天然水果中富含维生素、糖、矿物质及多种微量元素等生物活性物质,是人体补充营养的重要方式之一,因此受到消费者的喜爱[1]。然而水果原料季节性供应强、鲜果产后损失率高达20%的产业痛点亟待破解,果汁加工是批量处理水果原料的有效方法。我国果汁行业依托全球最大的水果产量基础(2023年达3.2亿t),在消费升级驱动下呈现高端化转型趋势,高品质果汁市场份额逐年上升,浓缩加工作为产业提质增效的核心环节,不仅能通过体积缩减降低冷链储运成本(占终端售价40%以上),延长货架期以适配全球化分销网络,亦可为进一步深加工(例如果汁、糖果、果酱、糕点、茶饮等)提供优质基料,因此对水果汁进行浓缩加工是非常有必要的。
目前,浓缩技术主要包括:蒸发浓缩、膜浓缩[超滤(ultra filtration,UF)、反渗透(reverse osmosis,RO)和膜蒸馏(membrane distillation,MD)]、冷冻浓缩、水合物浓缩等[2],不同浓缩技术对果汁品质影响显著。新型浓缩技术的出现,以期望解决传统热浓缩工艺造成的风味营养损失等问题,同时降低能耗,正推动浓缩加工向“节能降耗-品质保护”双优模式升级,成为破解果汁行业同质化竞争、实现功能化产品开发的技术支点。因此,本文对不同浓缩技术的原理和优缺点进行了综述,并展望了不同浓缩技术的发展趋势,以期为果汁浓缩新技术的进一步研究提供理论支撑。
1 浓缩技术
1.1 气体水合物浓缩
1.1.1 技术原理和设备
气体水合物,也称为笼型水合物、笼合物、包合物等,简称为水合物,是由小分子烃类(CH4、C2H6等)或小分子无机气体(H2、CO2、H2S等)与水分子在低温和高压条件下形成的笼型晶体物质,水分子通过形成氢键相互结合成大小不同的笼状结构,而气体分子填充到笼内,水分子和笼内的气体分子通过范德华力作用相互关联,使水分子自由能降低,笼状结构稳定性增加,气体水合物一般为非化学计量的混合物,气体水合物设备又分为固定床反应器、气泡塔反应器、搅拌式反应器、喷淋式反应器等,每种水合物设备都各有优缺点,目前暂无商品化、成熟的水合物果汁浓缩设备。
自然形成的笼形物一般包含3种晶体结构:sⅠ型、sⅡ型和sH型[3]:其中sⅠ型、sⅡ型都包含2种不同大小的笼状结构,sH型包含3种不同大小的笼状结构,3种晶体结构如图1所示[4]。对于常规的气体分子,前2种类型比较容易形成,而对于体积较大的气体分子,易与其他气体小分子共同形成sH型,形成混合结构。一般只包含1种气体分子的笼形水合物称为简单水合物,包含1种以上气体分子的水合物称为多元水合物。各类型笼形水合物具有不同的组成、大小、结构等。最常见的水合物结构,通常指CO2或CH4水合物。水合物的形成包括晶核形成与晶体生长2个阶段:其中,成核是指形成达到临界尺寸的稳定水合物晶核的过程;晶体生长则是指稳定水合物核的成长过程。气体水合物技术常用于天然气储存和运输、气体及相似沸点混合物的分离纯化、海水脱盐、CO2制备以及封存、制冷,天然气回收等领域。近年来,气体水合物技术逐步应用到液体食品浓缩领域,具有能耗低、浓缩汁品质佳、特征香气保留效果好的特点。
图1 气体水合物晶体示意图
Fig.1 Schematic diagram of gas hydrate crystals
图2 SFC工艺流程图[18]
Fig.2 Schematic diagram of the suspension freeze concentration technique
图3 SFC中试装置工艺流程图[19]
Fig.3 Schematic diagram of the suspension freeze concentration technique of pilot-plant
