基于MIL-53(Fe)负载超滤膜的苹果汁非热杀菌技术：抗生物污染机制与食品安全性研究

为解决苹果汁中耐热孢子菌Alicyclobacillus acidoterrestris污染及超滤(UF)膜生物污堵问题，研究人员开发了氯原酸(CGA)封装MIL-53(Fe)功能化超滤膜。该膜通过pH响应释放CGA，实现细菌灭活与膜污染协同控制，稳态通量提升且铁离子(Fe3+)零渗出，为食品非热加工提供安全高效解决方案。

　　

苹果汁产业长期面临耐热酸土芽孢杆菌（Alicyclobacillus acidoterrestris）污染的困扰，这种能在pH2.5-6.0和25-70°C环境下存活的细菌，不仅会破坏果汁风味，其孢子甚至能逃逸商业巴氏杀菌的灭活。传统热杀菌还会导致热敏成分损失，而现行超滤技术虽能实现非热杀菌，却因膜生物污染问题难以推广。更棘手的是，果汁中的营养成分反而会加速残留细菌的增殖，形成恶性循环。

针对这一行业痛点，陕西省重点研发计划（2023-YBNY-178）支持的研究团队创新性地将食品科学、材料科学与膜技术交叉融合，开发出基于金属有机框架（MOF）技术的智能超滤膜。研究人员选择具有"呼吸效应"的MIL-53(Fe)作为载体，封装天然抗菌剂氯原酸（CGA），构建出能响应果汁酸性环境释放杀菌成分的智能膜系统。这项发表于《Journal of Food Engineering》的研究，通过多尺度表征和抑菌机制解析，证实该技术可同时实现物理截留和化学灭活的双重保障。

研究采用三步关键技术：首先通过乙二胺四乙酸二钠（EDTA-2Na）涂层修饰聚醚砜（PES）超滤膜基底，增强载体稳定性；随后将CGA封装于MIL-53(Fe)形成的微颗粒（M@C MPs）通过共价嫁接固定；最后建立pH响应释放动力学模型优化工艺参数。实验选用市售100kDa PES超滤膜为对照，以苹果汁实际生产体系为研究对象。

【Characterization of M@C microparticle】部分显示，制备的M@C MPs呈1.2μm规则八面体结构，XRD和FTIR证实CGA成功封装。电镜能谱（EDX）显示C、O、Fe元素均匀分布，Zeta电位测试表明在pH3.5时颗粒稳定性最佳。

【Anti-biofouling performance】结果表明，改性膜在苹果汁过滤中稳态通量比原始膜提高47%，膜表面仅残留4.9%活菌。激光共聚焦显微镜显示细菌膜完整性被破坏，流式细胞仪检测到胞内核酸泄漏，证实CGA通过增加细胞膜通透性实现杀菌。

【Food safety evaluation】部分强调，EDTA-2Na修饰使渗透液Fe³⁺浓度低于检测限，原子吸收光谱（AAS）验证其螯合效率达99.8%，完全符合食品安全标准。

该研究突破性地解决了MOF材料在食品应用中金属离子渗出的安全隐患，首创的"EDTA-2Na锚定+MIL-53(Fe)载体"双保险设计，为功能性膜材料在食品工业的应用树立了新范式。pH响应释放机制不仅提高杀菌效率，还减少70%抗菌剂用量，具有显著的经济效益。更重要的是，该技术可拓展至其他酸性果蔬汁加工领域，为非热加工技术提供普适性解决方案。研究团队特别指出，下一步将开展中试规模验证，推动该技术从实验室走向产业化应用。