張建友，林龍，王斌，丁玉庭

(浙江工業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州，310014)

鳀魚(Engraulis japonicus)為集體性小型上層魚類，蛋白質(zhì)、脂肪含量較高，內(nèi)源性酶活強(qiáng)，捕撈后易酶解變質(zhì)，離水后須立刻加工處理。鳀魚制品加工過程中產(chǎn)生大量蒸煮液，其中富含氨基酸、核苷酸、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)成分和風(fēng)味物質(zhì)，是生產(chǎn)調(diào)味品、蛋白營養(yǎng)強(qiáng)化劑等食品的優(yōu)良原料。但是，由于海上加工技術(shù)和空間的限制，蒸煮液大都未經(jīng)處理便直接排放，不僅浪費(fèi)資源，而且由于其高COD 和BOD 嚴(yán)重污染環(huán)境，造成近海水域富營養(yǎng)化，以至引發(fā)赤潮。

由于蒸煮液濃度較低，無法直接利用，為了滿足加工的要求，解決海上加工船儲藏空間有限的問題，需對其進(jìn)行濃縮。傳統(tǒng)的濃縮工藝一般以熱法濃縮為主，主要有真空濃縮和蒸發(fā)濃縮。蒸發(fā)濃縮方法簡單，但由于蒸發(fā)溫度高，沸點(diǎn)隨濃度的升高而升高，能耗較大。而且多種成分容易在高溫條件下氧化、焦化、分解，芳香物質(zhì)損失嚴(yán)重，使產(chǎn)品質(zhì)量下降。真空濃縮由于在較低溫度下蒸發(fā)，可以減少營養(yǎng)成分和風(fēng)味物質(zhì)的損失，但是在55 ～70℃條件下同樣存在熱敏性物質(zhì)流失的問題，且濃縮時(shí)間較長，能耗較大。膜濃縮與傳統(tǒng)的熱濃縮相比，具有常溫操作、無相變、能耗低、熱敏性成分得以保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。目前對于蒸煮液膜濃縮利用的研究報(bào)道較少，Vandanjon 等［1］應(yīng)用超濾、納濾和反滲透技術(shù)對貽貝、蝦、金槍魚等海產(chǎn)品低鹽或無鹽蒸煮液進(jìn)行濃縮。鄭曉杰等［2］采用陶瓷微濾膜濃縮鳀魚蒸煮液，使蛋白質(zhì)的濃度得到有效濃縮，但是對小肽、氨基酸等小分子物質(zhì)無法有效回收。本文采用微濾、超濾和納濾組合工藝對含鹽量2.5%的鳀魚蒸煮液進(jìn)行濃縮，比較了不同材質(zhì)以及工藝條件對蛋白質(zhì)和游離氨基酸的截留、膜通量以及風(fēng)味變化的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

鳀魚蒸煮液，由浙江瑞安市華盛水產(chǎn)有限公司提供，－18℃冷凍保藏，試驗(yàn)前流水解凍待用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

752N 紫外可見分光光度計(jì)，PHS-3C 型數(shù)顯酸度計(jì)(上海精科儀器有限公司);CR21GⅡ高速冷凍離心機(jī)(日本日立公司);SYKAM433D 氨基酸自動分析儀(德國卡姆公司)，AGILENT7890 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國安捷倫公司)。

陶瓷微濾膜(Al2O3-ZrO2復(fù)合，合肥風(fēng)云膜分離技術(shù)有限公司提供)，中空纖維微濾膜(聚丙烯，CREFLUX-PUF4040)，超 濾 膜(30 000Da，聚 砜，GEPW4040F)，納濾膜(聚砜-聚酰胺復(fù)合，CSM-NE4040-70)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程

試驗(yàn)采用2 種工藝對鳀魚蒸煮液進(jìn)行濃縮處理(圖1)。微濾為0.1 μm 有機(jī)中空纖維膜和無機(jī)陶瓷膜，壓力分別是0.1、0.3 MPa;超濾采用截留分子質(zhì)量(MWCO)為30 000Da 卷式膜組件，壓力0.5 MPa;納濾采用MWCO 為150 ～300Da 卷式膜組件，壓力1.5 MPa。膜組件濃縮單元均采用截留液全回流循環(huán)方式，操作間斷不連續(xù)。工藝Ⅰ為MF-UF-NF 技術(shù)集成，工藝Ⅱ?yàn)镸F-NF 技術(shù)集成。

