博鱼【摘要】介绍了果汁浓缩技术的发展现状,包括真空蒸发技术、冷冻浓缩技术、膜技术在果汁浓缩过程中的应用,以及各浓缩技术的研究的现状;膜技术中,重点介绍了渗透蒸馏、膜蒸馏及集成膜技术的发展现状;比较了各浓缩技术的优缺点.从果汁市场的扩大和产品质量要求的角度指出了膜技术在果汁行业中的应用前景.【期刊名称】《食品与发酵工业》【年(卷),期】2014(040)007【总页数】5页(P131-135)【关键词】果汁浓缩;真空蒸发;冷冻浓缩;膜技术【作者单位】西南大学柑桔研究所,重庆北碚,400712;西南大学食品科学学院,重庆北碚,400715;西南大学柑桔研究所,重庆北碚,400712;西南大学柑桔研究所,重庆北碚,400712;西南大学食品科学学院,重庆北碚,400715;西南大学柑桔研究所,重庆北碚,400712;西南大学园艺园林学院,重庆北碚,400715【正文语种】中文浓缩果汁是在水果榨成原汁后再采用浓缩的方法，蒸发掉一部分水分制成的，即采用物理分离方法，从原果汁中除去一定比例的水分，浓缩到原果汁体积50%以上，未发酵但复水后具有发酵能力的产品［1］。果汁浓缩后可大大降低包装、运输和.贮藏成本，延长货架期，方便销售和消费。但是果汁浓缩过程中会损失糖、酸、维生素博鱼体育、香气和色泽，在加水稀释复原后与原汁品质有差异。因此，浓缩过程中应尽可能减少果汁中有效成分的损失［2］，保证浓缩果汁稀释后的品质。目前果汁浓缩的方法有:蒸发、冷冻浓缩、反渗透等［3-4］。随着技术的发展，膜技术也越来越多地应用到果汁浓缩中。本文重点阐述了果汁浓缩技术中的真空浓缩技术、冷冻浓缩技术、膜技术等。冷冻浓缩技术果汁的冷冻浓缩技术应用了冰晶与水溶液的固-液相平衡原理。当水溶液中所含溶质浓度低于共溶浓度时，溶液被冷却后，水(溶剂)便部分成冰晶析出，剩余溶液的溶质浓度则由于冰晶数量和冷冻次数的增加而大大提高，其过程包括如下3晶(冰晶的形成)、重结晶(冰晶的成长)、分离(冰晶与液相分开)。荷兰Eindhoven大学Thijssen等在20世纪70年代成功地利用奥斯特瓦尔德成熟效应设置了再结晶过程制造大冰晶，并建立了冰晶生长与种晶大小及添加量的数学模型，从此冷冻浓缩技术被应用于工业化生产［5］，并逐渐形成了以Grenco冷冻浓缩设备为代表的冷冻浓缩技术［6］。冷冻浓缩是能够使液体食品的挥发性或热敏性成分损失降低到最小的一项技术。这项技术的最大优点就是在加工过程中达到了低温，同时没有蒸汽-水分界面的存在，且适用于对热敏感的液体［7］。1.1研究现状方婷等［8］进行了橙汁冷冻浓缩动力学模型的研究，结果表明，在橙汁冷冻浓缩过程中，冰晶增长速率与冰晶质量关系可以用模型表示:其中:mi，冰晶的质量;t，时间;β，冰晶生长速度;K，可溶固形物分配系数，Si:冰晶中可溶固形物浓度;Sj:浓缩液中可溶固形物浓度)。冰晶的增长速度与冰晶的质量成正比，并存在一个最大冰晶量，在接近最大冰晶量.时，冰晶增长速度受到限制。根据模型方程得出的结论，在工业上应用时，可以预先加入种冰，以缩短初期冰晶成核的时间，但到了浓缩后期博鱼体育，由于体系中积累了大量的冰晶，果汁的流动性降低，果汁与冰晶的相对运动减小，质量传递受阻，冰晶的增长速度趋向零，此时应停止浓缩，分离冰晶，进入下一级浓缩，从而可以提高冷冻浓缩的工作效率并节省能源的消耗。为最大限度的保留果汁原有的生鲜风味和营养，陈梅英等［9］进行了高压脉冲集成冷冻浓缩加工果汁的工艺，其工艺流程为:生产的橙汁与巴氏杀菌橙汁进行感官评定比较发现，非热力制取的冷冻浓缩橙汁以体积比12.5与纯净水混和后制成的果汁其品质比巴氏杀菌处理的果汁的品质高。刘凌等［10］研制了果蔬汁常压低温浓缩新技术——界面渐进冷冻浓缩，是一种沿冷却面形成并成长为整体冰晶的冻结方法。随着冰层在容器冷却面上生成并成长，在固液相界面，溶质从固相侧被排除到液相侧。