食品工業(yè)噴霧干燥技術(shù)研究

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摘要：噴霧干燥是目前食品工業(yè)最常用的干燥方式之一。隨著對(duì)噴霧干燥技術(shù)和設(shè)備的深入研究與開(kāi)發(fā)，噴霧干燥技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用將更將廣泛。簡(jiǎn)單介紹噴霧干燥的主要特點(diǎn)及存在的問(wèn)題，重點(diǎn)闡述了噴霧干燥技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：噴霧干燥;食品工業(yè);應(yīng)用;現(xiàn)狀

噴霧干燥是目前食品工業(yè)最常用的干燥方式之一，1872年美國(guó)人SameulPercy在其“干燥操作的改進(jìn)及通過(guò)霧化將液體物料濃縮”的專(zhuān)利中清楚地論述了噴霧干燥過(guò)程的實(shí)質(zhì)，為噴霧干燥設(shè)備的誕生作出了重要貢獻(xiàn)［1］。自從1865年LaMont提出用噴霧干燥法來(lái)處理蛋品，噴霧干燥技術(shù)已有一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展歷史了，但是在我國(guó)發(fā)展起步較晚，20世紀(jì)50年代吉林染料廠(chǎng)從前蘇聯(lián)引進(jìn)的旋轉(zhuǎn)式噴霧干燥機(jī)，用于染料的噴霧干燥［2］，從此噴霧干燥技術(shù)在我國(guó)得到了工業(yè)化的應(yīng)用。隨著噴霧干燥技術(shù)的完善和研究的深入，目前，這項(xiàng)技術(shù)已得到了廣泛應(yīng)用，尤其在食品加工業(yè)。20世紀(jì)初期首先應(yīng)用于脫脂乳粉的制造［3］，后來(lái)，在乳品工業(yè)、固體飲料及固體調(diào)味料的制造上也廣泛采用了噴霧干燥技術(shù)，從而使食品工業(yè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。

1噴霧干燥技術(shù)噴霧干燥技術(shù)的研究

始于19世紀(jì)初期，隨著噴霧干燥技術(shù)在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)它的基本原理和特點(diǎn)也進(jìn)行了深入研究。

1．1噴霧干燥技術(shù)的原理

噴霧干燥基本原理是物料經(jīng)過(guò)過(guò)濾器由泵輸送到噴霧干燥器頂端的霧化器，利用霧化器將液態(tài)物料分散成霧滴，由于霧滴半徑較小，比表面積和表面自由能大，且高度分散，霧滴表面濕分的蒸汽壓比相同條件下平面液態(tài)濕分的蒸汽壓要大，所以水分揮發(fā)極快，產(chǎn)品迅速得到干燥［4］。戴命和等根據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒和牛頓第二定律推導(dǎo)了噴霧干燥過(guò)程一維雙向靜態(tài)數(shù)學(xué)模型，從理論上研究了噴霧干燥的熱干燥機(jī)理，對(duì)提高噴霧干燥的技術(shù)水平具有重要意義［5］。

1．2噴霧干燥技術(shù)的特點(diǎn)

1．2．1干燥迅速，確保產(chǎn)品質(zhì)量。食品中多含蛋白質(zhì)和糖分，而蛋白質(zhì)一般在60～80℃保持?jǐn)?shù)分鐘會(huì)產(chǎn)生變性，在高溫下放置也會(huì)產(chǎn)生美拉德反應(yīng)［6］。利用噴霧干燥，僅需3～10s就能夠干燥產(chǎn)品，這樣可有效抑制干燥過(guò)程中食品的熱變性和芳香成分的損失，確保了產(chǎn)品的質(zhì)量。

1．2．2干燥產(chǎn)品具有良好的分散性、流動(dòng)性和溶解性。對(duì)于干燥產(chǎn)品而言，分散性、流動(dòng)性和溶解性是產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)。在噴霧干燥過(guò)程中，產(chǎn)品的干燥是在熱空氣中進(jìn)行的，所以產(chǎn)品基本上能保持與液滴相近似的球狀［7］，從而具有良好的分散性、流動(dòng)性和溶解性。

