全 文 ：文章编号 :100028551 (2008) 052679207
膜分离技术在果汁浓缩中应用的研究进展
苏学素1 　焦必宁2
(11 西南大学化学化工学院 ,重庆　400715 ; 21 中国农业科学院柑桔研究所Π国家柑桔工程技术研究中心 ,重庆　400712)
摘 　要 :传统的多级真空蒸发浓缩技术的应用常因加热而导致果汁质量下降。最有前途的替代法是反渗
透浓缩 ,但高渗透压使其很难以单级系统把果汁浓缩到超过 25～30°Bx。近年来 ,新研发的膜和膜过程
包括膜蒸馏、渗透蒸馏和集成膜技术可以弥补反渗透浓缩果汁技术的缺陷。本文综述了反渗透、直接渗
透、膜蒸馏、渗透蒸馏以及集成膜分离技术在浓缩果汁加工中的应用研究进展 ,分析了各自的特点和存
在的问题 ,并展望了膜浓缩果汁技术的应用前景。
关键词 :膜分离技术 ;浓缩 ;果汁
RECENT ADVANCES ON MEMBRANE SEPARATION TECHNOLOGY FOR
THE CONCENTRATING FRUIT JUICES
SU Xue2su1 　J IAO Bi2ning2
(11 School of Chemistry and Chemical Engineer , Southwest University , Chongqing 400716 ;
2. Citrus Research Institute of Chinese Academy of Agricultural SciencesΠThe National Center of Citrus Engineering Technology , Chongqing 400712)
Abstract :Traditionally , fruit juices have been concentrated by multi2stage vacuum evaporation , resulting in a loss of fresh
juice flavors due to the thermal effects. The promising alternative is reverse osmosis concentration. However , it cannot reach
concentrations larger than 25 to 30°Brix with a single2stage RO system due to higher osmotic pressure limitation. Technological
advances related to the development of new membranes and improvements in process engineering have been proved to overcome
this limitation. New membrane processes , including membrane distillation and osmotic distillation , and integrated membrane
processes are still being identified and developed in concentrated fruit juice processing to improve product quality and reduce
energy consumption. Recent advances and developments of membrane processes for concentrating fruit juices are reviewed , and
