張雪艷, 陸 茵, 張 穎, 卓 鳴, 呂 愷, 史西志

黃酒常溫微濾工藝影響因素及除菌效果研究

張雪艷, 陸 茵*, 張 穎, 卓 鳴, 呂 愷, 史西志

（寧波大學(xué) 食品與藥學(xué)學(xué)院, 浙江 寧波 315832）

采用PVC中空纖維微濾膜對(duì)黃酒進(jìn)行過濾, 分析不同流動(dòng)形態(tài)、跨膜壓差以及錯(cuò)流流量對(duì)黃酒過濾通量的影響以及其動(dòng)力學(xué)變化規(guī)律. 最終確定黃酒最佳過濾條件為在垂直錯(cuò)流流動(dòng)形態(tài)下進(jìn)行過濾, 跨膜壓差為40kPa, 錯(cuò)流流量控制在125L·h-1左右. 對(duì)過濾前后的黃酒相關(guān)理化指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定, 結(jié)果表明, 膜過濾技術(shù)對(duì)黃酒中必須營養(yǎng)物質(zhì)的保留率較高, 過濾除菌效果明顯, 雜菌總數(shù)去除率達(dá)到99.45%以上, 可同時(shí)達(dá)到除濁和除菌的目的.

黃酒; PVC微濾膜; 流動(dòng)形態(tài); 跨膜壓差; 錯(cuò)流流量

黃酒作為飲用兼烹調(diào)酒類中的一種, 因其含有豐富的氨基酸、有機(jī)酸、維生素以及礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分而深受人們的喜愛. 黃酒屬于非蒸餾酒中的一種, 所以未處理過的黃酒中存在大量的膠體、蛋白質(zhì)、細(xì)菌、微生物等物質(zhì), 膠體和蛋白質(zhì)的存在會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生沉淀, 而細(xì)菌以及微生物的存在也會(huì)影響黃酒的非生物穩(wěn)定性, 且這兩者都將直接影響到黃酒的風(fēng)味特征及商品價(jià)值[1-2]. 為解決上述問題, 傳統(tǒng)的黃酒工藝多采用硅藻土過濾以及紙板精濾的方法去除渾濁, 再通過煎酒工藝達(dá)到滅菌目的[3-4]. 隨著食品工業(yè)的不斷發(fā)展以及人們對(duì)黃酒品質(zhì)要求的不斷增加, 傳統(tǒng)澄清技術(shù)因勞動(dòng)力投入多、運(yùn)行成本大等缺點(diǎn)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足黃酒工業(yè)的運(yùn)行需要.

膜分離技術(shù)因其具有低能耗、無相變以及分離效能好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于食品、生物、化工、水處理等領(lǐng)域[5-7]. 膜分離技術(shù)在啤酒以及葡萄酒的研究顯示, 其可作為酒類工藝的前處理階段, 省去了傳統(tǒng)的巴氏殺菌工藝, 既能達(dá)到除濁除菌的目的, 也能很好地保留酒類中的風(fēng)味物質(zhì), 具有一定的實(shí)用價(jià)值[8-11]. 在黃酒過濾工藝中, 近幾年才開始引入膜分離技術(shù)[12-15]. 研究結(jié)果表明, 膜過濾技術(shù)用于黃酒除菌是可行的, 且處理后的黃酒非生物穩(wěn)定性和感官質(zhì)量明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工藝得到的黃酒樣品.

與傳統(tǒng)酒類加工工藝相比, 黃酒生產(chǎn)中采用膜過濾技術(shù)的研究在一定程度上改進(jìn)了黃酒加工工藝, 提高了黃酒中膠體的非穩(wěn)定性. 但由于黃酒黏度大, 膠體雜質(zhì)比較多, 故常規(guī)的靜態(tài)過濾會(huì)引起濾膜污染以及過濾通量衰減嚴(yán)重等問題, 所以研究出一種既能減緩黃酒過濾過程中的膜污染問題, 也能提高膜過濾平衡通量, 降低膜過濾成本的過濾工藝條件顯得極其重要.

