微濾膜材質(zhì)對楊梅汁理化品質(zhì)及抗氧化活性的影響

陳虹吉，陳亦欣，葉興乾，劉東紅，陳健初

（浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院 馥莉食品研究院浙江省農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究重點實驗室 浙江省食品加工技術(shù)與裝備工程中心 杭州310058）

近年來，人們推崇方便且易于食用的健康產(chǎn)品，其中果汁及其飲料產(chǎn)品的市場需求越來越大。楊梅（Myrica rubra Sieb.et Zucc）果實多汁，口感酸甜，色澤誘人，同時富含花色苷、酚酸、類黃酮等生物活性成分[1]，具有抗氧化、抑菌、防止便秘以及抑制癌細胞增長等保健功能[2]，將其加工成果汁產(chǎn)品，不僅能有效保留果實的特有風味和營養(yǎng)價值，而且方便食用利于人體吸收，越來越受到消費者的青睞。然而，經(jīng)初步壓榨獲得的果汁通常含有大量的植物殘渣，如不溶于水的纖維素、半纖維素和淀粉，以及可溶性的果膠、蛋白質(zhì)和酚類物質(zhì)[3]。這些物質(zhì)的存在容易導致果汁渾濁和后續(xù)沉淀的產(chǎn)生，不僅對果汁的感官品質(zhì)有直接影響，而且不利于果汁營養(yǎng)的吸收和利用，并影響消費者的接受程度。鑒于此，澄清工藝在澄清果汁加工過程中起著至關(guān)重要的作用。

目前，膜過濾技術(shù)溫和的加工條件，對食品風味和營養(yǎng)的有效保留以及快速、經(jīng)濟等優(yōu)勢[4]，逐漸替代傳統(tǒng)的果蔬汁澄清技術(shù)。近年來，國內(nèi)外學者對膜過濾技術(shù)在果汁澄清方面的應用進行了大量的研究。例如：Ghosh 等[5]比較了不同操作參數(shù)下離心和微濾對印度黑莓汁的影響，篩選出在壓力為137.89 kPa，通過孔徑0.45 μm 的微濾膜獲得最佳的果汁澄清度和品質(zhì)。孫慧等[6]對比了3 種孔徑的粉煤灰基微濾陶瓷膜對蘋果汁的過濾效果，得到孔徑為1.25 μm 的微濾膜過濾效果最佳。Mirsaeedghazi 等[7]考察了跨膜壓力和進料速度對混合醋酸纖維膜澄清苦橙汁滲透通量和膜污染的影響，結(jié)果表明滲透通量隨著兩個參數(shù)的增加而增加，果汁酚類成分和抗氧化活性在膜澄清前、后無明顯變化。

以上研究主要集中在膜過濾過程中不同操作參數(shù)對果汁過濾效果的影響，而濾膜作為膜技術(shù)的核心元件，不同的材質(zhì)具有不同的耐受性，對果汁成分的吸附和色澤的影響也不盡相同[8]，因此濾膜對果汁的適用性至關(guān)重要。本研究以楊梅原汁為原料，分別采用孔徑0.45 μm 的聚醚砜膜（PES）、尼龍膜（Nylon）、醋酸纖維膜（CA）、聚偏氟乙烯親水膜（PVDF）、聚四氟乙烯親水膜（PTFE）和聚丙烯膜（PP）6 種材質(zhì)的微濾膜，對楊梅汁進行過濾澄清處理。以果汁的透光率、可溶性固形物、酸度、花色苷、總酚、總黃酮含量以及抗氧化活性為指標，考察不同材質(zhì)濾膜對楊梅汁品質(zhì)的影響，同時比較在相同操作參數(shù)下不同材質(zhì)濾膜的滲透通量和污染情況，旨在為楊梅汁澄清工藝中濾膜的選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

荸薺種楊梅，采自浙江寧波慈溪，冷藏于-20℃冰箱。

孔徑為0.45 μm 的聚醚砜膜（PES）、尼龍膜（Nylon）、醋酸纖維膜（CA）、聚偏氟乙烯親水膜（PVDF）、聚四氟乙烯親水膜（PTFE）和聚丙烯膜（PP），海寧市益博過濾器材公司。

福林酚試劑、無水乙酸鈉、濃鹽酸、氫氧化鈉、氯化鉀、蘆丁、亞硝酸鈉、硝酸鋁，均為分析純級，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