research trends in membrane concentration techniques have also been discussed in this paper.
Key words :fruit juices ;concentration ;membranes
收稿日期 :2008205221 　接受日期 :2008207208
基金项目 :重庆市教委项目 (030209) ,中国农科院和意大利国家研究理事会 (CNR)合作项目和西南大学博士启动基金项目。
作者简介 :苏学素 (19652) ,女 ,重庆合川人 ,副教授 ,博士 ,从事食品化学及加工技术研究。
通讯作者 :焦必宁 (19642) ,男 ,安徽怀宁人 ,研究员 ,从事农产品贮藏与加工研究。E2mail : bljiao @tom. com　　果汁浓缩 ,不仅可减少果汁容积 ,便于贮藏运输 ,还能提高果汁贮藏的稳定性。工业上浓缩果汁系通常采用多级真空蒸发法 ,但该法由于热影响易导致果汁芳香成分大量损失 ,色泽分解和“煮熟味”的产生 ,且能耗高。近几十年来 ,为提高产品质量、降低能耗 ,人们致力于能保留鲜果汁风味的浓缩新技术如冷冻浓缩、升华浓缩以及膜浓缩技术的研究。目前最有可能替代热蒸发法的是膜分离技术。 果汁膜浓缩一般采用反渗透法 ,但由于高渗透压的限制很难以一级方式把果汁浓缩到蒸发法所能达到的浓度。正是这一缺陷 ,使反渗透浓缩技术迟迟未能实现工业化。近年来 , 随着膜材料、膜组件以及渗透蒸馏膜技术的发展 , 集成膜技术应运而生 ,实现了多种膜分离过程的有机结合 ,可以把果汁浓缩到理想的倍数 ,有望克服反渗透浓缩的缺点。本文综述了反渗透、直接渗透、膜蒸馏、渗透蒸馏以及集成膜过程在浓
976　核 农 学 报　2008 ,22 (5) :679～685Journal of Nuclear Agricultural Sciences
缩果汁加工中应用的研究进展 ,并指出膜浓缩果汁技
术的研究方向 ,以期为膜分离技术在果汁加工中的应
用提供科学参考。
1 　反渗透在果汁浓缩中的应用
反渗透法 ( Reverse osmosis , RO) 浓缩果汁一直是
近 30 年来果汁加工业的关注热点。与传统蒸发法相
比 , 反渗透浓缩果汁在低温下进行 ,无相变 ,具有较好
保存果汁风味和营养成分、降低能耗和操作简单等优
点。利用反渗透膜浓缩技术 ,人们分别对橙汁、苹果
汁、梨汁、葡萄汁、菠萝汁、番茄汁等进行了研究 , 重点
探究膜种类、操作条件对膜通量及果汁中风味物质截
留率的影响。
研究表明 ,果汁风味物质的截留率与膜组件的构
型、膜种类以及操作条件密切相关。其中 ,板式膜组件
与卷式膜组件相比 ,后者因单位体积内装填密度大 ,膜
面积大 ,而对风味物质的截留能力强[1 ] 。就膜的种类
而言 ,醋酸纤维素膜更容易截留橙汁中的脂溶性风味
成分 ,但水溶性风味成分损失较大。与卷式醋酸纤维
素膜 (CA299)和聚乙基脲膜 ( PEU) 相比 ,卷式聚酰胺膜
(PA299)具有较高通量 ,能截留大部分苹果汁风味物质
和橙汁中的糖、酸以及易挥发性成分 ,总截留率为
93 % ,糖截留率 (98 %)高于酸截留率 (85 %) ,糖酸比增
加改善了口感 ,提高了果汁质量[2 ,3 ] 。此外 ,操作条件
也影响果汁风味物质的截留。通常操作温度升高会使
风味物质的透过率增加 ,但这取决于风味物质的种类。
如卷式聚酰胺膜浓缩苹果汁的温度由 20 ℃提高到
40 ℃时 ,己醛的回收率由 4117 %下降到 2912 % ,12乙基222甲基丁酸的截留率由 5616 %降至 5018 %。操作压
力增加 ,增大了膜通量 ,缩短了操作时间 ,减少了因挥
发和膜吸附造成的风味成分损失 ,使截留液与透过液