在過濾工藝中, 按照流體流動(dòng)形態(tài)可分為動(dòng)態(tài)過濾和靜態(tài)過濾. 在動(dòng)態(tài)過濾中, 又可分為垂直錯(cuò)流過濾和平行錯(cuò)流過濾. 垂直錯(cuò)流過濾意指進(jìn)料液流向垂直流經(jīng)過濾膜面的過濾方式, 平行錯(cuò)流過濾意指進(jìn)料液流向平行于過濾膜面的過濾方式. 近幾年的酒類過濾研究中, 黃酒過濾技術(shù)的研究大部分聚焦于靜態(tài)過濾或平行錯(cuò)流過濾[16], 對(duì)于錯(cuò)流過濾中垂直錯(cuò)流過濾的研究很少報(bào)道. 本文以PVC中空纖維微濾膜為膜組件, 研究了不同流動(dòng)形態(tài)下操作條件對(duì)黃酒過濾通量的影響, 探討黃酒過濾過程中最佳過濾工藝條件, 為黃酒過濾工藝流程提供一定的參考.

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

PVC微濾膜膜組件, 實(shí)驗(yàn)室采用液致相分離法制備; 紹興黃酒由浙江越景紹興酒有限公司提供.

YP10002電子天平, 上海光正醫(yī)療儀器有限公司; DHG-9246A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱, 上海賀德實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司; DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器, 上海恬恒儀器有限公司; UPH-1-5T型超純水制造系統(tǒng), 成都超純科技有限公司; 泡點(diǎn)流速法孔徑分布測(cè)定儀, 實(shí)驗(yàn)室自制; 微濾膜過濾裝置, 實(shí)驗(yàn)室自制.

1.2 過濾裝置及方法

采用液致相分離法制備的PVC中空纖維微濾膜, 膜絲直徑為1.82mm, 泡點(diǎn)流速法測(cè)得中空纖維微濾膜孔徑為(0.35±0.05)μm, 封裝好的膜組件過濾總面積為312cm2, 過濾裝置如圖1所示.

封裝好的干態(tài)膜束經(jīng)純凈水浸泡24h, 待膜絲充分浸濕后, 在垂直錯(cuò)流和平行錯(cuò)流兩種不同流動(dòng)形態(tài)下, 研究跨膜壓差和錯(cuò)流流量對(duì)膜過濾平衡通量的影響. 如圖1所示, 通過改變膜絲的安裝位置來實(shí)現(xiàn)過濾時(shí)的不同流動(dòng)形態(tài). 進(jìn)行平行錯(cuò)流和垂直錯(cuò)流過濾試驗(yàn)時(shí), 分別將膜束以圖1(a)和圖1(b)的方式安裝于濾筒中, 進(jìn)料液循環(huán)流動(dòng), 過濾出的濾液倒回料液桶, 保持進(jìn)料液濃度不變. 實(shí)驗(yàn)過程中, 溫度控制在14℃左右, 通過調(diào)整閥門來控制錯(cuò)流流量和跨膜壓差, 每5min記錄1次過濾液體積, 連續(xù)測(cè)定至膜過濾通量穩(wěn)定. 在同一流動(dòng)形態(tài)下, 改變跨膜壓差以及錯(cuò)流流量等操作條件時(shí), 膜絲未進(jìn)行清洗, 直至在另一流動(dòng)形態(tài)下進(jìn)行過濾, 用純凈水清洗膜絲3h后再進(jìn)行過濾.

1.壓力表; 2.膜組件; 3.流量計(jì); 4.閥門; 5.泵; 6.過濾筒; 7.料液桶.

1.3 分析方法

黃酒中總糖測(cè)定采用斐林試劑-間接碘量點(diǎn)位滴定法(GB/T13662-2018); 氨基酸態(tài)氮測(cè)定采用氫氧化鈉滴定法(GB/T13662-2018); 非糖固形物測(cè)定采用儀器法(GB/T13662-2018); 菌落總數(shù)測(cè)定采用平板計(jì)數(shù)法(GB4789.2-2016).

2 結(jié)果與討論

2.1 流動(dòng)形態(tài)對(duì)膜過濾通量的影響

分別在垂直錯(cuò)流和平行錯(cuò)流兩種流動(dòng)形態(tài)下, 測(cè)定了不同跨膜壓差以及錯(cuò)流流量下的膜過濾通量, 測(cè)定結(jié)果如圖2所示. 由圖2可知, 測(cè)定時(shí)間范圍達(dá)到40~70min后, 不同工藝條件下的膜過濾通量值均趨于穩(wěn)定. 據(jù)此, 將每種過濾工藝條件下最后30min內(nèi)過濾通量趨于穩(wěn)定后的平均值作為平衡通量, 計(jì)算出不同工藝條件下的膜過濾平衡通量值(表1).

