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超声强化膜过滤纯化苹果皮多酚机理研究及机器学习预测

超声强化膜过滤纯化苹果皮多酚机理研究及机器学习预测

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作者：李宗浩吉林大学

学位级别：硕士

中国是世界苹果产量最高的国家,苹果相关产业丰富,其相关产品在深加工过程中产生并浪费大量废料,苹果皮富含多种营养成分,例如表儿茶素,芦丁醇等多酚活性物质,具有防癌抗癌,提高免疫力和延缓衰老等诸多作用。苹果废料的深加工利用可以... 详细信息

中国是世界苹果产量最高的国家,苹果相关产业丰富,其相关产品在深加工过程中产生并浪费大量废料,苹果皮富含多种营养成分,例如表儿茶素,芦丁醇等多酚活性物质,具有防癌抗癌,提高免疫力和延缓衰老等诸多作用。苹果废料的深加工利用可以提高苹果的附加值,减少碳排放,促进绿色能源循环发展;此外,多学科交叉融合是未来发展方向之一,尤其是将智能化的机器学习技术用于食品领域的相关预测。因此,本文以苹果皮渣为原料,研究苹果皮多酚的提取及膜分离纯化,并深入探索膜纯化多酚机理;此外,基于图像处理和机器学习技术,实现多酚纯度的自动化智能预测。本文具体研究内容如下:以新鲜苹果皮渣为原料,使用超声辅助醇提法提取苹果皮多酚,并采用超声强化膜分离技术进一步纯化苹果皮多酚。选用分子量为30Kda的聚醚砜超滤膜作为分离膜元件,研究进料液浓度和跨膜压力对膜分离苹果皮多酚的影响;并使用超声强化膜过滤技术,研究超声功率、时间和探头深度对强化膜过滤纯化的影响,采用正交优化实验确定最优的超声强化膜分离纯化参数为:超声功率350W,超声时间为7个循环次数,超声探头深度为1.0cm,多酚纯化度可达63.60%。探究苹果皮多酚的膜过滤纯化机理。建立适用于苹果皮多酚膜分离的理论,确定苹果皮多酚跨膜运输分为四个主要过程,包括颗粒沉积阶段、沉积衰弱阶段、纵向排斥效应和果胶的吸附筛分作用堵塞在过滤膜表面;随后通过建立Hermia单级和多级模型,确定在膜分离纯化过程中,主要膜污染方式是过滤起始阶段的标准堵塞和过滤中后期的完全堵塞;进一步利用扩展的双电子层理论(XDLVO)深入探索过滤膜-污染物和污染物-污染物在分子水平的作用机制,结果表明,膜-污染物是主要污染类型,这是由于多糖分子可以通过氢键与多酚和膜表面羟基结合;此外,基于多学科交叉融合,开发了Hermia模型和XDLVO模型的Matlab自动拟合程序。使用超景深显微镜对膜表面污染图像进行采集,采用灰度变换、图像去噪、融合、分割等图像处理技术,开发Matlab程序实现过滤膜污染程度的定量分析;并使用两种机器学习算法(BP神经网络和支持向量机)实现对多酚膜过滤纯度、膜通量和过滤阻力的智能化自动预测。BPNN模型由于考虑数据完整性,无支持向量,相比于SVR模型有更高精确度(0.9997)在预测多酚纯度时;同时,揭示膜过滤污染程度与苹果皮渣多酚纯化度间的定量关系与纵向排斥和果胶筛分效应有关。但是,预测膜阻力和膜通量时,SVR模型准确度更高,是因为SVR模型通过核函数降低输入数据的维度,因此增强模型的效果。实验结果表明,超声作用通过空化作用冲刷作用和振动作用,可有效降低膜孔和膜表面污染,提高多酚纯化效果和膜通量;多酚纯化效果主要受纵向排斥作用和果胶筛分作用的影响,多糖与多酚结合并吸附在膜表面,是形成完全堵塞膜污染的主要原因;机器学习可以用于多酚纯化度和膜污染预测,单一输入集时,BPNN模型预测准确度更高,面对多输入参数数据时,应选用SVR预测模型。

关键词：苹果皮多酚膜过滤纯化膜过滤机理膜污染机制机器学习预测

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仿生MOFs混合基质膜的制备及其多酚纯化应用研究

仿生MOFs混合基质膜的制备及其多酚纯化应用研究

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作者：黄敬哲吉林大学

学位级别：硕士

我国是苹果种植大国。苹果产量高居世界前列,苹果相关产业丰富多样。在生产相关产品的过程中会产生大量的苹果渣,其富含多种营养成分,特别是多酚。我国目前处理苹果渣的主要方式是将其制备成饲料,造成了严重的资源浪费。通过对苹果渣中... 详细信息

我国是苹果种植大国。苹果产量高居世界前列,苹果相关产业丰富多样。在生产相关产品的过程中会产生大量的苹果渣,其富含多种营养成分,特别是多酚。我国目前处理苹果渣的主要方式是将其制备成饲料,造成了严重的资源浪费。通过对苹果渣中苹果多酚的提取以及纯化等研究,可以有效提高苹果渣的附加值,增加经济效益和社会效益,实现绿色能源回收再利用,完成世界双碳经济目标。本文的具体研究内容如下:1.本文以新鲜苹果渣为原料,使用乙醇-水溶液提取苹果渣中的苹果多酚。选取商用聚醚砜膜作为膜过滤纯化多酚试验的膜组件,选取进料液浓度、跨膜压力以及搅拌速度作为影响膜过滤多酚纯化效果的参数。根据实验结果设计正交试验,优化苹果多酚纯化的实验参数。最终得到在进料液多酚浓度为100μg/m L,跨膜压力为2.6 bar,搅拌速度为300 rpm时,具有最佳膜过滤多酚纯化性能,此时多酚纯度为53.86%。2.制备金属有机骨架（MOF）材料作为填充材料,将其填充至聚醚砜（PES）基质中,采用相转化法制备MOF-5/PES混合基质膜,制备了不同MOF-5添加量的混合基质膜。利用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）、水接触角测试仪、机械拉伸仪等仪器对样品进行表征。实验结果表明,MOF-5的填充可以提高混合基质膜的机械性能、降低表面的粗糙度、提亲水性以及抗污染性能。3.利用多巴胺会在弱碱性条件下发生氧化聚合的特性,制备了MOF-5@PDA仿生材料。MOF-5@PDA的添加可以提高膜的亲水性能、机械强度以及抗污染性能。膜的水接触角最低为45.8°;BSA截留率最高达到94.32%;纯水通量达到了92.66 L·m-2·h-1;机械强度达到纯PES膜的1.98倍;苹果多酚纯度提高到74.61%。

关键词：苹果多酚膜过滤纯化金属有机骨架混合基质膜仿生材料

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