富糖類物料噴霧干燥熱熔性粘壁現(xiàn)象研究進(jìn)展

鄭唯　朱丹　牛廣財(cái)　魏文毅

摘要：分析富糖類物料噴霧干燥過程中熱熔性粘壁的原因，論述其噴霧干燥過程中的粘性行為，探討解決粘壁問題的方法，包括添加糖類助干劑、生物多聚體、抗結(jié)劑和蛋白質(zhì)包埋等，以期改善富糖類物料的噴霧干燥產(chǎn)品品質(zhì)，為工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

關(guān)鍵詞：噴霧干燥；粘壁；富糖類物料；粘性行為；物料損失

中圖分類號：TS255.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2018）01-0057-03

噴霧干燥是液體物料在干燥器中被霧化分散成霧滴，再通過熱空氣干燥霧滴而獲得干燥粉末的一種干燥方式，具有顆粒組織形態(tài)均勻、更好地保留物料的營養(yǎng)成分和風(fēng)味等諸多優(yōu)點(diǎn)。然而，富糖類物料在噴霧干燥過程中常出現(xiàn)粘壁現(xiàn)象，導(dǎo)致物料損失、干燥不徹底等問題，進(jìn)而造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，且對產(chǎn)品品質(zhì)和連續(xù)化生產(chǎn)有很大影響。分析富糖類物料噴霧干燥過程中的熱熔性粘壁原因，提出相應(yīng)的解決辦法，提高噴霧干燥過程中的富含糖量物料物料的產(chǎn)品品質(zhì)，為其工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 含糖量物料噴霧干燥粘壁原因

通常情況下，產(chǎn)生噴霧干燥粘壁現(xiàn)象的原因主要有：噴出的粗液滴在沒有達(dá)到表面干燥就與干燥器內(nèi)壁接觸而導(dǎo)致粘壁的半濕物料粘壁；粉末顆粒在一定溫度下熔融發(fā)粘，粘附在干燥器熱壁上而產(chǎn)生的熱熔性粘壁；干粉在干燥器內(nèi)傳送過程中碰到干燥器內(nèi)壁而引起的干粉表面粘附等。其中，熱熔性粘壁是最常見也是最難解決的粘壁類型。

排除噴霧干燥設(shè)備構(gòu)造不合理和干燥工藝不適合的影響外，導(dǎo)致粘壁的最根本原因是物料性質(zhì)。一般進(jìn)行噴霧干燥的液體物料可以分成兩大類：粘性物料和非粘性物料。非粘性物料具有很好的流動性，通過噴霧干燥機(jī)簡單干燥即可得到吸濕性很低，流動性很好的干燥粉末，如脫脂奶粉、 蛋白粉、樹膠粉、糊精、豆粉等。粘性物料一般含糖量很高，如果汁、蔬菜汁、非結(jié)晶乳糖、蜂蜜等。

國內(nèi)外的大量研究發(fā)現(xiàn)，粘壁現(xiàn)象與粘性物料中的高濃度糖有關(guān)。粘性物料具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）和較強(qiáng)的吸濕性，對直接干燥過程中的干燥條件非常敏感，幾攝氏度變化就會使其變成類似糖漿狀態(tài)的粘稠液體，在干燥器內(nèi)壁上產(chǎn)生不可控的團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)品的得率大大降低。粘壁現(xiàn)象較為嚴(yán)重時，不得不對干燥器進(jìn)行拆卸清洗，導(dǎo)致試驗(yàn)周期延長，生產(chǎn)能力降低。這些物料通常也難以進(jìn)行冷凍干燥。Tsourouflis的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在真空條件被破壞的時候，粉末會迅速吸收水分變成糖漿狀。

2 含糖量物料噴霧干燥過程中的粘性行為

粘性物料中不同糖的物理性質(zhì)對干燥的影響不同，小分子糖的物理性質(zhì)及粘性行為見表1。

由表1可知，粉體粘性與不同種類糖的物理性質(zhì)密切相關(guān)，小分子糖的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越低，越易吸濕且粘性越強(qiáng)，溶解性越差。

富糖物料噴霧干燥過程中液滴的變化見圖1。

由圖1可知：干燥過程主要分為4個階段，霧化和脫水過程使物料從表面含水轉(zhuǎn)變成表面不粘且不含水的顆粒狀態(tài)。

最初，盡管液滴表面含水且顆粒是粘性的，但液滴仍單獨(dú)分散在干燥器中，沒有發(fā)生聚集現(xiàn)象。當(dāng)處于收集器或旋風(fēng)分離器中時，單位體積的顆粒密度急劇增加，顆粒已經(jīng)是固體，不應(yīng)該粘在一起或聚集，但由于物料含糖量很高，即使此時水分含量很低，產(chǎn)品仍是糖漿狀態(tài)。處于一定水分含量下的較高溫度時，干燥液滴的表面也可以保持塑性。因此，干燥后獲得的無定形產(chǎn)物可能是干燥粉末，也可能是糖漿狀態(tài)或粘性粉末。