其最大的特点就是形成一个整体的冰结晶，固液界面小，使得母液与冰晶的分离变得非常容易;同时由于冰结晶的生成、成长与母液的分离及脱冰操作均在一个装置中完成，无论是在设备数量上还是动力消耗上都明显少于悬浮结晶法，简化了装置且方便控制，可降低设备投资与生产成本;还可以避免悬浮结晶浓缩时，果汁中纤维素等做为触媒形成不均质核，使纤维素被包在冰晶体中而造成损失等。高明才等［11］为了使冷冻浓缩能够顺利进行，且能有效地将生长罐中的大小冰晶分离开，对冷冻浓缩设备做了以下改进:研制出实验室用冷冻浓缩设备;将结晶罐与生长罐合并，避免冰晶向结晶罐转移的过程中再次污染的危险;利用中心排冰法，有效地实现了大小冰晶的分离，降低了果汁的损失率。为了改善渐进式冷冻浓缩的不足，国外有学者提出了泵循环流动的管式浓缩系统。期望这种系统中冰晶体通过冷却剂在冷却管的内表面形成的方式，同时由于管数目.的增加扩大了冷却的表面面积来提高了生产量。研究发现，冷冻浓缩在低渗透压条件下对于低盐溶液的浓缩来说有效，加工过程中冰和液体的溶质表观分配系数足够低从而达到较高的产量，但是在高溶质的浓缩过程中，冷冻浓缩过程中的产量降低，在这种情况下，冰的部分溶解的作用是非常有效的，通过部分融化过程回收高浓度的初始馏分，产量可以改善到必要的水平(＞90%)［3］。加泰罗尼亚技术大学设计的应用于食品工业中试装置的冷冻浓缩系统是一种渐进式结晶冷冻浓缩，它基于水结晶直接与冷表面接触，在由不锈钢板制成的交换表面形成一层冰，浓缩的液体经过制冷剂在泵系统中循环。这种系统已成功地应用在了苹果汁、梨汁及糖溶液的浓缩中并且浓度最高达到30Brix，同时显示这项技术将更多地应用在食品工业中的预浓缩系统中［12］。Otero等［13］研制了一种新型的工具，即压力转换核。压力转换成核设备中，压力越高、温度越低，最后果汁的浓缩度也越高、冰晶形成越小。与传统的结晶化相比，压力转成核有4个重要的优点:(1)如果压力增加的足够，压力容器中的温度是足够高的;(2)在扩大后，所需要的浓度瞬间就可以达到;(3)冰晶体形状规则没有压痕和缺口;(4)冰晶体均匀的分布在整个样品中。真空浓缩技术真空浓缩又称减压浓缩，是在较低的真空度下利用水的沸点降低原理将水分或其他溶剂蒸发掉的原理。即在减压条件下，40～60时，可迅速蒸发掉果汁中的水分。这样的短时低热基本不会损失果汁的有效成分［14］。冷凝器和空气泵的双底线研究现状传统的多极真空蒸发后得到的浓缩汁，会造成挥发性物质、香气化合物、抗坏血酸及天然抗氧化剂的损失，从而导致产品质量的下降［15］。余炼等［16］研究了真空浓缩过程对芒果汁香气成分的影响，发现随着芒果汁浓度的不断提高，异松油.烯的含量在逐步下降(由1.95110-5%降至0.03210-5%)，异松油烯含量的下降意味着真空浓缩导致了芒果汁香大部分气成分的丧失。为了更好地克服这些缺点及更好地保存新鲜果汁中的营养成分，几种新的真空浓缩技术技术已被开发出来。低温真空浓缩技术就是其中的一种，低温真空浓缩就是将物料放置到线MPa 的蒸发室、低温条件下，水分被蒸发掉的浓缩。由于在蒸发室中水分蒸发的 同时带走了大部分的热量使得产品的温度下降，这时产品温度过低不利于蒸发的进 行。因此需要用设备自带的热泵产生40的热水对循环的产品进行加热，保证产 品的温度控制在一个适当的温度。而且全部加工过程可以通过触摸屏控制，自动化 程度极高［17］。 王绍宇等［18］研究了制药行业中真空泵的选型方法，对果汁的浓缩过程也具有 很好的参考价值。研究发现，真空浓缩系统所需真空泵的抽气量和系统的蒸发能力 无关，而只取决于系统泄漏量、系统的操作压力、管路及冷凝器阻力损失和二级冷 凝器的蒸汽分压。且系统的操作压力越高、管路及冷凝器阻力损失越小、二级冷凝 器的蒸汽分压越低，需要选配的真空泵抽气量越小。 