电场强度对带有过滤膜的电渗析（EDFM）系统中花青素电迁移的影响

《Food Bioscience》：Effect of electric field strength on anthocyanin electromigration in an electrodialysis with filtration membrane (EDFM) system

　　花青素在电渗析膜分离（EDFM）中的迁移受电场强度（2.5-20 V/cm）显著影响，迁移率随电场增至10 V/cm时达峰值，但更高电场导致膜降解和水分解加剧，降低效率。最优电场范围为5-10 V/cm，兼顾花青素迁移率（最高达3.83 g/m2·h）与膜完整性，系统电阻和能耗在5 V/cm时最低。

　　在当今食品工业和生物活性补充剂生产领域，有效分离和纯化花青素具有重要的科学价值和应用前景。花青素作为一种广泛存在于水果中的多酚类化合物，因其广泛的健康益处而备受关注，包括抗癌作用、心血管保护作用以及潜在的神经保护作用。近年来，研究者们越来越多地关注花青素对健康的影响机制，特别是它们如何通过调节肠道微生物群落来发挥益处，尽管花青素的生物利用度相对较低。因此，开发能够选择性富集花青素的工艺成为研究的重点。

电渗析结合过滤膜（EDFM）作为一种新兴的膜技术，因其能够通过电场驱动实现分子的选择性迁移，特别适用于花青素的富集。EDFM系统结合了电渗析和膜过滤的优点，通过在电渗析单元中整合离子交换膜（IEM）和过滤膜（FM），使得分子的迁移不仅依赖于电荷，还受到分子量的影响。这一特性使得EDFM成为一种极具潜力的手段，特别是在需要高分辨率和分子选择性的应用中。然而，尽管EDFM在分离和纯化生物活性化合物方面表现出色，其性能仍受到多种因素的影响，其中电场强度（EFS）是一个关键参数。本研究首次系统地探讨了不同电场强度对EDFM在蔓越莓汁富集过程中性能的影响，评估了花青素迁移情况、果汁成分变化、pH值和电导率的演变，以及离子交换膜和过滤膜的完整性。

研究采用了一种微流电渗析装置，其有效面积为10 cm2，通过调节电场强度（2.5、5、10和20 V/cm）进行实验。实验过程中，保持果汁的流速为100 mL/min，电解液流速为400 mL/min，以确保系统的稳定运行。通过三次重复实验，研究者们测量了果汁和电解液的电导率、pH值以及膜的厚度和颜色变化。此外，还对系统总电阻和相对能耗进行了评估，以全面了解EDFM在不同电场强度下的运行效率。

实验结果表明，随着电场强度的增加，花青素的迁移率显著提升，尤其是在10 V/cm和20 V/cm条件下，迁移率达到最高。然而，当电场强度超过10 V/cm时，系统开始出现严重的水分解（WS）现象，导致离子交换膜（特别是阴离子交换膜，AEM）的性能下降，进而影响整体富集效率。水分解的出现与电场强度密切相关，尤其是在接近或略低于极限电流密度（LCD）的条件下，水分解开始影响膜的完整性。这种现象可能导致膜的化学结构发生变化，降低其导电性，增加系统阻力，并对膜的使用寿命产生不利影响。

此外，研究还发现，随着电场强度的增加，果汁的pH值和电导率也发生了显著变化。果汁的pH值在电场强度较高时明显下降，而电解液的pH值则上升，这进一步支持了水分解在电渗析过程中的发生。同时，果汁的电导率在较高电场强度下呈现下降趋势，这与离子的迁移和膜的电导率变化有关。在20 V/cm的条件下，电导率的显著下降可能与水分解和膜的性能退化有关，而较低电场强度下的果汁电导率变化则相对较小。

在膜性能方面，研究发现，过滤膜（FM）在不同电场强度下的厚度变化并不显著，这表明FM在电场作用下表现出良好的稳定性。然而，阴离子交换膜（AEM）和阳离子交换膜（CEM）在较高电场强度下显示出明显的厚度变化和导电性下降，这可能与膜的化学结构变化和水分解有关。颜色变化也是评估膜完整性的一个重要指标，研究发现，在较高电场强度下，AEM呈现出更明显的黄褐色变化，而CEM则显示出红色变化，这可能与花青素的迁移和膜表面的化学反应有关。

从整体性能来看，研究者们通过雷达图对不同电场强度下的EDFM性能进行了综合评估。雷达图显示，当电场强度为5 V/cm时，系统表现出最佳的能量效率，而10 V/cm则在花青素迁移和膜完整性之间提供了更好的平衡。这一发现对于优化EDFM工艺具有重要意义，因为它表明在选择电场强度时，需要在迁移效率和膜稳定性之间找到合适的折中点。

本研究的结果为EDFM技术在花青素富集中的应用提供了重要的参考。通过系统分析不同电场强度对迁移效率和膜性能的影响，研究者们不仅揭示了EDFM的运行机制，还为未来的工艺优化和规模化应用奠定了基础。此外，研究还强调了在实际应用中，需密切关注水分解现象对膜性能的潜在影响，以确保EDFM系统的长期稳定运行。这些发现对于推动膜技术在食品工业和生物活性化合物分离领域的应用具有重要的指导意义。