تغلیظ آبمیوه با فناوری اسمز مستقیم (Forward Osmosis) و حلال یوتکتیک عمیق؛ رویکردی نوین و پایدار در صنایع غذایی
مقدمه
تغلیظ آبمیوه یکی از مهمترین مراحل در صنایع غذایی است که با هدف افزایش ماندگاری محصول، کاهش هزینههای حملونقل و ذخیرهسازی انجام میشود. روشهای متداولی مانند تبخیر تحت خلأ و انجماد سالهاست که برای این منظور مورد استفاده قرار میگیرند، اما مصرف انرژی بالا و کاهش کیفیت طعم، رنگ و ارزش غذایی آبمیوه از مهمترین محدودیتهای این روشها محسوب میشود.
در سالهای اخیر، فناوری اسمز مستقیم (Forward Osmosis یا FO) بهعنوان یک روش نوین و کممصرف، توجه بسیاری از پژوهشگران را به خود جلب کرده است. این فناوری بدون نیاز به فشارهای بالا، امکان تغلیظ آبمیوه را با حفظ بهتر ترکیبات ارزشمند آن فراهم میکند.
اسمز مستقیم چگونه عمل میکند؟
در فرآیند اسمز مستقیم، آب بهصورت طبیعی از محلولی با فشار اسمزی کمتر (آبمیوه) به سمت محلولی با فشار اسمزی بیشتر (محلول کشنده یا Draw Solution) از میان یک غشای نیمهتراوا حرکت میکند.
برخلاف اسمز معکوس، در این روش نیازی به اعمال فشار زیاد نیست؛ بنابراین مصرف انرژی کاهش یافته، گرفتگی غشا کمتر میشود و کیفیت نهایی محصول بهتر حفظ خواهد شد.
اهمیت انتخاب محلول کشنده
یکی از مهمترین عوامل موفقیت در فرآیند اسمز مستقیم، انتخاب یک محلول کشنده مناسب است. این محلول باید دارای ویژگیهای زیر باشد:
فشار اسمزی بالا
غیرسمی و ایمن برای صنایع غذایی
زیستتخریبپذیر
پایداری مناسب
هزینه تولید پایین
حداقل نفوذ به محصول نهایی
به همین دلیل، یافتن یک محلول کشنده سازگار با محیطزیست همواره یکی از چالشهای اصلی پژوهشگران بوده است.
معرفی حلال یوتکتیک عمیق اسید سیتریک–کولین کلراید
در این پژوهش، از حلال یوتکتیک عمیق (Deep Eutectic Solvent یا DES) بر پایه اسید سیتریک و کولین کلراید بهعنوان محلول کشنده استفاده شد.
این نوع حلال به دلیل ویژگیهای زیر گزینهای مناسب برای فرآیند اسمز مستقیم محسوب میشود:
سنتز آسان و سریع
خلوص بالا
غیرسمی
زیستتخریبپذیر
عدم واکنش با آب
ایجاد فشار اسمزی بالا
تهیه و بررسی فرمولاسیون DES
پژوهشگران سه نسبت مولی مختلف از اسید سیتریک و کولین کلراید را تهیه کردند:
CA1–CC1
CA1–CC1.5
CA1.5–CC1
پس از تهیه محلولها، فشار اسمزی هر نمونه اندازهگیری شد تا بهترین ترکیب برای استفاده در فرآیند اسمز مستقیم مشخص شود.
نتایج اندازهگیری فشار اسمزی
نتایج نشان داد که فرمولاسیون CA1–CC1.5 بهترین عملکرد را داشته و فشار اسمزی آن حدود ۱۷۴ اتمسفر اندازهگیری شد.
همچنین فشار اسمزی آب پرتقال، آب سیب و آب انار نیز بررسی شد تا امکان استفاده از آنها بهعنوان محلول خوراک در فرآیند اسمز مستقیم ارزیابی شود.
عملکرد فرآیند اسمز مستقیم
آزمایشهای اسمز مستقیم با استفاده از غشای CTA (Cellulose Triacetate) انجام شد.
بررسی نتایج نشان داد که محلول CA1–CC1.5 بیشترین شار آب (Water Flux) را در میان تمام فرمولاسیونهای بررسیشده ایجاد کرده است؛ موضوعی که نشاندهنده عملکرد مناسب این حلال یوتکتیک عمیق در انتقال آب از محلول خوراک به محلول کشنده است.
تغلیظ آبمیوه با استفاده از DES
پس از انتخاب بهترین محلول کشنده، عملکرد آن برای تغلیظ آبمیوه بررسی شد.
نتایج نشان داد:
آب پرتقال دارای میانگین شار آب ۳٫۶ لیتر بر مترمربع در ساعت (LMH) بود.
آب سیب نیز میانگین شار آب ۲٫۹ لیتر بر مترمربع در ساعت (LMH) را ثبت کرد.
این نتایج نشان میدهد که اختلاف فشار اسمزی ایجادشده توسط حلال یوتکتیک عمیق، توانایی مناسبی برای استخراج آب از آبمیوه و افزایش غلظت آن دارد.
مزایای این فناوری
بر اساس نتایج این پژوهش، استفاده از اسمز مستقیم همراه با حلال یوتکتیک عمیق مزایای قابل توجهی دارد:
کاهش مصرف انرژی نسبت به روشهای سنتی
انجام فرآیند در دمای محیط
کاهش گرفتگی غشا
حفظ بهتر کیفیت، طعم و ارزش غذایی آبمیوه
استفاده از ترکیبات ایمن و سازگار با محیطزیست
تهیه آسان و کمهزینه محلول کشنده
جمعبندی
بر اساس نتایج این مطالعه، حلال یوتکتیک عمیق اسید سیتریک–کولین کلراید عملکرد مناسبی بهعنوان محلول کشنده در فرآیند اسمز مستقیم از خود نشان داد. در میان فرمولاسیونهای بررسیشده، ترکیب CA1–CC1.5 بیشترین فشار اسمزی و بهترین عملکرد را در انتقال آب داشت و توانست آب پرتقال و آب سیب را با موفقیت تغلیظ کند.
این نتایج نشان میدهد که استفاده از حلالهای یوتکتیک عمیق میتواند گامی مؤثر در توسعه فناوریهای نوین، کممصرف و سازگار با محیطزیست برای صنایع غذایی باشد.
منبع: این مقاله بر اساس پژوهش ارائهشده در چهارمین کنگره بینالمللی و بیستونهمین کنگره ملی علوم و صنایع غذایی ایران (سال ۱۴۰۲) که توسط سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران (IROST) برگزار شده است، تهیه و بازنویسی شده است.
