酱腌菜卤汁废水具有高盐、高浓度有机物和高氮磷的特点，属于高浓度难降解废水，若不经过处理，直接排放到环境中会对生态环境造成严重影响[1-2]。据中国调味品协会统计[3]，我国每年生产酱腌菜350万t，以每1 t成品产生5 t卤汁计算，则全国每年的卤汁产生量约为1 750万t。
国内外常见的高盐卤汁处理法包括高级氧化法、活性炭吸附、絮凝沉淀法、反渗透法、电化学法、离子交换法和膜分离技术等[4-7]。氧化法如Fenton氧化法对于废水具有较好的处理效果，但是工艺成本较高，且在工艺中添加了大量铁盐，可能导致污泥增多[8]；活性炭处理反应条件温和、操作简便，但是活性炭再生系统操作难度大且成本高[9]；反渗透法或离子交换法在生物处理之前将盐从卤汁中去除，运行难度大，且会出现二次污染现象。因此，只能在特定的研究条件下应用，不能普遍大规模的处理盐废水[10]；电化学法处理有机含盐废水易受pH值、含盐量、电流密度等因素影响[11]；絮凝沉淀法处理效果的关键是选择合适的絮凝剂，大多数高分子絮凝剂生产成本高，其开发和利用受到一定的限制[12]。与其他方法相比，膜分离技术具有节能、高效、造价低、易于操作、无外加药剂、环保无污染等特点[7，13]。过滤膜处理几乎可以除掉水中一切物质，其中包括有害的有机物、病毒、微生物、藻类、农药、金属物质、无机物，甚至颜色和臭味[14]。酱腌菜卤汁的主要成分是水和NaCl，以及少量的氨基酸、有机酸及风味物质等，具有潜在的可利用价值，可利用的价值很大。
本试验拟采用膜分离技术对卤汁废水进行除菌，杀灭或降低卤汁中的微生物，并对卤汁中的营养成分进行截留，使处理后的卤汁可用于腌菜汁豆酱、酱油等调味品的制作。膜通量是评价膜过滤除菌的整个工艺过程中的一个重要指标，它与实际生产中的成本有着密切的联系。因此，该研究首先评价不同膜材料对卤汁除菌率的影响，然后以膜通量和除菌率作为评价指标，对比研究膜孔径、过膜压力和频率对卤汁的除菌效果和过膜效率的影响，最后对比不同孔径陶瓷膜处理对卤汁营养成分的影响，确定了陶瓷膜处理卤汁的最佳除菌工艺条件，为卤汁废水的再利用提供科学依据，对食品工业实现绿色发展具有重要意义。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
卤汁（萝卜卤汁、芥头卤汁、苤蓝卤汁）：河北保定槐茂有限公司；无机陶瓷膜：北京陶普森膜应用工程技术有限公司；中空纤维膜：山东博纳生物科技集团有限公司；聚醚砜膜：厦门福美科技有限公司。
平板计数琼脂培养基：青岛高科技工业园海博生物技术有限公司；氯化钠、蔗糖（均为分析纯）：上海源叶生物科技有限公司；植物（大豆）蛋白胨、牛肉浸膏（均为生化试剂）：北京陆桥技术有限责任公司；琼脂粉（生化试剂）：北京奥博星生物技术有限责任公司。
1.2 仪器与设备
LRH-250F生化培养箱：上海一恒科学仪器有限公司；日立L-8900氨基酸分析仪：日本日立公司；安捷伦7900电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）仪：安捷伦科技（中国）有限公司；TOPS/CM-1026无机陶瓷膜微型台式试验机：北京陶普森膜应用工程技术有限公司；RNF0460-011卷式膜多功能小试设备：厦门福美科技有限公司；BONA-GM-58中空纤维膜过滤实验设备：山东博纳生物科技集团有限公司。
1.3 方法
1.3.1 膜材料选择
分别选用无机陶瓷膜、中空纤维膜以及聚醚砜膜三种材料的膜过滤卤汁，测定细菌去除率及芽孢去除率。
1.3.2 陶瓷膜微滤工艺优化单因素试验
以卤汁膜通量为评价指标，采用单因素轮换法依次考察陶瓷膜孔径（0.80 μm、0.45 μm、0.20 μm）、压力（0.20 MPa、0.25 MPa、0.30 MPa、0.35 MPa）、频率（30 Hz、35 Hz、40 Hz、45 Hz、50 Hz）对卤汁膜通量的影响。
1.3.3 陶瓷膜微滤工艺优化正交试验
陶瓷膜微滤除菌效果及膜通量受孔径、频率、压力3个因素的影响，因此在单因素试验的基础上，每个因素选取3个水平，选用L9（34）正交试验设计，因素与水平如表1所示。