王少红等［19］研发了一种新型的真空浓缩设备，这种设备克服了现有技术的缺 点和不足，提供一种能够控制温度、使温度分布均匀，从而使物料受热均匀，物料 的品质能够控制的新型真空浓缩设备。 真空浓缩技术有很多优点:(1)由于在较低温度下蒸发，可以节省大量能源;(2)物料不 受高温影响，避免了热不稳定成分的破坏和损失，更好地保存了原料的营养成分和 香气;(3)温度梯度大;(4)低压蒸汽、真空浓缩操作是在较低的温度下进行的，减少了 设备使用时的热量损失。但是由于真空浓缩，须有抽真空系统，从而增加附属机械 设备及动力;另外由于蒸发潜热随沸点降低而增大，所以热量消耗大。这些都是真 空浓缩过程中不可忽视的缺点。 .膜分离技术是指利用高分子半透膜的选择性，以浓度差梯度、压力梯度或电势梯度 作为推动力，使溶剂与溶质或溶液中不同组分加以分离、纯化或富集的一种方法。 从1960 年Loeb 和Souriragin 发现非对称型膜后，由于其能耗低且可以很好地 保存新鲜果汁的营养和感官品质，膜技术如微滤(MF)、超滤(UF)和反渗透(RO)等 已经广泛的应用于乳制品、食品及饮料工业中［20-21］。特别是反渗透技术在浓 缩果汁中的应用。由于反渗透的操作过程是在较低的温度下进行且不涉及水的相变， 所以与传统的蒸发技术相比，反渗透对浓缩果汁来说热损失小、能耗低、耗资少。 但是由于高渗透压力的限制，反渗透浓缩果汁不能够达到较高的浓度:单级反渗透 系统可以达到的浓度为30Brix，而传统的蒸发技术可以使果汁的浓度达到45 65Brix［22］。近年来，新的膜材料及工艺过程的发展已经改善了这种缺陷，新型的膜技术包括膜蒸馏和渗透蒸馏及集成膜技术［23］。 3.1 研究现状 3.1.1 渗透蒸馏(OD) Fitim等［24］在研究的过程中基于超滤和渗透蒸馏2 种技术的整合，提出了一种 较好的回收血橙汁中抗氧化合物的浓缩方法。首先经过超滤从果汁中除去悬浮固体 物得到澄清果汁，且其抗氧化能力与新鲜果汁近似。超滤膜对酚类化合物的去除率 为0.4%～6.9%。通过这种整合技术产生的果汁的总可溶性固形物的含量 61.4Brix。比较澄清果汁与浓缩果汁发现，它们中的酚类化合物没有明显的差异。 与传统方法相比，对于抗氧化化合物保护较好的方法就是超滤与渗透蒸馏的集成技 Fadi等［25］研究了芳香族溶液渗透蒸馏浓缩过程中香气化合物的传质动力学:水 果中香气化合物的传质动力学可以通过气相色谱法测定;尽管膜上的吸附现象比较 显著，但可以在浓缩之前通过饱和来限制，建立了一个基于表观渗透系数的模型来 描述传质动力学的特征博鱼体育，与水通量相比，浓缩过程中挥发性物质的损失与渗透的相 .对值直接相关。降低溶液的循环速度和温度可以使香气化合物的传质减慢。因此， 通过控制操作条件来减少香气化合物的损失是可行的。与传统的蒸发技术相比较， 渗透蒸馏导致的香气化合物的损失相对较少。 3.1.2 膜蒸馏 刘安军等［26］对不同温度下直接接触式膜蒸馏的能耗分析进行了研究，发现膜 透过侧冷却至常温以下时，冷却部分的损失较大，占总能耗的35%以上;料液侧温 度在50以下时膜组件的损失占总损失的50%以上，升高至55以上时则加热 部分损失比例升高至50%以上。合适的膜蒸馏操作温度可提高系统的效率，膜透 过侧温度为环境温度(25)、膜两侧温差约为33.5时，可获得相对较高的系统 总效率、膜组件效率和膜通量，膜组件效率可达50%以上，系统总效率为0.5%以 上。提高膜组件以外其他部分的效率是提高系统总效率的关键。 刘捷等［27］对减压膜蒸馏传热传质机理进行了研究，在已有理论模型的基础上， 考虑温度极化和浓差极化的影响，引入减压膜蒸馏传热传质理论模型，并对模型进 行了计算，结果表明随温度的升高，传质系数K 升高，温度极化系数TPC 减小， 浓差极化系数CPC 增大，通量呈近指数倍增加;随流速的增加，TPC 增大，膜表面 传热系数ht 增大，CPC 略有降低，K 略有升高，通量略有升高;随中空纤维填充数