3 含糖量物料粘壁解決方案

3.1 糖類助干劑

目前，解決富糖粘性物料粘壁問題的常見方法是添加麥芽糊精、阿拉伯膠等多糖類高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度物質(zhì)，以提高富糖粘性物料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，進(jìn)而改善并提高集粉率。但助干劑的添加量一般很高，干燥粉的原有風(fēng)味易被助干劑掩蓋而影響口感。

辛明等分別在芒果，哈密瓜，櫻桃，荔枝，毛酸漿中添加麥芽糊精，均得到隨著麥芽糊精添加量增加，出粉率逐漸增高的結(jié)論。程麗娜和鄭唯的研究均發(fā)現(xiàn)，隨著麥芽糊精含量的增加，果汁粉的風(fēng)味逐漸變差。

3.2 蛋白質(zhì)包埋

BOONYAI P等首次研究發(fā)現(xiàn)，粉末顆粒在干燥過程中的發(fā)粘行為（粘附或聚集）與顆粒的表面特性有關(guān)，而表面特性則受到顆粒表面組成的影響。在富糖類物料中添加一定的助干劑，對噴霧干燥后的霧滴表面進(jìn)行改性，是一種避免粘壁的新型方式。

蛋白質(zhì)具有良好的乳化性、成膜性、溶解性，具有理想壁材的特征，且蛋白質(zhì)-糖溶液體系不能兼容。當(dāng)富糖類料液中添加蛋白質(zhì)時，蛋白質(zhì)會優(yōu)先遷移至空氣—富糖類料液的界面。當(dāng)料液被霧化成液滴后，蛋白質(zhì)大量富集在液滴表面，干燥后的粉末表面會含有大量的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)的Tg值較高，噴霧干燥條件下顆粒表面呈玻璃態(tài)，加之蛋白質(zhì)具有良好的成膜性，可以將富糖料液中的糖分子包埋起來，所以粒子表面之間，以及粒子與干燥器之間不容易發(fā)生粘附現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致回收率顯著提高。

早期使用最多的蛋白質(zhì)是明膠。IMAGI等研究干燥特征曲線后得出，相比于麥芽糖糊精等原料，明膠表現(xiàn)出高效包埋介質(zhì)的特征。

乳清分離蛋白因具有良好的起泡性、成膜性和表面遷移特性而被廣泛應(yīng)用。石啟龍等研究發(fā)現(xiàn)，以麥芽糊精作為桑葚汁助干劑時，出粉率Rp為43.17%。但當(dāng)進(jìn)料溶液中的麥芽糊精被少量乳清分離蛋白取代時，Rp顯著增加。當(dāng)進(jìn)料溶液中的麥芽糊精全部被乳清分離蛋白取代時，Rp達(dá)到73.04%。

JAYASUNDERA的研究結(jié)果也表明，蛋白質(zhì)能提高葡萄糖、果糖、蔗糖等高糖溶液模擬體系噴霧干燥粉末的回收率。

3.3 生物多聚體

蛋白質(zhì)具有成膜性和表面遷移特性等性質(zhì)，會對富糖料液中的糖進(jìn)行包埋。將蛋白質(zhì)與多糖進(jìn)行美拉德反應(yīng)，發(fā)生糖基化接枝改性進(jìn)而提高蛋白質(zhì)的功能特性和更好地應(yīng)用于噴霧干燥過程，已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

李晨的研究發(fā)現(xiàn)，糖基化改性后的花生蛋白在溶解性、乳化性和成膜性方面都有顯著改善，且糖基化程度對蛋白的成膜性和結(jié)構(gòu)特性有明顯影響。孫煒煒使用干熱法制備乳清分離蛋白-葡聚糖接枝產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)葡聚糖的共價接入，能夠顯著提高乳清分離蛋白的乳化性、凍融穩(wěn)定性和熱變性溫度，且乳清分離蛋白的熱凝膠機(jī)制發(fā)生了改變。

3.4 抗結(jié)劑

含糖量物料不但在噴霧干燥時會產(chǎn)生粘壁問題，而且噴霧干燥后因粒子的發(fā)粘行為也會產(chǎn)生一定的結(jié)塊問題。目前，常采用的抗結(jié)劑主要有二氧化硅、可溶性纖維、微晶纖維素、硬脂酸鎂、磷酸三鈣等。

王澤南研究發(fā)現(xiàn)添加硬脂酸鎂1%，微晶纖維素0.5%，硅膠0.5%，對草莓粉具有很好的抗結(jié)塊作用。曾亞森等在研究中發(fā)現(xiàn)，硬脂酸鎂兼具金屬鹽和硬脂酸的雙重特性，在料液中加入一定量的硬脂酸鎂可防止靜電所引起的粘壁現(xiàn)象。另外，硬脂酸鎂具有疏水性，能減輕物料的吸濕性，改善噴霧干燥過程中的粘壁情況。

4 結(jié)語

富糖類物料噴霧干燥時的粘壁現(xiàn)象是目前研究的熱點(diǎn)，本研究淺析了出現(xiàn)富糖類物料噴霧干燥過程中熱熔性粘壁的解決方案，但在實(shí)際操作過程中還需要結(jié)合助干劑種類、前處理工藝條件及噴霧干燥條件綜合考慮。

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