UV-2550 紫外分光光度計，日本島津公司；熒光酶標儀，美國Thermo Fisher 公司；PAL-BX |ACID F5 便攜式糖酸測量儀，日本ATAGO 公司；SU8010 場發(fā)射掃描電鏡，日本HITACHI 公司；高壓平板膜小試設(shè)備，廈門福美科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 楊梅原汁的制備 取-20 ℃冷凍貯藏的楊梅，于室溫解凍，用榨汁機破碎打漿，壓榨機壓榨出汁。用200 目尼龍布粗濾，得楊梅原汁，備用。

采用黃原膠澄清劑對楊梅原汁進行預澄清，澄清方法參考Fang 等[9]并稍作修改，配制1%的黃原膠溶液，于60 ℃水浴中充分攪拌至溶解，將黃原膠澄清劑溶液加入楊梅原汁中使其最終質(zhì)量濃度為0.05 g/L，于25 ℃靜置澄清2 h，以自然澄清（楊梅原汁于25 ℃靜置2 h）為對照，澄清結(jié)束后離心（4 000 r/min，10 min）取上清液，得黃原膠澄清汁和自然澄清汁。經(jīng)黃原膠澄清處理后的楊梅汁用于微濾處理。

1.3.2 楊梅汁的微濾處理 楊梅汁的微濾處理采用高壓平板膜小試設(shè)備。圖1 為設(shè)備裝置示意圖。主要組成部分包括小型高壓柱塞隔膜泵、膜組件、2 L 料罐及其控制系統(tǒng)，內(nèi)置集成冷卻溫控系統(tǒng)。

濾膜使用前，用去離子水浸泡半小時。設(shè)備進料前，使用去離子水清洗管路，并測定膜的純水通量（Jw）。若純水通量低于新膜純水通量的85%，則需對膜片進行清洗或更換新膜。

膜通量計算公式如下：

式中：J——膜通量（L/m2h）；V——滲透體積（L）；A——有效膜面積（m2）；t——時間（h）。

設(shè)備清洗結(jié)束，往物料罐中加入楊梅黃原膠澄清汁，使用孔徑為0.45 μm 的6 種材質(zhì)濾膜進行微濾處理，記錄過濾時間和滲透體積。本微濾試驗均在跨膜壓力0.1 MPa，溫度20 ℃條件下進行。

圖1 高壓平板膜小試設(shè)備裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of laboratory high pressure flat membrane microfiltration unit

1.3.3 基本理化性質(zhì)的測定 透光率的測定采用分光光度法，取適量楊梅汁于比色皿中，以蒸餾水為參比溶液，在720 nm 處測定楊梅果汁的透光率，用T（%）表示。pH 值的測定采用pH 計測定，可溶性固形物和酸度的測定采用便攜式糖度酸度測定儀測定。

1.3.4 花色苷的測定 花色苷的測定采用pH 示差法[10]。取兩個10 mL 容量瓶，各加入1 mL 楊梅汁，分別用pH 1.0 的緩沖液【V（0.2 mol/L KCl）∶V（0.2 mol/L HCl）=25∶67】和pH 4.5 緩沖液【V（1 mol/L NaAc）∶V（1 mol/L HCl）∶V（H2O）=100∶60∶90】 定容，避光靜置1 h，分別在波長520 nm 和700 nm 處測吸光值A(chǔ)?；ㄉ蘸堪聪率接嬎?，結(jié)果以矢車菊3-葡萄糖苷計。

式中：ΔA=（A520nm- A700nm）pH 1.0 -（A520nm-A700nm）pH 4.5；MW——矢車菊3-葡萄糖苷的相對分子質(zhì)量，449.2；DF——稀釋倍數(shù)，10；ε——矢車菊3-葡萄糖苷的摩爾消光系數(shù)，26 900；1——比色皿的光程。1 000——體積單位換算系數(shù)。

1.3.5 總酚的測定 總酚含量的測定采用福林酚法[11]。以沒食子酸為標準品，縱坐標為吸光度，橫坐標為沒食子酸質(zhì)量，繪制標準曲線，得到回歸方程y=0.0182x+0.0105，R2=0.9997。

1.3.6 總黃酮的測定 總黃酮含量的測定采用NaNO2-Al（NO3）3比色法[12]。以蘆丁為標準品，縱坐標為吸光度，橫坐標為蘆丁濃度，繪制標準曲線，得到回歸方程y=3.8017x+0.0446，R2=0.9997。

1.3.7 蛋白質(zhì)的測定 蛋白質(zhì)含量的測定采用考馬斯亮藍法[13]。以牛血清白蛋白為標準品，縱坐標為吸光度，橫坐標為牛血清白蛋白濃度，繪制標準曲線，得到回歸方程y = 0.3637x + 0.0057，R2=0.9992。

