膜分離技術(shù)在香菇速溶茶開發(fā)中的應(yīng)用研究

孫艷娟 朱躍進(jìn)* 李大偉 王 彬 張士康

(中華全國(guó)供銷合作總設(shè)杭州茶葉研究院，浙江杭州 310016)

膜分離技術(shù)在香菇速溶茶開發(fā)中的應(yīng)用研究

孫艷娟 朱躍進(jìn)* 李大偉 王 彬 張士康

(中華全國(guó)供銷合作總設(shè)杭州茶葉研究院，浙江杭州 310016)

本文將膜分離技術(shù)應(yīng)用于香菇速溶茶的開發(fā)，研究了微濾、超濾、反滲透膜對(duì)香菇浸提液的除雜、濃縮效果，并探討了操作溫度、壓力及料液pH值對(duì)超濾膜截留率和膜通量的影響。結(jié)果表明，超濾膜的最佳操作溫度為25℃，操作壓力為0.067～0.10MPa，料液pH值為7.0；超濾膜對(duì)大分子多糖、蛋白的截留率為14.4%，反滲透膜對(duì)香菇多糖的截留率為68.92%。

香菇速溶茶 香菇多糖 超濾 反滲透 截留率

香菇速溶茶是由茶濃縮液與香菇濃縮液按照一定比例干燥制備而成，是在傳統(tǒng)速溶茶生產(chǎn)加工過(guò)程中輔加風(fēng)味獨(dú)特的香菇，在顯著增加茶的保健功效的同時(shí)，又保持了茶的應(yīng)有風(fēng)格，而香菇濃縮液的制備是制作香菇速溶茶的關(guān)鍵。香菇被稱為“百菇之王”，營(yíng)養(yǎng)豐富，香郁誘人，食藥兼用，健脾益氣，調(diào)和陰陽(yáng)。其主要成分有香菇多糖(lentinan，LN T)、香菇嘌呤(eriadenine)、核苷酸、維生素、三萜類化合物、大量的蛋白質(zhì)和氨基酸、多種礦物質(zhì)及膳食纖維素等[1]。其中，香菇多糖是一種天然人體免疫調(diào)節(jié)劑，具有抗腫瘤、抗感染和調(diào)節(jié)免疫力等特殊活性作用。香菇多糖是香菇濃縮液的主要活性成分。目前，國(guó)內(nèi)提取香菇多糖的主要方法有水提醇沉法、鹽析法、超濾法、酶法、復(fù)合酶解法、色譜法等[2-4]。本文采用膜分離技術(shù)[5-6]對(duì)香菇多糖進(jìn)行分離、濃縮研究，并制成了香菇速溶茶；探討了各操作參數(shù)對(duì)超濾膜通量的影響及各種膜的清洗方式。

1 試驗(yàn)材料與儀器

干香菇 超市購(gòu)買

葡糖糖 分析純 廣東省化學(xué)試劑工程技術(shù)研究開發(fā)中心

苯酚 分析純 杭州雙林化工試劑廠

氫氧化鈉 分析純 湖州湖試化學(xué)試劑有限公司

RO-NF-UF-4010型膜分離裝置 上海摩速科學(xué)器材有限公司

微濾、超濾、反滲透膜組件 上海摩速科學(xué)器材有限公司

AL204電子天平 梅特勒-托利多儀器 （上海）有限公司

UV-2102PC型紫外可見分光光度計(jì) 龍尼柯（上海）儀器有限公司

K-S26型電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司

美的多功能粉碎機(jī) 廣東美的生活電器制造有限公司

LD-IIB低速大容量多管離心機(jī) 無(wú)錫市瑞江分析儀器有限公司

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 超濾預(yù)處理

為了減輕超濾膜的污染、保證超濾膜的分離性能和通量、克服濃差極化，浸提液必須在超濾前進(jìn)行預(yù)處理，以除去不溶性固形物。分別采用了離心（5000r/min）5min和5μm微濾膜兩種方法進(jìn)行處理。

2.2 超濾-反滲透技術(shù)對(duì)香菇有效成分的分離濃縮

干香菇經(jīng)粉碎后，取30目以上樣品，采用95℃熱水，60倍加水量，分三次提取，每次30min，水浴鍋95℃浸提。合并三次濾液，過(guò)300目篩網(wǎng)。冰箱冷藏過(guò)夜，離心分離去除不溶性物質(zhì)。首先超濾膜分離，收取濃縮液待用，濾液再經(jīng)反滲透濃縮。各階段料液取樣分析檢測(cè)。

2.3 香菇速溶茶的制備

將香菇濃縮液和紅茶濃縮液按照適當(dāng)比例進(jìn)行調(diào)配，混合均勻；放置于冰柜進(jìn)行預(yù)凍，過(guò)夜；將凍好的樣品置于冷凍干燥機(jī)，在-65℃，0.022mbar的條件下進(jìn)行凍干；最后對(duì)凍干樣進(jìn)行感官審評(píng)。