1．2．3生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)化、操作控制方便，適宜于連續(xù)化大規(guī)模生產(chǎn)。通過(guò)噴霧干燥獲得的產(chǎn)品大部分都不需要再進(jìn)行粉碎和篩選，從而減少了生產(chǎn)工序，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝流程。產(chǎn)品的粒徑、松密度、水分，在一定的范圍內(nèi)，可以改變操作條件進(jìn)行調(diào)整，控制管理都很方便，而且能適應(yīng)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的要求［7］。

1．2．4防止發(fā)生公害，改善生產(chǎn)環(huán)境。由于噴霧干燥是在密閉的容器中進(jìn)行，能避免干燥過(guò)程中造成的粉塵飛揚(yáng)，避免了環(huán)境污染［7］。

1．3噴霧干燥存在的問(wèn)題

噴霧干燥技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是顯著的，但是其不足之處也是不容忽視的。其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在動(dòng)力消耗大，體積傳熱系數(shù)和熱效率均較低，設(shè)備體積大，易發(fā)生粘壁現(xiàn)象，一次性投資較大等［4］。尤其是粘壁問(wèn)題，在噴霧干燥過(guò)程中如果發(fā)生粘壁物料由于長(zhǎng)時(shí)間停留在熱的內(nèi)壁上，有可能被燒焦或變質(zhì)，影響產(chǎn)品質(zhì)量。周學(xué)永等對(duì)噴霧干燥粘壁的類(lèi)型和原因進(jìn)行了分析，提出了噴霧干燥粘壁的3種類(lèi)型:半濕物料粘壁、低熔點(diǎn)物料的熱熔性粘壁和干粉表面粘附，并提出了解決各種類(lèi)型粘壁的方案［8］。

2噴霧干燥在食品工業(yè)中的應(yīng)用

2．1噴霧干燥在果蔬粉生產(chǎn)中的應(yīng)用

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，果蔬產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)已成為僅次于糧食的支柱產(chǎn)業(yè)［9］。果蔬粉因其具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，不僅能克服果蔬不耐貯藏、容易腐爛變質(zhì)等缺點(diǎn)，而且能夠滿(mǎn)足人們對(duì)果蔬多樣化、高檔化和新鮮化趨勢(shì)的需求，所以具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景。果蔬粉制備技術(shù)較多，譬如，噴霧干燥、熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥、微波干燥、變溫壓差膨化干燥及超微粉碎技術(shù)等［10］，但噴霧干燥因其特有的優(yōu)點(diǎn)，使其在果蔬粉的加工中占據(jù)著十分重要的位置。VaibhavPatil等應(yīng)用響應(yīng)面法(RSM)優(yōu)化番石榴粉噴霧干燥工藝，當(dāng)進(jìn)口溫度為185℃和麥芽糊精濃度為7%時(shí)，番石榴粉含有豐富的維生素［11］。王雅臣等研究了經(jīng)酶處理的野木瓜速溶固體飲料的工藝條件，結(jié)果表明，野木瓜經(jīng)酶處理，在進(jìn)風(fēng)溫度為175℃下進(jìn)行噴霧干燥，可得到口味豐富、酸甜適宜的野木瓜速溶固體飲料［12］。狄建兵等以山藥為試材，將其預(yù)煮制漿后采用噴霧干燥制粉，料水比為1∶2g/ml，進(jìn)風(fēng)溫度為160℃，進(jìn)料量為500ml/h，助干劑添加量為4%時(shí)，制成的山藥粉色澤潔白、粉末細(xì)膩、質(zhì)量評(píng)價(jià)較高［13］。

