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Fruits
Volume 67, Number 3, May-June 2012
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Page(s) | 215 - 225 | |
DOI | https://doi.org/10.1051/fruits/2012010 | |
Published online | 11 May 2012 |
Original article
Clarification of pomegranate juice by ultrafiltration: study of juice quality and of the fouling mechanism
Clarification du jus de grenade par ultrafiltration : étude de la qualité du jus et du mécanisme de colmatage
Clarificación del jugo granada por ultrafiltración: estudio de la calidad del jugo y del mecanismo de colmatación
1
Unité Rech. Chim. Ind. Matér., École Ntl. Ing. Sfax, BP W
3038
Sfax
Tunisia
semiabakloutibouzid@yahoo.fr
2
Unité Enzym. Bioconvers., École Ntl. Ing. Sfax, BP W 3038,
Sfax,
Tunisia
*
Correspondence and reprints
Received: 2 May 2011
Accepted: 28 June 2011
Introduction. Ultrafiltration (UF) is a single-unit operation for the clarification and fining of fruit juices. The purpose of the UF is to remove suspended solids as well as haze-inducing and turbidity-causing substances to obtain a clear juice during storage. Specifically, the polymerization of phenolic compounds and their interaction with other components (e.g., proteins) could cause a haze complex and turbidity in fruit juices, which can foul the ultrafiltration membrane. Materials and methods. Fresh pomegranate juice was clarified by the ultrafiltration process on a laboratory scale. In experimental tests performed according to the total recycle and the batch concentration mode, the effects of transmembrane pressure (TMP) and enzyme pre-treatment on permeation flux and quality of juice were studied. Results. With the total recycle mode, the effect of TMP on the color and clarity of clarified pomegranate juice was significant. The initial color of the raw pomegranate juice was reduced from 74% to 33% and the clarity decreased from 77% to 42% by UF when the TMP increased from (1 to 3.6) bar. Total phenolic rejection decreased from 45% to 21% when the TMP rose from (1 to 2) bar and remained constant above this value. With the batch concentration mode at TMP = 2 bar and velocity 1 m·s–1, the enzymatic treatment (5 U·mL–1, 300 min, T = 20 °C) of pomegranate juice provided the highest permeate flux, a decrease in total phenolics of 50% and an increased clarity of 30%. Fouling of the UF membrane during pomegranate juice processing is mainly due to the retention of polyphenols and/or proteins; thus, several blocking mechanisms were studied, using a recently developed membrane-fouling model. Analysis revealed that the membrane separation process was controlled by the gel layer mechanism of raw pomegranate juice and complete pore blocking mechanism with enzymatic pre-treatment.
Résumé
Introduction.L’ultrafiltration (UF) est un procédé simple pour la clarification et pour l’affinage de jus de fruits. Son objectif est d’éliminer les matières en suspension ainsi que les substances induisant trouble et turbidité pendant son stockage. Plus précisément, la polymérisation des composés phénoliques et leur interaction avec d’autres composants (des protéines, par exemple) pourraient causer du trouble et de la turbidité dans les jus de fruits, conduisant au colmatage de la membrane d’ultrafiltration. Matériel et méthodes. Un jus de grenade frais a été clarifié par ultrafiltration. Les essais expérimentaux ont été effectués en mode de recyclage total ou en batch par renvoi du retentât dans la cuve d’alimentation. Les effets de la pression transmembranaire (PTM) et d’un prétraitement enzymatique sur le flux de perméation et la qualité des jus ont été étudiés. Résultats. Avec le mode de recyclage total, l’effet de la PTM sur la couleur et la clarté du jus de grenade clarifié ont été significatifs. La couleur du jus de grenade brut a été réduite de 74 % à 33 % et sa clarté a diminué de 77 % à 42 % lorsque la PTM est passée de (1 à 3,6) bar. Le rejet des composés phénoliques a diminué de 4 5 % à 21 % lorsque la PTM est passée de (1 à 2) bar et a été maintenu constant au-dessus de 2 bar. En mode batch et pour une PTM de 2 bar et une vitesse de 1 m·s–1, le traitement enzymatique (5 U·mL–1, 300 min, T = 20 °C) du jus de grenade a amélioré le f lux du perméat et a entrainé une diminution des composés phénoliques totaux de 50 % et une augmentation de la clarté de 30 %. Le colmatage de la membrane d’UF lors du traitement de jus de grenade est principalement dû à la rétention des polyphénols et/ou de protéines ; par conséquent, plusieurs mécanismes de colmatage ont été étudiés, en utilisant un modèle de colmatage de membrane récemment développé. L’analyse a révélé que le procédé de séparation membranaire a été contrôlé par le mécanisme de la couche de gel pour le jus de grenade brut et par un mécanisme de blocage complet des pores pour le jus avec prétraitement enzymatique.
Resumen
Introducción. La ultrafiltración (UF) es un proceso simple para la clarificación y el afinamiento de jugos de frutas. Su objetivo consiste en eliminar las materias en suspensión, así como las sustancias que inducen enturbiamiento y turbidez durante su almacenaje. Concretamente, la polimerización de los compuestos fenólicos y su interacción con otros componentes (proteínas, por ejemplo) podrían causar enturbiamiento y turbidez en los jugos de fruta, dando lugar a la colmatación de la membrana de ultrafiltración. Material y métodos. Se clarificó un jugo fresco de granada por ultrafiltración. Los ensayos experimentales se efectuaron a modo de reciclaje total o por lotes, por reenvío del concentrado en la cuba de alimentación. Se estudiaron los efectos de la presión transmembrana (PTM), así como los de un pretratamiento enzimático en el flujo de permeación y en la calidad de los jugos. Resultados. Con el modo de reciclaje total, el efecto de la PTM en el color y en la claridad del jugo de granada clarificado fue significativo. El color del jugo de granada puro se redujo del 74% al 33% y su claridad disminuyó de un 77% a un 42%, cuando la PTM pasó de (1 a 3,6) bar. El desecho de los compuestos fenólicos disminuyó de un 45% a un 21% cuando la PTM pasó de (1 a 2) bar y se mantuvo constante por encima de 2 bar. En modalidad de tratamiento por lotes y con una PTM de 2 bar y una velocidad de 1 m·s–1, el tratamiento enzimático (5 U·mL–1, 300 min, T = 20 °C) del jugo de granada mejoró el flujo de permeado y dio lugar a una disminución de los compuestos fenólicos totales del 50% y a un aumento de la claridad del 30%. La colmatación de la membrana de UF durante el tratamiento del jugo de granada se debe principalmente a la retención de los polifenoles y/o de proteínas. En consecuencia, se han estudiado varios mecanismos de colmatación, empleando un modelo de colmatación de membrana desarrollado recientemente. El análisis reveló que el proceso de separación de la membrana estuvo controlado por el mecanismo de la capa de gel, para el jugo de granada puro, y por un mecanismo de bloqueo completo de los poros, para el jugo con pretratamiento enzimático.
Key words: Tunisia / Punica granatum / fruit juices / clarifying / ultrafiltration / phenolic compounds / membranes / fouling / processing / laccase
Mots clés : Tunisie / Punica granatum / jus de fruits / clarification / ultrafiltration / composé phénolique / membrane / encrassement / traitement / laccase
Palabras claves : Túnez / Punica granatum / jugo de frutas / clarificación / ultrafiltración / compuestos fenólicos / membrana / incrustación / procesamiento / lacasa
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