圖1 鳀魚蒸煮液膜濃縮工藝流程圖Fig.1 Membrane concentration process flow diagram of Engraulis japonicus cooking soup

1.3.2 蛋白質(zhì)含量

采用雙縮脲比色法測定［3］。

1.3.3 氨基態(tài)氮含量

參考GB/T 5009.39 －2003《醬油衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的分析方法》，采用甲醛滴定法。

1.3.4 氨基酸組成及含量分析

采用5-磺基水楊酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%)稀釋并沉淀蛋白后，8 000 g(4℃)離心10 min，上清液過0.45 μm水系膜后經(jīng)氨基酸自動分析儀測定。

1.3.5 揮發(fā)性成分分析

采用HS-SPEM/GC-MS 分析樣品的揮發(fā)性成分。使用75 μmCAR/PDMS 于50℃水浴吸附30 min。色譜:DB-WAX(30 m×25 mm×0.25 μm)作為分離柱，進(jìn)樣溫度250℃，柱初溫40℃，保持4 min，以6℃/min速度升至80℃，再以10℃/min 升溫至230℃，保持6 min;載氣為氦氣(不分流)，流速0.8 mL/min。質(zhì)譜條件:離子源溫度200℃，傳輸桿溫度250℃，電子能量為70eV。

1.3.6 膜篩分系數(shù)S［4］測定

其中:Cp為透過液濃度;Cr為截留液濃度。

1.3.7 積濃縮倍數(shù)VC

其中mo為鳀魚蒸煮原液質(zhì)量;mr為濃縮液(截留液)質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 微濾膜材質(zhì)的選擇

2.1.1 微濾過程通量及溫度變化

微濾濃縮過程中，不同材質(zhì)對微濾膜滲透性能有重要影響［5］。如圖2 所示，在5 min 時(shí)陶瓷膜的單位壓力通量低于中空纖維膜，原因在于無機(jī)陶瓷膜自身膜阻力比有機(jī)中空纖維膜高［6］;但是，濃縮結(jié)束時(shí)陶瓷膜的單位壓力通量高于中空纖維膜。而且，中空纖維膜通量隨濃縮時(shí)間的延長而降低，而陶瓷膜通量隨濃縮時(shí)間的延長而增大。

圖2 微濾過程中通量及截留液溫度變化Fig.2 Changes of permeate fluxes and temperature of retentate in microfiltration process

微濾膜通量變化是由膜孔的吸附阻塞、膜表面的濃差極化和濾餅層的形成引起［7］，其中有機(jī)中空纖維膜是濾餅過濾機(jī)制占主導(dǎo)，而陶瓷膜則是膜孔阻塞占主導(dǎo)［5，8］。濃縮過程中循環(huán)溫度的升高使蒸煮液黏度下降、擴(kuò)散系數(shù)增大，膜孔膨脹，即通量增大［9－10］。然而，循環(huán)溫度升高使中空纖維膜通量呈現(xiàn)相反的變化趨勢，主要是由于有機(jī)膜的熱穩(wěn)定性比陶瓷膜差，膜孔膨脹系數(shù)大［11］，并且對蛋白質(zhì)吸附作用強(qiáng)，有機(jī)中空纖維膜孔更容易吸附達(dá)到飽和，快速形成濾餅層［6］，導(dǎo)致通量衰減。

2.1.2 微濾過程中蛋白質(zhì)及氨基態(tài)氮含量的變化

中空纖維膜和陶瓷膜濃縮過程中蛋白質(zhì)及氨基態(tài)氮含量的變化如圖3 所示。2 種截留液的蛋白質(zhì)及氨基態(tài)氮含量相差不大;同時(shí)，2 種透過液的蛋白質(zhì)及氨基態(tài)氮含量也相差不大。其中陶瓷膜的蛋白質(zhì)篩分系數(shù)為0.17，氨基態(tài)氮?jiǎng)t為0.78;中空纖維膜的蛋白質(zhì)篩分系數(shù)為0.16，氨基態(tài)氮?jiǎng)t為0.81。

2 種膜的氨基態(tài)氮篩分系數(shù)都小于1，是由于微濾過程中膜表面形成的蛋白質(zhì)阻力層對氨基酸具有截留作用。Butylina［4］的研究中也存在大孔徑濾膜對小肽、氨基酸及無機(jī)鹽離子的截留作用。同時(shí)，中空纖維膜和陶瓷膜對營養(yǎng)物質(zhì)的篩分系數(shù)相近，即濃縮作用相似。處理相同質(zhì)量的蒸煮液時(shí)，陶瓷膜的濃縮時(shí)間縮短31%;并且陶瓷膜的滲透性能高于中空纖維微濾膜，故采用陶瓷膜進(jìn)行微濾濃縮。