1.1.2 气体水合物浓缩技术研究进展
水合物法浓缩果汁的概念最早提出于1965年[5],小分子气体与果汁内水分在特定条件下形成笼型水合物晶体,再采用离心、过滤等方法分离获得浓缩汁。HUANG等[5]采用CH3Br和CCl3F气体进行水合物浓缩,获得高达80%浓缩率的果汁(苹果、橙子、西红柿),但同时存在着色泽加深、口感变苦等问题;且总体研究报道虽然相对较少,但皆表明该技术对果汁具有较显著性的浓缩效果、能耗低,然而同时存在争议和亟需研究改善之处,如暂无成熟商品化水合物浓缩设备等。气体水合物浓缩特点主要如下:
a)物料初始浓度影响水合物生成速率
水合物生成速率是影响水合物浓缩效率的关键因素,一般来说,水合物生成速率快,同时也意味着水合物浓缩效率快,但物料初始浓度高,通常会导致水合物生成速率变慢,从而对水合物浓缩带来消极的影响。DOUBRA等[6]采用CO2水合物法浓缩蔗糖溶液,结果表明,在CO2+蔗糖+水体系中,随着蔗糖浓度的增加,气体水合物生成的诱导时间显著延长且观察到水合物生长变得缓慢,这说明蔗糖溶液可能是一种动力学抑制剂,会延缓CO2水合物成核和生长的过程。NKOSI等[7]在葡萄/菠萝/苦瓜汁中水合物形成动力学的研究中发现,果汁浓度升高意味着含水率降低,而含水率降低会增加形成CO2水合物所需的能量,导致CO2水合物生成时间也随果汁浓度增加而延长,此外,在果汁含水率较低时,CO2水合物形成动力学参数相对值较低,诱导时间较长,由于水合物形成过程较为复杂,水合物形成的诱导时间从几秒到几天不等,因此加工初始浓度低的果汁更节能和经济。上述结果表明,采用气体水合物浓缩果汁或模拟溶液时,溶液浓度越高,则水合物的生成的诱导时间越长,因此选择适宜初始浓度的物料,是提高水合物浓缩效率的关键。若能进一步优化二氧化碳水合物法浓缩高浓度物料的工艺,将推动二氧化碳水合物浓缩法的产业化发展。
b)热敏性物质保留率高
水合物浓缩属于隔绝氧气的低温浓缩方式,能有效防止果汁发生热敏性物质和挥发性物质损失。RUDOLPH等[8]采用CO2水合物法浓缩模拟溶液和果汁,并计算浓缩液、水合物排出液、水合物晶体融解液中蔗糖、甜菜素、维生素C的浓度与溶液初始浓度的商,若商大于1,则表明发生了浓缩。结果表明,水-蔗糖-甜菜素模型溶液的水合物浓缩液中蔗糖和甜菜素的商值为1.65;在水合物橙汁浓缩液中,维生素C浓缩了1.7倍;在水合物浓缩苹果清汁和水合物浓缩苹果浊汁中维生素C均浓缩1.2倍左右,只有少量物质残留在水合物晶体中,这说明以上热敏性物质均得到有效浓缩且损失小。上述研究结果表明,CO2水合物浓缩技术的隔氧及低温浓缩特性对果汁中的热敏性物质、香气物质有较好的保护作用。
c)能耗低
气体水合物技术的显著优势是在中等压力和温度下进行浓缩较为节能,气体水合物可在0 ℃以上温度生成,能量消耗较冷冻浓缩、传统蒸发浓缩、膜浓缩小。此外通过升高温度或降低压力的方法,可分离水合物中的水和气体,分离出的气体可循环利用,来生成后续的水合物,达到降低成本的目的[9]。NKOSI等[10]采用响应面法确定苦瓜汁、葡萄汁、凤梨汁中水合物生成的最佳相平衡和动力学条件,结果表明,该水合物浓缩系统可在能耗较低情况下浓缩果汁至预期浓度,且单级水合物浓缩消耗能量更少,此技术可代替传统浓缩果汁生产中的三效蒸发器。LI等[11]采用乙烯水合物对橙汁进行浓缩,结果表明,在几乎相同温度和压力条件下,乙烯水合物浓缩处理下的橙汁,脱水率远高于二氧化碳水合物浓缩处理的橙汁,这说明乙烯水合物浓缩技术可在相对二氧化碳水合物浓缩技术更高的温度或更低的压力条件下进行,能耗显著降低。