中的风味物质相对增多[4 ] 。Alvarez 等人[5 ] 利用螺旋平
板式聚酰胺膜对苹果清汁进行浓缩研究 ,发现操作压
力 (115～35MPa)和料液流速 (200～600LΠh)越大 , 风味
物质的截留率也越大。当操作压力由 315MPa 升至
5MPa 时 , 己醛和 12乙基222甲基丁酸的截留率都增加
了 20 %。
影响反渗透 RO 膜通量的因素主要有压力、温度、
进料流速等。在反渗透过程中适当提高压力 , 有利于
水分子透过膜提高膜通量。压力的增加还会增大果汁
的最大浓缩比。Alvarez[4 ] 等分别在 315、415 和 515MPa
的压力下对苹果清汁进行浓缩 , 浓缩终点度分别达到
19、23 和 2715°Bx。温度升高增大了分子传质速率 ,提
高了膜通量[4 ] 。Sheu 和 Wiley[6 ] 在进行 RO 浓缩苹果
清汁的试验中发现 , 温度每升高 1 ℃, 膜通量提高3 %
～4 %。同时温度的升高 ,也使膜表面的浓差极化现象
减弱 ,从而减少膜污染。增大进料流速 ,可使料液搅动
增强 ,传质系数提高 ,同时也增大了膜面剪切力 ,加快
了大分子物质离开膜面的速度 ,从而减少浓差极化和
凝胶层厚度 ,有利于提高膜通量。但过高的进料流速 ,
不但不经济 ,膜通量的增加也不显著。Alvarez 等[4 ] 的
研究表明 ,用 RO 浓缩苹果汁时 ,当进料流速超过 115
～2mΠs 时 ,膜通量就不再增加。
随后 ,álvarez 等[7 ,8 ]利用毛细管优先吸附原理建立
了试验室和中试规模反渗透浓缩苹果汁的膜通量和风
味物质截留的预测模型。在操作条件范围内 ,大部分
风味物质截留率的试验值和理论值吻合。在 25 ℃,跨
膜压差 ( TMP) 710MPa ,料液流速 4200LΠh ,浓缩度超过
22°Bx 时 ,膜通量仍高于 25 (LΠm2·h) ,并且大多数风味
物质的截留率高于 80 %。
此外 ,酶及微滤预处理橙汁能够提高膜通量而不
影响可溶性成分的回收[3 ] 。然而 ,Bowden 和 Isaacs[9 ]对
菠萝汁进行研究时却发现 ,酶解后的清汁与酶解前的
浊汁具有相同的膜通量。
大量研究显示[3 ] ,用纤维素和非纤维素膜进行反
渗透浓缩果汁具有高通量和较好保留风味物质等特
点 ,但由于果汁高渗透压的限制很难以一级方式把果
汁浓缩到蒸发法所能达到的浓度 ,一般低于 30°Bx。因
此反渗透技术可作为与其他技术如冷冻浓缩或蒸发浓
缩结合使用的预浓缩步骤。
2 　直接渗透膜技术在果汁浓缩中的应用
直接渗透浓缩 (Direct Osmotic Concentration , DOC)
是另一种在低温低压下浓缩果汁的膜分离过程 ,其原
理是使用渗透剂 (Osmotic Agent ,OA) 产生跨膜渗透压
差 ,从果汁中除去水分。渗透剂通常是固体 ,具有水溶
性高、吸湿性强、无毒、不影响食品的风味及色泽和不
能透过膜的特点。一般而言 ,物质溶解度越高 ,分子量
越小 ,产生的渗透压就越大。常使用的渗透剂是氯化
钠、蔗糖、甘油、甘蔗糖浆或玉米糖浆。一般要求渗透
剂的渗透压要高于待浓缩果汁的渗透压。如 74°Bx 玉
米糖浆的渗透压是 27MPa ,高于 42°Bx 浓缩橙汁的渗透
压。
Popper 等[10 ]首先利用平板式醋酸纤维素膜 ,采用
DOC法将葡萄汁从 16°Bx 浓缩到 60°Bx ,平均膜通量为
215 (LΠm2·h) ,搅拌可使通量提高 67 %。然而 ,若采用
086 核　农　学　报 22 卷
饱和盐为渗透介质 ,则在浓缩葡萄汁中能检测到盐。
OSMOTEK公司研制出的高效 DOC 蒸发浓缩技
术[11 ]采用的是新型复合反渗透膜 ( TFC) ,厚度为 25μm