2.4 膜的清洗

反滲透膜的清洗：首先清水沖洗半小時(shí)，然后用0.1%NaOH、40℃溫水循環(huán)洗半小時(shí)，最后清水沖洗至流出液呈中性。

微濾、超濾膜的清洗：首先清水反沖洗半小時(shí)，然后用0.1%NaOH，40℃溫水循環(huán)洗半小時(shí)，最后清水反沖洗至流出液呈中性。

2.5 香菇多糖含量的測(cè)定

香菇多糖含量的測(cè)定采用苯酚硫酸法[2]。

3 結(jié)果與討論

3.1 超濾預(yù)處理結(jié)果

對(duì)多糖提取液分別采用離心（5000r/min）5min和5μm微濾膜進(jìn)行預(yù)處理，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。結(jié)果表明，離心分離可有效地除去浸提液中的固形物，且多糖損失極少；微濾操作不但除去固形物效果不明顯，而且造成多糖的嚴(yán)重?fù)p失，得不償失。因此，綜合考慮選用離心分離作為超濾的預(yù)處理方法。

3.2 溫度對(duì)超濾膜通量的影響

在壓力0.10MPa，料液pH7，溫度對(duì)超濾膜分離濃縮不同濃度的料液10min時(shí)通量和截留率的影響見表2。由表可知：同樣條件下，料液溫度高則通量大。因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，溫度升高使粘度下降，溶質(zhì)在溶液中的擴(kuò)散系數(shù)增大，從而提高傳質(zhì)效率，且溶解度增大相應(yīng)會(huì)減少濃差極化，故通量在溫度升高時(shí)較大。但溫度也不能過(guò)高，因?yàn)闇囟忍邔?huì)導(dǎo)致膜被壓密，反而影響通量。溫度升高，通量增大的同時(shí)，截留率略有下降。因此，對(duì)于溫度的選擇應(yīng)綜合考慮膜性能、料液的性質(zhì)等因素，采用25℃作為超濾溫度為宜。

表1 預(yù)處理結(jié)果

表2 溫度對(duì)超濾截留率和通量的影響

3.3 壓力對(duì)超濾膜通量的影響

超濾的工作壓力范圍一般在0.1～0.7MPa范圍內(nèi)，是泛指在超濾定義域內(nèi)，處理溶液通常所使用的工作壓力。分離不同分子量的物質(zhì)，需要選用相應(yīng)截留分子量的超濾膜，則操作壓力也有所不同。需要截留物質(zhì)的分子量越小，選擇膜的截留分子量也小，則所需要的工作壓力也比較高。一般而言，在允許的工作壓力范圍內(nèi)，壓力越高，膜的通量就越大。但壓力又不能過(guò)高，以防膜被壓密的現(xiàn)象。本研究在濃度為1mg/mL、pH7的料液、溫度25℃的條件下，研究不同壓力對(duì)超濾膜通量的影響，結(jié)果見表3。由表可知，在0.033～0.10MPa的壓力范圍內(nèi)，隨著壓力增加，平均通量增加較快；當(dāng)壓力由0.10增加至0.14MPa時(shí)，通量雖有增加，但增加的幅度減小，并逐漸趨于穩(wěn)定。此外，在相同壓力條件下，通量受時(shí)間的影響較小。超濾過(guò)程中，壓力過(guò)大，將會(huì)影響到膜的使用壽命。因此，選擇操作壓力在0.067～0.10MPa為宜。

表3 不同壓力對(duì)膜通量的影響（L/h·m2）

3.4 料液pH值對(duì)膜通量的影響

香菇多糖提取液在溫度25℃、壓力0.10MPa的超濾條件下，采用酸堿調(diào)節(jié)料液pH值，考察對(duì)超濾膜的影響，結(jié)果見表4。由表可知，用水作為浸提介質(zhì)時(shí)，在中性條件下，膜通量最大，而在偏酸或偏堿性環(huán)境下，膜的通量都會(huì)減小。分析其原因在于多糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)中所帶支鏈較多，其親水基團(tuán)以及氫鍵作用受pH的影響較大，所以直接影響多糖的溶解度。通量的變化還可能由于在非中性條件下，溶液中殘留蛋白質(zhì)的變性、濃縮加劇了凝膠層的形成，導(dǎo)致膜通量降低。一般選擇pH7的料液。

表4 不同pH料液對(duì)超濾的影響

3.5 反滲透膜濃縮茶浸提液效果

反滲透膜安裝調(diào)試正常，采取緩慢升壓的方式，進(jìn)料液1000mL，出濾液 636mL，收集濃縮液300mL，運(yùn)行時(shí)間50min，濃縮3.33倍，平均通量為1.2L/H。水通量隨時(shí)間的變化曲線見圖1。由圖可知，反滲透膜開始運(yùn)行時(shí)水通量較高，達(dá)到0.167L/min，但是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，膜面被污染，通量迅速下降，運(yùn)行20min后，水通量降至0.02L/min以下；但是隨著時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，由于濃差極化現(xiàn)象，反滲透膜運(yùn)行穩(wěn)定，水通量也達(dá)到了平衡。這說(shuō)明反滲透膜在整個(gè)料液運(yùn)行過(guò)程中穩(wěn)定、可行。

