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乌龙茶饮料的反渗透浓缩试验 胡建农1, 金心怡2, 林顺权2 ( 1. 福建省亚热带园艺植物研究中心, 福建 漳州 363000; 2. 福建农林大学园艺系, 福建 福州 350002) 收稿日期: 2000- 08- 08 作者简介: 胡建农 ( 1947- ) , 男, 工程师, 从事软包装饮料研究开发工作。 摘 要: 研究茶饮料的温度、 浓度和压力对反渗透浓缩速度的影响, 检验反渗透膜的再生性能, 测 量浓缩过程的能耗, 鉴定浓缩茶饮料的品质。 结果表明, 该工艺与传统工艺相比, 具有高品质、 低 成本、易操作的特点, 有推广潜力。 关键词: 反渗透; 膜再生; 低能耗; 茶饮料 中图分类号:TS275. 2文献标识码:A Experiment on reverse osmosis ultrafiltration of Oolong tea HU Jian- nong1, JIN Xin- yi1, LIN Shun- quan2 (1. Fujian Subtropical H orticultural Plant Research Centre, Zhangzhou, Fuj ian 363000, China; 2.Department of H orticulture,Fuj ian Agricultural and Forestry University,Fuz hou,Fuj ian 350002) Abstract:Effects of temperature,concentration and pressure of tea drink on the speed of reverse os- mosis were studied. Regenerating characteristics of reverse osmosis membrane was tested. Energy con- sume during ultrafiltration process was measured and quality of ultrafiltrated tea was appraised. T he results showed that the technology charactered higher quality,lower cost and easier manipulation in comparison with traditional method. It had application potentiality. Key words: Reverse osmosis; Membrane regeneration: Low energy consumption; Tea drink 乌龙茶是我国六大茶类之一, 由鲜茶叶经半发酵加工制作而成的。 它具有独特的品味, 香 味, 兼备绿茶的鲜浓和红茶的甜醇, 同时还有去油腻、降胆固醇之功能, 是理想的减肥饮料。 因此, 它不仅深受国内广大消费者欢迎, 在国际上也享有较高的声誉。特别是日本、东南亚、 西欧一带更为畅销, 被誉为 “ 美容茶” 。近年来, 随着乌龙茶在国际市场上的不断开拓, 越来 越多的国外消费者希望能够买到饮用更为方便的乌龙茶浓缩液。为了开发这一新产品, 更好 地保存原茶饮料的色泽与风味 1, 降低生产成本, 取得较好的经济效益, 同时, 也为了探索膜 分离技术在茶饮料浓缩加工方面的可行性及其分离规律, 我们选用了从丹麦引进的反渗透膜 浓缩装置, 进行乌龙茶饮料常温下浓缩试验。 1 材料与方法 1. 1 茶饮料的制备 1. 1. 1 茶叶品种的选择 选用福建省漳州市茶厂生产的乌龙名茶 “ 黄旦”品种, 该茶具有一 福建农业学报 15( 4) : 5761, 2000 Fujian Journal of A gricultural Sciences 文章编号: 1008- 0384 ( 2000) 04- 0057- 05 种特殊的浓郁香味, 适用于作反渗透浓缩过程中茶叶芳香物质是否损失的示踪物。 