膜分離技術在果蔬加工中的研究進展

膜分離技術在果蔬加工中的研究進展

隨著消費觀念的更新，人們越來越重視飲食和健康，天然食品和綠色植物的消費變得越來越流行。因此,富含天然維生素和微量元素的果汁飲料日益受到人們歡迎。此外,我國水果資源豐富,近年來水果連續(xù)增產,客觀上也推動了果汁業(yè)的發(fā)展。但是,傳統的果汁加工工藝過程復雜,果汁產率低且品質較差,制約了果汁業(yè)的發(fā)展。而膜分離技術則可一定程度上彌補傳統工藝的不足,并且具有常溫操作,無相變及化學變化,選擇性高及能耗低等優(yōu)點,因此已廣泛應用于果汁加工業(yè)。選擇適當的分離膜和操作參數,即可實現果汁的澄清、濃縮、脫氣等。本文主要介紹國內外膜分離技術在果汁加工中的研究進展。1膜分離工藝特點膜分離技術以天然或人工合成的高分子膜為分離介質,以外加壓力或化學位差為推動力,對雙組分或多組分物質溶液進行分離、提純、濃縮。膜分離應用于食品工業(yè)具有如下優(yōu)勢:設備簡單,操作方便;常溫操作,避免了加工中的熱過程,高度保持了產品的色香味及各種營養(yǎng)成分;分離過程不發(fā)生相變,揮發(fā)性成分損失較少;能耗低,選擇性好,分離范圍廣;在密閉系統中進行,避免了空氣中的氧與原料的接觸,減少了原料中的色素分解和褐變反應。1.1膜蒸餾md幾種類型可用于果汁加工的膜分離過程主要有微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)、反滲透(RO)、電滲析(ED)、膜蒸餾(MD)六種類型。它們的分離特性如表1所示。1.2膜分離參數的優(yōu)化膜分離性能主要由滲透通量和截留率表征。影響膜分離性能的主要參數有溶液狀況(包括料液濃度、pH值及離子強度等)、操作條件(包括跨膜壓差、溫度、循環(huán)流速等)和膜特性(包括膜材料及其構型、膜表面的親水/疏水性、膜孔大小及其分布等)。這些參數的優(yōu)化對實際膜分離過程十分重要。一般先通過對待分離體系進行小試,測定不同條件下的滲透通量和截留率,從而確定最佳的分離性能參數。2納濾、反滲透分離法果汁,是“未發(fā)酵但可發(fā)酵,適宜直接食用,采用機械方法從質量好、成熟的水果中制取,僅用物理方法保存,可以濃縮以保留其基本成分和質量要素,然后再加水可復原成果汁”的天然飲品,因而備受人們青睞。但傳統的加工工藝復雜、風味物質和營養(yǎng)成分損失多、成本高、能耗大,而利用膜分離技術則能有效克服這些缺陷。在果汁加工中,超濾多用于果汁的澄清、脫苦、脫色、脫酸、回收果膠和酶;納濾用于果汁的濃縮;反滲透用于果汁的預濃縮、脫酸及回收果膠;電滲析可用于果汁的脫苦、脫色、脫酸;膜蒸餾可用于果汁的濃縮、脫氣。2.1超濾技術的應用早在1977年,Heatherbell等就把超濾技術應用于蘋果汁的澄清。通過超濾或微濾來澄清果汁,只需先部分脫除果膠,既可減少酶的用量,同時果汁的提取率也有所提高,可達98%～99%。此外,經過超濾處理的果汁質量也有所提高,濁度僅0.4～0.6NTU(傳統工藝為1.5～3.0NTU)。又因超濾可無加熱除去果汁中的微生物,因而可延長果汁的保質期。隨后,人們又對梨汁、柑橘汁和檸檬汁、菠蘿汁、西番蓮汁的澄清進行了研究。在法國,微濾也廣泛應用于蘋果汁的澄清,其效果與超濾相同。