渗透压驱动溶液筛选与工艺参数对液体非热浓缩正向渗透性能的影响机制研究

针对液体食品非热浓缩过程中正向渗透(FO)技术的关键瓶颈，研究人员系统筛选了食品级渗透压驱动溶液(DS)，评估了钾乳酸盐、苹果酸二钾等候选DS的水通量(Jw )和反向溶质通量(RSF)，发现苹果酸二钾兼具高Jw (5.3–8.8 L m?2 h?1 )与低RSF(19.38±6.16 mg m?2 h?1 )，为FO技术产业化提供了重要参数优化依据。

　　

在食品工业中，液体浓缩技术对延长保质期和降低运输成本至关重要。传统热浓缩会破坏营养成分和风味物质，而反渗透(RO)等膜技术又面临膜污染和浓度上限的制约。正向渗透(Forward Osmosis, FO)作为一种新兴的非热膜分离技术，利用渗透压差驱动水分迁移，既能保持食品品质又可实现高倍浓缩。然而，该技术面临两大核心挑战：一是缺乏适合食品应用的渗透压驱动溶液(Draw Solution, DS)，需兼具高渗透压、低粘度且符合食品安全标准；二是反向溶质通量(Reverse Solute Flux, RSF)会导致食品 adulteration 和风味劣变。

为解决这些问题，美国康奈尔大学的研究团队Anamaria Andreea Beldie等系统筛选了50种DS候选物，最终聚焦钾乳酸盐、苹果酸二钾、果糖和木糖醇进行实验验证。研究采用螺旋卷式三醋酸纤维素膜，以去离子水和草莓汁为进料液，评估了DS类型、温度及流速对水通量(J_w
)和RSF的影响。论文发表在《Journal of Food Engineering》，为FO技术在食品工业的应用提供了关键参数优化方案。

关键技术方法包括：1) 基于食品相容性、渗透压和粘度的DS预筛选体系；2) 采用螺旋卷式三醋酸纤维素膜的FO测试装置；3) 水通量(J_w
)和RSF的定量检测；4) 温度与流速的过程参数优化实验。草莓汁样本来自Coloma Frozen Foods公司。

主要研究结果
Feed for FO experiments
以去离子水和8°Brix草莓汁作为进料液，建立标准化测试体系。

Selection of draw solutions for food applications
通过半定量评分排除无机盐类DS，最终选定有机酸盐和糖醇类物质，其中苹果酸二钾因分子量和粘度优势成为最优候选。

Identifying the most suitable DS for food products
苹果酸二钾展现最高J_w
(8.8 L m^?2
h^?1
)和最低RSF(19.38 mg m^?2
h^?1
)，其性能与分子扩散特性直接相关。

Conclusions
研究证实DS的分子特性决定FO性能：低分子量可提高渗透压但增加RSF，而适度分子量(如苹果酸二钾)能平衡J_w
与RSF。进料温度显著影响传质效率，30°C时J_w
比20°C提高35%。

讨论与意义
该研究首次建立食品级DS的筛选标准，明确苹果酸二钾作为最优DS的工业应用潜力。相比传统RO技术，FO在草莓汁浓缩中可实现更高固形物含量且能耗降低40%。未来研究需解决DS再生系统与膜长期稳定性问题，推动FO技术从实验室走向规模化生产。成果对果汁、乳制品等热敏感食品的绿色加工具有里程碑意义。