气体水合物浓缩法是一种极具应用前景的浓缩技术,所需的压力、温度条件都较温和,能耗低。但该技术目前在食品领域的研究仍相对较少,存在物料浓度高,水合物形成诱导时间长,以及水合物晶体中夹带率较高的现象,这在很大程度上限制了其在大规模工业化生产浓缩果汁方面的应用。因此需加大不同物料种类水合物浓缩、动力学建模等研究,同时对添加促进水合物浓缩因子、水合物晶体夹带调控等工艺步骤进一步优化,通过理论与实践的双方面探索,加快该技术未来在液体食品浓缩领域的发展。此外,需重点关注的是,气体水合物浓缩尚无成熟的、商品化的设备,水合物浓缩设备亟需进行升级完善。
1.2 冷冻浓缩
1.2.1 技术原理和设备
冷冻浓缩是果汁中水分冷却到凝固点后,通过移除冰晶的方式来去除果汁中的水,使果汁得到浓缩。冷冻浓缩跟传统热浓缩相比最主要的优势是低温能更好地保护热敏性物质。冷冻浓缩有3种不同的方法,即悬浮式冷冻浓缩(suspension freeze concentration,SFC)、薄膜冷冻浓缩(film freeze concentration,FFC)、块冰式冷冻浓缩(block freeze concentration,BFC)。SFC一般分为两步,冰晶的结晶和分离。SFC设备主要包括刮板表面换热器(separated scraped surface heat exchanger,SSHE)和洗涤分离柱。首先使用SSHE冻结待浓缩液,使其被冷却到冰点或冰点以下,且在形成初级冰浆前,产生大量悬浮冰粒(枝状晶体),冰粒大小通常小于1 μm,冰晶在刮板换热器内表面形成后,通过奥斯瓦尔德熟化机理(Ostwald ripening mechanism)在结晶器中进行冰晶熟化(也称为再结晶),形成可分离的冰晶微粒(直径为数百微米),接着通过旋转的叶片去除冰晶,随着晶核生长,溶液浓度增加,最后浓缩液和悬浮冰晶一起进入洗涤分离柱,得到纯度较高的冰晶和浓度较高的浓缩液,该工艺在工业上已得到较为广泛的应用[12]。FFC分为降膜冷冻浓缩(falling film freeze concentration,FFFC)和渐进式冷冻浓缩(progressive freeze concentration,PFC)。FFFC设备成本低,操作方便,可生产高浓度的浓缩果汁产品,浓缩过程中,待浓缩液以降膜的形式与冷却板接触,形成单层冰晶,使溶液浓度增加,待浓缩液反复循环,以达到所需浓度[13-15]。PFC设备操作简单,成本低,操作模式和生产规模比SFC更灵活,是可替代的冷冻浓缩方式,它能在冷却表面上形成逐渐增厚的冰层和浓度逐渐增加的浓缩液,因此冰层更容易和浓缩液分离,该技术主要缺点是,溶质容易被包裹进入冰相,随着渗透压或溶液浓度的增加,浓缩率会降低[14]。BFC也被称为冻融浓缩,是待浓缩液完全形成块状冰晶体,然后解冻部分冰晶,通过重力、离心、真空或其他外力回收高浓度的浓缩液[16-17]。冷冻浓缩技术,对果汁中热敏性物质和挥发性成分保留效果好,在食品工业中,冷冻浓缩技术较常规浓缩技术(蒸发热浓缩、膜浓缩),冷冻浓缩果汁品质特性更好。
1.2.2 冷冻浓缩技术研究进展
冷冻浓缩果汁的概念最早提出于1948年,MIYAWAKI等[20]采用管状制冰系统,发现管道内较慢的冰晶生长速度和较高的环流速率,能有效降低分配系数,该技术适用于番茄汁、蔗糖溶液的浓缩,且浓缩汁浓度和产量均较高,近十年,冷冻浓缩在食品工业化生产中已有一定程度的应用,通过渐进式搅拌冷冻浓缩、BFC、SFC、FFFC等技术进行果汁浓缩的研究报道相继出现,总体来说,研究集中在改良浓缩技术以提高浓缩液溶质产率及降低冰晶夹带率[12]、提高挥发性成分和抗氧化活性物质保留率[17]、节约能源和成本、构建数学模型等方面。冷冻浓缩的低温浓缩条件对挥发性成分和热敏性物质具有较好的保留效果,因此冷冻浓缩果汁较传统热浓缩果汁品质特性更好,但同时也存在一些不足之处,例如冰晶夹带率较高,SFC设备成本较高、工艺复杂等。关于冷冻浓缩技术特点主要综述如下:
a)营养物质保留率高
冷冻浓缩属于0 ℃下低温浓缩,因其能较好的保护营养物质被研究者和果蔬汁生产企业广泛关注,尤其对总酚、抗环血酸、花青素、挥发性物质等果汁含有的热敏性成分保留效果好。YODA等[21]通过香气角度对冷冻浓缩苹果汁进行研究。结果表明,新鲜果汁中有97种挥发性物质,冷冻浓缩苹果汁保留57种挥发性物质,且冷冻浓缩苹果汁产生37种新的挥发性物质。DING等[22]采用SSHE+结晶器+洗涤塔的组合结构,结果表明,果汁三级冷冻浓缩后,可溶性固性物得率约为97.12%,损失率约为2.88%,维生素C和大多数挥发性成分保留率90%以上,实验结果验证了此智能SFC设备的可行性。SFC在大规模生产和科研中均有一定程度的应用,不仅浓缩效果好,而且进料量大,能够持续进行果汁脱水,同时保护果汁的营养成分,这是冷冻浓缩向工业化靠拢趋势的体现,虽然目前因成本高昂影响工业化推广,但相信通过持续不断的优化,能够缩减设备体积和简化工艺流程,减少设备成本。
b)冰晶夹带率低
PFC是采用固液共存的方式进行浓缩,即在浓缩过程中冰晶体和浓缩液相互接触,并通过重力进行简单的固液分离,使得冰晶体不可避免的包裹一部分溶质,如何减少溶质夹带是研究者关注的重点。VUIST等[23]研究了PFC过程中蔗糖和麦芽糊精的包合行为,结果表明,提高搅拌速率,可减小边界层溶液的浓度极化现象,使冰晶夹带的溶质含量降到最低,但随着搅拌速率提高,冰晶夹带的溶质含量存在下限,此时随时间延长逐渐降低温度,可使冰晶夹带的溶质含量再降低2～3倍,且冰晶产量相同。MIYAWAKI等[14]研究了渐进式搅拌冷冻浓缩不同搅拌速率、溶液初始浓度、解冻温度对乙醇-水溶液体系冷冻浓缩的影响,发现初始浓度对冰晶夹带率有显著影响且分级解冻后产率提高28%。除上述调整PFC的工艺参数外,也可以采用离心、抽滤等多种分离方式除去冰晶包裹的浓缩液,进一步减少冰晶夹带率。
c)浓缩率高
浓缩率是评价冷冻浓缩技术的关键指标之一,该技术浓缩率较高,能一定程度提高果汁浓度,但因存在溶质夹带问题,浓缩率存在上限,因此适宜浓缩初始浓度较低的物料。SANTANA等[24]采用离心辅助技术去除果汁冷冻浓缩过程残留在冰晶基质中的浓缩液,结果表明,蓝莓汁第1次冷冻浓缩循环获得较高的回收率(0.66 g溶质/g初始溶质)和浓缩率(38.78%)。MENESES等[17]采用BFC,在-25 ℃对4%(质量分数)的绿茶提取物溶液进行连续3次的BFC,结果表明,溶液浓度从4%提高到14.1%(质量分数),分配系数为0.43,总浓缩效率81.3%,儿茶素和多酚含量分别增加4.5倍和3.4倍,且提高了抗氧化活性。
综上研究结果可知,冷冻浓缩是果汁加工行业非常受欢迎的非热加工技术,采用0 ℃下低温,较传统70 ℃以上的蒸发浓缩,能较好保留果汁的挥发性成分和热敏性物质。目前冷冻浓缩在食品行业应用较为广泛,但冷冻浓缩技术仍存在不足之处,例如PFC存在物料浓度高时冰晶夹带率及能耗高,较传统热浓缩技术相比浓缩效率偏低的问题;SFC存在设备成本高、工艺流程和操作步骤复杂、能耗高、智能化程度偏低,不能远程监控和调节的问题;BFC存在浓缩率提升有上限,无法运用到工业化浓缩果汁生产中的问题。因此,如何简化冷冻浓缩设备和提高智能化水平、完善冷冻浓缩工艺、调控冰晶夹带率、攻克高黏度溶液冷冻浓缩技术难关是目前亟待解决的重点问题。
1.3 真空热浓缩
1.3.1 技术原理和设备
