果蔬汁中酚类物质的纳滤过程膜污染机制研究

Membrane fouling is a critical problem in fruit and vegetable juice concentration processing with nanofiltration membrane. The major problems are to make the fouling mechanisms clear which caused by different components during the process, and to propose an effective method to control the fouling and clean the fouled membrane. In this project, fouling mechanisms for nanofiltration of pheonlic compounds in fruit and vegetable juice, such as gallic acid, caffeic acid and rutin, will be studied. The effects of molecular structure, molecular size and molecular weight of phenolic compounds, materials and pore diameter of the membrane, and some parameters such as pressure and concentration on fouling behavior during nanofiltration will be investigated. The interaction between phenolic compounds and membrane will be analyzed to demonstrate the contributions of phenolic compounds in different membrane fouling mechanisms, such as adsorption, pore blocking, cake layer and concentration polarization. Based on the demonstrated fouling mechanisms, an effective method to control the fouling and clean the fouled membrane will be developed. This research has theoretical and application values for nanofiltration application in fruit and vegetable juice processing.

膜污染是制约纳滤膜分离技术在果蔬汁浓缩加工领域中应用发展的关键问题之一。其核心的难点问题是如何明确果蔬汁中关键成分的膜污染形成机制，并针对该机制获得有效控制和清除污染的关键技术。本项目将研究没食子酸、咖啡酸、芦丁等多种果蔬汁中不同结构酚类物质的纳滤膜污染机制，提出有效控制膜污染和膜清洗的关键技术。研究内容包括考察各酚类物质的纳滤过程膜污染行为，探明其分子结构、分子尺寸、分子量等分子特征，膜材质、膜孔径等膜特性以及操作压力、溶液浓度等参数对纳滤膜污染行为的影响与规律；分析过程中各酚类物质与纳滤膜间的作用，明确各分子在吸附、膜孔堵塞、浓差极化和滤饼层等主要膜污染机制中的贡献；基于明确的膜污染机制，获得有效控制果蔬汁中酚类物质纳滤膜污染程度和膜清洗的关键技术。该项目的开展，对于有效控制果蔬汁纳滤膜污染，提高浓缩效率，延长膜寿命以及提升果蔬汁产品品质等方面具有重要的理论价值和应用前景。

本项目针对果蔬汁中酚类物质的纳滤膜污染机制不明确等问题，开展了典型酚类物质的纳滤行为特征研究，重点研究了分子结构特征与纳滤过程、膜污染的关系及机制。.研究内容：（1）探明了果蔬中6种酚类物质的分子特征、操作参数对纳滤截留率和膜通量的影响，建立了酚类物质分子特征参数与截留率的定量构效（QSAR）模型；（2）阐明了6种酚类物质的纳滤过程膜污染机制，揭示了分子结构与操作参数对其膜污染程度的变化规律；（3）明确了苹果汁纳滤浓缩过程中酚类物质的截留规律、膜污染机制和有效控制技术。.重要结果及数据：（1）因分子特征和膜特性差异，酚类物质在不同膜中的截留率差异较大。通过主成分分析和偏最小二乘法建立QSAR模型，表明μ和5Xpcv对截留率均起显著作用，LogP、pKa和3Xcv也是较重要的因素。酚类物质溶液的膜通量在纳滤过程中均呈下降趋势，但截留率逐渐增大。截留率随压力的增大而增加，因此，高压有助于提高酚类物质的截留率。.（2）酚类物质的膜污染机制受到分子结构特征和膜特性的共同影响。分子特征参数酸度系数（pKa）、分子折射率（CMR）和疏水性参数LogP与CLogP对其纳滤膜污染程度影响较大。其中，芦丁的pKa值是其它物质的近2倍，CMR值则高达2-4倍。因此，芦丁更容易到达膜表面，增强膜表面与溶质间的静电吸附作用和膜孔阻塞效应；同时，因其分子结构复杂，可增加膜渗透机理和污染机理的复杂性。因此，在VNF1中具有较大pKa和CMR值的芦丁对膜有更强的吸附力，不可逆污染成为主要污染阻力。.（3）苹果汁复杂溶液的膜通量、膜污染程度受到操作时间、流速、操作压差、溶液浓度等因素的共同影响。通过使用VNF1膜浓缩苹果汁，80%以上的营养成分得到很好地保留。同时膜通量与污染程度变化较小，该膜适合苹果汁的纳滤浓缩。.项目针对果蔬汁膜加工中的膜污染问题，研究了典型酚类物质的分子结构与纳滤行为和膜污染机制的关系，研究成果为纳滤技术在果蔬汁加工中的进一步应用积累了数据，有利于提高果蔬汁膜加工技术。