表1 陶瓷膜微滤工艺优化正交试验因素与水平
Table 1 Factors and levels of orthogonal test for ceramic membrane microfiltration process optimization
1.3.4 膜通量的计算
膜通量是膜分离过程的一个重要工艺运行参数，是指单位时间内通过单位膜面积上的流体量，一般以L/（m2·h）表示。膜通量计算公式如下：
式中：J为膜通量，L/（m2·h）；V为渗透液体积，L；A为膜有效面积，m2；t为获得一定体积渗透液所需的时间，h。
1.3.5 微生物检验
菌落总数测定：按GB 4789.2—2016《食品安全国家标准食品微生物学检验菌落总数测定》测定；
芽孢总数测定：参考文献[15]，将卤汁在80 ℃杀菌10 min，冷却后将稀释液混入平板计数培养基中、置于（30±1）℃恒温培养箱保温培养2～3 d后计数。
细菌去除率和芽孢去除率的计算公式如下：
式中：S0为未处理卤汁的细菌总数，CFU/mL；St为过膜后卤汁的细菌总数，CFU/mL。
式中：W0为未处理卤汁的芽孢总数，CFU/mL；Wt为过膜后卤汁的芽孢总数，CFU/mL。
1.3.6 氨基酸含量测定
按照GB 5009.124—2016《食品安全国家标准食品中氨基酸的测定》中的方法，用氨基酸自动分析仪测定。
1.3.7 钠和镁元素的测定
按照GB 5009.268—2016《食品安全国家标准食品中多元素的测定》，用电感耦合等离子体-质谱法（ICP-MS），测定卤汁中钠和镁元素的含量。
1.3.8 数据处理
每组实验重复3次，实验数据采用统计学软件SPSS 26.0进行单因素方差分析，采用Origin 2019B软件绘图。
2 结果与分析
2.1 膜材料对卤汁除菌效果的影响
分别用聚醚砜膜、中空纤维膜以及孔径0.80 μm、0.45 μm、0.20 μm的无机陶瓷膜（过膜压力0.25 MPa、频率40 Hz）进行试验，以其对细菌、芽孢的截留率为指标，考察膜材料对卤汁除菌效果的影响，结果见表2。
由表2可知，三种材料的膜过滤卤汁时，无机陶瓷膜对芽孢的截留率达到了100%，而中空纤维膜、聚醚砜膜无法完全过滤掉芽孢，截留率分别为97.99%和98.78%。三种孔径的无机陶瓷膜的细菌截留率均＞80%，且随着孔径的减少而增大，而中空纤维膜、聚醚砜膜的截留率均低于80%。
表2 不同材料膜对过滤液微生物指标的影响
Table 2 Effects of different membrane materials on microbial indexes of filtrate
蔬菜腌制过程中，微生物是导致蔬菜腐败变质的元凶，会造成营养物质的损失。其中，芽孢不仅会引起泡菜“生花”变质[16]，而且会导致食源性疾病，从卤汁的回收利用方面考虑，卤汁中的芽孢应完全被除去，避免引发食品安全问题，此外，尽可能的消灭或降低乳中的微生物，以延长食品的保质期，因此，本实验选择无机陶瓷膜进行卤汁除菌。
2.2 陶瓷膜除菌工艺优化
浓差极化与膜污染是影响膜渗透通量下降的重要原因[17]。浓差极化是指分离过程中，溶质在膜表面附近的浓度高于主体溶液的浓度的现象[18]。膜污染是指处理物料中微粒，胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用，在膜表面或膜孔内吸附沉积而造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化的现象[19]。二者在实际过程中，相互关联、相互影响。浓差极化使膜表面被截留组分浓度提高，从而加速了膜污染的过程，而膜污染使部分膜孔堵塞，又会促使局部浓差极化的加剧[20]。
2.2.1 孔径对卤汁膜通量的影响