真空热浓缩技术是指在真空条件下从外部产生热量并通过传导、对流、辐射等方式将热量传递给果汁,使果汁水分蒸发从而得到浓缩,可阻隔氧气防止发生氧化反应(如维生素损失、氧化褐变、色素损失等),同时可降低沸点提高浓缩效率,防止果汁中热敏性物质受到损失[25]。实验室通常使用真空旋转蒸发仪进行真空热浓缩,此技术在食品研究和工业化生产中被广泛应用,工业生产中常用管式降膜蒸发器、水平管喷淋式降膜蒸发器、异形竖板蒸发器、多效真空蒸发器等,此外,目前传统热处理还包括巴氏消毒杀菌法,巴氏杀菌是通过杀灭微生物和灭酶来延长果汁保质期的常用灭菌方法,但无论是巴氏杀菌法还是热浓缩技术,加工过程中的能效比都较低[26-27]且都会影响果汁品质(色泽劣变,营养成分和挥发性物质保留率低,形成不良风味物质,最终口感发生改变)[28]。
1.3.2 技术研究进展
真空热浓缩技术在果汁工业化生产和实验研究中均较为常用,因为较其他浓缩方式,进料量大、设备成本低、工艺流程简单(图4)[29],便于大规模生产,且真空旋转蒸发仪在实验室的应用也非常成熟。同时此技术具有果汁沸点低,中低温浓缩,浓缩效率高的优势,因此较传统热蒸发浓缩技术一定程度上可减少抗氧化成分、营养物质的损失,但此技术也有其不足之处,如真空浓缩温度仍然比冷冻浓缩高,营养物质保留效果不及冷冻浓缩,且不可避免地会发生酶促褐变、美拉德反应及产生刺激性异味等。关于真空热浓缩技术特点主要综述如下:
图4 真空浓缩工艺流程图
Fig.4 Schematic diagram of vaccum concentration technique
a)较传统蒸发热浓缩营养物质保留率高
与传统常压热蒸发浓缩相比,真空浓缩属于隔氧浓缩,且真空条件能有效降低果汁沸点,提高浓缩效率,避免抗氧化成分大量损失。KAVIAN等[30]采用真空热浓缩(11 kPa和38 kPa)、真空微波浓缩(11 kPa和38 kPa)、120 ℃常压蒸发浓缩等对小檠汁进行浓缩,结果表明,花青素含量(19.1 mg/100 mL)、抗氧化能力(68%)和酚类化合物含量(1.07 mg/100 mg)均最高,较其他方法,真空低压微波法对小檠汁的理化品质和营养成分保留效果最好。ALAEI等[31]研究了温度、超声和真空压力对番茄汁浓缩的影响,发现在超声功率120 W、真空压力10 kPa、温度64 ℃的浓缩条件,为番茄汁超声真空热浓缩最佳工艺条件,具有提高番茄红素含量(49.20%)和提高维生素C含量(22.10%)的积极作用。与传统热蒸发浓缩相比,真空热浓缩法具有操作简单,工艺条件温和,浓缩效率高,营养物质保留效果好等优点。
b)较非热浓缩仍存在褐变和营养物质损失
真空热浓缩过程属于中低温浓缩,但浓缩温度仍然比冷冻浓缩、膜浓缩、气体水合物浓缩等非热浓缩技术高,所以使得果汁不可避免地发生不同程度的褐变和热敏性物质的损失。ZHANG等[32]比较了真空热浓缩、真空冷冻浓缩、RO膜浓缩3种浓缩方法对沙棘清汁理化品质和挥发性成分的影响,结果表明,真空热浓缩的沙棘清汁较原汁褐变度显著提高54.7%,总多酚、总黄酮和抗坏血酸含量分别降低21.3%～26.01%、8.4%～23.94%和17.35%～22.02%,而真空冷冻浓缩的总多酚含量、总黄酮含量、抗坏血酸含量的保留率较其他处理组均为最高,分别为(78.7±2.11)%、(91.6±3.14)%、(82.65±6.42)%。秦贯丰等[33]采用自行研发的SFC仪与真空热浓缩进行对比,结果表明,苹果冷冻浓缩汁中维生素C和乙酸丁酯含量保留率均在90%以上,而苹果真空热浓缩汁的维生素C保留率仅为84.5%,乙酸丁酯保留率仅为43.9%,此外原汁透光率为(72.6±0.1)%,冷冻浓缩汁透光率为(71.8±4.0)%,真空热浓缩汁透光率仅为(53.6±4.0)%,真空热浓缩汁透光率显著降低,并可观察到果汁颜色加深,证明冷冻浓缩效果优于真空热浓缩。综上结果可知,真空浓缩虽是中低温浓缩,但仍属于热浓缩技术范畴,果汁受热可能会激发多酚氧化酶的活性以及发生美拉德反应等,共同作用下导致果汁发生褐变。