1. 1. 2 茶饮料的制作过程 称取 125 g 黄旦茶叶用3 L 煮沸的无离子水冲泡, 10 min 后, 经 两层绒布过滤到不锈钢桶中。 按上述方法依次冲泡第2 遍、 第 3 遍, 制得 9 L 初始茶饮料。 当 茶饮料温度降到 30时, 进行反渗透浓缩操作。 1. 2 测定与分析方法 1. 2. 1 茶饮料浓度标准曲线的制作 分别吸取 1 ml、2 ml、4 ml、6 ml、8 ml、10 ml 初始茶 饮料置于 6支试管中, 并定容至 10 ml。 形成浓度分别为初始值 10% 、 20%、 40% 、 60%、 80%、 100%的标准茶溶液。用 751 型分光光度计测定各茶溶液的吸光值, 然后绘制标准曲线。 浓缩 茶饮料的浓度测定, 采取先稀释, 后比色的办法进行。 1. 2. 2 浓缩茶饮料的品质鉴定 先将各种浓缩茶饮料稀释为初始浓度, 再同初始茶饮料按 色、香、味三要素进行对比, 采用 BJ-3020 型液相色谱仪监测与专家评定相结合办法。 1. 2. 3 反渗透浓缩能耗的估算 安装一只专线三相电度表, 记录膜装置的实际耗电量。 浓缩 速度的计量,采用秒表、量筒测定每分钟膜透水量的办法。 1. 3 分离设备 选用丹麦 DDS 公司生产的 LAB-Unit20 型反渗透膜分离装置 2。装置流程与膜性能如图 1、表 1 所示。 图 1 乌龙茶饮料反渗透浓缩设备流程图 Fig. 1 The reverse osmosis equipment for ultrafiltrating of Oolong tea drink 表 1 反渗透膜的性能参数 Table 1 The technical parameter of reverse osmosis membrane 型 号 温 度 ( ) 反渗透压 ( MPa) pH 值适用范围 膜通率 ( Lm- 2h- 1) 透盐率 ( ) RH- 9506006211110 5 注: 该反渗透膜为复合膜。 58福建农业学报第 15 卷 设备的驱动功率为3 kW, 在实验中为了减少进口膜材料的消耗, 在膜组件中仅装入 6 张 膜 ( 该组件最大装膜量为 40 张) , 膜的总面积为 0. 042 m 2。柱塞泵产生的反渗透压为 3 MPa。 2 结果与分析 2. 1 影响茶饮料反渗透浓缩速度的主要因素 2. 1. 1 反渗透压对初始茶饮料浓缩速度的影响 为了客观反映上述两个因素的相关性, 必须 在测量过程中保持初始茶饮料浓度的稳定性,所以, 将浓缩过程中产生的反渗透水全部返回 到初始茶饮料中。实测结果由图 2 显示,茶饮料浓缩的速度随着反渗透压的加大而变快。在 浓缩过程中,膜内外两面的自由水分子同时进行两种方向相反的运动,由茶饮料产生的渗透 压使外部自由水渗入,而由高压泵产生的反渗透压将茶饮料中的水分排出。茶饮料的浓度不 变, 意味着渗透压基本不变, 加大反渗透压必然导致浓缩速度加快。受膜材料与其他多方面 因素限制, 实际上采用的反渗透压不能过高。 2. 1. 2 茶饮料温度对反渗透浓缩速度的影响 在茶饮料浓度不变的情况下, 如图 3 所示, 反 渗透浓缩的速度随着茶饮料温度的上升而加快。升温使茶饮料中水分子的内能增加,分子运 动速度变大,通过膜的速度加快。温度的上升, 有时会使膜本身的膜通量性能有所改善,这 是另一方面的原因。 但是, 由于反渗透膜及膜组件通常是用一些有机大分子合成材料制造, 其 耐热性能较差, 在温度较高的环境中易老化变质。另外, 茶饮料温度过高,将使其中部分易 于挥发的芳香物质丢失, 降低产品质量。茶饮料的温度必须控制在适合的范围内。 图 2 浓缩速度与压强的相关性曲线 Fig. 2 Effect of pressure on the speed of reverse osmosis 图 3 浓缩速度与温度的相关性曲线 Fig. 3 Effect of temperature on the speed of reverse osmosis 2. 1. 3 茶饮料浓度对反渗透浓缩速度的影响 在茶饮料浓缩的实际过程中, 茶饮料的浓度与 浓缩的速度都是在不断变化的, 其变化规律由图 4 不难看出, 整个浓缩过程, 随着时间推移, 茶饮料的浓度不断变大, 而反渗透浓缩的速度却不断降低。