臧大存等對超濾法加工獼猴桃清汁進行了研究。研究表明,用截留分子量為10000的CA-醋酸纖維素膜平板式超濾器,N2氣加壓處理果汁,Vc保存率高達98%。近年來,無機膜在果汁過濾中逐漸顯示其優(yōu)越性,由于具有較長的使用壽命,高質量的濾汁和較高的滲透通量等性能,陶瓷膜澄清蘋果汁在工業(yè)上已獲得了廣泛的應用。目前,國產膜面積為220M2的果汁澄清用陶瓷膜裝置,其處理量可達17M3/h,全自動控制運行,處理效果達到并超過國外陶瓷膜的處理效果。此外,人們也對影響膜的分離性能參數進行了研究。Vladisavljevic等對使用陶瓷膜超濾脫果膠蘋果汁的滲透通量進行了研究。結果表明,當跨膜壓力為200KPa時,通量達最大的穩(wěn)定狀態(tài),溫度升高可使通量增大,在一定范圍內,滲透通量與進料速率成正比。2.2納濾和反滲透果汁濃縮可以減少體積,便于儲存和運輸,還可以提高其貯存的穩(wěn)定性。傳統上多采用多級真空蒸發(fā)濃縮,但該法易使芳香物質揮發(fā)而導致果汁風味變差、色澤改變和“蒸煮味”的產生,能耗也高,故現在多采用膜分離技術進行濃縮。可用于果汁濃縮的膜分離技術有反滲透、納濾和膜蒸餾(包括滲透蒸餾)。用反滲透濃縮果汁,濃縮倍數取決于果汁的滲透壓,為提高膜分離過程的效率,膜分離壓力通常為果汁滲透壓的數倍。但隨著果汁的濃縮,其滲透壓也隨之增大而分離設備的承受能力有限,故通常只能將果汁濃縮至原濃度的2～5倍,一般只能濃縮到25～30波美度,所以工業(yè)生產中多以反滲透進行預濃縮。納濾膜由于其孔徑很小,可截留住較大分子量的物質,故與反滲透相結合可用于果汁的高度濃縮。近年來,人們還開展了對膜蒸餾濃縮果汁的研究。由于膜蒸餾可以在較低的溫度下進行,故對含熱敏性物質果汁的濃縮具有實用意義。同時,其能力也是反滲透過程無法比擬的,濃溶液極高的滲透壓會使反滲透過程無法進行,而膜蒸餾則可把溶液濃縮至過飽和狀態(tài)。此外,作為膜蒸餾特殊操作形式的滲透蒸餾,其傳質機理與膜蒸餾相似,疏水微孔一側為待濃縮的料液,另一側為高濃度鹽水,在滲透壓的作用下料液一側的水蒸汽就會透過膜孔進入鹽水,而使料液濃縮.據報道,采用膜蒸餾和滲透蒸餾對蘋果汁、葡萄汁、柑橘汁、西番蓮汁進行濃縮,可使果汁中的可溶性固形物含量高達60%以上。2.3膜蒸餾脫氣技術的操作通常,果肉組織間隙內有一定量的氧氣,果汁加工用水中也會不同程度溶解部分氧氣。在果汁加工中,這部分氧氣與果肉細胞作用,會導致果汁顏色變化、風味變劣及產生后渾濁,影響產品質量。作為膜蒸餾特殊操作形式的水相脫氣,是一種操作方便、成本低、效率高的脫氣技術。使果汁與疏水微孔接觸,在膜的另一側抽真空,只要合理控制膜的孔徑,即可使溶解的氣體在真空中脫出,而不使水在真空下透過膜孔,從而達到脫氣目的。2.4合膜超濾技術果汁中的色素物質、有機酸和柑橘類果汁中的苦味物質會破壞果汁的風味及穩(wěn)定性,影響產品質量。Bomeman等用聚酯醚砜(PES)/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)復合膜超濾技術澄清蘋果汁,可脫除31%的色素,從而使果汁的穩(wěn)定性大大提高。劉茉娥等用電滲析脫除果汁中的有機酸,可減低果汁酸度,提高果汁質量;Hermandez等人利用超濾和二乙烯基聚苯乙烯基樹