等离子体活化水对苹果汁澄清后微滤膜的绿色新型清洗方法

《Food Chemistry: X》：Green and novel cleaning method by plasma-activated water on a microfiltration membrane after apple juice clarification

　　

本研究首次针对用于苹果汁澄清的等离子体改性混合纤维素酯(MCE)微滤膜污染清洗，系统优化冷等离子体(CP)活化水(PAW)的生成参数。研究人员采用响应面法(RSM)考察了CP水活化时间(5、7、9 min)与电极至水面距离(20、30、40 mm)对渗透通量、PAW pH及最大有效清洗循环次数的影响，同步评估各独立变量及其交互作用，以较少实验次数建立预测模型。统计分析表明，活化时间、电极至水面距离及部分交互项对所有响应变量均有显著影响(P<0.05)。基于通量恢复率(FRR)确定最优条件为活化9 min、电极距水面30 mm。既往研究多聚焦微生物灭活与食品脱污，本研究则确立面向可持续膜清洗与提升膜复用性的PAW最优生成条件，兼顾纯水清洗效力有限及化学清洗不良反应，旨在减少化学品消耗与膜降解，推动食品工业中更新型、绿色的膜分离工艺。

研究背景方面，苹果汁澄清旨在去除悬浮物、果胶及致浊物质以获得透亮果汁，膜过滤尤其是微滤(MF)因能保留营养与感官品质而受关注，但膜污染导致渗透通量下降和效率降低。常规物理与化学清洗（如酸碱交替、反冲、超声）长期应用会引发膜降解、化学残留与环境负担。等离子体技术多用于改性提质或杀菌，而将其间接产物等离子体活化水(PAW)用于果汁澄清微滤膜清洗尚未见优化研究。PAW含活性氧氮物种(RONS)，具强氧化与绿色特性，但果汁污染以果胶、多糖、蛋白、酚类为主，机制异于废水膜。为此，研究人员以等离子体改性MCE膜为对象，首次用响应面法(RSM)优化PAW生成条件，以求在苹果汁澄清中实现高效、可复用的绿色清洗。

主要关键技术方法上，研究人员使用金冠苹果经离心榨汁、筛滤得原料，采用有效面积0.0098 m²、孔径0.22 μm的混合纤维素酯(MCE)平板错流微滤膜，膜经180 s低压氧等离子体改性；PAW由滑动弧等离子体（15 kV、50 Hz、空气、常压）活化去离子水生成，变量为活化时间(5/7/9 min)与电极-水面距离(20/30/40 mm)；实验采用中心复合设计(CCD)配合RSM建模，以首洗后渗透通量、PAW pH、膜老化前最大清洗循环数为响应；清洗流程为污染60 min后先水冲，再循环PAW 30 min，以通量恢复率(FRR)评价，并与传统碱(0.5% NaOH)-酸(0.1% HCl)清洗对照；辅以扫描电镜(SEM)观察截面形貌与色差仪测膜与果汁颜色参数。

研究结果部分，3.1 PAW的pH：滑动弧参数显著影响pH(P<0.05)，时间越长、距离越近pH越低（降至2.85~3.98），源于RONS生成硝酸、过氧亚硝酸及水合氢离子，AB交互不显著但A²、B²显著。3.2 渗透通量：活化时间与距离均显著(P<0.05)，B²显著；9 min+30 mm获最高首洗通量6.54 kg/(m²·h)，9 min+20 mm反而最低；机制上RONS氧化降解果胶/蛋白凝胶层，适度亲水化助通量恢复，但过度活化或距过近致MCE链氧化断链、孔结构改变及水化层阻传。3.3 清洗循环次数：距离B线性显著，AB与B²显著，A不显著；9 min+30 mm达6次循环（FRR阈值60%），20 mm组合仅2~3次，说明过量RONS加速纤维素酯膜氧化老化。3.4 通量恢复率(FRR)：以60%为终点，最优PAW条件下FRR连6次高于阈值，优于化学清洗（第3次跌破60%），且纯水冲洗无恢复证实不可逆污染需氧化或化学介入。3.5 SEM分析：原生膜孔均匀；PAW洗后孔形貌基本保留，仅微变；化学洗后孔壁塌陷、侵蚀明显，PAW对结构更友好。3.6 颜色性质：化学清洗使透过液L、a显著下降而PAW组无显著变化，b*变化亦较小，PAW利于保色。

讨论与结论部分，研究人员指出PAW清洗效能来自RONS（·OH、H₂O₂、NO₂^?、NO₃^?）协同氧化解聚污染物并弱化和膜结合力，同时含氧基团引入提升亲水性；但过量RONS会氧化MCE羟基致链断裂，故存在“适度距离30 mm”最优窗口。该文发表于《Food Chemistry: X》，结论明确：滑动弧等离子体生成PAW是修复苹果汁澄清用等离子体改性MCE微滤膜的有效绿色方案，最优条件为活化9 min、电极距水面30 mm，经RSM验证可显著提升渗透通量与有效清洗次数；相比传统化学清洗，PAW在通量稳定性、膜完整性保持（SEM佐证）及果汁透亮色泽维持上更优，且减化学耗、延膜寿、降成本。研究局限为未定量H₂O₂/硝酸盐浓度及PAW残留物种食品安全性，未来需拓展至其他果汁与膜过程并评估残留风险。