～85μm ,膜的选择性表层结构与致密反渗透膜相似 ,
系统采用能促进湍流流动、减少流动阻力的新型管式
膜组件。采用新型管式膜组件直接渗透浓缩橙汁和树
莓汁 ,橙汁总酸和树莓汁红色素的截留率均超过
9919 % ,没有发现盐透过膜 , 最高通量可达 5 ～ 6
(LΠm2·h) 。采用 OSMOTEK的 DOC 技术制备的树莓汁
浓缩物和传统真空浓缩产品相似 ,无明显风味差异 ,也
会造成少量花青素损失和色素聚合物形成。
与反渗透过程不同 ,DOC 的跨膜压差很小 ,膜通
量取决于渗透压差 ,唯一需要的压力 (约 30Pa) 是用于
驱动果汁和 OA 溶液流过膜面。
直接渗透膜浓缩过程中 ,随着果汁浓度的增加 ,果
汁渗透压将增大 ,渗透剂的浓度降低 ,渗透剂和果汁渗
透压差减少 ,膜通量减小。在 30 ℃时 ,完成一次运转
后去 果 胶 树 莓 汁 通 量 从 1137 ( LΠm2 ·h ) 降 到
013 (LΠm2·h) ,渗透剂浓度从 69°Bx 下降到 60°Bx[11 ] 。
Petroto 等[12 ]采用 DOC技术浓缩西红柿汁 ,研究表
明 ,较薄的膜和低粘度渗透剂 (如 NaCl) 能提高膜通
量 ,因此提出不宜用粘性糖浆作为渗透剂 ,并认为对果
汁进行微滤或超滤预处理能明显提高膜通量。
Petroto 和Lazarides[13 ]研制出能促进湍流的板式组
件 ,在常温低压下采用厚度为 260μm 的反渗透膜能将
西红柿汁从 5°Bx 浓缩到 16°Bx ,平均膜通量高达 415
(kgΠm2·h) 。
Babu 等[14 ] 采用蔗糖 (0 %～40 %) 和食盐 (0 %～
26 %)混合液作为渗透剂 ,室温下直接渗透浓缩菠萝汁
达 60°Bx ,膜通量随着雷诺指数和进料液温度的增加而
增加 ,菠萝汁中的抗坏血酸得到较好保留。
3 　膜蒸馏和渗透蒸馏在果汁浓缩中的应用
膜蒸馏 (Membrane Distillation , MD) 和渗透蒸馏
(Osmotic Distillation , OD)是上世纪 80 年代发展起来的
新型膜技术。从传质过程看 ,膜蒸馏和渗透蒸馏这两
个过程的脱水速度均依赖在疏水性微孔膜两侧保持一
定的水蒸气压差 ,以便水蒸气透过膜孔从进料液侧传
递到另一侧。所不同的是 ,膜蒸馏的水蒸气压差是由
膜两侧温差引起的 ,而渗透蒸馏则取决于膜两侧浓稀
溶液的渗透压差。
与蒸发和反渗透法相比 ,膜蒸馏和渗透蒸馏这两
个过程不需要加压 ,在低温常压下运行 ,特别是渗透蒸
馏可在室温下进行 ,这样避免了果汁受高温或高压的
影响 ,较好地保持了果汁原有的色香味。尤其在高倍
浓缩时 ,膜蒸馏和渗透蒸馏的透水速率明显高于反渗
透。Drioli 等[15 ] 的研究表明 ,与疏水性微孔聚丙烯
(PP)膜相比 ,聚偏二氟乙烯 ( PVDF) 膜不仅通量高 ,而
且还能较好地保留橙汁中的糖和有机酸 ,但由于膜蒸
馏过程需要加热料液以维持膜两侧水蒸汽压差 ,因此
浓缩橙汁中 Vc 有损失。膜蒸馏通量随着进料果汁浓
度的增加而减少 ,高浓度果汁引起严重的浓差极化 ,而
进料侧的温度极化较为严重 ,但在高浓缩比时 ,膜蒸馏
通量显著高于反渗透过程的通量。膜蒸馏通量随着膜
两侧温差的增大而提高。此外 ,增加进料流速和超滤
预处理也可以提高膜通量 ,如在超滤橙汁浓缩近 2 倍
的过程中膜通量基本保持不变[14 ] 。
为提高膜通量 ,有必要了解渗透蒸馏过程中不同
参数的影响。Dornier 等[16 ] 采用渗透蒸馏浓缩蔗糖溶
液 ,研究操作条件对膜通量的影响。结果表明 ,糖浓度
和盐浓度以及进料液温度均是重要的影响因素。
Nguyen 等[17 ]通过不同中空纤维膜组件 ( PP375 ,PV375 ,