圖3 微濾過程中蛋白質(zhì)及氨基態(tài)氮含量的變化Fig.3 Changes of proteins and amino nitrogen content in microfiltration process

2.2 工藝條件分析

2.2.1 不同工藝的處理量、蛋白質(zhì)及氨基態(tài)氮含量的變化

不同工藝條件的處理量及截留液和透過液蛋白質(zhì)、氨基態(tài)氮含量的變化如表1 和圖4 所示。陶瓷膜截留液蛋白質(zhì)和氨基態(tài)氮含量分別為蒸煮原液的3.30 和1.04 倍。超濾膜蛋白質(zhì)和氨基態(tài)氮的篩分系數(shù)分別為0.42 和0.80，但是截留液蛋白質(zhì)含量僅是蒸煮原液的1.02 倍，氨基態(tài)氮?jiǎng)t是0.87 倍，說明超濾對于蒸煮液的整體濃縮的貢獻(xiàn)不大。納濾Ⅰ截留液的蛋白質(zhì)濃縮了2.04 倍，氨基態(tài)氮濃縮了1.91倍;納濾Ⅱ截留液的蛋白質(zhì)濃縮了2.66 倍，氨基酸態(tài)氮濃縮了2.11 倍，納濾Ⅱ的濃縮效果高于納濾Ⅰ。

由于超濾的濃縮貢獻(xiàn)不大，2 種工藝的濃縮液都只包括微濾截留液和納濾截留液。因此，MF-UF-NF體積濃縮了4.68 倍，蛋白質(zhì)回收率56.52%，氨基酸回收率則為31.96% ～35.75%;MF-NF 體積濃縮了4.23 倍，蛋白質(zhì)回收率70.74%，氨基酸回收率則為39.83% ～46.64%。

表1 膜濃縮過程中鳀魚蒸煮原液、截留液和透過液的質(zhì)量Table 1 Handling capacity of Engraulis japonicus cooking soup，yield of retentate and permeate in membrane concentration process

圖4 不同工藝中蛋白質(zhì)和氨基態(tài)氮含量的變化Fig.4 Changes of proteins and amino nitrogen content in different process

2.2.2 不同工藝條件超濾和納濾通量變化

圖5 超濾、納濾Ⅰ和納濾Ⅱ過程中透過液通量的變化Fig.5 Changes of permeate fluxes about ultrafiltration，nanofiltrationⅠand of nanofiltrationⅡ

MF-UF-NF 工藝的超濾及納濾通量和MF -NF 工藝的納濾通量的變化情況如圖5 所示。超濾通量衰減幅度不大，平均通量為9.88 kg/(m2·h);納濾Ⅰ的平均通量為12.28 kg/(m2·h)。納濾Ⅱ通量衰減大于納濾Ⅰ，25 min 后穩(wěn)慢降低，平均通量7.30 kg/(m2·h)。在50 ～60 min 內(nèi)，納濾Ⅱ的通量比納濾Ⅰ低19% ～23%?？梢姡瑸V過程可以一定程度提高納濾濃縮效率。但是，MF-NF 工藝對營養(yǎng)物質(zhì)的回收率高，并且投資成本、占用空間比MF-UF-NF 工藝少。所以，MF-NF 工藝比MF-UF-NF 工藝更加簡單經(jīng)濟(jì)，適合鳀魚蒸煮液的濃縮，尤其適合應(yīng)用于海上蒸煮加工船。

2.3 MF-NF 中原液、微濾和納濾截留液氨基酸分析

MF-NF 中蒸煮原液、微濾和納濾截留液的氨基酸自動分析結(jié)果見表2。在鳀魚蒸煮液的膜濃縮過程中，微濾對于氨基酸的濃縮作用不大，主要起濃縮作用的是納濾過程，氨基酸濃度提高2.71 倍。

表2 MF-NF 中原液、微濾和納濾截留液的氨基酸組成及含量Table 2 Amino acid composition and content of initial cooking soup，microfiltration retentate and nanofiltration retentate in MF-NF process

