膜分离技术在果汁加工中的应用

摘 要：文章主要针对果汁加工过程中使用的各种膜分离技术（超滤、纳滤、反渗透、电渗析、膜蒸馏等）及其性能进行分析讨论，在果汁加工中膜分离技术可用于果汁澄清、浓缩、脱气、脱酸、脱苦、脱色等过程。

关键词：膜分离；果汁加工；反渗透；超滤

前言

膜分离技术是建立在材料化学和高分子化学的迅猛发展的基础上，模拟生物体系中膜结构的选择透过性以及对膜材料进行物理结构和表面亲和性进行改良，在浓度差或压差的推动下，实现体系中不同组分有效分离的新型化工分离技术（区别于传统精馏）。膜分离技术主要包括反渗透、电渗析、超滤及纳滤等，经过半个多世纪的发展，已经广泛运用于海水及苦咸水淡化、食品加工、高纯水制备、中药有效成分的提取及纺织印染业废水处理等领域，实现了经济效益与社会环境效益的双赢。

传统的果汁加工业在原果蔬汁预处理后，为提高出汁率，在必要的分离纯化基础上，往往还需要经过复杂的加热、酶处理与冷冻浓缩等过程，果汁中营养物质散失严重，同时也增大了加工工艺中的能耗从而降低了产品的附加产值。采用膜分离技术对原果蔬汁中损害果汁营养的生物酶及细菌等杂质进行分离具有常温操作、选择性好、无相变过程和无生物污染等优点，同时大大降低了工艺能耗，是果汁加工领域技术发展的必然趋势。下面详细介绍膜分离技术在果汁加工中的应用。

1 各种膜的分离技术

膜分离技术包括：微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）、电渗析（EO）、膜蒸馏（MD）等。

各种膜分离技术在传递机制、膜材料组成、截留分子量及推动力等多方面均有差异，适应于不同体系组分的分离。膜分离性能由渗透通量（主要是水）、截留率、孔道特征和完整性实验表征，影响因素包括膜材料特性（最核心因素，涉及膜两侧亲水疏水性、孔径大小及分布）、待分离体系的性质（浓度，PH值等）、操作条件（膜两侧压差、温度、流速等）。

2 膜分离技术在果汁加工中的应用

果汁的加工过程主要包括四大部分：果汁澄清、果汁浓缩、果汁脱气，果汁脱酸脱色脱苦，是各种膜分离技术集成的结果。

2.1 果汁澄清

经粉碎粗滤处理得到的原果蔬汁是一个组分复杂的多相体系，含有果胶（分子量约为5万-30万）、淀粉、维生素等大分子，溶解的离子及细菌等。由于果胶的存在使果汁整体粘度增大，不利于压榨时出汁率的提高，实际加工时往往可以采取多种方式除去，包括自然沉降澄清、加热凝聚澄清、酶处理法澄清等。酶处理法主要加入果胶酶，将果肉内的果胶分解为半乳糖醛酸从而达到分离纯化的效果，极大地保留果汁中的氨基酸、维生素和矿物质。考虑到初级果汁中各项组分及果胶粒径范围，可以采用一定截留量的超滤膜辅助酶处理法进行果汁的澄清操作。即先使用少量果胶酶除去一部分果胶，再用超滤膜分离残余果胶，这样不仅节约了酶用量，增大了超滤操作时的膜通量，减少膜孔堵塞等问题，而且在不加热的条件下除去了果汁中的大多数细菌。

近年来该法已经在实际果汁加工研究中取得了很好的成效，蔡同一等（1997）使用超滤膜进行草莓汁处理，芳香酸与醇得到很好保留，澄清度达到97.8%以上；师俊玲（1999）采用聚砜材料超滤膜处理猕猴桃汁，VC保留值达到97.36%。

2.2 果汁浓缩

实际生产工艺上为提高果汁中含糖量与酸度，保证不同采摘日期下果汁质量风味的均一化，同时为了节约果汁包装及运输费用，往往对果汁进行浓缩处理。传统工艺为多级真空蒸发浓缩或冷冻浓缩，热量变化不仅会使果汁中营养成分流失，同时降低芳香物质含量，改变果汁色泽风味。相比之下，采用膜分离技术进行果汁浓缩可在常温下操作，减小能耗的同时避免有效成分挥发，保证产品质量，可用于果汁浓缩过程的膜分离技术有反渗透、纳滤和膜蒸馏。