PV660)渗透蒸馏浓缩葡萄糖的试验 ,探讨了浓差极化
和温度极化的特性。盐侧的浓差极化 (3117 %) 高于进
料侧 (1143 %) ,最佳动力学条件下的浓差极化影响可
以忽略。与浓差极化相比 ,温度极化受操作条件的影
响较小。低浓度进料时盐侧的温度极化大于高浓度进
料的温度极化 ,由此可通过控制盐侧流体动力学条件
来减小温度极化 ,提高膜通量。在试验条件下 PV375
的温度极化为 1153 ℃,PV660 为 1133 ℃。膜通量下降
的 18 %归因于浓差极化和温度极化 ,其中温度极化所
占比例较小。此外 ,由料液侧极化效应造成的通量下
降值小于盐侧的极化效应 ,特别是当料液浓度较低时 ,
这种极化效应差异更大[17 ] 。在驱动力相同的情况下 ,
由于温度极化 ,膜蒸馏浓缩模拟果汁的膜通量不足渗
透蒸馏的一半 ,为减少温度极化 ,膜蒸馏适宜采用低热
导性膜[17 ] 。
Sheng 等[18 ]采用聚四氟乙烯膜渗透蒸馏浓缩苹果
汁、橙汁和葡萄汁的结果证实了 OD 通量随果汁浓缩
度的增加而降低 ,并且完全取决于膜两侧溶液间的渗
透压差 ,当渗透压差从 42 MPa 下降到 28 MPa 时 ,通量
下降了 5 倍。
膜特性影响渗透蒸馏通量 ,在浓差极化可以忽略
的最佳动力学条件下 ,Coelhoso 等[19 ] 研究了性质相同、
孔径不同的膜对膜通量的影响 ,并用尘气模型 (dusty2
gas)描述了膜孔内水蒸汽的传质机理。研究表明 ,膜
孔径在 011μm～0145μm 范围内 ,常温常压下操作 ,水
186　5 期 膜分离技术在果汁浓缩中应用的研究进展
蒸汽的传质既有努森扩散 ,又有分子扩散 ,这两种扩散
阻力的相对贡献率与膜孔径有关 ,小孔径膜的努森扩
散阻力贡献较大 ,随着膜孔径的增大分子扩散阻力的
贡献率增加。由尘气模型可以得出 ,膜通量与膜厚度
成反比 ,使用支撑层厚度较小的复合膜可提高膜通量。
不同种类的汽提液对 OD 膜通量有影响。Gostoli
等[20 ]研究了 NaCl (24 %) ,CaCl2 (40 %) ,甘油 (70 %) 以
及甘油 (42174 %) 和 CaCl2 (14152 %) 的混合液作为汽
提液时的 OD 膜通量 ,结果表明 ,CaCl2 作为汽提液所
获得的膜通量最大 ,甘油和 CaCl2 混合液的效果与
CaCl2 相差不大 ,且浓差极化程度较小。但从成本及效
果两方面考虑 ,CaCl2 是最适合的汽提液 ,其不足之处
是对金属的腐蚀性较强 ,随意排放对环境会造成污染 ,
因此对其循环再利用的研究是非常必要的。
Vaillant 等[23 ] 探讨了用工业化规模渗透蒸馏装置
浓缩西番莲果汁的可行性 ,并考察了相关因素对膜通
量和产品质量的影响。采用面积为 1012m2 的聚丙烯
中空纤维膜装置 ,30 ℃下把西番莲原汁浓缩到 60°Bx
时 ,平均膜通量约为 0175 (kgΠm2·h) ,浓缩果汁的感官
和 VC含量基本保持不变。在渗透蒸馏初期 ,膜通量
的下降主要是由于汽提液浓度的减小 ,当果汁浓缩度
超过 40°Bx 时 ,膜通量的下降则主要归因于果汁的粘
滞极化。Cassano 等[24 ,25 ] 在渗透蒸馏浓缩澄清猕猴桃
汁和橙汁时也证实了上述结论 ,通过将膜组件的壳程
作为进料液的流道以及调节进料液的流动状态可减少
因果汁浓缩度增加而导致的粘滞极化。
浓缩果汁的质量与其风味物质的含量密切相关 ,
在渗透蒸馏过程中 ,由于果汁中易挥发物质的含量很
低 ,与盐亲和力低 ,因此驱动力较低 ,风味物质的优先
透过现象不明显。Coelhoso 等[18 ] 对膜蒸馏 (MD) 和渗
透蒸馏 (OD) 法浓缩橙汁的效果进行了比较 ,发现 OD
