牛奶噴霧干燥技術研究進展

■ 提偉鋼 沈陽農(nóng)業(yè)大學高等職業(yè)技術學院生物與環(huán)境工程系

乳制品干燥最廣泛應用的技術是噴霧干燥。在不考慮能耗高的前提下，噴霧干燥是最常用的方法，因為這一過程減少了對粉末產(chǎn)品的熱效應[1]。據(jù)統(tǒng)計，世界上超過95%的奶粉是用噴霧干燥方法制造的，由于不進行強烈的熱處理，并且允許產(chǎn)品在常溫條件下貯存，因此噴霧干燥可以有效保持制品的生物活性。

噴霧干燥方法有如下優(yōu)點：第一，如果能控制干燥條件保持不變，通過干燥塔的粉末性質(zhì)就不變；第二，干燥過程是連續(xù)的和易于操作的，可以進行自動化操作；第三，干燥的范圍廣，特別是用于熱敏感性物料的脫水。本文綜述了國內(nèi)外牛奶噴霧干燥技術最新研究進展，就奶粉噴霧干燥常見問題，如粘壁和奶粉速溶問題以及噴霧干燥過程的模擬等方面進行介紹，旨在為解決奶粉生產(chǎn)中的問題提供有價值的參考。

1 噴霧干燥原理

噴霧干燥是把含有固體成分的液體分散成小液滴，以較溫和的方式除去液滴中的水分。濃縮乳被霧化成均勻的液滴（50～100 μm），在干燥塔頂進行壓力或離心噴霧。這些液滴落入干燥塔，在熱的無菌空氣中順流干燥，液滴中的水分含量下降。在干燥初期階段，因為水從液滴表面蒸發(fā)，液滴不斷收縮。在干燥初級階段快結束時，液滴失去水分變成顆粒狀，顆粒表面形成很薄的固體外層。在干燥的第2階段，固體外層變厚，水分蒸發(fā)擴散的阻力增大。因此，干燥速率下降，噴霧干燥塔去除水分的效率降低。水分含量在7%以下時應當選擇其它的干燥設備，從而提高熱轉換和水分蒸發(fā)的效率，使能量消耗最小，避免顆粒溫度的過度升高，提高奶粉的速溶性。

在乳制品加工過程中常用的二段干燥法，包括噴霧干燥和在其后的振動流化床干燥，振動流化床包括1～2個具有一定傾斜角度的帶孔振動箱。在三段干燥中，除了振動流化床系統(tǒng)之外，在噴霧干燥塔底插入靜態(tài)流化床作為干燥塔附聚器。

在振動流化床系統(tǒng)中，粉末的水分含量從6%～7%降低到3%～4%。熱空氣溫度為80～120℃，逐步充滿流化床，控制熱流量，使其與水分蒸發(fā)所需的熱流量相近。在顆粒移動和干燥過程中，顆粒的溫度在下降。在這個系統(tǒng)的末端，從周圍環(huán)境中補充空氣用于降低顆粒的溫度。在這個系統(tǒng)中，干燥和冷卻操作相對容易，因為顆粒在流化床中停留的時間比在干燥塔中停留的時間長。另外，出口空氣把沒有附聚的細粒帶到旋風分離器或者布袋過濾器中。在那里，細粒與空氣分離并回收到噴霧干燥塔中。這樣就提高了粉末的附聚，降低了粉塵污染[2]。

2 噴霧干燥技術研究進展

2.1 降低奶粉粘壁問題

噴霧干燥塔壁上顆粒的粘壁是一個重要的問題，其可影響奶粉的品質(zhì)甚至會造成火災或爆炸，還會給設備清洗帶來困難[3，4]。為了研究和降低奶粉粘壁現(xiàn)象，通常會采用粘點試驗的方法[5]。很多研究者利用此方法來控制噴霧干燥塔的粘壁現(xiàn)象。

對于噴霧干燥粘性物質(zhì)來說，在選擇噴霧干燥條件時，粘點曲線是一個半定量的概念。它表明在粘點曲線以下，沒有顯著的粘壁現(xiàn)象。因此，關于物料的等溫吸附和粘點溫度的信息就允許我們開發(fā)一系列的加工操作條件，其目的是最大程度地減少粘壁，同時干燥塔出料口達到要求的平衡條件。例如，提高進料口處氣體溫度可以提高出料口的溫度，同時可以提高出料口處顆粒的溫度。然而，提高溫度可能會降低出料口處的水分含量。隨著水分含量的下降，粘點溫度會上升。因此，根據(jù)等溫吸附曲線，提高進料口的氣體溫度可能會把干燥塔出料口的條件從粘性區(qū)域轉移到非粘性區(qū)域。

L Ozmen等人研究了脫脂奶粉玻璃態(tài)轉化溫度和粘點溫度的對應關系，用試驗證明了粘點曲線和玻璃態(tài)轉變溫度曲線之間的正向對應關系，得出可以用DSC（差式量熱掃描儀）測定玻璃態(tài)轉化溫度曲線來模擬和研究顆粒掛壁現(xiàn)象。該方法具有試驗樣品用量少，簡便快速的優(yōu)點[4]。