3.6 超濾-反滲透技術(shù)對(duì)香菇有效成分分離濃縮效果

香菇浸提液采用PP-100中空纖維式超濾組件，在壓力0.10MPa、料液溫度25℃的條件下操作運(yùn)行，試驗(yàn)流程如圖2所示。開機(jī)進(jìn)料液并收集濾液、濃縮液，關(guān)機(jī)后收集系統(tǒng)殘留濃縮液，超濾膜的平均通量為37.24L/hm2。超濾濾液采用RO-1812卷式反滲透組件，在壓力0.46MPa、溫度20℃條件下操作運(yùn)行，試驗(yàn)流程如圖2所示。開機(jī)進(jìn)料液并收集濃縮液，關(guān)機(jī)后收集系統(tǒng)殘留濃縮液。試驗(yàn)過(guò)程中記錄各階段濃縮液、濾液體積，并取樣進(jìn)行分析檢測(cè)，其結(jié)果見表5。由表可知，PP-100超濾膜對(duì)香菇浸提液中的大分子多糖、蛋白的截留率為14.4%，說(shuō)明大多數(shù)的有效成分透過(guò)超濾膜；反滲透膜對(duì)超濾濾液的截留率為68.92%，從理論上分析結(jié)果偏低，濾液中檢測(cè)分析出有少部分多糖的存在，說(shuō)明大部分的香菇有效成分存在反滲透濃縮液中，將其冷凍干燥可得到含有香菇多糖和蛋白的速溶茶產(chǎn)品。

表5 超濾-反滲透技術(shù)對(duì)香菇有效成分分離濃縮結(jié)果

3.7 實(shí)驗(yàn)用膜的清洗效果

在膜分離操作中，當(dāng)料液與膜接觸的同時(shí)污染也就開始了，當(dāng)膜組件運(yùn)行一段時(shí)間后，膜的滲透通量與分離性能均會(huì)下降，當(dāng)不能滿足工藝要求時(shí)，就必須對(duì)膜進(jìn)行清洗。對(duì)膜污層進(jìn)行清洗是為了使膜的各種性能參數(shù)盡可能的恢復(fù)，延長(zhǎng)膜使用壽命，減少換膜費(fèi)用，且使恢復(fù)的各項(xiàng)性能參數(shù)隨時(shí)間遞增的衰減性減小。膜的清洗分為物理清洗、化學(xué)清洗與生物清洗。本研究中采用化學(xué)法結(jié)合物理法清洗膜組件，實(shí)驗(yàn)用膜在相同操作條件下的新膜純水通量與清洗后的純水通量比較見圖3。從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)用膜經(jīng)多次使用、清洗后，可以較好地使膜的純水通量恢復(fù)到接近使用前的水平，可維持膜工藝運(yùn)行穩(wěn)定、連續(xù)工作。

3.8 香菇速溶茶感官審評(píng)結(jié)果

經(jīng)過(guò)多位評(píng)茶師盲法審評(píng)，確定香菇濃縮液與紅茶濃縮液的比例為2∶3，再輔以適量奶粉、糖、麥芽糊精等物質(zhì)，制成的香菇速溶茶兼有茶和菇的香味，互為補(bǔ)充，口感佳。

4 總結(jié)

本文對(duì)香菇浸提液進(jìn)行了膜分離處理研究，采用離心分離作為超濾的預(yù)處理方法，超濾膜分離，反滲透膜濃縮；超濾膜的最佳操作參數(shù)為溫度25℃，壓力 0.067～0.10MPa，料液 pH7.0，超濾膜對(duì)大分子多糖、蛋白的截留率為14.4%；反滲透膜對(duì)香菇多糖的截留率為68.92%。各種實(shí)驗(yàn)用膜經(jīng)清洗后可以恢復(fù)至接近使用前的水平。香菇濃縮液與紅茶濃縮液的比例為2∶3時(shí)，香菇速溶茶的口感最佳。

[1]邊洪榮,李小娜,潘海宇.香菇有效成分提取分離及分析方法研究進(jìn)展[J].中草藥,2002,33(9):附1-附2.

[2]念保義,陳銘,王錚敏.超濾膜分離香菇多糖的研究[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù),2003,24(4):27-28.

[3]鄭宗坤,許賢華,陳志行,等.超濾提取香菇多糖的研究[J].中國(guó)生化藥物雜志,2000,21(2):73-75.

[4]王應(yīng)平,楊艷,王文正.膜技術(shù)在多糖分離、濃縮中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].甘肅科技,2009,25(4):63-66.

[5]孫艷娟,毛志方,沈瑞敏,等.不同分離膜在茶多酚提取工藝中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)茶葉加工,2009,(1):27-29.

[6]孫艷娟,張士康,朱躍進(jìn),等.膜技術(shù)結(jié)合冷凍干燥制備速溶茶的研究[J].中國(guó)茶葉加工2009,(3)13-15.

2010-11-15

孫艷娟(1983-)，女，寧夏銀川人，碩士，主要從事茶食品開發(fā)研究。

*通訊作者：zhuyuejin57@126.com