CN110152491A - 一种热敏性食品原料液非热高度浓缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种热敏性食品原料液非热高度浓缩方法，其能够达到较高的浓缩度，同时全程为非热过程，从而完好保存浓缩液热敏性成分。浓缩过程膜污染主要以可逆污染为主，便于清洗去除。而且过程驱动力为渗透压差，不需施加压力，操作简单。本发明可用于热敏性食品原料液的非热高度浓缩。本发明的方法步骤为：（1）对热敏性食品原料液进行澄清处理；（2）然后采用正渗透膜进行正渗透浓缩，使用盐溶液作为汲取液，通过汲取液质量的变化量计算水通量，通过原料液质量的变化量计算浓缩度；（3）当水通量下降到2‑6 L/m²h，对正渗透膜进行清洗，更换汲取液，继续浓缩；（4）循环步骤（3），直至浓缩度达到要求为止。

Description

一种热敏性食品原料液非热高度浓缩方法

一、技术领域：

本发明涉及食品浓缩领域，具体涉及一种热敏性食品原料液非热高度浓缩方法。

二、背景技术：

食品工业领域中，原料液的浓缩研究具有推动食品工业发展的重要意义。在经济上，浓缩可以减少物料体积，从而降低贮藏和运输成本；较高的浓度可以提高后续工艺的单产能力，降低后续干燥工艺的设备成本和能源成本。在产品品质方面，浓缩处理可以降低物料的水分活度，延长保藏期。

食品物料的浓缩技术种类繁多，以多效蒸发为代表的热法浓缩应用最为普遍。但是，食品原料液中有一个重要的分类——热敏性食品原料液。这种原料液含有受热易分解、变性的热敏性成分。其主要包括以乳制品、禽蛋制品为代表的蛋白制品；以苹果汁、番茄汁为代表的果蔬汁；以桦树汁、银杏提取物为代表的植物提取液等。这些热敏性食品原料液在进行热处理时会产生褐变、香气损失、维生素氧化分解等一系列品质恶化反应。因此，使用非热技术处理热敏性食品原料液，是食品工业领域的研究热点。

膜技术是一种重要的非热技术。传统的压力驱动式膜技术在浓缩食品原料液时，有着非常巨大的优势，也有显著的缺陷。优势主要有：工艺过程中没有相变，能最大程度保留原料液中的热敏性成分；操作简单，人员作业环境适宜；设备成本低廉；模块化，可连续运行。压力驱动式膜技术的不足主要有：易产生膜污染，通量下降快；过程需要较高液压，能源成本高昂；不可逆膜污染较多，降低膜的使用寿命；难以达到较高的浓缩度。在膜法浓缩的实际应用中，传统的压力驱动式膜浓缩技术主要是用于蒸发浓缩之前的预浓缩步骤。这种应用模式使得整个浓缩工艺达不到全过程非热的要求，不利于最大程度的保留食品原料液中的热敏性成分，难以得到高品质的食品浓缩液。

三、发明内容

本发明的提供一种热敏性食品原料液非热高度浓缩方法，其能够达到较高的浓缩度，同时其热敏性成分能够得到最大程度的保留。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种热敏性食品原料液非热高度浓缩方法，其特征在于：所述的方法步骤为：

(1)对热敏性食品原料液进行澄清处理；

(2)然后采用正渗透膜进行正渗透浓缩，使用盐溶液作为汲取液，通过汲取液质量的变化量计算水通量，通过原料液质量的变化量计算浓缩度；

(3)当水通量下降到2-6L/m²h时，对正渗透膜进行清洗，更换汲取液，继续浓缩；

(4)循环步骤(3)，直至浓缩度达到要求为止。

所述的步骤(1)中澄清处理的方法为：当原料液中功能性成分为大分子物质时，采用纱布过滤；当原料液中功能性成分为小分子物质时，采用滤膜过滤。

所述的步骤(2)所采用的盐溶液为NaCl、MgCl₂、KCl、Na₂SO₄或MgSO₄，其浓度范围为0.5—4mol/L。

所述的步骤(2)正渗透浓缩：正渗透膜的活性层面向原料液，支撑层面向汲取液，使用称量装置记录原料液重量变化，以此计算浓缩度；使用称量装置记录汲取液重量变化，以此计算水通量。