浓缩对橙汁中的柠檬醛和丁酸乙酯等风味物质的截留
率高于 MD。Bareley[21 ]等利用 9 种不同的微孔疏水膜
对葡萄汁和柑桔汁等进行了 OD 浓缩试验 ,结果表明 ,
大孔径的膜可以使较多的进料液和盐溶液蒸汽分子进
入 ,起到增加膜边界层厚度和膜边界层阻力的作用 ,从
而阻止了挥发性风味成分通过膜孔 ,对可挥发性风味
成分有较高的保持率。因此 ,建议在渗透蒸馏浓缩果
汁中采用表面孔径较大的膜。Dornier 等[22 ] 在半工业
化规模的试验中 ,开展了 OD 浓缩预先添加 4 种典型
果汁香气成分的蔗糖溶液的传质动力学研究 ,结果表
明 ,易挥发性物质的传质与料液流速和温度有关 ,香气
成分的损失随着膜通量的增加而增大 ,降低料液流速
和温度可明显减少香气成分的损失 ,但所得到的膜通
量却很小。如何既能较好地保持果汁中的香气成分 ,
又能提高膜通量 ,还有待进一步研究。
一些果汁特别是富含精油和疏水性风味物质的果
汁 (如柑桔汁)降低了进料液的表面张力 ,促进了疏水
性膜的润湿 ;清洗膜溶液中常含有表面活性剂 ,其残留
也会促进膜润湿。目前正开展制备疏水性更强的聚合
物膜 (如 PTFE 或 PVDF) 中空纤维薄层膜的研究 ,以达
到阻止液体流入 , 不影响蒸汽通过膜的目标 [26 ] 。
Mansouri 通过在 PVDF 膜的进料侧涂抹薄层聚乙烯醇
(PVA) ,获得了耐脂溶性料液 (如　烯)的疏水性膜[27 ] 。
超滤预处理橙汁和葡萄汁的渗透蒸馏通量明显高
于未作处理的对照组 ,这是因为超滤减小了果汁粘
度[25 ,28 ] ,并使果汁表面张力略有增加 ,从而减少了膜被
润湿的机会。
虽然目前渗透蒸馏的研究仍主要处于试验室研究
阶段 ,但已有浓缩葡萄汁成功应用于工业化的报道 ,如
澳大利亚 Lefebvre 集团设在 Melbourne 和 Mildura 的工
业化渗透蒸馏装置[29 ] 。
一个与DOC和OD 浓缩果汁商业化应用相关的问
题是稀盐的处理 ,必须将稀盐浓缩以便循环使用 ,降低
成本。除了热蒸发 , 需研制有效的方法浓缩稀盐
溶液。　　
综上 ,不同膜浓缩技术的特点比较归纳见表 1[30 ] 。
表 1 　　热蒸发与不同膜浓缩技术主要特征比较
Table 1 　Key factors of conventional evaporation and membrane concentration techniques
浓缩过程 浓缩度(°Brix) 产品质量
蒸发速率
或膜通量
同装置能否处理
不同种类产品 操作成本 成本投入 技术成熟程度
蒸发 80 差 200 - 300LΠh 否 中等 中等 成熟
反渗透 25 - 30 优 5 - 10LΠm2h 否 高 很高 成熟
直接渗透 50 良 1 - 5LΠm2h 是 高 中等 发展中
膜蒸馏 60 - 70 良 1 - 10LΠm2h 是 高 中等 发展中
渗透蒸馏 60 - 70 优 1 - 3LΠm2h 是 高 高 发展中
286 核　农　学　报 22 卷
4 　集成膜过程在果汁浓缩中的应用
直接渗透、OD 和MD(低温下)浓缩的低通量和 RO
过程相比经济上无竞争力 ,然而 ,对于含有对剪切力或
热敏感的果汁 ,要想以低成本投入获得优质产品 ,RO
浓缩度又有限 ,而 OD 能选择性地从含有低分子量物
质的溶液中除去水分获得优质浓缩品[17 ] 。尽管采用
RO 会失去挥发和非挥发性的风味芳香成分与其他重
要的微量溶质 ,但 RO 也能在相对较低压力下运行 ,从
低浓度的料液中除去水分 ,故可以通过限制除去水分
份额的方法来控制损失。以这种方式生产的浓缩产品
价格就能为人们所接受。因此 ,采用 RO 预浓缩 ,OD
或 MD 进一步浓缩的产品成本大大低于只用 OD 浓缩