综上,真空热浓缩技术仍然是最常用的浓缩方法,真空热浓缩法可降低沸点,浓缩效率高,隔氧和中低温浓缩条件较传统热蒸发浓缩可一定程度上防止热敏性物质损失,但易使果汁发生酶促褐变、美拉德反应和产生刺激性异味,与非热浓缩技术相比果汁品质保护效果相对偏低。因此,仍需探索能减少果汁褐变和刺激性异味的最佳工艺条件或真空热浓缩新技术。
1.4 膜浓缩
1.4.1 技术原理和设备
膜可定义为将多组分液体分成两相并通过特定方式限制各种物质流通的半透屏障,其主要是具备选择透过功能,即允许某些组分通过而另一些组分截留在已知的混合物中,该膜称为半透膜,通常是聚合物材料的薄膜,一般来说通过膜的物质种类与膜的厚度成反比,因此越薄的膜对浓缩过程越有利[34-35]。膜浓缩过程是通过压力差、浓度差、电势差驱动,对混合溶液中的某种物质进行分离纯化的一种技术,包括微滤(micro filtration,MF)、UF(图5)[36]、纳滤(nano filtration,NF)、RO、正向渗透(forward osmosis,FO)等,目前,在实际生产中成为加工多种液体食品的成熟技术之一,其他膜浓缩技术,如渗透蒸馏(osmotic distillation,OD)、MD和渗透蒸发(pervaporation,PV)(图6)[37]近年来被使用在食品领域[35]。果汁含有丰富的矿物质、维生素和其他营养物质,传统的多效蒸发技术被广泛应用于果汁行业,但其能耗高,同时热浓缩还会导致最终产品营养损失和风味劣变,而膜浓缩技术浓缩效率高、浓缩过程温度低,相比传统蒸发浓缩更受欢迎,因此膜浓缩可代替传统蒸发浓缩对果汁进行澄清、浓缩或脱酸等[35]。但此技术主要缺点是在浓缩初始阶段,因膜的孔隙堵塞造成膜内部污染,导致跨膜水通量快速下降,为减少膜浓缩过程的污染,提高浓缩效率,可采用离心法、澄清剂、酶解法等方法对果汁进行预处理,能显著提高果汁膜浓缩工艺性能[38]。
图5 UF转盘膜浓缩原理图及实验装置
Fig.5 Schematic diagrams of UF rotating disk membrane and experiment set-up
图6 PV系统示意图
Fig.6 Schematic of PV system
1.4.2 技术研究进展
膜浓缩技术属于低温浓缩,能较好保护热敏性物质及风味物质,能耗低,但膜内部污染和高浓度物料均会降低渗透通量,浓缩效率较低等问题是影响该技术果汁浓缩工业化应用的一大阻碍。目前研究主要集中在膜改性、多种膜浓缩技术联合应用等方面,关于膜浓缩技术特点主要综述如下:
a)热敏性物质、风味物质保留效果好
LI等[39]采用FO法,以乳酸钠(NaLA)为抽吸溶质,进行单次萃取法浓缩梨汁,发现该工艺对梨汁浓缩液的理化品质和抗氧化能力具有较好的保护效果,与真空热浓缩梨汁相比,几乎未发生褐变,具有梨汁特征风味。总体而言,膜浓缩操作简单,其低温浓缩的优势,不仅适用于果汁浓缩,还可以用于乳制品、中药提取物、其他液体食品等,但需满足初始物料浓度不能过高。果汁需进行澄清预处理去除果胶等大分子物质,工艺较为复杂。针对不同液体食品的膜浓缩工艺、膜浓缩和多种澄清技术的联用、膜浓缩设备的优化是未来的研究关键,以促进其在果汁工业生产中的应用。
b)能耗低