2.2 提高奶粉的速溶性

在水中復原奶粉的過程包括4個同時進行的作用：奶粉浸沒在水中（打破水的界面張力，浸沒到液體中）；把水吸收到它的表面上，促進水滲透到它的微孔中；粉末分散并混合到水中，形成均一的懸濁液；最后，在水中保持穩(wěn)定的懸浮。這些作用與顆粒的大小、密度、殘留水分和脂肪含量緊密相關[6]。因此，奶粉的品質(zhì)可以通過操作加工參數(shù)之間的關系來加以定量，這些參數(shù)可以最好的描述這些性質(zhì)。

一段干燥方法生產(chǎn)的奶粉過程耗能大，得到的是細小、不凝結的顆粒（粒徑30～50 μm），這樣的顆粒很難在水中分散。干燥塔連接振動流化床組成二段干燥設備。凝結的顆粒在干燥室出口處保存，然后在振動流化床中在較溫和的條件下干燥和冷卻，未凝結的顆?；厥盏絿婌F干燥室，這樣可以控制奶粉的顆粒分布，提高奶粉的速溶性，生產(chǎn)的奶粉顆粒達到令人滿意的范圍。另外，二段干燥可以降低能量消耗和成本，對工業(yè)上生產(chǎn)速溶奶粉來說是更可取的方法。這種方法的改進是三段干燥方法，靜態(tài)流化床插入錐形塔的底座，從而更好地控制顆粒的凝結和干燥。在干燥和冷卻之后，奶粉必須包裝在合適的容器中并貯藏。

為了使生產(chǎn)的奶粉快速復水、速溶，離開噴霧干燥室（未進流化床之前）的顆粒凝聚物應呈現(xiàn)下列特性：①干基含水量：全脂奶粉5.3%～6.4%，脫脂奶粉6.4%～7.5%；②表觀密度，450～550 kg/m3；③奶粉顆粒大小分布范圍廣，離差大，顆粒直徑為40～600 μm；④顆粒之間的粘度要在合適的范圍內(nèi)，在流化床系統(tǒng)中要保證顆粒在一個比較窄的顆粒大小分布范圍內(nèi)產(chǎn)生足夠高的粘度，形成或者重排形成凝聚物，同時，顆粒粘度又要足夠低，保證其在干燥塔內(nèi)粘壁最少[7]。

干燥室出來的粉末必須在振動流化床系統(tǒng)中干燥，使殘留的水分含量適合于保存（全脂奶粉水分含量要達到2.6%～3.1%，脫脂奶粉水分含量達到3.7%～4.2%）。應用流化床可以減少能耗，促進奶粉凝結，減少奶粉品質(zhì)的下降。可選用Hausner比值（輕敲密度/松密度）定量描述內(nèi)聚力的強度。根據(jù)Hahne和 Passos的研究，對于用振動流化床系統(tǒng)干燥全脂奶粉，推薦的Hausner比值約等于1.4[8]。

M A A Cruz等用實驗型噴霧干燥塔生產(chǎn)高質(zhì)量的速溶全脂奶粉，采用的條件是：較低的進料量和進口溫度（1.4 kg/h，160℃），較高的噴霧轉速（50 000 rpm）；得到的奶粉參數(shù)為：水分含量4.0%，Hausner比值1.6，表觀密度531 kg/m3[9]。

在干燥過程中加熱程度會影響奶粉的溶解性。奶粉工業(yè)廣泛采用的二段干燥法已經(jīng)考慮了在中等水分含量條件下牛奶蛋白的敏感性。如果二段干燥的出口溫度和干燥室的溫度低，會導致顆粒的溫度降低。從干燥室出來的產(chǎn)品水分含量在6%～8%，再進行第二步干燥，在干燥狀態(tài)下的蛋白質(zhì)要比中等水分含量狀態(tài)穩(wěn)定性高得多。因此，在第二段干燥過程中選用較高的溫度使最終產(chǎn)品的水分含量盡快達到3%～4%，可以提高產(chǎn)品的溶解性能，減少負面影響。在牛奶的2 種蛋白質(zhì)中，乳清蛋白在干燥中溶解性所受影響不大，蛋白質(zhì)溶解問題主要來自于酪蛋白。酪蛋白以交聯(lián)或者膠束形式存在，與奶粉中殘留的水分以氫鍵相連接，在溶于水的過程中需要發(fā)生重排。乳糖和礦物質(zhì)對蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性也有很重要的作用。在干燥脫水過程中，糖類對蛋白質(zhì)能起到有效的穩(wěn)定作用[10]。