所述的步骤(2)所采用的水通量计算方法：将称量装置连接到电脑端，称量数据实时传输至电脑，直接计算出水通量，便于监控通量变化。

所述的步骤(3)中单次浓缩循环终点判定依据：由于不同的食品原料液具有不同的性质和加工要求，同时不同的工艺过程有不同的生产安排，一般为水通量下降到2-6L/m²h时即认为影响到浓缩工艺效率，为单次浓缩循环终点。

所述的步骤(3)中正渗透膜进行清洗：

如果原料液为大分子物质的清洗方法为：将膜两侧的原料液和汲取液排空，然后使用去离子水在膜两侧循环清洗，循环结束之后，将清洗溶液排空；

如果原料液为小分子物质的清洗方法为：将膜两侧的原料液和汲取液排空，然后使用EDTA溶液、SDS溶液、HCl溶液或NaOH溶液在膜两侧循环清洗，循环结束之后，将清洗溶液排空，然后使用去离子水循环清洗，循环结束之后，将清洗溶液排空。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：

1、本发明采用渗透压驱动的正渗透技术，作为膜技术的一种，不仅具备传统膜技术中无相变的优势，也因其工艺原理避免了传统压力驱动式膜技术的不足。其特征优势主要有：可以通过调控汲取液获得高于压力驱动膜过程的驱动力，进而实现更高的浓缩度；正渗透膜孔径小，可以很好的截留食品物料中的小分子组分；自发渗透过程，不需外加压力，操作简单；以可逆污染为主，大部分污染通过简单的水力清洗即可去除。

2、本发明为解决热敏性食品原料液的浓缩问题，采用基于正渗透的热敏性食品原料液非热浓缩新方法。采用本发明所述方法能够达到较高的浓缩度，同时其热敏性成分能够得到最大程度的保留。浓缩过程膜污染主要以可逆污染为主，便于清洗去除。而且过程驱动力为渗透压差，不需施加压力，操作简单。本发明对于实际食品生产的效果提升，食品工业的发展具有重要意义。

3、本发明原料液的浓缩度显著提升；

4、本发明原料液中的热敏性成分保留率可达100％；

5、本发明浓缩过程中无外界压力存在，操作简单。

6、本发明对于实际食品生产的效果提升，食品工业的发展具有重要意义。

四、附图说明：

图1为浓缩方法流程简图；

图2为蛋清液正渗透浓缩过程中的通量和浓缩度变化；

图3为苹果汁正渗透浓缩过程中的通量和浓缩度变化。

五、具体实施方式

下面结合具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的限定：

一种热敏性食品原料液非热高度浓缩方法步骤为：

(1)对热敏性食品原料液进行澄清处理，澄清处理的方法为：当原料液中主要功能性成分为蛋白质等大分子物质时(如牛奶，蛋清等)，采用纱布过滤；当原料液中主要功能性成分为糖、多酚、维生素等小分子物质时(如果汁、植物提取液等)，采用滤膜过滤；

(2)然后采用正渗透膜进行正渗透浓缩，使用盐溶液作为汲取液，通过汲取液质量的变化量计算水通量，通过原料液质量的变化量计算浓缩度；

盐溶液为NaCl、MgCl₂、KCl、Na₂SO₄或MgSO₄，其浓度范围为0.5—4mol/L。

正渗透膜的活性层面向原料液，支撑层面向汲取液，使用称量装置记录原料液重量变化，以此计算浓缩度；使用称量装置记录汲取液重量变化，以此计算水通量。

水通量计算方法：将称量装置连接到电脑端，称量数据实时传输至电脑，直接计算出水通量，便于监控通量变化。

(3)当水通量下降到2-6L/m²h时，对正渗透膜进行清洗，更换汲取液，继续浓缩；

单次浓缩循环终点判定依据：由于不同的食品原料液具有不同的性质和加工要求，同时不同的工艺过程有不同的生产安排，一般为水通量下降到2-6L/m²h时即认为影响到浓缩工艺效率，为单次浓缩循环终点