1.3.8 抗氧化活性分析 楊梅汁樣品抗氧化活性的分析通過DPPH、ABTS、FRAP 3 個抗氧化體系來評價[14]。結(jié)果以Trolox 等價抗氧化能力TEAC（Trolox equivalent antioxidant capacity）表示。

1.3.9 微濾膜表面結(jié)構(gòu)分析 將經(jīng)微濾處理的污染膜于室溫自然揮干，對膜片表面進行拍照記錄。同時，通過場發(fā)射掃描電鏡（Field emission scanning electron microscope，F(xiàn)E-SEM）對未處理的新膜和污染膜表面微觀結(jié)構(gòu)進行表征。取適量膜片樣品貼于FE-SEM 樣品臺上，噴金，使用FESEM 觀察膜表面結(jié)構(gòu)變化。

1.3.10 統(tǒng)計分析 試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016 進行處理，結(jié)果以（±s）表示。采用SPSS 21 進行顯著性和相關(guān)性分析，采用Origin 2017 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同材質(zhì)濾膜的純水通量及楊梅汁滲透通量

滲透通量是衡量濾膜性能和膜污染情況的重要指標[15]。圖2 顯示6 種材質(zhì)濾膜在無污染情況下的純水通量（a）和過濾楊梅汁的滲透通量（b）隨時間的變化情況。由圖2a 可看出，隨著時間的延長6 種材質(zhì)濾膜的純水通量均呈良好的穩(wěn)定性，其中聚丙烯膜（PP）的純水通量最大，尼龍膜（Nylon）的純水通量最小，聚醚砜膜（PES）、醋酸纖維膜（CA）、聚偏氟乙烯親水膜（PVDF）和聚四氟乙烯親水膜（PTFE）的純水通量差異較小。由圖2b可看出，6 種材質(zhì)濾膜在過濾楊梅汁時，在最初的5 min 內(nèi)，滲透通量迅速下降，10 min 后滲透通量趨于穩(wěn)定。其中，PP 膜的楊梅汁滲透通量顯著高于其它5 種材質(zhì)的濾膜，PVDF 膜的楊梅汁滲透通量次之，PTFE、PES、CA 和Nylon 4 種材質(zhì)濾膜的滲透通量基本一致。

4 種材質(zhì)濾膜的滲透通量的減小，主要是由于隨著過濾時間的延長，膜的孔徑被逐漸堵塞，未能通過濾膜的物質(zhì)在膜表面形成一層濾餅污垢[16]，導致過濾受阻，膜滲透通量迅速下降。Ming等[17]在研究模擬果汁超濾過程中的膜污染時，發(fā)現(xiàn)疏水且?guī)д姷哪ぞ哂休^高的滲透通量。本試驗結(jié)果表明聚丙烯膜相對于其它5 種材質(zhì)的濾膜具有更大的純水通量和楊梅汁滲透通量，這可能與聚丙烯膜的疏水性相關(guān)。

圖2 不同材質(zhì)濾膜純水通量（a）和楊梅汁滲透通量（b）Fig.2 Membrane permeation flux of pure water（a）and bayberry juices（b）

2.2 不同材質(zhì)濾膜對楊梅汁基本理化性質(zhì)的影響

經(jīng)黃原膠澄清的楊梅原汁以及不同材質(zhì)濾膜過濾前、后的基本理化性質(zhì)變化如表1所示。楊梅原汁經(jīng)澄清劑澄清和微濾，透光率顯著性提高（P＜0.05），經(jīng)不同材質(zhì)濾膜過濾后透光率均在97%以上，說明孔徑為0.45 μm 的濾膜能有效提高楊梅汁的澄清度。不同材質(zhì)濾膜之間透光率差異不顯著（P＞0.05），這可能是由于濾膜的孔徑相同，能透過的物質(zhì)粒徑一致，因此所得的楊梅汁透光率基本一致[18]。楊梅原汁中的蛋白質(zhì)經(jīng)澄清過濾后含量均顯著減少（P＜0.05），不同材質(zhì)濾膜對蛋白質(zhì)的截留稍有不同，其中Nylon 膜對楊梅汁中蛋白質(zhì)截留最大，PVDF 和CA 膜次之，PP、PTFE 和PES 膜對蛋白質(zhì)的截留相對較小，這可能是由于不同材質(zhì)對蛋白質(zhì)的吸附作用不同導致的[19]。楊梅汁的可溶性固形物、酸度和pH 值經(jīng)澄清和不同材質(zhì)濾膜過濾后無顯著性差異（P＞0.05），說明不同材質(zhì)濾膜對可溶性固形物、酸度和pH 值無影響。