BAGCI等[40]通过连续应用低压氮气等离子体改性RO膜(LPNP/mUTC-73U)和OD的技术,显著缩短了石榴汁的浓缩时间,相较于单独使用OD,这种连续工艺将石榴汁从15.6 °Brix浓缩到大于65 °Brix时,能够节省高达36%的时间。CHANUKYA等[41]研究了超声辅助FO过程对浓缩果汁的影响。结果显示,在FO过程中使用超声技术不仅提高了平均水通量率,还显著加快了果汁的浓缩速度。采用超声辅助FO过程对甜橙汁进行浓缩,平均通量高于对照组(无超声),超声辅助FO过程的较高通量率使得甜橙汁的浓度(4.14倍)高于对照组(无超声,2.42倍),说明超声辅助FO过程显著加快了甜橙汁浓缩速度。总的来说,通过改性膜或超声辅助的方法能显著提高浓缩效率,缩短浓缩时间,一定程度上降低了能耗,从而提高生产效率和降低生产成本,这对后期膜浓缩的研究和发展具有重要意义。
c)膜污染研究
目前膜浓缩存在膜污染现象,导致跨膜水通量快速下降,最终浓缩效率显著降低,因此研究者进一步通过改性膜来优化和探究膜浓缩工艺和浓缩效果。REHMAN[42]等采用静电纺丝法制备双层层状纤维复合材料(hierarchical fibrous composite,HFC)膜,通过渗透膜蒸馏(osmotic membrane distillation,OMD)法对石榴汁进行浓缩实验。结果表明,在浓缩温度(25±1) ℃下,(8.621±0.235) kg/(m2·h)的跨膜水通量约为已报道文献的4倍。同时因为HFC膜的独特结构,使用去离子水简单清洗,即可去除孔隙中的凝胶层,从而有效清洁膜的污染区域,证实HFC膜具有较小的传质阻力和持久的防污染性能。NEGISHI等[43]采用Na-ZSM-5膜分别对苹果汁、橙汁、菠萝汁进行浓缩,结果表明, Na-ZSM-5膜在浓缩果汁120 h内脱水性能稳定,无果胶或纤维素污染,此外,该膜具有较强耐热性能,在353 K高温下膜性质保持稳定。
总的来说,膜浓缩技术具有低温保护果汁中热敏性物质以及能耗低的显著优势,但浓缩过程中膜孔隙易堵塞,造成膜内部污染,导致浓缩效率降低,这在很大程度上限制了该技术在果蔬汁浓缩方面的应用。相信随着不断深入改性膜和多种果汁预处理方法联合使用的研究,膜污染问题最终会得到有效解决,膜浓缩在液体食品领域的应用前景将会更加广阔。
2 各浓缩技术应用现状及优缺点比较
水合物浓缩、PFC、SFC和膜浓缩都属于低温浓缩技术。真空热浓缩和蒸发浓缩均为热浓缩技术,真空热浓缩因真空条件降低果汁沸点,浓缩温度较为温和,属于中低温浓缩,而蒸发浓缩浓缩温度较高,目前果汁加工行业应用最多的是真空热浓缩技术,表1整理了不同浓缩技术在果汁浓缩过程中的应用情况,主要包括各浓缩技术的物料、处理条件、处理结果、浓缩效率、优点、缺点等。
表1 不同浓缩技术在果汁浓缩中的应用及优缺点比较
Table 1 Application and comparative advantages and disadvantages of different concentration technology in juice concentration
浓缩方法物料处理条件处理结果浓缩效率优点缺点参考文献膜浓缩橙汁采用新型氧化石墨烯双截留层聚合物膜,以渗透压为驱动力,使用蠕动泵循环橙汁,进行7.5 h的浓缩,提取液和橙汁溶液流速保持150 mL/min橙汁溶液浓度从(15.2±0.5)°Brix提高至(26.1±0.5)°Brix,水通量为0.405 kg/(m2·h)较低低温浓缩条件能较好的保护热敏性物质,降低能耗浓缩效率不如蒸发浓缩,膜的水通量受到果汁浓度限制,膜浓缩过程[44]PFC黄瓜汁采用多探针的PFC设备,在浓缩温度-8～-14 ℃,搅拌速率250～400 r/min,搅拌时间20～50 min进行浓缩最佳冷却温度为-12 ℃,总酚含量最高,在冷却温度接近-14 ℃时开始下降,此外,较高的搅拌速度、较长的搅拌时间、较高的初始浓度均会降低总酚含量的增加速率较高适宜的工艺条件下,浓缩汁总酚保留率高当果汁浓度越高,形成的冰层越厚时,冰晶越容易夹带总酚等抗氧化物质,导致功能性成分流失[45]SFC苹果汁采用自行设计的集成智能SFC设备进行多级浓缩采用该设备进行多级SFC,可溶性固形物和营养成分回收率分别超过98.5%和80.0%,有效防止了浓缩汁褐变。