2．2噴霧干燥技術(shù)在速溶茶飲料中的應(yīng)用

速溶茶飲料是一種能夠迅速溶解于水的固體飲料茶，因具有沖飲攜帶方便、沖水速溶、不留余渣、農(nóng)藥殘留少、易于調(diào)節(jié)濃淡或容易同其他食品調(diào)配等許多特點(diǎn)［14］，所以越來(lái)越受到人們的青睞。畢秋蕓以靈芝與紅茶為原料，采用噴霧干燥技術(shù)研究了靈芝紅茶固體飲料生產(chǎn)工藝條件，其最佳配方和工藝條件為紅茶浸提液添加量為15%、靈芝浸提液添加量為35%、檸檬酸添加量為1%、白砂糖添加量為8%、麥芽糊精添加量為15%;噴霧干燥最佳工藝條件為進(jìn)風(fēng)溫度為180℃、出風(fēng)溫度為80℃、進(jìn)料量為25ml/min［15］。程健博等以黑苦蕎麥為主要原料，采用噴霧干燥技術(shù)，研究制作速溶紅棗黑苦蕎奶茶的加工工藝，確定關(guān)鍵工藝噴霧干燥的進(jìn)風(fēng)溫度為185℃，出風(fēng)溫度為90℃［16］。

2．3噴霧干燥在食品添加劑中的應(yīng)用

食品添加劑既能改善食品的色、香、味等感官品質(zhì)，也能在一定程度上滿(mǎn)足產(chǎn)品防腐和加工工藝的需要，大大促進(jìn)了食品工業(yè)的發(fā)展，并被譽(yù)為現(xiàn)代食品工業(yè)的靈魂［17］。但是由于某些食品添加劑易受環(huán)境中光、氧、溫度、水分等因素影響及食品添加劑自身存在的異味、臭味、辛辣味等不良?xì)馕叮瑖?yán)重影響了其在食品中的應(yīng)用，阻礙了食品工業(yè)的發(fā)展。20世紀(jì)隨著微膠囊技術(shù)的誕生，這些問(wèn)題都迎刃而解，而微膠囊技術(shù)的關(guān)鍵就是噴霧干燥。NgLayTze等研究不同的麥芽糊精濃度和噴霧干燥入口溫度對(duì)火龍果甜菜紅素含量的影響，得到的最佳噴霧干燥條件是入口溫度155℃和20%的麥芽糊精濃度［18］。劉楠楠以明膠、阿拉伯膠為壁材，采用復(fù)合凝聚法對(duì)蔥油香精進(jìn)行包埋，以微膠囊包埋率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化了影響包埋率的主要因素:壁材濃度、芯壁比和pH［19］。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)凝聚法制備蔥油香精微膠囊的最佳工藝參數(shù)為:壁材濃度為1．82%、芯壁比1∶1．87、pH4．16，并在此基礎(chǔ)上，采用噴霧干燥法可以制備出蔥油香精微膠囊白色粉狀產(chǎn)品，微膠囊粒徑大小較為均一，體積平均粒徑為65．54μm。

