牛奶喷雾干燥技术研究进展

■ 提伟钢 沈阳农业大学高等职业技术学院生物与环境工程系

乳制品干燥最广泛应用的技术是喷雾干燥。在不考虑能耗高的前提下，喷雾干燥是最常用的方法，因为这一过程减少了对粉末产品的热效应[1]。据统计，世界上超过95%的奶粉是用喷雾干燥方法制造的，由于不进行强烈的热处理，并且允许产品在常温条件下贮存，因此喷雾干燥可以有效保持制品的生物活性。

喷雾干燥方法有如下优点：第一，如果能控制干燥条件保持不变，通过干燥塔的粉末性质就不变；第二，干燥过程是连续的和易于操作的，可以进行自动化操作；第三，干燥的范围广，特别是用于热敏感性物料的脱水。本文综述了国内外牛奶喷雾干燥技术最新研究进展，就奶粉喷雾干燥常见问题，如粘壁和奶粉速溶问题以及喷雾干燥过程的模拟等方面进行介绍，旨在为解决奶粉生产中的问题提供有价值的参考。

1 喷雾干燥原理

喷雾干燥是把含有固体成分的液体分散成小液滴，以较温和的方式除去液滴中的水分。浓缩乳被雾化成均匀的液滴（50～100 μm），在干燥塔顶进行压力或离心喷雾。这些液滴落入干燥塔，在热的无菌空气中顺流干燥，液滴中的水分含量下降。在干燥初期阶段，因为水从液滴表面蒸发，液滴不断收缩。在干燥初级阶段快结束时，液滴失去水分变成颗粒状，颗粒表面形成很薄的固体外层。在干燥的第2阶段，固体外层变厚，水分蒸发扩散的阻力增大。因此，干燥速率下降，喷雾干燥塔去除水分的效率降低。水分含量在7%以下时应当选择其它的干燥设备，从而提高热转换和水分蒸发的效率，使能量消耗最小，避免颗粒温度的过度升高，提高奶粉的速溶性。

在乳制品加工过程中常用的二段干燥法，包括喷雾干燥和在其后的振动流化床干燥，振动流化床包括1～2个具有一定倾斜角度的带孔振动箱。在三段干燥中，除了振动流化床系统之外，在喷雾干燥塔底插入静态流化床作为干燥塔附聚器。

在振动流化床系统中，粉末的水分含量从6%～7%降低到3%～4%。热空气温度为80～120℃，逐步充满流化床，控制热流量，使其与水分蒸发所需的热流量相近。在颗粒移动和干燥过程中，颗粒的温度在下降。在这个系统的末端，从周围环境中补充空气用于降低颗粒的温度。在这个系统中，干燥和冷却操作相对容易，因为颗粒在流化床中停留的时间比在干燥塔中停留的时间长。另外，出口空气把没有附聚的细粒带到旋风分离器或者布袋过滤器中。在那里，细粒与空气分离并回收到喷雾干燥塔中。这样就提高了粉末的附聚，降低了粉尘污染[2]。

2 喷雾干燥技术研究进展

2.1 降低奶粉粘壁问题

喷雾干燥塔壁上颗粒的粘壁是一个重要的问题，其可影响奶粉的品质甚至会造成火灾或爆炸，还会给设备清洗带来困难[3，4]。为了研究和降低奶粉粘壁现象，通常会采用粘点试验的方法[5]。很多研究者利用此方法来控制喷雾干燥塔的粘壁现象。

对于喷雾干燥粘性物质来说，在选择喷雾干燥条件时，粘点曲线是一个半定量的概念。它表明在粘点曲线以下，没有显著的粘壁现象。因此，关于物料的等温吸附和粘点温度的信息就允许我们开发一系列的加工操作条件，其目的是最大程度地减少粘壁，同时干燥塔出料口达到要求的平衡条件。例如，提高进料口处气体温度可以提高出料口的温度，同时可以提高出料口处颗粒的温度。然而，提高温度可能会降低出料口处的水分含量。随着水分含量的下降，粘点温度会上升。因此，根据等温吸附曲线，提高进料口的气体温度可能会把干燥塔出料口的条件从粘性区域转移到非粘性区域。

L Ozmen等人研究了脱脂奶粉玻璃态转化温度和粘点温度的对应关系，用试验证明了粘点曲线和玻璃态转变温度曲线之间的正向对应关系，得出可以用DSC（差式量热扫描仪）测定玻璃态转化温度曲线来模拟和研究颗粒挂壁现象。该方法具有试验样品用量少，简便快速的优点[4]。

2.2 提高奶粉的速溶性

在水中复原奶粉的过程包括4个同时进行的作用：奶粉浸没在水中（打破水的界面张力，浸没到液体中）；把水吸收到它的表面上，促进水渗透到它的微孔中；粉末分散并混合到水中，形成均一的悬浊液；最后，在水中保持稳定的悬浮。这些作用与颗粒的大小、密度、残留水分和脂肪含量紧密相关[6]。因此，奶粉的品质可以通过操作加工参数之间的关系来加以定量，这些参数可以最好的描述这些性质。

一段干燥方法生产的奶粉过程耗能大，得到的是细小、不凝结的颗粒（粒径30～50 μm），这样的颗粒很难在水中分散。干燥塔连接振动流化床组成二段干燥设备。凝结的颗粒在干燥室出口处保存，然后在振动流化床中在较温和的条件下干燥和冷却，未凝结的颗粒回收到喷雾干燥室，这样可以控制奶粉的颗粒分布，提高奶粉的速溶性，生产的奶粉颗粒达到令人满意的范围。另外，二段干燥可以降低能量消耗和成本，对工业上生产速溶奶粉来说是更可取的方法。这种方法的改进是三段干燥方法，静态流化床插入锥形塔的底座，从而更好地控制颗粒的凝结和干燥。在干燥和冷却之后，奶粉必须包装在合适的容器中并贮藏。