表1 不同跨膜壓差變化范圍內(nèi)的膜過濾平衡通量(J)

由表1可知, 兩種流動(dòng)形態(tài)下的膜過濾平衡通量()差異較大, 在同一跨膜壓差或同一錯(cuò)流流量過濾條件下, 垂直錯(cuò)流過濾時(shí)的平衡通量均大于平行錯(cuò)流過濾時(shí)的平衡通量. 分析其原因, 與平行錯(cuò)流過濾相比, 垂直錯(cuò)流過濾時(shí), 由于流體流動(dòng)方向與膜絲方向垂直, 由此產(chǎn)生的剪切力使料液在中空纖維膜表面形成強(qiáng)烈的沖刷效果, 使膜絲表面的污染層顆粒脫離膜表面, 擴(kuò)散回待濾液主流體中, 從而使污染層維持在一個(gè)較薄水平, 減緩了膜過濾過程中的膜孔快速堵塞問題, 增加了膜過濾平衡通量.

2.2 跨膜壓差對(duì)膜過濾平衡通量的影響

在垂直錯(cuò)流和平行錯(cuò)流同流動(dòng)形態(tài)下, 不同錯(cuò)流流量時(shí), 膜過濾平衡通量隨跨膜壓差的變化結(jié)果如圖3所示.

圖3 跨膜壓差對(duì)膜過濾平衡通量的影響

從圖3試驗(yàn)結(jié)果可看出, 跨膜壓差對(duì)膜過濾通量的影響是非線性的, 且在低跨膜壓差范圍內(nèi), 黃酒過濾平衡通量受跨膜壓差的影響較為顯著, 顯示了PVC微濾膜過濾黃酒時(shí)產(chǎn)生的濾餅具有一定的可壓縮性. 采用達(dá)西定律(Darcy’s Law)[17]對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 達(dá)西定律表達(dá)式為:

式中: J為過濾平衡通量; 為跨膜壓差; 為潔凈膜的膜面積; 為過濾阻力; 為物料(黃酒)的黏度. 由此可計(jì)算出不同流動(dòng)形態(tài)下膜過濾阻力的大小, . 在垂直錯(cuò)流和平行錯(cuò)流兩種流動(dòng)形態(tài)下, 膜過濾阻力隨跨膜壓差的變化結(jié)果如圖4所示.

表2 不同流動(dòng)形態(tài)下濾餅壓縮指數(shù)s和比阻R0擬合參數(shù)

注: 不同流動(dòng)形態(tài)下, 跨膜壓差的變化范圍均為20~60 kPa.

由表2可見, 在試驗(yàn)條件范圍內(nèi), 兩種流動(dòng)形態(tài)下的壓縮指數(shù)值均表現(xiàn)出一定波動(dòng)性. 垂直錯(cuò)流過濾時(shí), 在低流量和較高流量范圍內(nèi), 壓縮指數(shù)值在0.68~0.73范圍內(nèi)波動(dòng); 錯(cuò)流流量在225~335L·h-1范圍內(nèi)變化時(shí), 壓縮指數(shù)最大值為0.82. 平行錯(cuò)流過濾時(shí), 壓縮指數(shù)在0.68~0.79范圍內(nèi)波動(dòng), 在整個(gè)錯(cuò)流流量區(qū)間變化范圍內(nèi), 壓縮指數(shù)最大值為0.79, 高壓縮指數(shù)值表明黃酒過濾過程中產(chǎn)生的濾餅具有很強(qiáng)壓縮性. 因此, 在實(shí)際過濾過程中, 在低跨膜壓差下進(jìn)行過濾更適合黃酒過濾條件的工藝需要. 壓縮指數(shù)隨錯(cuò)流流量產(chǎn)生波動(dòng)的原因可能是垂直錯(cuò)流過濾時(shí), 一部分流體流動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能, 增加了膜絲表面存在的壓縮效應(yīng), 因此, 垂直錯(cuò)流過濾時(shí)的壓縮指數(shù)值波動(dòng)范圍較大. 其次, 在錯(cuò)流過濾過程中, 錯(cuò)流流量越大, 其沖刷效果越明顯, 膜過濾阻力有所降低, 所對(duì)應(yīng)的壓縮指數(shù)值又會(huì)變小. 由于這兩種相反機(jī)制的共同影響, 導(dǎo)致膜過濾過程中, 壓縮指數(shù)值會(huì)隨錯(cuò)流流量的增加, 表現(xiàn)出一定的波動(dòng)性.

