引言
水果和蔬菜汁因其高营养价值而受到重视，其中包括必需的维生素、矿物质和生物活性化合物。在食品工业中，果汁浓缩对于延长保质期和降低储存及运输成本非常重要，因此需要使用能够减少营养成分、感官特性和颜色损失的方法（Trishitman, 2025a, 2025b）。已经采用了几种方法来浓缩果汁，包括热蒸发、冷冻浓缩和膜工艺（Tobar-Bola?os et al., 2021）。热处理通常涉及高温，这可能对果汁的营养和感官质量产生负面影响（Tavares et al., 2022）。尽管冷冻浓缩是一种低温工艺，能更好地保持果汁质量，但它也存在一些局限性，例如可溶性固体和风味化合物会被冰晶捕获，以及分离冰晶的难度，尤其是在含有果肉和悬浮固体的果汁中（Adnan et al., 2018）。因此，膜工艺因其能在温和条件下有效保持浓缩果汁的质量而受到广泛关注（Deynichenko et al., 2025; Tshimange et al., 2025; An et al., 2019）。其中，正向渗透（FO）作为一种非热处理方法脱颖而出，它可以在常温和无液压压力的情况下进行，且比压力驱动的膜工艺具有更低的污染倾向（Julian et al., 2025; Wenten et al., 2021; Xu et al., 2025）。FO已广泛应用于多种果汁的浓缩，包括蓝莓汁（Chu et al., 2022）、蔓越莓汁（Punzalan and Padilla-Zakour, 2025）、葡萄柚汁（Kim et al., 2019）、红树莓汁（Wrolstad et al., 1993）、红萝卜浓缩汁（Rodriguez-Saona et al., 2001）、菠萝汁（Meher et al., 2023）、甜菜根汁（Trishitman, 2025a）和橙汁（Naveed et al., 2020）。
正向渗透过程的性能很大程度上取决于膜的性质，这突显了开发先进膜材料的必要性（Tshimange et al., 2025）。基于纤维素酯的聚合物，特别是醋酸纤维素（CA）和三醋酸纤维素（CTA），是研究最广泛的FO膜材料（Sabry et al., 2025; Hasima and Kamilaothers, 2022; Wang et al., 2026; Ilyas et al., 2022; Lu et al., 2015）。相比之下，尽管醋酸丁酸纤维素（CAB）具有诸如改善的化学稳定性和中等的水渗透性等有利特性，但它受到的关注较少，这表明其在FO应用中还有进一步发展的潜力（Bidaki et al., 2023; Abdellah Ali et al., 2020; Krasian et al., 2026）。
为了提高FO膜的性能，人们研究了多种改性策略，其中纳米颗粒的掺入已被证明可以有效提高水渗透性、机械强度和抗污染能力（Darabi et al., 2025; Hakimi et al., 2024; Golgoli et al., 2024; Shirazi et al., 2024; Li et al., 2021, 2022）。例如，Rigi等人（2025）开发了含有功能化多壁碳纳米管（FMWCNTs）的CAB膜用于通过FO浓缩小檗汁，发现低FMWCNT含量（≤0.06 wt%）可以增加水通量并减少反向盐通量。在另一项研究（Bidaki et al., 2023）中，含有OH功能化MWCNTs的CAB膜被用于浓缩苦橙汁。将FMWCNT含量增加到0.3 wt%可以提高亲水性并改善膜性能。使用4.2 M NaCl的渗透溶液时，优化后的膜实现了最大水通量29.93 L/m2h，产生了浊度最高（1545 NTU）和粘度最高（4.64 cP）的浓缩液。尽管有这些令人鼓舞的发展，但先前的研究已经探索了多种纳米材料，包括碳纳米管和各种金属及金属氧化物纳米颗粒，以提升正向渗透膜的性能。然而，将新型的二维MXene纳米片应用于CAB膜进行正向渗透的研究仍相对有限。特别是，它们在提高膜亲水性、减轻污染和增强果汁浓缩过程中的水通量方面的潜力仍需要进一步系统的研究。
在这一背景下，MXene，特别是Ti?C?T?，作为一种具有独特物理化学和机械性质的二维纳米材料，以及其丰富的表面官能团（如-F、-O和-OH）所赋予的天然亲水性，已成为一种有前景的膜改性材料（Dashtbozorg et al., 2022a）。这些特性使得MXene非常适合用于分离过程中的膜改性。这引发了人们对MXene纳米片研究的兴趣，多项研究表明它们在不同分离应用中可以提高膜性能。例如，基于MXene的膜已被报道可以改善PVDF支撑薄膜的水渗透性和离子选择性（Ren et al., 2015），提高耐溶剂纳米过滤膜的水通量（Wu et al., 2016），以及增强改性超滤膜的溶质截留能力（Han et al., 2017）。这些发现共同强调了MXene在提升膜性能方面的潜力。
在本研究中，制备了一种新的醋酸丁酸纤维素（CAB）膜，其中掺入了亲水性MXene纳米片，并首次将其应用于苦橙汁的正向渗透浓缩。对含有不同MXene含量的膜进行了表征，以评估其形态、亲水性和结构特性。从水通量、反向盐传输、反向通量选择性和污染行为等方面全面评估了FO性能。此外，还研究了渗透溶液浓度对膜性能的影响。通过对浓缩汁的全面物理化学、生物活性和颜色分析，评估了其质量特性。尽管FO过程在非热果汁浓缩方面具有显著优势，但其实际应用仍受到浓缩极化（CP）、反向溶质扩散和膜污染的限制（Ibraheem et al., 2023; Cui et al., 2025）。因此，开发能够同时提高水通量并抑制污染和反向盐扩散的膜材料仍然是一个重要的研究挑战。将亲水性MXene纳米片掺入CAB基质中被提出作为一种策略，以克服这些限制并提高果汁浓缩的FO效率。
部分摘录
材料
醋酸丁酸纤维素（CAB，平均分子量65,000 g/mol）由Sigma-Aldrich提供，作为溶剂的二甲甲酰胺（DMF）来自Akkim。九十九纯度的碳化钛铝（Ti?AlC?）来自中国北京，用于合成MXene纳米片。氢氟酸（HF，48 wt%）和二甲基亚砜（DMSO，密度=1.31 g/cm3）从德国Merck购买。苦橙汁购自当地零售商。
MXene纳米片的物理化学表征
MXene纳米片是从Ti?AlC?前体合成的。通过氢氟酸（HF）选择性地蚀刻掉铝层，从而分离出铝化合物。蚀刻过程后，将所得结构置于二甲基亚砜（DMSO）中进行超声处理，以促进MXene片层的剥离。最后，在合成过程中对MXene表面进行了功能化处理，引入了羟基。
结论
本研究通过将MXene纳米片掺入醋酸丁酸纤维素（CAB）基质中，成功开发了一种新型的正向渗透（FO）膜。MXene的掺入显著提高了膜的亲水性、孔隙率和机械稳定性，从而改善了水传输和盐选择性。确定了最佳MXene含量，超过该含量后，纳米片的轻微聚集会对膜性能产生负面影响。开发的膜表现出...
作者贡献声明
Amirhosein Dashtbozorg：写作——审稿与编辑、研究、数据管理。 Mahsa Talebi：写作——初稿撰写、研究。 Behnaz Safarianbana：研究、数据管理。 Ehsan Saljoughi：写作——审稿与编辑、监督、项目管理、研究。 Seyed Mahmoud Mousavi：写作——审稿与编辑、监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报道的工作。