2.3 噴霧干燥過程的模型建立與模擬

噴霧干燥在很大程度上把液體變成粉末，可以干燥熱敏感的物料。然而，設計全尺寸噴霧干燥塔實驗難度很大并且結果不可靠，不只因為干燥塔太大，還在于測定和描述干燥塔內(nèi)空氣流量、熱量和質(zhì)量的傳遞機制很復雜。近年來，計算流體動力學（CFD）已經(jīng)用于描述干燥塔內(nèi)的氣體和固體的流動。目前，需要進行更多的研究，因為計算流體動力學是模擬噴霧干燥操作的很有發(fā)展前途的工具。

V S Birchal等介紹了一項針對噴霧干燥器的模擬研究，用全脂牛奶懸濁液作為干燥懸濁液。用2 種方法對這個過程進行總體描述。第1 種方法包括一個總體平衡的模型，在這個模型中，液滴和顆粒構成分散相，在干燥塔內(nèi)按停留時間間隔依次分布，空氣連續(xù)通入并且是混合均勻的一相，考慮到各相之間的相互作用，質(zhì)量和熱量達到平衡。該方法分析了描述顆粒膨脹和干燥機制、顆粒和熱空氣之間質(zhì)量和熱量傳遞的基本模型方程。第2 種方法需要用計算流體動力學（CFD）解決三維模型。連續(xù)流動的空氣相遵循平均時間Navier-Stokes方程和RNG渦流模型，而顆粒的方程在拉格朗日模型中建立，用隨機的方法預測顆粒的軌道。研究采用實驗性噴霧干燥塔進行試驗，為2 種方法提供數(shù)據(jù)。通過對2 種結果的比較，對噴霧干燥操作有了更好的了解。第1 種方法建立在簡化的模型基礎上，適用于對噴霧干燥過程進行總體把握，然而它不能進行微觀精確的控制；第2 種方法應用計算流體動力學可以做到，可以解決設計上的問題，提高奶粉的品質(zhì)。當然，第2 種方法也要和第1 種方法相結合，進行適當?shù)恼{(diào)整校正[11]。

Ireneusz Zbicin，ski等用計算流體動力學對噴霧干燥過程進行模擬，構建的計算流體動力學模型對連續(xù)相參數(shù)進行了準確的測定，但對分散相的測定產(chǎn)生了較小的誤差，可能來自霧化初始參數(shù)的誤差。在實驗室和在實驗工廠得到的干燥曲線形狀一致，這樣就可以在實驗室規(guī)模測定臨界含水率。把試驗初始霧化參數(shù)和實際噴霧干燥動力學引入到計算流體動力學中，可以最精確地模擬實際噴霧干燥過程[12]。

3 結語

噴霧干燥技術日趨成，其應用領域十分廣泛。但是理論仍然落后于實踐，人們的認識與其內(nèi)在實質(zhì)仍有距離[13]。在進行噴霧干燥模擬研究時，對于霧滴的旋轉運動、非球形顆粒及干燥過程中顆粒形狀變化時的模擬精度等微觀領域的認識還有待于提高。如果能用計算流體動力學模型把噴霧干燥的過程模擬出來，直觀地反映參數(shù)的變化對噴霧效果的影響，將極大地方便噴霧干燥技術的提高和推廣。■

[1]A S Markowski．Drying risk assessment strategies．Drying Technology，2004，22（3）：395-412.

[2]Pierre schuck．Relative humidity of outlet air：the key parameter to optimize moisture content and water activity of dairy powders．Dairy Sci．Technol，2008，88（5）：45-52.

[3]M A A Cruz．Final drying of whole milk powder in vibrated-fluidized beds．Drying Technology，2005，23（2）：2021-2037.

[4]L Ozmen．Comparison of glass transition temperature and sticky point temperature for skim milk powder．Drying Technology．2002，20（6）：1177-1192.

[5]Lazar M E，Linquist F E．Experimental production of tomato powder by spray drying．Food Technology 1956，129-134.

[6]Birchal V S．Modeling and simulating of milk drying in spray dryers．PhD Dissertation.Federal University of Minas Gerais, 2003，24（5）：109-115.

[7]Viviane S，Birchal．Effect of spray-dryer operating variables on the whole milk powder quality．Drying Technology，2005，23（3）：611-636.

[8]Hahne L C C．Using the hausner index for determining the cohesive particle flow regimes in vibro-fl uidized beds．In proceedings of the 29th brazilian congress on particulate systems—ENEMP，2001[C]，CD-ROM，Belo Horizonte，UFMG.

[9]A J Baldwin．Development of insolubility in dehydration of dairy milk powders trans icheme．Food and Bioproducts Processing，2007，85（C3）：202-208.

[10]Allison S D．Hydrogen bonding between sugar and protein is responsible for inhibition of dehydration induced protein unfolding．Arch Biochem Biophys，1999，365（8）：289-298.

[11]V S Birchal．Spray dryers: modeling and simulation. Drying Technology， 2006，24（9）：359-371.

[12]Ireneusz Zbicin′ski．Conditions for accurate CFD modeling of spray-drying process．Drying Technology，2006，1（24）：1109-1114.

[13]張文孝，姚學勇，王玉德．噴霧干燥現(xiàn)狀及展望．食品與機械，2004，20（6）: 33-35.