的产品。
FMC和杜邦公司最早把集成膜过程应用于果汁
浓缩 ,合资研发了 FreshNote 系统 ,即在微滤 MF 或超滤
UF 之后 ,将果汁送入两级反渗透浓缩装置 ,能将橙汁
浓缩到 60°Bx 以上 ,并保留了几乎全部鲜果汁的风味
成分。
Karode[31 ]等提出了集成反渗透和渗透脱水过程浓
缩蔗糖溶液 ,并从理论和试验方面研究了此项技术的
可行性。Koroknai 等[32 ]集成渗透蒸馏与膜蒸馏浓缩经
过预处理的苹果汁、葡萄汁、樱桃汁和树莓汁 ,膜蒸馏
的冷侧为浓盐水 ,热侧为待浓缩果汁 ,浓缩过程中膜通
量无太大变化 ,只是在试验最后阶段下降较快 ,集成过
程能有效浓缩果汁。
Cassano 等[24 ,25 ]报道了利用集成 UFΠROΠOD 膜过程
生产优质浓缩血橙汁和猕猴桃汁的研究。果汁先进行
超滤分成澄清果汁液与果浆两部分。反渗透预浓缩澄
清果汁到 20～25°Bx ,进一步渗透蒸馏浓缩到 60°Bx 以
上。经检测 ,除了花青素和 VC 外 ,集成膜过程中的其
他抗氧化成分基本保持不变。浓缩血橙汁的抗氧化活
性仅比原汁降低了 15 % ,浓缩果汁保留了原汁鲜亮的
红色和良好风味。
Alvarez 等[41 ]提出一个集成膜过程生产苹果汁及
其风味浓缩物。首先由酶膜反应器澄清原果汁 ,反渗
透预浓缩澄清果汁至 25°Bx ,采用渗透汽化 ( PV) 回收
风味物质 ,然后蒸发浓缩到 72°Bx ,再将 PV 回收的风
味物质回加到蒸发浓缩苹果汁中。这一工艺已完成中
试。从产品的味道和色泽来看 ,反渗透浓缩汁的澄清
度和感官品质明显优于传统方法生产的苹果汁。为评
估该过程的经济性 ,把中试装置安装成集合单元处理
原果汁 ,加工设计目标是每小时生产 2500kg 的苹果
汁。与传统过程相比 ,由于生产量的增加使集合膜过
程降低了 5 %的苹果消耗 ,总生产成本降低了 8 % ,因
此更具有优势。
1999 年 ,澳大利亚成功地将集成膜过程应用于葡
萄汁浓缩的工业化生产[29 ] 。该流程首先对葡萄汁进
行微滤 ,除去其中的固体颗粒 ,接着反渗透预浓缩 ,最
后渗透蒸馏高倍浓缩。据 Hogan 等 (29) 报道 ,加工 1L
鲜果汁可得到大约 012 L 70°Bx 的浓缩汁 ,成本为
＄1100ΠL ,浓缩汁价格在 ＄2150 至 ＄7150ΠL ,表明了集
成膜加工的经济性。
还有许多研究也进一步证明了集成膜技术在多种
果汁浓缩中的应用前景 ,有关实例见表 2。
表 2 　集成膜技术浓缩果汁实例
Table 2 　Integrated membrane technology for concentrating fruie juices
处理组合 果汁 应用效果
超滤和热蒸发 西蕃莲汁、橙汁 果汁超滤前的酶解、离心以及巴氏杀菌可使超滤通量提高 50 % ,超滤可加快热蒸发速率 ,但有 20 %的风味损失。在与全部采用蒸发浓缩果汁的相同条件下可将果汁浓缩至 8010°Bx[33 ,34 ] 。
超滤2冷冻浓缩2渗透
蒸馏 葡萄汁
采用 PV6602042 浓缩葡萄汁 , 以优 质、低 能 耗 获 得 了 6510°Bx 的 葡 萄 汁 , 平 均 通 量 为
0177 (kgΠm2·h) [35 ] 。
酶处理2微滤2反渗透 西印度樱桃汁 浓缩度达 2912°Bx ,浓缩汁中的维生素 C含量提高了 412 倍 [36 ] 。
微滤2反渗透 番茄汁 浓缩度达 1415°Bx ,膜通量为 20 (LΠm2·h) [37 ]
反渗透2纳滤 适合于各种果汁 反渗透浓缩果汁至 30°Bx ,纳滤浓缩超过 45°Bx。与蒸发法和冷冻浓缩法相比 ,可分别节省 1Π8 到 1Π5的能量[38 ] 。
