小型噴霧干燥機(jī)研究進(jìn)展

噴霧干燥機(jī) 摘要：隨著噴霧干燥機(jī)技術(shù)的日益完善，以及人們對于食品方面的嚴(yán)格要求，該技術(shù)在食品工業(yè)凸顯重要作用。本文綜述了噴霧干燥系統(tǒng)、其分類特點(diǎn)及在食品工業(yè)中運(yùn)用。對未來該技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的運(yùn)用進(jìn)行了相應(yīng)的展望。 關(guān)鍵字：噴霧干燥；分類；食品工業(yè) 噴霧干燥機(jī)技術(shù)的研究始于19世紀(jì)初期，在世界上已有一百多年的歷史。早在 1865年，La Mont提出了用噴霧干燥方法來處理蛋品，這種由液態(tài)經(jīng)霧化和干燥在短時(shí)間內(nèi)直接變成固體粉末的過程，在20世紀(jì)取得了長足的進(jìn)展。而噴霧干燥技術(shù)在我國起步較晚，Z早是在20世紀(jì)50年代從前蘇聯(lián)引進(jìn)噴霧干燥機(jī)用于染料的噴霧干燥 [1-2] 。目前，噴霧干燥技術(shù)已日漸成熟，在食品工業(yè)中的應(yīng)用也越來 越廣泛，如用于奶粉[3]、乳清粉[4]、豆奶粉[5]、蛋粉、果汁粉、速溶咖啡[6]等的生產(chǎn)。噴霧干燥機(jī)技術(shù)具有蒸發(fā)面積大、干燥速度快、物料溫度低、易于連續(xù)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，在食品干燥中顯示出很強(qiáng)的性。它使許多有價(jià)值但不易保存的物料得以大大延長保質(zhì)期，使一些物料便于包裝、貯存和運(yùn)輸。同時(shí)，也簡化了一些物料的加工工藝[7]。近幾年來，噴霧干燥機(jī)技術(shù)在固體飲料中的應(yīng)用也日益廣泛，如草莓粉、乳粉、南瓜粉、番茄粉及各種植物蛋白粉的加工等。本文闡述了噴霧干燥技術(shù)的分離及特點(diǎn)，同時(shí)綜述了噴霧技術(shù)在食品工業(yè)的運(yùn)用，為進(jìn)一步利用該技術(shù)及對其改進(jìn)提供一些參考。 1噴霧干燥技術(shù)及分類 1.1噴霧干燥技術(shù) 噴霧干燥是以單一工序?qū)⑷芤骸⑷闈嵋?、懸浮液和漿狀物料加工成粉狀、顆粒狀、空心球或團(tuán)粒狀干燥產(chǎn)品的一種干燥方法[8]，主要
是利用霧化器將料液分散成細(xì)小的霧滴，并在熱干燥介質(zhì)中迅速蒸發(fā)溶劑形成干粉產(chǎn)品的過程。一般噴霧干燥階段為料液霧化、霧群與熱干燥介質(zhì)接觸混合、霧滴的蒸發(fā)干燥、干燥產(chǎn)品與干燥介質(zhì)分離。料液的形式可以是溶液、懸浮液、乳濁液等經(jīng)泵可以輸送的液體形式，干燥所得產(chǎn)品可以是粉狀、顆粒狀或經(jīng)過團(tuán)聚的[9]。與傳統(tǒng)的干燥方法相比，噴霧干燥機(jī)技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，其干燥速度快，時(shí)間短(3～10 s)，適合于熱敏性物料的干燥；干燥過程瞬間完成，可由液體直接得到干燥產(chǎn)品，避免了干燥過程中造成粉塵飛揚(yáng)；無需蒸發(fā)、結(jié)晶、固液機(jī)械分離等操作；產(chǎn)品具有良好的分散性和溶解性，能大地保留原料本身的色、香、味和營養(yǎng)成分；生產(chǎn)過程簡單，操作控制方便。