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。隨著對噴霧干燥技術(shù)和設(shè)備的深入研究與開發(fā)，噴霧干燥技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用將更將廣泛。簡單介紹噴霧干燥的主要特點及存在的問題，重點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年美國人SameulPercy在其“干燥操作的改進(jìn)及通過霧化將液體物料濃縮”的專利中清楚地論述了噴霧干燥過程的實質(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處理蛋品，噴霧干燥技術(shù)已有一個多世紀(jì)的發(fā)展歷史了，但是在我國發(fā)展起步較晚，20世紀(jì)50年代吉林染料廠從前蘇聯(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，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，人們對它的基本原理和特點也進(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)過過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
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)分鐘會產(chǎn)生變性，在高溫下放置也會產(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、流動性和溶解性。對于干燥產(chǎn)品而言，分散性、流動性和溶解性是產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)。在噴霧干燥過程中，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、流動性和溶解性。
1．2．3生產(chǎn)過程簡化、操作控制方便，適宜于連續(xù)化大規(guī)模生產(chǎn)。通過噴霧干燥獲得的產(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噴霧干燥存在的問題
噴霧干燥技術(shù)的優(yōu)點是顯著的，但是其不足之處也是不容忽視的。其缺點主要表現(xiàn)在動力消耗大，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］。尤其是粘壁問題，在噴霧干燥過程中如果發(fā)生粘壁物料由于長時間停留在熱的內(nèi)壁上，有可能被燒焦或變質(zhì)，影響產(chǎn)品質(zhì)量。周學(xué)永等對噴霧干燥粘壁的類型和原因進(jìn)行了分析，提出了噴霧干燥粘壁的3種類型:半濕物料粘壁、低熔點物料的熱熔性粘壁和干粉表面粘附，并提出了解決各種類型粘壁的方案［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
我國是農(nóng)業(yè)大國，果蔬產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)已成為僅次于糧食的支柱產(chǎn)業(yè)［9］。果蔬粉因其具有獨特的優(yōu)點，不僅能克服果蔬不耐貯藏、容易腐爛變質(zhì)等缺點，而且能夠滿足人們對果蔬多樣化、高檔化和新鮮化趨勢的需求，所以具有廣闊的開發(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，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，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，制成的山藥粉色澤潔白、粉末細(xì)膩、質(zhì)量評價較高［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［14］，所以越來越受到人們的青睞。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?，?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)合凝聚法對蔥油香精進(jìn)行包埋，以微膠囊包埋率為評價指標(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，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”［22］。隨著我國國民經(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，魚油市場不斷擴(kuò)大，魚油消費也開始迅速增長。但是由于魚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)用及市場需求，而魚油微膠囊化不僅可以有效防止其氧化變質(zhì)，而且能夠掩蓋魚腥味。SriHaryaniAnwar等研究了各種干燥方法制備的微膠囊魚油，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油的穩(wěn)定性［24］。蜂膠含有豐富而獨特的生物活性物質(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蜂膠提取物進(jìn)行微膠囊化處理，通過測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］。試驗表明，以阿拉伯樹膠和糊精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，以及人們對食品的風(fēng)味和營養(yǎng)價值的要求不斷提高，市場上出現(xiàn)了越來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者的喜愛。李居男以噴霧干燥技術(shù)為主要載體，對山藥、黑米、玉米、蕎麥、橙子等多種谷物及水果進(jìn)行了制粉處理，并評價了噴務(wù)干燥處理對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)也常用于嬰兒營養(yǎng)食品的加工中［31］，最常見的就是嬰兒奶粉的加工。沈國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
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，既克服了物料不易貯藏的缺點，又保留了物料的營養(yǎng)價值，為人們的健康提供了更好的保障［34］。隨著對噴霧干燥技術(shù)和設(shè)備的深入研究與開發(fā)，以及人們對食品的風(fēng)味和營養(yǎng)價值的要求不斷提高，市場將出現(xiàn)越來越多的噴霧干燥產(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實驗室