由图1可知，随着时间的延长，三种孔径的膜膜通量均呈现降低趋势。这是因为卤汁中存在大量大分子物质、微生物等，当这些物质一起通过膜孔时，大分子物质被截留在膜孔道内，膜表面浓度极差化程度增大，造成膜孔堵塞，从而导致膜通量下降。此外，从整体上看，孔径越大，膜通量越大。三种孔径的陶瓷膜膜通量降低速率各不相同，过滤30 min后，0.80 μm孔径的膜通量衰减了50.62%，0.45 μm孔径的膜通量衰减了67.65%，0.20 μm孔径的膜通量衰减了55.41%，0.45 μm的膜比0.20 μm的膜衰减的更快，这可能是由于卤汁中的绝大部分胶体与颗粒粒径处于0.20 μm至0.45 μm之间，因此会吸附在孔径为0.45 μm滤膜的膜孔通道里，形成凝胶层，随着过滤的不断进行，造成膜孔堵塞，导致膜通量急剧衰减，而孔径为0.20μm的膜由于孔径远远小于卤汁中大分子物质的粒径，所以这些微粒不会造成膜孔堵塞[21]。
图1 不同孔径陶瓷膜处理卤汁对膜通量的影响
Fig.1 Effect of marinade treated with different pore size of ceramic membrane on membrane flux
2.2.2 压力对卤汁膜通量的影响
由图2可知，三种孔径陶瓷膜过滤卤汁时膜通量均随压力的增大呈先上升后下降的趋势。这可能是由于压力＜0.25 MPa时，过滤过程主要受压力控制，压力越大，膜通量越大，当压力升至0.25 MPa时，膜通量达到最大值。当压力＞0.25 MPa时，压力的增大使膜表面的剪切力减小，卤汁中胶体和颗粒物的沉降速率也会随之增大，堆积在膜表面和膜孔道内，使膜孔堵塞和膜面浓差极化程度加大，从而加剧膜污染。因此，综合考虑卤汁过膜效率和能耗，过膜压力选择0.25 MPa较合适。
图2 压力对不同孔径陶瓷膜过滤卤汁膜通量的影响
Fig.2 Effect of pressure on membrane flux of marinade filtered by ceramic membrane with different pore size
2.2.3 频率对卤汁膜通量的影响
频率对卤汁膜通量的影响结果见图3。由图3可知，卤汁的膜通量随频率的增大呈先上升后下降的趋势。根据雷诺公式，提高膜面流速可以加剧流体流动过程中的端流程度，减少颗粒物质在膜面沉积的机会，从而减少膜孔阻塞，减弱膜面滤层的形成。但是，当流速增大到一定程度时，因为膜面流速过高降低了流体通过膜孔的效率，膜通量反而会出现下降的趋势[22]。当频率＜40 Hz时，增加频率，卤汁流速增加，膜表面剪切力增加，加快了大分子物质离开膜面的速度，降低了卤汁中胶体和颗粒物的沉降，从而减轻了浓差极化和凝胶层的形成带来的不利影响，因而增加了陶瓷膜的有效面积，因此使膜通量有所增加。当频率升到40 Hz时，膜通量达到最大值，为309 L/（m2·h）。当频率继续增加时，膜表面流速过高降低了卤汁通过膜孔的效率，膜通量随之降低。因此，选择40 Hz的过膜频率较为合适。
图3 频率对卤汁膜通量的影响
Fig.3 Effect of frequency on membrane flux of marinade
2.2.4 正交试验结果
在单因素的基础上选取孔径、频率、压力为三个评价因素进行正交试验，以细菌除菌率和膜通量为评价指标，考虑到生产效率，选择每个因素中膜通量最大时的条件作为试验中因素水平的中心值，试验结果见表3。
表3 陶瓷膜微滤工艺优化正交试验结果与分析
Table 3 Results and analysis of orthogonal tests for ceramic membrane microfiltration process optimization
由表3可知，以细菌去除率为评价指标，陶瓷膜对细菌的去除率均在95%以上，极差分析结果表明，3种因素对细菌去除率的影响主次顺序为A（孔径）＞B（频率）＞C（压力），其中，膜孔径大小对细菌去除率影响最大，0.20 μm的膜能够完全截留住卤汁中的细菌。最佳陶瓷膜除菌工艺为A3B3C1。以膜通量为评价指标，3种因素对膜通量的影响主次顺序为A（孔径）＞B（频率）＞C（压力），最佳陶瓷膜除菌工艺为A1B2C2。
