料桶中，攪拌壓榨汁以混合均勻。用硅膠管將膜過濾裝置連接，打開蠕動泵，驅(qū)動裝置運行，使魚粉壓榨汁樣品通過膜過濾組件。膜過濾壓榨汁示意圖見圖1，過濾裝置設(shè)有2 個出口，一個為濃縮液出口，另一個為清液出口。在裝置運行過程中觀察膜過濾情況適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)蠕動泵的轉(zhuǎn)速，并記錄蠕動泵運行轉(zhuǎn)速和運行時間。過濾24 h后關(guān)閉蠕動泵，量取濃縮液和清液的體積，并取樣品測量其中干物質(zhì)、蛋白質(zhì)和油脂的含量。

圖1 膜過濾裝置Fig.1 Membrane filtration device

1.4 膜過濾通量的計算方法

膜通量是指單位時間內(nèi)通過單位膜面積上的流體量，膜過濾通量計算如式(2)所示：

其中：J為膜通量(L/m2·h)，V為取樣體積(L)，T為過濾裝置運行時間(h)，A為實驗中所使用的濾膜的有效面積(m2)。

1.5 數(shù)據(jù)分析處理

除膜過濾通量外，其他指標(biāo)測定均設(shè)3 組平行實驗，主要采用SPSS 20 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 魚粉壓榨汁成分分析

魚粉壓榨汁成分分析結(jié)果見表1。壓榨汁中蛋白質(zhì)含量占干物質(zhì)含量的86.05%。因此，采用有機膜過濾方法濃縮壓榨汁中蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)可以減少損失壓榨汁中的營養(yǎng)成分。

表1 魚粉壓榨汁的成分Tab.1 Ingredients of fish meal pressed juice

2.2 膜過濾對壓榨離心液的處理效果

PS 聚砜有機膜過濾魚粉壓榨液24 h 前后壓榨汁原液、過濾后的濃縮液和清液表觀性狀見表2。

表2 各組分的表觀性狀Tab.2 Apparent properties of each component

從表2 中可以看出，魚粉壓榨汁樣品通過膜過濾裝置之后，濃縮液黏稠度增加、清液顏色變淺、刺鼻性氣味減輕，該實驗現(xiàn)象表明膜過濾實驗具有一定的實驗效果。

2.3 膜過濾對干物質(zhì)含量的影響

PS 聚砜有機膜過濾魚粉壓榨液24 h 后，濃縮液和清液的干物質(zhì)含量見表3。

表3 各組分中干物質(zhì)的含量Tab.3 Dry matter content of each component

實驗結(jié)束后分別測量濃縮液、清液的體積，濃縮液體積為1.8 L，清液體積為8.0 L，約為濃縮液體積的4.5 倍。從表1 可知，初始魚粉壓榨汁樣品的干物質(zhì)含量均值為8.46 g/100 g，清液的干物質(zhì)含量均值為 6.45 g/100 g，與魚粉壓榨汁樣品相比下降了23.76%；濃縮液的干物質(zhì)含量均值為12.13 g/100 g，與魚粉壓榨汁樣品均值相比增加了43.38%。該實驗結(jié)果表明，魚粉壓榨汁在過濾過程中不斷濃縮，導(dǎo)致濃縮液體積減小、干物質(zhì)含量增加。有研究發(fā)現(xiàn)，使用0.2μm 孔徑的膜過濾茶湯，并經(jīng)膜組件進(jìn)行分離、濃縮，其中約有50%的干物質(zhì)能夠透過膜組件[12]。由此可見，膜分離技術(shù)在對物質(zhì)進(jìn)行分離、濃縮等方面具有重要的作用。

2.4 膜過濾對脂肪、蛋白質(zhì)含量的影響

PS 聚砜有機膜過濾魚粉壓榨液24 h 后，濃縮液和清液的蛋白質(zhì)、脂肪含量見表4。

表4 各組分脂肪、蛋白質(zhì)的含量Tab.4 Fat content and protein content of each component

該實驗結(jié)果表明，魚粉壓榨汁經(jīng)有機膜過濾后能將清液中脂肪全部分離，蛋白質(zhì)含量有所降低，濃縮液蛋白質(zhì)含量升高。由于蛋白質(zhì)會吸附在聚砜膜表面，這是一個復(fù)雜多變的現(xiàn)象[13]，且隨著時間的延長逐漸加劇，并發(fā)生較強的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致出現(xiàn)膜污染現(xiàn)象[14]，而膜污染會導(dǎo)致膜通量的下降，進(jìn)而降低膜分離的效率[15]。同時，由于裝置運行時間延長，可能會引起儀器發(fā)熱，導(dǎo)致樣品中某些物質(zhì)發(fā)生變化，從而影響實驗結(jié)果。有研究表明聚醚酮材料膜可以有效地去除茶汁中的蛋白質(zhì)、果膠等物質(zhì)[16]，因此為了提高膜分離的效率，可以使用其他材質(zhì)的膜或?qū)垌磕みM(jìn)行改性研究。

2.5 膜過濾通量的計算

通過實驗可知，裝置運行時間為24 h，濾膜的有效膜面積為0.37 m2，理論上取樣體積為70.6 L，依據(jù)膜過濾通量計算公式進(jìn)行計算，本次實驗的膜過濾通量為7.95 L/m2·h[17]。在裝置運行中可能會由于聚砜膜受到污染而影響整個實驗過程的膜通量[18]。

3 結(jié) 論

本文利用聚砜有機膜的特性，將魚粉壓榨汁通過膜過濾裝置以達(dá)到分離、濃縮魚粉壓榨汁中的營養(yǎng)物的目的。經(jīng)有機聚砜膜過濾24 h 后，濃縮液中體積僅為壓榨汁初始體積的18%，濃縮液中干物質(zhì)(含有77.66%蛋白質(zhì))含量比初始壓榨汁高43.38%，可見有機聚砜膜過濾濃縮壓榨液中營養(yǎng)物質(zhì)為后續(xù)研究提供了基礎(chǔ)。但由于聚砜膜的使用具有一定的局限性，在企業(yè)生產(chǎn)中使用時易產(chǎn)生一些麻煩，如出現(xiàn)膜污染現(xiàn)象。張建友等[19]對陶瓷膜微濾濃縮鳀魚蒸煮液進(jìn)行了研究，他們通過改變壓力、溫度、陶瓷膜孔徑、蒸煮液濃度等條件影響膜通量，并確定了膜過濾的最優(yōu)條件。楊青莉等[20]對聚砜膜進(jìn)行研究，結(jié)果表明過濾時間、pH 都會對聚砜膜造成污染。因此，還需繼續(xù)進(jìn)行研究，找到膜過濾的最優(yōu)條件，提高膜過濾的效率，減輕或解決一些實際生產(chǎn)問題，以達(dá)到更好的生產(chǎn)實驗效果。