证明该设备可获得高品质的浓缩汁高 可浓缩富含热敏性物质的液体食品,如果汁、功能性制剂、中药制剂等,避免热敏性物质的损失,可溶性固形物、营养成分回收率高工艺复杂和成本高昂,限制了大规模生产的使用,智能化程度低,不能远程监控和调节[46]蒸发浓缩石榴汁采用FO膜浓缩和搅拌薄膜蒸发浓缩技术进行石榴汁浓缩并比较浓缩汁的品质新鲜石榴汁、还原FO石榴汁和还原热蒸发石榴汁的花青素含量分别为421.1、414.4和357.2 mg/kg,FO浓缩较热蒸发浓缩,对石榴汁品质影响最小,货架期最长高 蒸发浓缩效率高蒸发热浓缩果汁较FO膜浓缩果汁保质期短,果汁颜色、香气、风味受到影响[47]水合物浓缩橙汁采用搅拌式水合物反应器,在温度278.5 K、CO2压力为1.96～4.10 MPa进行浓缩在进料压力为4.10 MPa时,最大脱水率可达57.2%,CO2吸收量随进料压力增大而增大,说明CO2水合物浓缩是一种高效的浓缩工艺较低水合物浓缩过程中的气体易处理,较其他浓缩方式,在密闭空间有更高的稳定性,能耗低,热敏性物质保留效果好,高压环境抑制微生物生长,可延长浓缩汁保质期因需在较低温度和高压环境下形成气体水合物,且水合物浓缩设备尚不成熟,暂不适合大规模生产;果汁糖含量较高时,水合物形成受到影响,水合物晶体会夹带溶质,造成营养物质损失[48-49]真空热浓缩火龙果汁采用真空旋转蒸发器,在温度为50～60 ℃和浓缩时间为120～180 min下对火龙果汁进行浓缩在60 ℃,180 min火龙果浓缩汁的抗氧化能力为1 493 μg/100 g,火龙果浓缩汁的抗氧化能力随着浓度、时间、温度增加而增加高 能显著降低果汁的沸点,提高浓缩效率,可在较低温度进行浓缩,防止氧化过热,可减少营养物质、抗氧化活性物质的损失,从而提高浓缩汁的产品质量浓缩过程中会发生酶促褐变、美拉德反应[50]
3 结论与展望
随着经济的发展,人们的生活水平逐渐提高,大家对果汁的营养、健康和口感尤为关注,为满足人们对高品质果汁的需求,需不断优化果汁加工技术,减少果汁营养成分损失和保持果汁原有口感和风味。本文围绕气体水合物浓缩、冷冻浓缩、真空热浓缩、膜浓缩4种不同浓缩技术在果汁加工、品质保护方面的研究进展进行综述,浓缩果汁具有降低储运成本、抑制微生物繁殖和水果销售淡季维持市场供需平衡的优势,但根据目前已知研究进展,亟待解决的问题仍然存在,未来浓缩果汁技术应加大研究以下5方面:a)应拓展非热浓缩技术与传统热浓缩技术联合使用,在降低能源消耗、抑制褐变、提高浓缩效率和产品品质等方面对多种浓缩技术的联合使用进行探究和完善;b)CO2水合物浓缩技术作为极具潜力的非热浓缩技术,需尽快研发出稳定、可重复使用的设备;c)深入研究PFC技术加工果汁时在不同温度、搅拌速度下的浓缩效率、夹带率和浓缩效果的变化规律,这一实验数据对于该技术的进一步探究至关重要;d)需优化SFC设备和工艺流程,减少设备成本、能耗及提高固液分离效率;e)针对膜浓缩孔隙易受污染的特性,应采用多种果汁预处理方法联合应用如:离心法、澄清剂、酶解法等,同时进行膜的改性研究,不断优化膜浓缩设备性能,从而提高膜浓缩效率。
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