陶瓷和聚合物膜在椰子水交叉流微滤中的应用评估：过滤性能及净化后椰子水的成分分析

椰子水澄清工艺中，陶瓷膜（SiC）、氧化铝膜（Al₂O₃）、聚丙烯膜（PP）的通量、抗污染能力和生物活性成分保留性能研究表明，SiC膜通量最高（>300 L·h⁻¹·m⁻²），能耗最低（0.48 ± 0.02 kWh·m⁻³），且对椰子水天然成分影响最小，浓度极化为主要阻力，而PP膜易污染且阻力不可逆。

José Diogo da Rocha Viana | Elenilson de Godoy Alves Filho | Lorena Mara Alexandre e Silva | Paulo Riceli Vasconcelos Ribeiro | Carlos Alberto Kenji Taniguchi | Arthur Claudio Rodrigues de Souza | Fernando Antônio Pinto de Abreu | José Carlos Cunha Petrus | Kirley Marques Canuto

巴西圣卡塔琳娜联邦大学化学工程与食品工程系，弗洛里亚诺波利斯-SC

摘要

本研究评估了不同类型膜在澄清椰子水方面的流动和过滤性能。尽管错流微滤技术已广泛应用于果汁澄清，但其应用于整椰子水的情况以及膜材料对流动、污染行为和生物活性化合物保留的影响仍不明确。解决这一问题是优化澄清过程、同时保持营养和功能品质的关键。本文在相同的操作条件（ΔP_TM、温度、错流速度和膜面积）下测试了三种膜类型（碳化硅 – SiC、氧化铝 - Al₂O₃ 和聚丙烯 - PP），并对比了它们的渗透通量、污染倾向和关键生物活性化合物的保留情况。结果表明，陶瓷膜具有更优异的澄清性能，其中碳化硅的渗透通量最高（>300 L h^-1 m^-2），分别比聚丙烯和氧化铝高出约400%和90%。碳化硅系统的能耗最低（0.48 ± 0.02 kWh m^-3），且对椰子水的天然成分改变最小。在闭环模式下，陶瓷膜的阻力主要来自浓度极化现象，而聚丙烯则受污染影响较大，其不可逆阻力最高。化学计量分析（NMR 和 ICP-OES）显示，碳化硅滤液中的有机和矿物质成分与原椰子水最为接近。综合考虑渗透通量、能源效率和产品质量，碳化硅膜在技术上和经济上都是潜在的工业规模椰子水澄清方案。

章节摘录

引言

全球向更健康饮食的趋势促使人们从工业化饮料转向天然果汁，如椰子水——这种清爽的饮品在世界各地的热带地区广受欢迎（DebMandal 和 Mandal, 2011; Fonseca 等, 2009; Walter 等, 2009）。根据联合国粮食及农业组织（FAO, 2024）的数据，2022年全球椰子产量达到6241万吨，其中印度尼西亚、菲律宾和印度是主要生产国；巴西排名第四。

材料与方法

实验研究在巴西福塔莱萨的Embrapa热带农业工业中心进行。

微滤膜类型的性能

关于闭环模式下错流微滤（CFMF，即滤液重新回流到进料罐中的研究）的目的是了解膜在不同产品下的表现。已有多项研究使用不同产品评估了全循环条件下的澄清过程，例如木槿茶（Cisse 等, 2011）、树莓汁（Hojjatpanah 等, 2011）、番茄汁（Razi 等, 2012）和百香果汁（Domingues 等,）的微滤效果。

结论

错流微滤能够在较低的 ΔP_TM 下有效澄清椰子水，保留低分子量成分，并在操作窗口内实现较高的渗透通量，同时降低能耗并最小化可溶性成分的变化。在所有测试的膜模块中，碳化硅模块的表现始终优于氧化铝和聚丙烯模块，其平均渗透通量更高且更稳定（>300 L h^-1 m^-2），能耗也更低（0.48 ± 0.02 kWh m^-3）。

阻力分析结果进一步证实了这一结论。

CRediT作者贡献声明

Elenilson Godoy Alves-Filho： 方法论、数据分析。 José Diogo da Viana Rocha： 文稿撰写与审阅、初稿撰写、方法论设计、实验设计、数据分析、概念构建。 Lorena Mara Alexandre Silva： 方法论设计、实验设计、数据分析。 Carlos Alberto Kenji Taniguchi： 方法论设计、实验设计、数据分析。 Paulo Riceli Vasconcelos Ribeiro： 方法论设计、数据分析。 Kirley Marques Canuto： 文稿撰写与审阅、项目监督。

未引用参考文献

CBI – 发展中国家进口促进中心，2025；J.-H 等，2013；《椰子水，2030》；Elyassi 等，2008；FAOSTAT，2024；Grand View Research，2024b；Jan 等，2024；Jönsson 和 Wallberg，2009；Li 等，2021；Mejia 和 Yáñez-Fernandez，2021a；Moraes 等，2018；Prades 等，2012a；Silva 等，2018；Simone 等，2016。

利益冲突声明

☒ 作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

☒ 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Viana, J. D. R. 曾获得高等教育人员培训协调委员会（Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal do Ensino Superior）的财务支持。如有其他作者，他们也声明没有已知的相关利益冲突。

致谢

作者感谢高等教育人员培训协调委员会（CAPES，编号 88882.345294/2019-1）、国家科学技术发展委员会（CNPq）和塞阿拉州科学技术发展基金会（FUNCAP）提供的奖学金（NT-00159-00006.01.00/19），以及Embrapa的财务支持。