清洗的方法为：

如果原料液为大分子物质的清洗方法为：将膜两侧的原料液和汲取液排空，然后使用去离子水在膜两侧循环清洗，循环结束之后，将清洗溶液排空；

如果原料液为小分子物质的清洗方法为：将膜两侧的原料液和汲取液排空，然后使用EDTA溶液、SDS溶液、HCl溶液或NaOH溶液在膜两侧循环清洗，循环结束之后，将清洗溶液排空，然后使用去离子水循环清洗，循环结束之后，将清洗溶液排空。

(4)循环步骤(3)，直至浓缩度达到要求为止。

本发明正渗透系统简图如图1所示，包括电脑、两个称量装置、正渗透膜组件和两台泵，原料液和汲取液分别放置在两个称量装置上，称量装置会实时记录原料液和汲取液的质量变化，将质量数据传输到电脑上自动计算，进而得到水通量，两个称量装置防止于正渗透膜的两侧，其中一个称量装置与电脑连接。

实施例1：基于正渗透的蛋清液非热浓缩

原料液处理

将鸡蛋破碎，分离蛋清蛋黄，纱布过滤。

浓缩过程

以蛋清液作为原料液，以浓度为3mol/LNaCl溶液作为汲取液。正渗透膜活性层面向原料液，原料液和汲取液分别在膜的两侧循环。分别测量原料液和汲取液的质量随时间的变化量。其浓缩度和水通量随时间的变化曲线如下图2所示。浓缩结束后，分析浓缩前后蛋清液的可溶性固形物含量(Total soluble solids，TSS)，总有机碳(total organiccarbon，TOC)及总蛋白含量。

水通量(J_w)计算公式：

ΔW是原料液减少的质量,t是浓缩过程时间，A是有效膜面积。

原料液浓缩度计算公式(concentration factor，CF)：

W₀为原料液初始质量，ΔW为原料液减少的质量。

蛋清液浓缩过程中的蛋白质截留效果使用TOC截留率(TOC rejection)来表征，计算公式如下：

TOC_i,DS是结束浓缩过程之后汲取液中的TOC含量，TOC_0,FS是原料液中初始TOC含量，V_i,DS是汲取液的最终体积，V_P是浓缩结束后汲取液增加的体积。

膜清洗过程

使用去离子水清洗方式。浓缩过程结束之后，使用去离子水在进料液侧和汲取液侧循环。对清洗后膜的通量恢复率进行测定。

通量恢复率计算公式：

J_vo是原始膜浓缩蛋清液时的初始水通量，J_vc是浓缩实验结束之后经过清洗的膜浓缩蛋清液时的初始水通量。

由图2和表1可知，蛋清液在经过正渗透浓缩之后，浓缩度可达2.1。原料液的总可溶性固形物含量从14.5±1.8％提升至30.7±1.7％，蛋白质含量从12.2±2.0％提升至25.6±3.2％。在浓缩过程中，原料液中的蛋白质截留率为99.94％。蛋清液中的热敏性成分得到了最大程度的保留(表1)。经过水力清洗之后，膜的通量恢复率为81％。这表明蛋清液的正渗透浓缩过程中所形成的膜污染大部分是可逆的，便于通过简单的水力清洗过程去除。

表1浓缩前后蛋清液主要品质参数对比表

参数	原蛋清液	浓缩蛋清液
			重量(g)	500.0	238.1
TSS(％)	14.5±1.8	30.7±1.7
			蛋白质含量(％)	12.2±2.0	25.6±3.2
CF	1	2.1
			TOC rejection(％)	-	99.94