由表4和表5可知，陶瓷膜孔径对卤汁的膜通量和细菌去除率影响显著（P＜0.05），而压力对两个指标影响均不显著（P＞0.05），频率对膜通量影响显著（P＜0.05），对细菌去除率影响不显著（P＞0.05）。由于正交试验中每组试验条件中细菌的去除率均达到95%以上，除菌效果良好，所以将膜通量作为选择陶瓷膜过滤工艺的主要指标。陶瓷膜除菌工艺为A1B2C2条件下，膜通量达到最佳。因此，最佳陶瓷膜除菌工艺为A1B2C2，即膜孔径为0.80 μm，过膜频率为40 Hz，压力为0.25 MPa。在此工艺条件下，膜通量为367.7 L/（m2·h），细菌去除率为95.19%，芽孢去除率为100%。
表4 以膜通量为评价指标的正交试验结果方差分析
Table 4 Variance analysis of orthogonal tests with membrane flux as evaluation index
注：“*”表示影响显著（P＜0.05），下同。
表5 以细菌去除率为评价指标的正交试验结果方差分析
Table 5 Variance analysis of orthogonal tests with bacterial removal rate as evaluation index
2.2.5 陶瓷膜对不同种酱腌菜卤汁的除菌效果
由表6可知，膜孔径为0.80 μm，过膜频率为40 Hz，压力为0.25 MPa的陶瓷膜除菌工艺可以完全去除三种卤汁中的芽孢，对三种卤汁细菌去除率均可达到95%以上，综上，该工艺条件对不同种酱腌菜卤汁都能够达到有效除菌。
表6 不同种酱腌菜卤汁经陶瓷膜处理后的微生物指标
Table 6 Microbial indexes of different pickle marinades treated by ceramic membrane
2.3 不同孔径陶瓷膜处理对卤汁中营养成分的影响
2.3.1 不同孔径陶瓷膜处理对卤汁中氨基酸的影响
在蔬菜腌制过程中，蔬菜含有的蛋白质在微生物和自身所含蛋白酶作用下水解生成氨基酸，这是酱腌菜产生特定风味的主要原因之一[23]。天然的氨基酸及其盐大多具有甜味或苦味，少数几种具有鲜味或酸味[24]。其中谷氨酸（Glu）和天门冬氨酸（Asp）是卤汁中主要的鲜味氨基酸。Glu可与卤汁中钠离子结合生成谷氨酸钠盐，也具有鲜味。对经过不同孔径的陶瓷膜处理后卤汁中主要的游离氨基酸含量变化进行分析，结果见图4。
图4 不同孔径陶瓷膜处理后卤汁中氨基酸含量变化
Fig.4 Changes of amino acid content in brine treated by ceramic membrane with different pore sizes
注：字母不同表示差异显著（P＜0.05）。
由图4可知，卤汁中含量丰富的氨基酸主要是天冬氨酸（Asp）、苏氨酸（Thr）、谷氨酸（Glu）、丙氨酸（Ala）、精氨酸（Arg）和脯氨酸（Pro）。经过0.80 μm、0.45 μm、0.20 μm孔径的陶瓷膜处理后，卤汁中Thr、丝氨酸（Ser）、甘氨酸（Gly）、Ala、蛋氨酸（Met）、苯丙氨酸（Phe）、赖氨酸（Lys）及Arg的含量均显著增加（P＜0.05）。然而经过0.80、0.45、0.20 μm孔径的陶瓷膜处理后，卤汁中Asp、Glu、Val的含量显著减少（P＜0.05），此外，组氨酸（His）的含量经过三种陶瓷膜过滤后均无明显变化（P＞0.05），Pro的含量经0.80 μm的膜处理后无明显变化（P＞0.05），但经0.45 μm、0.20 μm的膜过滤后显著减少（P＜0.05），异亮氨酸（Ile）的含量经0.20 μm的膜处理后显著减少（P＜0.05）。此外，0.80 μm的膜对Pro、His无明显作用，对Ile、亮氨酸（Leu）有浓缩作用，而0.45 μm的膜对Pro有损失，对Ile、His、Leu无影响，0.20 μm的膜则对Pro、Ile造成损失，对Leu有浓缩作用，对His无明显作用。
以上数据可以看出，三种孔径的膜对部分氨基酸起到浓缩作用，且浓缩作用强弱顺序是：0.80 μm＞0.20 μm＞0.45μm。对卤汁中的Asp、Glu、Val有微弱的损失，且0.80 μm的膜损失相对较少，0.45 μm的膜损失相对较多。