表1 不同材質(zhì)濾膜對楊梅汁理化性質(zhì)的影響Table 1 Effects of different membranes on the physicochemical properties of bayberry juices

2.3 不同材質(zhì)濾膜對楊梅汁活性成分的影響

果汁中活性成分的含量是影響果汁營養(yǎng)價值的重要參數(shù)，楊梅中的主要功能活性成分包括花色苷、酚酸及黃酮糖苷類物質(zhì)[20]，因此探究楊梅汁經(jīng)不同材質(zhì)濾膜過濾前、后活性成分的變化，是篩選適宜濾膜的重要依據(jù)。圖3a、3b、3c 分別對應楊梅原汁經(jīng)黃原膠澄清和不同材質(zhì)濾膜過濾前、后的花色苷、總酚和總黃酮含量。由圖3 可看出，楊梅原汁經(jīng)澄清過濾后其花色苷、總酚和總黃酮含量顯著降低（P＜0.05）。以自然澄清為對照，黃原膠澄清劑對花色苷、總酚和總黃酮3 種活性物質(zhì)無顯著性影響（P＞0.05）。黃原膠澄清汁經(jīng)6 種材質(zhì)濾膜過濾后，花色苷、總酚和總黃酮3 種活性物質(zhì)的含量呈顯著性差異（P＜0.05），其中，經(jīng)過Nylon膜過濾后楊梅汁中3 種活性物質(zhì)的含量最低，且與其它5 種濾膜具有顯著性差異（P＜0.05），說明Nylon 膜對楊梅汁中的花色苷、酚酸及黃酮類化合物的截留最大。而經(jīng)PP、PVDF、PTFE、PES 和CA膜過濾后果汁中的花色苷、總酚和總黃酮3 種活性物質(zhì)含量與過濾前果汁中的含量差異較小，說明PP、PVDF、PTFE、PES 和CA 膜對楊梅汁中的酚類活性成分影響較小，其中經(jīng)PP 膜過濾后的果汁中花色苷和總酚含量略高于其它5 種濾膜。

王麗麗等[21]在研究不同材質(zhì)濾膜對茶葉兒茶素類和生物堿HPLC 檢測的影響時，發(fā)現(xiàn)尼龍66材質(zhì)濾膜過濾后濾液中的兒茶素含量最小，其原因可能是尼龍材質(zhì)對兒茶素類具有較強的吸附作用。與本試驗結(jié)果相似，尼龍膜對于楊梅汁中的酚類活性物質(zhì)的吸附作用相比于其它5 種材質(zhì)的濾膜是最大的。彭菲等[22]在研究不同材質(zhì)濾膜對人參皂苷類成分的影響時，發(fā)現(xiàn)纖維素材質(zhì)的濾膜對人參皂苷的透過率要高于聚醚砜膜，認為可能是由于兩種材質(zhì)的親水性不同所致。本試驗中，聚醚砜膜和醋酸纖維素膜對楊梅汁酚類物質(zhì)的影響無顯著性差異，說明濾膜的親水性對楊梅汁酚類活性成分的影響較小。不同材質(zhì)濾膜對活性成分的吸附作用可能是引起果汁中活性成分差異的主要原因。

2.4 不同材質(zhì)濾膜對楊梅汁抗氧化活性的影響

楊梅作為富含酚類物質(zhì)的漿果，具有較強的抗氧化能力，楊梅果汁作為楊梅的主要產(chǎn)品之一，其抗氧化能力是一項重要的活性指標[23]。通過3個體外抗氧化體系（DPPH、ABTS 和FRAP）對楊梅原汁及其澄清過濾后抗氧化能力的評價及對楊梅汁中花色苷、總酚和總黃酮含量與抗氧化能力（DPPH、ABTS 和FRAP）的相關(guān)性分析，如圖4所示，楊梅原汁的抗氧化能力最強，經(jīng)澄清、過濾后抗氧化能力顯著性降低（P＜0.05），其中經(jīng)Nylon 膜過濾的楊梅汁抗氧化能力最低。經(jīng)PP、PVDF、PTFE、PES 和CA 膜過濾的果汁清除DPPH 自由基能力無顯著性差異（P＞0.05），而在清除ABTS·+自由基和鐵離子還原能力方面，經(jīng)PES 和CA 膜過濾的果汁相對于PP、PVDF、PTFE 膜過濾的果汁更強。由表2 的相關(guān)性分析可知，DPPH、ABTS和FRAP 3 個體外抗氧化體系的測定結(jié)果間具有極顯著的正相關(guān)性（P＜0.01），說明這3 個體系均能反映楊梅汁的抗氧化活性。此外，DPPH、ABTS與花色苷、總酚和總黃酮含量均呈顯著正相關(guān)性（P＜0.05），說明楊梅汁中的酚類物質(zhì)對楊梅汁抗氧化活性有重要的貢獻[24]。從不同材質(zhì)濾膜對楊梅汁活性成分及抗氧化活性的影響可以看出，經(jīng)Nylon 膜過濾的楊梅汁活性成分以及抗氧化活性的損失最大，不適于楊梅汁的過濾澄清處理。