2．4噴霧干燥在保健食品中的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著居民的經(jīng)濟(jì)和生活水平不斷提高，一些現(xiàn)代文明病，如高血壓、高血脂、糖尿病等也不斷涌現(xiàn)［20］。魚(yú)油中富含ω-3系多不飽和脂肪酸(DHA和EPA)，具有抗炎、調(diào)節(jié)血脂等功效［21］，被譽(yù)為保健食品中的“常青樹(shù)”［22］。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和城鄉(xiāng)居民生活水平的不斷改善以及人口老齡化的不斷加劇，魚(yú)油市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，魚(yú)油消費(fèi)也開(kāi)始迅速增長(zhǎng)。但是由于魚(yú)油中的多不飽和脂肪酸(DHA和EPA)極易氧化［23］，嚴(yán)重阻礙其在保健食品中的應(yīng)用及市場(chǎng)需求，而魚(yú)油微膠囊化不僅可以有效防止其氧化變質(zhì)，而且能夠掩蓋魚(yú)腥味。SriHaryaniAnwar等研究了各種干燥方法制備的微膠囊魚(yú)油，比較了噴霧造粒干燥(SG)、噴霧干燥(SD)、冷凍干燥(FD)3種方法制備的微膠囊魚(yú)油的穩(wěn)定性［24］。蜂膠含有豐富而獨(dú)特的生物活性物質(zhì)，具有抗菌、消炎、止癢、抗氧化、增強(qiáng)免疫、降血糖、降血脂、抗腫瘤等多種功能，對(duì)人體有著廣泛的醫(yī)療、保健作用，是一種具有較高保健功能的產(chǎn)品［25］。張英宣采用噴霧干燥法對(duì)蜂膠提取物進(jìn)行微膠囊化處理，通過(guò)測(cè)定微膠囊化蜂膠中主要活性物質(zhì)總黃酮的活性，探討蜂膠噴霧干燥法微膠囊化的工藝［26］。試驗(yàn)表明，以阿拉伯樹(shù)膠和糊精1∶1比例混合作為壁材，固形物含量為20%，芯材與壁材比例為1∶4，進(jìn)樣量20ml/min，進(jìn)風(fēng)壓力為0．2MPa，微膠囊化蜂膠中總黃酮的活性最高。

2．5噴霧干燥技術(shù)在其他食品領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著噴霧干燥技術(shù)研究的深入，以及人們對(duì)食品的風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的要求不斷提高，市場(chǎng)上出現(xiàn)了越來(lái)越多的由噴霧干燥法生產(chǎn)的食品，如蛋黃粉［27］、雜糧粉［28］、調(diào)味粉［29］等。由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活的改善，不少地區(qū)民眾雜糧谷物的攝入量有所減少，而雜糧谷物中富含膳食纖維、礦物質(zhì)等，這些物質(zhì)又是機(jī)體不可或缺的，所以谷物粉備受消費(fèi)者的喜愛(ài)。李居男以噴霧干燥技術(shù)為主要載體，對(duì)山藥、黑米、玉米、蕎麥、橙子等多種谷物及水果進(jìn)行了制粉處理，并評(píng)價(jià)了噴務(wù)干燥處理對(duì)其中功能活性成分的影響［30］;以各種噴霧干燥粉劑為基料，調(diào)配了4種沖調(diào)型功能性飲料。此外，噴霧干燥技術(shù)也常用于嬰兒營(yíng)養(yǎng)食品的加工中［31］，最常見(jiàn)的就是嬰兒奶粉的加工。沈國(guó)輝等采用噴霧干燥技術(shù)制備微膠囊嬰幼兒奶粉的研究表明，添加DHA微膠囊的嬰幼兒奶粉最佳工藝條件是:均質(zhì)壓力為40MPa、均質(zhì)溫度為40℃、噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度為170℃、出風(fēng)溫度為80℃，在此條件下制備添加DHA微膠囊的奶粉，在產(chǎn)品保質(zhì)期內(nèi)質(zhì)量指標(biāo)極為穩(wěn)定，未發(fā)生任何不良反應(yīng)［32］。

3結(jié)語(yǔ)

噴霧干燥在食品工業(yè)中的應(yīng)用已有多年的歷史，最早只應(yīng)用于奶粉的制造［33］，目前已廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)，因其本身的優(yōu)點(diǎn)，既克服了物料不易貯藏的缺點(diǎn)，又保留了物料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，為人們的健康提供了更好的保障［34］。隨著對(duì)噴霧干燥技術(shù)和設(shè)備的深入研究與開(kāi)發(fā)，以及人們對(duì)食品的風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的要求不斷提高，市場(chǎng)將出現(xiàn)越來(lái)越多的噴霧干燥產(chǎn)品，食品工業(yè)必將加速發(fā)展，前景廣闊。

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作者：盧義龍1，2 王明力1，2 李慧慧1，2 閆巖1 單位：1.貴州大學(xué)釀酒與食品工程學(xué)院 2.貴州大學(xué)發(fā)酵工程與生物制藥省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室