为了使生产的奶粉快速复水、速溶，离开喷雾干燥室（未进流化床之前）的颗粒凝聚物应呈现下列特性：①干基含水量：全脂奶粉5.3%～6.4%，脱脂奶粉6.4%～7.5%；②表观密度，450～550 kg/m3；③奶粉颗粒大小分布范围广，离差大，颗粒直径为40～600 μm；④颗粒之间的粘度要在合适的范围内，在流化床系统中要保证颗粒在一个比较窄的颗粒大小分布范围内产生足够高的粘度，形成或者重排形成凝聚物，同时，颗粒粘度又要足够低，保证其在干燥塔内粘壁最少[7]。

干燥室出来的粉末必须在振动流化床系统中干燥，使残留的水分含量适合于保存（全脂奶粉水分含量要达到2.6%～3.1%，脱脂奶粉水分含量达到3.7%～4.2%）。应用流化床可以减少能耗，促进奶粉凝结，减少奶粉品质的下降。可选用Hausner比值（轻敲密度/松密度）定量描述内聚力的强度。根据Hahne和 Passos的研究，对于用振动流化床系统干燥全脂奶粉，推荐的Hausner比值约等于1.4[8]。

M A A Cruz等用实验型喷雾干燥塔生产高质量的速溶全脂奶粉，采用的条件是：较低的进料量和进口温度（1.4 kg/h，160℃），较高的喷雾转速（50 000 rpm）；得到的奶粉参数为：水分含量4.0%，Hausner比值1.6，表观密度531 kg/m3[9]。

在干燥过程中加热程度会影响奶粉的溶解性。奶粉工业广泛采用的二段干燥法已经考虑了在中等水分含量条件下牛奶蛋白的敏感性。如果二段干燥的出口温度和干燥室的温度低，会导致颗粒的温度降低。从干燥室出来的产品水分含量在6%～8%，再进行第二步干燥，在干燥状态下的蛋白质要比中等水分含量状态稳定性高得多。因此，在第二段干燥过程中选用较高的温度使最终产品的水分含量尽快达到3%～4%，可以提高产品的溶解性能，减少负面影响。在牛奶的2 种蛋白质中，乳清蛋白在干燥中溶解性所受影响不大，蛋白质溶解问题主要来自于酪蛋白。酪蛋白以交联或者胶束形式存在，与奶粉中残留的水分以氢键相连接，在溶于水的过程中需要发生重排。乳糖和矿物质对蛋白质的稳定性也有很重要的作用。在干燥脱水过程中，糖类对蛋白质能起到有效的稳定作用[10]。

2.3 喷雾干燥过程的模型建立与模拟

喷雾干燥在很大程度上把液体变成粉末，可以干燥热敏感的物料。然而，设计全尺寸喷雾干燥塔实验难度很大并且结果不可靠，不只因为干燥塔太大，还在于测定和描述干燥塔内空气流量、热量和质量的传递机制很复杂。近年来，计算流体动力学（CFD）已经用于描述干燥塔内的气体和固体的流动。目前，需要进行更多的研究，因为计算流体动力学是模拟喷雾干燥操作的很有发展前途的工具。

V S Birchal等介绍了一项针对喷雾干燥器的模拟研究，用全脂牛奶悬浊液作为干燥悬浊液。用2 种方法对这个过程进行总体描述。第1 种方法包括一个总体平衡的模型，在这个模型中，液滴和颗粒构成分散相，在干燥塔内按停留时间间隔依次分布，空气连续通入并且是混合均匀的一相，考虑到各相之间的相互作用，质量和热量达到平衡。该方法分析了描述颗粒膨胀和干燥机制、颗粒和热空气之间质量和热量传递的基本模型方程。第2 种方法需要用计算流体动力学（CFD）解决三维模型。连续流动的空气相遵循平均时间Navier-Stokes方程和RNG涡流模型，而颗粒的方程在拉格朗日模型中建立，用随机的方法预测颗粒的轨道。研究采用实验性喷雾干燥塔进行试验，为2 种方法提供数据。通过对2 种结果的比较，对喷雾干燥操作有了更好的了解。第1 种方法建立在简化的模型基础上，适用于对喷雾干燥过程进行总体把握，然而它不能进行微观精确的控制；第2 种方法应用计算流体动力学可以做到，可以解决设计上的问题，提高奶粉的品质。当然，第2 种方法也要和第1 种方法相结合，进行适当的调整校正[11]。

Ireneusz Zbicin，ski等用计算流体动力学对喷雾干燥过程进行模拟，构建的计算流体动力学模型对连续相参数进行了准确的测定，但对分散相的测定产生了较小的误差，可能来自雾化初始参数的误差。在实验室和在实验工厂得到的干燥曲线形状一致，这样就可以在实验室规模测定临界含水率。把试验初始雾化参数和实际喷雾干燥动力学引入到计算流体动力学中，可以最精确地模拟实际喷雾干燥过程[12]。

3 结语

喷雾干燥技术日趋成，其应用领域十分广泛。但是理论仍然落后于实践，人们的认识与其内在实质仍有距离[13]。在进行喷雾干燥模拟研究时，对于雾滴的旋转运动、非球形颗粒及干燥过程中颗粒形状变化时的模拟精度等微观领域的认识还有待于提高。如果能用计算流体动力学模型把喷雾干燥的过程模拟出来，直观地反映参数的变化对喷雾效果的影响，将极大地方便喷雾干燥技术的提高和推广。■

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