这主要是因为随着浓缩倍数的增 加, 茶饮料自身的渗透压大幅度提高,而反渗透压保持不变,未作相应提高,始终维持在 3 MPa。另外, 由于茶饮料中的儿茶酚等大分子物质的滞留, 造成部分膜孔被阻塞, 反渗透膜表 59第 4 期胡建农等: 乌龙茶饮料的反渗透浓缩试验 面极化作用加强, 而导致浓缩速度明显下降 3。 从中我们可得出一个结论, 采用反渗透法生产 乌龙茶浓缩汁, 浓度指标要定得合理, 不能太高,否则, 将无法达到预期的目的。 图 4 浓缩速度与茶饮料浓度相关性曲线 Fig. 4 Effect of tea drink concentration on the speed of reverse osmosis 图 5 膜清洗再生反渗透速度变化曲线 Fig. 5 Effect of cleaning the regenerative membrane on the speed of reverse osmosis 2. 2 反渗透浓缩膜的清洗再生性能 试验证明, 在反渗透浓缩过程中, 出现膜孔隙堵塞和膜表面极化,膜性能下降是不可避 免的现象。能否通过清洗的办法, 使膜的性能获得再生, 是该技术是否具有商业价值的关键 所在。通过反复测试结果, RH-95 膜清洗再生性能如图 5 所示, 使用过的膜, 经过十几分钟 清洗,再生膜性能可恢复到新膜的水平。膜的再生性能大大降低了生产成本, 不仅食品、制 药行业承受得起,就连加工增值不高的海水淡化、污水处理行业也纷纷采用类似的膜分离技 术。 2. 3 反渗透浓缩的节能效果 根据本试验的测定, 当初始茶饮料浓缩到5 倍浓缩液时, 电能的实际消耗为 11 850 kJ。 采 用传统浓缩方法, 仅主要能耗汽化热一项就需要 16 925 kJ。由此可见, 本试验的能耗量不足 传统方法的 70%,需要指出的是,本试验的工作压力、温度可适当提高, 膜面积可扩大 6 7 倍 ( 就本试验装置的容量而言) , 因而浓缩时间可大大缩短, 节能效果与国外实际生产规模 浓缩工艺节能效果对比, 反渗透浓缩法的能耗仅为传统真空浓缩法的 25% 左右。传统工艺是 将水分汽化、蒸发分离, 需要消耗巨大的汽化潜能。而反渗透法是利用膜在外部压力的作用 下, 分离出液态的水分, 未发生相变, 省去了汽化潜能的消耗。 2. 4 反渗透浓缩对茶饮料品质的影响 为了客观反映整个浓缩过程中, 茶饮料品质的变化情况, 当初始茶饮料浓缩到3 倍、 5 倍、 7 倍浓度时, 分别取样加水稀释到初始浓度, 再与未经浓缩的初始茶饮料一起进行感官鉴定, 具体结果见表 2。 浓缩过程中产生的渗透液为澄清透明、 无色无味的液体, 采用液相色谱仪对它进行检测, 无任何信号输出。上述结果表明, 在生产 5 倍浓缩茶饮料的过程中, 原本茶饮料中的色、香、 60福建农业学报第 15 卷 味物质得到很好的保留, 反渗透膜分离出的渗透液为纯净水。由于膜法浓缩过程是在常温下 进行, 茶饮料中所含的多种营养风味物质不易遭受热破坏, 氧压速度减缓, 其中挥发性芳香物 质沸点较高, 不易散失 4。另一方面, 反渗透膜的孔隙很小, 分子量截留值为 50。茶饮料中 的水溶性物质绝大多数分子量都在几百到几千的范围内, 因此,不可能通过膜流失,通过膜 渗出的基本上是纯净水。7倍浓缩茶饮料色泽变深、风味稍差的原因, 主要是浓缩时间过长, 茶中的酚类物质氧化成醌类物质的原因。本试验未采用氮气加压抗氧保护,是出现上述问题 的客观原因。 表 2 浓缩茶饮料感官质量 Table 2 The sense quality of ultrafiltration tea drink 项 目初始茶饮料3 倍浓缩茶饮料5 倍浓缩茶饮料7 倍浓缩茶饮料 汤色清澈橙黄清澈橙黄清澈橙黄黄褐稍浑 香气纯正浓郁纯正浓郁纯正浓郁平正 滋味醇厚醇厚醇厚尚醇 3 结 论 运用反渗透膜分离技术生产浓缩乌龙茶饮料,极大地提高了产品的质量。设备的操作与 维护保养简便易行, 节能效果显著。膜的再生性能良好, 使膜法生产变得经济实用。推广这 项新技术、新工艺将会取得良好的