卤汁中检出的各类氨基酸包括8种必需氨基酸和7种非必需氨基酸；按照滋味分则包括鲜味氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸；甜味氨基酸：苏氨酸、丝氨酸、甘氨酸、丙氨酸、赖氨酸、组氨酸、脯氨酸；酸味氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸；苦味氨基酸：缬氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、精氨酸[25]。经过不同孔径的陶瓷膜处理后卤汁中各类氨基酸含量的变化见图5。
图5 不同孔径陶瓷膜处理后卤汁中各类氨基酸含量的变化
Fig.5 Changes of various amino acid contents in marinades treated by ceramic membrane with different pore sizes
由图5A可知，三种孔径的陶瓷膜中，0.80 μm的陶瓷膜对必需氨基酸、非必需氨基酸浓缩效果相对较好，与未处理的卤汁相比分别增加了3.68%和0.72%。由图5B可知，与0.45 μm和0.20 μm孔径的陶瓷膜相比，0.80 μm的陶瓷膜对甜味氨基酸和苦味氨基酸的浓缩效果相对较高，与未处理的卤汁相比分别增加了4.18%、3.81%，且对鲜味氨基酸、酸味氨基酸的损失较少，与未处理的卤汁相比均降低了3.81%。因此，考虑到氨基酸含量，孔径为0.80 μm的陶瓷膜对卤汁处理后氨基酸影响最小。
2.3.2 不同孔径陶瓷膜处理对卤汁盐含量的影响
酱腌菜生产在盐渍、脱盐等环节产生大量高盐卤汁，含盐量通常在5%～20%，若直接排放造成环境的污染，同时造成资源的浪费。含盐卤汁主要盐成分是NaCl、MgCl2，不同孔径膜处理对卤汁中钠和镁的影响见图6。
由图6可知，虽然经过三种孔径的陶瓷膜过滤后，卤汁中的钠、镁含量均有不同程度地损失，未处理的卤汁废水中钠、镁含量分别为56.3 g/kg、410 mg/kg，经过0.80 μm、0.45 μm和0.20 μm孔径的陶瓷膜处理后，卤汁中钠的含量分别为50.2g/kg、54.2g/kg、54.5g/kg，镁的含量分别为388mg/kg、394 mg/kg、391 mg/kg，钠和镁的残留量均高于85%，其中，0.80 μm的膜过滤卤汁时损失程度最大，分别为10.95%和5.45%。因此，可以通过向陶瓷膜处理后的卤汁中适当添加食盐，将其用于腌菜汁豆酱、酱油等调味品的制作。经0.80μm孔径的陶瓷膜过膜处理对卤汁营养成分影响更小，膜通量更大，生产效率最高，更利于卤汁的再利用。
图6 不同孔径陶瓷膜处理后卤汁中钠（A）和镁（B）含量的变化
Fig.6 Changes of sodium (A) and magnesium (B) contents in marinades treated by ceramic membrane with different pore sizes
综合除菌效果、生产效率以及卤汁营养成分变化来看，应选择膜孔径为0.80 μm，过膜频率为40 Hz，压力为0.25 MPa的工艺条件应用到实际生产中。
3 结论
为了使酱腌菜加工过程产生的含盐卤汁能够在工业生产中再利用，采用膜处理对卤汁进行除菌处理。结果表明，卤汁的最佳陶瓷膜除菌工艺为采用无机陶瓷膜，膜孔径0.80 μm，过膜频率40 Hz，压力0.25 MPa，在此工艺条件下，膜通量为367.7 L/（m2·h）、细菌去除率为95.19%，芽孢去除率为100%。经过处理后的卤汁中的病原性微生物芽孢被完全除去，细菌也大量被杀灭，且对卤汁中的营养物质无明显影响。不仅为卤汁废水的再利用提供了条件，还减去了废水处理环节，节约了生产成本，为酱腌菜卤汁废水的处理提供了一条新思路。
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