2.3 錯(cuò)流流量對(duì)膜過濾通量的影響

圖5 兩種流動(dòng)形態(tài)下錯(cuò)流流量對(duì)膜過濾平衡通量的影響

表3 不同流動(dòng)形態(tài)下Re對(duì)平衡通量的影響模型參數(shù)

2.4 PVC膜過濾對(duì)黃酒相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)的影響

黃酒過濾前后理化指標(biāo)變化結(jié)果見表4. 由表可知, 進(jìn)行過濾處理后, 膜過濾技術(shù)對(duì)黃酒中必須營養(yǎng)物質(zhì)的保留率較高, 總糖保留率達(dá)到96.71%, 氨基酸態(tài)氮保留率達(dá)到98.36%, 非糖固形物保留率達(dá)到99.11%, 雜菌總數(shù)去除率達(dá)到99.45%以上, 過濾后黃酒菌落總數(shù)降為11cfu·mL-1, 符合國標(biāo)要求. 說明膜過濾除菌效果明顯, 在保留營養(yǎng)物質(zhì)的同時(shí)可以解決黃酒的沉淀和殺菌問題.

表4 黃酒過濾前后的相關(guān)指標(biāo)對(duì)比

3 結(jié)論

采用PVC微濾膜對(duì)黃酒進(jìn)行過濾, 不同流動(dòng)形態(tài)對(duì)黃酒的過濾通量影響顯著, 在同一跨膜壓差及同一錯(cuò)流流量范圍內(nèi), 垂直錯(cuò)流過濾時(shí)的平衡通量大于平行錯(cuò)流過濾時(shí)的平衡通量. 隨著跨膜壓差的增大以及錯(cuò)流流量的增加, 膜過濾平衡通量均有所增加, 且在低跨膜壓差范圍內(nèi), 黃酒過濾平衡通量受跨膜壓差的影響較為顯著; 隨著錯(cuò)流流量的增加, 垂直錯(cuò)流過濾過程中膜過濾通量受錯(cuò)流流量的影響更為顯著. 為進(jìn)一步確定黃酒的最佳過濾條件, 重點(diǎn)研究了跨膜壓差以及錯(cuò)流流量對(duì)膜過濾通量的影響, 確定最佳過濾條件為: 在垂直錯(cuò)流過濾條件下進(jìn)行過濾, 跨膜壓差為40kPa, 錯(cuò)流流量控制在125L·h-1左右.

膜過濾技術(shù)對(duì)黃酒中必須營養(yǎng)物質(zhì)的保留率較高, 過濾后黃酒的總糖保留率達(dá)到96.71%, 氨基酸態(tài)氮保留率達(dá)到98.36%, 非糖固形物保留率達(dá)到99.11%, 雜菌總數(shù)去除率達(dá)到99.45%以上, 濾后黃酒的菌落總數(shù)降為11cfu·mL-1, 同時(shí)解決了黃酒的沉淀和殺菌問題, 有效提高了黃酒的非生物穩(wěn)定性和市場(chǎng)價(jià)值.

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Study on the factors affecting the microfiltration process of rice wine and the effect of sterilization

ZHANG Xueyan, LU Yin*, ZHANG Ying, ZHUO Ming, Lü Kai, SHI Xizhi

( College of Food and Pharmaceutical Sciences, Ningbo University, Ningbo 315832, China )

The Chinese rice wine was filtered by PVC hollow fiber microfiltration membrane. The effects of different flow patterns, trans-membrane pressure differences and cross-flow on the filtration flux of rice wine and its dynamics were analyzed. The optimal filtration conditions for Chinese rice wine were determined as: filtration under vertical cross-flow pattern with 40 kPa trans-membrane pressure and 125 L·h-1cross-flow flow. The physicochemical indexes of Chinese rice wine were measured before and after filtration. The results showed that the membrane filtration technology had higher retention rate of essential nutrients in Chinese rice wine. The effect of membrane filtration sterilization was evident. The removal rate of bacteria reaches 99.45%, and the purpose of removing turbidity and sterilization can be achieved simultaneously.

rice wine; PVC microfiltration membrane; flow pattern; transmembrane pressure; cross-flow flow

TS261.4

A

1001-5132（2021）01-0110-06

2019?09?12.

寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國家自然科學(xué)基金（31772856）; 寧波大學(xué)王寬誠幸?；?

張雪艷（1994－）, 女, 云南昭通人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: PVC膜的應(yīng)用. E-mail: xyzhang1581814358@163.com

陸茵（1965－）, 女, 江蘇南京人, 教授, 主要研究方向: 膜分離及應(yīng)用技術(shù). E-mail: luyin@nbu.edu.cn

（責(zé)任編輯 章踐立）