反渗透2渗透蒸馏 秘鲁灌木果汁 22 ℃反渗透浓缩果汁达 2417°Bx , OD 浓缩至 6413°Bx ,从 Vc (损失低于 5 %) 来看 ,营养与原果汁接
近。RO 膜通量 5010 (kgΠm2·h) ,OD 膜通量 1010 (kgΠm2·h) [39 ] 。
微滤2渗透蒸馏 西瓜汁 浓缩西瓜汁达 5510°Bx ,浓缩汁色泽好 ,富含 Vc 及 PP[40 ]
386　5 期 膜分离技术在果汁浓缩中应用的研究进展
5 　小结
综上所述 ,膜浓缩果汁技术取得了一定进展 ,如传
质机理、膜组件的优化设计等方面 ,但就工业化应用的
角度而言 ,尚存在亟待解决的问题。
从表 1 可见 ,由于受果汁高渗透压的限制很难以
一级方式把果汁浓缩到蒸发法所达到的浓度。为此提
出的多级反渗透能实现高倍率的浓缩 ,但经济成本高。
在确保反渗透浓缩高通量和风味物质高截留的同时 ,
反渗透可作为其他浓缩方式的预浓缩步骤。今后还需
要研制低廉、耐污染、耐高压、风味物质截留率高的 RO
膜和优化工艺 ,以降低膜污染和生产成本。
过去直接渗透膜浓缩由于膜厚度的问题致使通量
太低而不受重视 ,近年来 ,随着薄膜的问世 ,直接渗透
膜浓缩技术又成为人们关注的热点。直接渗透亲水膜
的成本低于 OD 和 MD 膜 ;使用寿命却比 OD 和 MD 疏
水膜长。采用盐作为渗透剂 ,盐会透过膜渗入产品 ,影
响浓缩果汁质量。而糖作为渗透剂 ,因低渗透压和高
粘度而使通量过低。因此 ,对于浓缩不同果汁 ,渗透剂
的选用仍有待进一步研究。
虽然目前涌现了大量有关膜蒸馏的研究报道 ,但
却未见产业化应用的实例。为使其能够投入实际工业
化生产应用中 ,还需从以下几个方面着手 : (1) 需要研
制廉价的、低热导性、疏水性强 ,且适用于膜蒸馏过程
的膜 ,特别是大孔径 (平均孔径为 011～015μm) 、高孔
隙率 (60 %～80 %)的中空纤维膜 ; (2) 完善传质传热的
机理模型 ; (3)设计出性能优良的大型膜组件以提高热
量利用率 ; (4)操作条件和工艺流程的优化 ,降低膜污
染 ; (5)膜蒸馏与其他分离过程集成等。
膜蒸馏可将果汁浓缩到 60°Bx 以上 ,在高浓缩比
时的通量远高于反渗透 ,但在相同温度、低浓缩倍数时
的膜蒸馏通量小于反渗透 ,同时存在着果汁风味物质
的损失 ,而渗透蒸馏过程是在低温下进行 ,果汁风味成
分能得到较好保留。渗透蒸馏同样需要研发廉价的、
高热导性、疏水性强、性能稳定、膜孔径分布范围窄、能
更好截留果汁香气成分的渗透蒸馏新型膜材料 ,以提
高渗透通量。其次 ,还需优化渗透蒸馏膜组件及工艺
设计 ,以减少温度极化和浓差极化 ,降低膜污染和膜的
润湿性。另外 ,还应研制高性能、大型化的膜组件。
各种膜过程均有各自的优点和局限性 ,而实际工
业生产受到各种复杂因素的制约 ,为使整个生产过程
达到优化 ,采用单一膜过程是不够的 ,需要把各种不同
的膜过程合理地集成在一个生产循环中实现过程优
化。这就需要对每一膜过程的主、副产品及废物的处
置给予恰当的处理 ,以确保产品的质量及安全 (包括微
生物及产品的功能、质地、风味) ,为此 ,应研究产品的
理化性质、流变性及产品的组成特点。
总之 ,各种膜分离技术的组合使用、膜分离技术与
常规理化分离过程的有机结合以及研发分离性能更
高、操作更简便的处理工艺系统是今后的发展方向。
尽管目前膜浓缩技术的成本比蒸发法要高 ,相信
随着世界市场对果汁需求量的增加和对高品质果汁的
需求 ,以及膜材料和膜装置以及工艺过程等方面的发
展 ,商业化应用膜浓缩技术将逐渐扩大 ,尤其是集成膜
浓缩技术的应用 ,必将带来果汁浓缩技术的一场革命。
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