圖3 不同材質(zhì)濾膜對楊梅汁活性成分的影響Fig.3 Effects of different membranes on the active components of bayberry juices

圖4 不同材質(zhì)濾膜對楊梅汁抗氧化活性的影響Fig.4 Effects of different membranes on the antioxidant activities of bayberry juices

表2 花色苷、總酚、總黃酮、DPPH、ABTS 和FRAP 的相關(guān)性Table 2 Correlations of anthocyanins，total phenols，total flavonoids，DPPH，ABTS and FRAP

2.5 不同材質(zhì)濾膜表面微觀結(jié)構(gòu)分析

濾膜的污染情況是影響膜過濾效率和使用壽命的重要因素[25]。不同材質(zhì)濾膜過濾楊梅汁后的表面宏觀情況和微觀結(jié)構(gòu)如圖5 和圖6所示。由圖5 可看出，所有濾膜在過濾楊梅汁后均被污染呈現(xiàn)淺紅色至深紅色，從顏色的深淺可以看出不同材質(zhì)濾膜的污染情況，其中Nylon 膜表面的顏色最深，說明其對楊梅汁成分的吸附、截留最多，這與上文中果汁理化指標的測定結(jié)果一致。由圖6 可看出，不同材質(zhì)的濾膜具有不同的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)，過濾后的濾膜均受到不同程度的污染，已基本看不出膜的原始形貌，濾膜表面形成較為致密的濾餅層，這也是導致膜的滲透通量大大降低的原因。

圖5 不同材質(zhì)濾膜表面污染情況Fig.5 Membrane fouling of different materials

圖6 不同材質(zhì)濾膜過濾前（a）后（b）表面微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Micro morphology of membranes before（a）and after（b）microfiltration

濾膜的材質(zhì)決定其與過濾物料的適用性，酸性物料如柑橘汁、檸檬汁等對濾膜具有較強的腐蝕性，因此要求所需濾膜具有耐強酸侵蝕性，PVDF、PTFE 膜被證實具有良好的耐酸性[26]，更適用于楊梅汁等酸性物料的過濾。此外，楊梅、覆盆子、黑加侖等具有鮮艷紅紫色的水果在加工果汁時，對于顏色的保留也是需要考慮的重要因素[27]。從本試驗結(jié)果可以看出，尼龍膜對于楊梅汁色澤的吸附明顯高于其它5 種濾膜，因此從對果汁色澤保護方面來看，尼龍膜不適于有色物料的過濾處理。

3 結(jié)論

本文以楊梅汁為對象，研究6 種材質(zhì)微濾膜對楊梅汁基本理化性質(zhì)、活性成分及抗氧化活性的影響，比較不同材質(zhì)濾膜的滲透通量及污染情況。不同材質(zhì)濾膜的滲透通量不同，其中PP 膜具有最高的純水通量和楊梅汁滲透通量。經(jīng)不同材質(zhì)濾膜過濾后的楊梅汁，透光率均顯著性提高（P＜0.05），蛋白質(zhì)含量均顯著性降低（P＜0.05）。不同材質(zhì)濾膜對楊梅汁可溶性固形物、酸度和pH 值無顯著性影響（P＞0.05）；對花色苷、總酚和總黃酮含量的影響具有顯著性差異（P＜0.05），其中經(jīng)Nylon 膜過濾的楊梅汁3 種活性成分的含量最低，經(jīng)PP、PVDF、PTFE、PES 和CA 膜過濾的果汁中活性成分含量差異不顯著（P＞0.05）。楊梅汁抗氧化活性與花色苷、總酚和總黃酮含量具有顯著正相關(guān)性（P＜0.05）。不同材質(zhì)濾膜具有不同的微觀結(jié)構(gòu)，過濾后6 種材質(zhì)濾膜的表面均被明顯污染。綜合考慮膜的滲透通量以及對楊梅汁活性成分及色澤的影響，尼龍膜不適于楊梅汁的過濾處理，聚丙烯膜相比于其它5 種濾膜用于過濾楊梅汁能獲得更高的過濾效率。