研究显示使用反渗透膜进行果汁浓缩所需能量约为蒸发浓缩的1/7，冷冻浓缩的1/2。尽管反渗透能够选择性透过水分子，除去其他可溶物，分离效果极佳，然而随着反渗透浓缩过程进行，料液侧的渗透压随浓度增大而逐步增大，所需操作压力相应增大，对分离设备的抗压能力要求也提高。因而在实际生产中往往采用反渗透与纳滤结合的方式进行浓缩，即先通过反渗透预浓缩一部分果汁，在料液渗透压达到一定程度后改用纳滤膜（孔径很小）操作，截留其他溶质、盐和糖等。例如在葡萄汁的浓缩加工处理时，由于苹果酸等对制得的葡萄酒质量影响很大，可以通过反渗透除去大部分溶解杂质，再通过纳滤调节组分含量。

果汁浓缩过程也可通过渗透蒸馏（膜蒸馏特殊操作形式）完成，渗透蒸馏的迁移机理如下：

采用微孔疏水膜进行处理，膜两侧分别为待浓缩的料液和浓盐水，可挥发组分经加热汽化，通过扩散或对流方式在膜两侧迁移，实现物料的浓缩。据报道，采用渗透蒸馏法进行果汁（苹果汁、葡萄汁等）浓缩，果汁中可溶性固形物含量高达60%以上。此外，渗透蒸馏法排除了反渗透浓缩时料液渗透压变化带来的操作压差问题，同时在高倍浓缩时，对果汁中某些有效组分（糖、有机酸等）的截留率可达100%。

2.3 果汁脱气

果肉细胞呼吸作用的进行使细胞间隙中存留氧气、二氧化碳等气体，加工过程中容易将果汁中维生素、芳香剂、色素等物质氧化，影响果汁风味和外观，同时造成颗粒物悬浮，因此脱除这部分气体。采用的有效脱除方式是水相脱气法（膜蒸馏特殊形式），依据气体在水中溶解度与其表面分压成正比这一原理，逐渐降低氧气分压，从而使溶氧逸出。操作时将微孔膜一侧与果汁接触，另一侧抽真空，调节孔径可实现氧气的选择性脱除。

2.4 果汁脱酸脱色脱苦

原果蔬汁经前几步加工处理后，仍残留少量有机酸、苦味物质和色素等，往往会破坏果汁饮用时的风味，降低产品质量。

果汁脱酸：据刘茉娥等人介绍利用电渗析膜（两侧均用阴膜， 酸根一侧渗出，另侧渗入OH-与H+中和），可以有效脱除果汁中的有机酸，降低果汁酸度，提高产品质量和口感。

果汁脱色：果汁不仅可以使用各种合成树脂进行脱色处理，还可以采用超滤技术进行处理。Borneman等人用聚酯醚砜（PES）/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）复合膜超滤技术脱除苹果汁中31%的色素，另有报道称截留分子量为20～50KDa的超滤膜对红霉果浆废水中的花青素的回收率达80。

果汁脱苦：柑橘类果汁柚皮苷、类柠檬苦素等的存在，极大地影响破坏了产品的品质和商业价值。目前可采取吸附、超临界CO2脱苦等方式，此外，超滤技术能有效降低果汁中苦味物质含量。例如，Hernandez等人研究了利用超滤和树脂吸附的联合过程对葡萄柚汁进行脱苦，柚皮苷、类柠檬苦素几乎完全脱除，分离效果极高，但由于膜性能不够稳定，还没有实现大规模工业使用。

3 结束语

膜分离技术有其各自的优点、应用范围和一定的局限性，在果汁加工过程的各个阶段均发挥了非常重要的作用。不仅极大地提高了产品质量，而且简化生产工艺，降低能耗，我们也很容易发现多种膜分离技术联用可以克服许多单一膜分离无法解决的障碍，集成膜分离技术的发展前进广阔，此外性能更为优良的膜材料制备也是我们今后必须思考和解决的大问题。

参考文献

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