納濾截留液中各種氨基酸含量相對蒸煮原液都有不同程度的增加，尤其是天冬氨酸和谷氨酸，含量分別增加672%和336%，并且這兩種氨基酸在各自截留液中所占的比例也明顯增大。這主要是因?yàn)樘於彼岷凸劝彼?pI 為2.97、3.22)在pH=5.9 的蒸煮液中呈現(xiàn)出帶負(fù)電荷形式，并且聚砜-聚酰胺復(fù)合材料制備的納濾膜對帶負(fù)電荷物質(zhì)的截留作用較好［13－14］。對于其他種類的氨基酸截留作用低，是由于帶負(fù)電荷的能力弱、分子質(zhì)量低或親水作用引起的［15］。

納濾截留液中鮮味氨基酸以及呈味氨基酸百分含量也明顯增加，對于濃縮液的增鮮増味有重大影響。在鮮味氨基酸中，作為鮮味主體的谷氨酸以及天冬氨酸對于增鮮的貢獻(xiàn)最大，兩者在納濾截留液中百分含量為26.22%。

2.4 MF-NF 中原液、微濾和納濾截留液揮發(fā)性成分分析

利用GC-MS 對MF -NF 中蒸煮原液(A)、微濾截留液(B)和納濾截留液(C)揮發(fā)性成分進(jìn)行測定，蒸煮液風(fēng)味特征以醛類、酮類和醇類物質(zhì)為主，見圖6和表3。其中，B 液和C 液的醛類物質(zhì)種類及含量較A 液降低，腥味的關(guān)鍵物質(zhì)己醛、庚醛、2，6-壬二烯醛和2，4，7-癸三烯醛［16－18］的相對含量降低，甚至有些醛類物質(zhì)在C 液的檢測中沒有發(fā)現(xiàn)。但是，感官比較A 液、B 液、C 液的腥味，發(fā)現(xiàn)差異明顯，B 液腥味最強(qiáng)，C 液腥味不明顯。

圖6 MF-NF 中蒸煮原液、微濾截留液和納濾截留液揮發(fā)成分總離子峰圖Fig.6 Total current chromatogram of volatile compounds from initial cooking soup，microfiltration retentate and nanofiltration retentate in MF-NF process

由于醛類物質(zhì)之間以及酮類物質(zhì)對腥味物質(zhì)呈味起到促進(jìn)作用［16］，而B 液中醛類物質(zhì)相對含量較A 液減少38.49%，酮類物質(zhì)增加97.42%，表明酮類物質(zhì)促腥味作用貢獻(xiàn)較大。B 液腥味增強(qiáng)的原因，一方面是由于微濾截留液(B)中微生物較多［19］，產(chǎn)生腥味或促腥物質(zhì);另一方面是微濾對腥味及促腥物質(zhì)的截留作用。但一般與腥味有關(guān)的三甲胺沒有被檢測出，說明B 液腥味增強(qiáng)與蒸煮液的腐敗無關(guān)，并且具有刺激性酸敗氣味的異戊酸在B 液和C 液中的相對含量也降低。C 液中醛類物質(zhì)相對含量比A 液低，酮類物質(zhì)相對含量基本不變，使腥味降低，說明膜處理對于腥味脫除有一定的作用，而且可以改善蒸煮液的風(fēng)味。

表3 MF-NF 中蒸煮原液、微濾截留液和納濾截留液揮發(fā)性成分的組成及相對含量Table 3 Relative percentage of volatile compounds in initial cooking soup，microfiltration retentate and nanofiltration retentate in MF-NF process

3 結(jié)論

(1)無機(jī)陶瓷微濾膜比有機(jī)中空纖維微濾膜更適合高溫鳀魚蒸煮液的蛋白質(zhì)濃縮，濃縮時(shí)間縮短31%。

(2)在鳀魚蒸煮液的濃縮工藝中，MF-NF 工藝的濃縮效果比MF-UF-NF 好，蛋白質(zhì)和氨基酸的回收率高，分別達(dá)到70.74%和39.83% ～46.64%，體積濃縮了4.23 倍，即MF-NF 工藝比MF-UF-NF 工藝更加經(jīng)濟(jì)簡單，適合鳀魚蒸煮液船上濃縮。

(3)MF-NF 中納濾濃縮技術(shù)對氨基酸濃縮效果明顯，特別是谷氨酸和天冬氨酸等鮮味氨基酸，對蒸煮液增鮮増味的效果作用顯著，能較好的改善蒸煮液的風(fēng)味。

(4)MF-NF 中微濾作用使微濾截留的腥味增強(qiáng);但是納濾截留液中腥味基本消失，蒸煮液風(fēng)味得到較大程度改善。

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