实施例2：基于正渗透的苹果汁浓缩

原料液处理：

新鲜苹果清洗，破碎，膜过滤，去除原料液中的果胶。

浓缩过程：

以苹果汁清汁作为原料液，以浓度为2mol/L NaCl溶液作为汲取液。正渗透膜活性层面向原料液。原料液和汲取液在膜的两侧循环。分别测量原料液和汲取液的质量随时间的变化量。浓缩结束后，分析浓缩前后苹果汁的可溶性固形物含量，总有机碳，pH值，总酸以及总酚含量。浓缩前后的果汁品质对比如表2所示。

膜清洗过程：

使用简单的水力清洗方式。浓缩过程结束之后，使用去离子水在进料液侧和汲取液侧循环清洗。对清洗后的膜浓缩苹果汁时水通量的恢复率进行测定。

由图3和表2可知，苹果汁在经过两个浓缩循环之后，浓缩度可达4-5倍。最终原料液的总可溶性固形物含量从11.5±0.7％提升至55.0±1.2％。总酸含量从0.32±0.07g/100ml提升至1.30±0.05g/100ml。总酚含量从98±3ug/ml提升至483±7ug/ml。在浓缩过程中，原料液中的总糖，总酚，总酸截留率均接近100％，苹果汁中的热敏性成分得到了最大程度的保留(表2)。

表2浓缩前后苹果汁主要品质参数对比表

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，均应包含在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种热敏性食品原料液非热高度浓缩方法，其特征在于：所述的方法步骤为：

(1)对热敏性食品原料液进行澄清处理；

(2)然后采用正渗透膜进行正渗透浓缩，使用盐溶液作为汲取液，通过汲取液质量的变化量计算水通量，通过原料液质量的变化量计算浓缩度；

(3)当水通量下降到2-6L/m²h时，对正渗透膜进行清洗，更换汲取液，继续浓缩；

(4)循环步骤(3)，直至浓缩度达到要求为止。

2.根据权利要求1所述的一种热敏性食品原料液非热高度浓缩方法，其特征在于：所述的步骤(1)中澄清处理的方法为：当原料液中功能性成分为大分子物质时，采用纱布过滤；当原料液中功能性成分为小分子物质时，采用滤膜过滤。

3.根据权利要求1或2所述的一种热敏性食品原料液非热高度浓缩方法，其特征在于：所述的步骤(2)所采用的盐溶液为NaCl、MgCl₂、KCl、Na₂SO₄或MgSO₄，其浓度范围为0.5—4mol/L。

4.根据权利要求3所述的一种热敏性食品原料液非热高度浓缩方法，其特征在于：所述的步骤(2)正渗透浓缩：正渗透膜的活性层面向原料液，支撑层面向汲取液，使用称量装置记录原料液重量变化，以此计算浓缩度；使用称量装置记录汲取液重量变化，以此计算水通量。

5.根据权利要求4所述的一种热敏性食品原料液非热高度浓缩方法，其特征在于：所述的步骤(2)所采用的水通量计算方法：将称量装置连接到电脑端，称量数据实时传输至电脑，直接计算出水通量，便于监控通量变化。

6.根据权利要求5所述的一种热敏性食品原料液非热高度浓缩方法，其特征在于：所述的步骤(3)中单次浓缩循环终点判定依据：由于不同的食品原料液具有不同的性质和加工要求，同时不同的工艺过程有不同的生产安排，一般为水通量下降到2-6L/m²h时即认为影响到浓缩工艺效率，为单次浓缩循环终点。

7.根据权利要求6所述的一种热敏性食品原料液非热高度浓缩方法，其特征在于：所述的步骤(3)中正渗透膜进行清洗：

如果原料液为大分子物质的清洗方法为：将膜两侧的原料液和汲取液排空，然后使用去离子水在膜两侧循环清洗，循环结束之后，将清洗溶液排空；

如果原料液为小分子物质的清洗方法为：将膜两侧的原料液和汲取液排空，然后使用EDTA溶液、SDS溶液、HCl溶液或NaOH溶液在膜两侧循环清洗，循环结束之后，将清洗溶液排空，然后使用去离子水循环清洗，循环结束之后，将清洗溶液排空。