但噴霧干燥方法也有一些不易克服的缺點(diǎn)，如動(dòng)力消耗大、傳熱系數(shù)低導(dǎo)致熱效率低；干燥器的體積大、操作彈性小，易發(fā)生粘壁現(xiàn)象等 [10-11] 。 1.2噴霧干燥系統(tǒng) 噴霧干燥系統(tǒng)包括空氣加熱系統(tǒng)、供料系統(tǒng)、熱風(fēng)分配系統(tǒng)、霧化和干燥系統(tǒng)、回收系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等。[12] 1.2.1加熱系統(tǒng) 工業(yè)性的噴霧干燥設(shè)備的空氣加熱形式很多，如蒸汽加熱、電加熱、導(dǎo)熱油加熱、燃煤熱風(fēng)爐、燃?xì)鉄犸L(fēng)爐和燃油熱風(fēng)爐等。實(shí)驗(yàn)室用的噴霧干燥器由于干燥所需空氣量很少，所以選用了電加熱，這樣使得設(shè)備更緊湊，溫度調(diào)控便利，而且所需的電耗也少。此外，為了滿足生化產(chǎn)品的衛(wèi)生要求及工藝參數(shù)的可調(diào)性，加熱系統(tǒng)則包括空氣過濾器、電加熱器和調(diào)壓加熱等控制裝置。 1.2.2供料系統(tǒng) 工業(yè)性生產(chǎn)的噴霧干燥設(shè)備的供料系統(tǒng)一般采用螺桿泵加調(diào)節(jié)裝置。而微型噴霧干燥器選用醫(yī)用蠕動(dòng)泵，可滿足小流量、可調(diào)節(jié)的要求。 1.2.3熱風(fēng)分配系統(tǒng) 工業(yè)性生產(chǎn)的小型噴霧干燥機(jī)設(shè)備的熱風(fēng)分配系統(tǒng)采用DAR型、DHS型或直通型，根據(jù)霧化方式進(jìn)行選擇，通常對于JT-8000Y噴嘴型式霧化的采用直通型熱風(fēng)分配器。對于二流體噴嘴霧化方式 ,采用改進(jìn)型直通型熱風(fēng)分配器。 1.2.4霧化系統(tǒng) 本系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、霧化器、壓縮空氣的流量調(diào)節(jié)等。霧化器包括壓力式、二流體及離心式三種?？諝鈮嚎s機(jī)采用增氧泵型，流量調(diào)節(jié)用轉(zhuǎn)子流量計(jì)。 1.2.5干燥系統(tǒng) 干燥系統(tǒng)主要指干燥室和相關(guān)的管路、控制等。干燥室采用耐熱玻璃作為干燥室直筒(250 mm×300 mm)，便于觀察，且直觀性好，下部采用不銹鋼錐體連接，錐體角度不同于工業(yè)性生產(chǎn)的噴霧干燥設(shè)備的錐體 55°或60°，采用30°錐體以有利于干粉的卸落和增加的干燥流程。在干燥室的進(jìn)出口管道上裝有溫度檢測及顯示儀表。 在食品料滴表面形成的飽和蒸汽膜迅速進(jìn)行蒸發(fā)，蒸發(fā)溫度近似等于干燥空氣的濕球溫度。所設(shè)計(jì)的干燥室可提供有效的料滴逗留時(shí)間，使料滴在不發(fā)生熱降解的情況下被干燥。從噴霧干燥器排出的產(chǎn)品溫度近似等于25～30℃, 低于干燥空氣排出口的溫度。在蒸發(fā)階段,霧化形成的料滴分布也是可變的，主要取決于產(chǎn)品要求的外觀形狀。 1.2.6回收系統(tǒng) 本系統(tǒng)包括旋風(fēng)分離器、 增氧泵及產(chǎn)品收集器等。工業(yè)性生產(chǎn)噴霧干燥設(shè)備(JT-8000Y小型噴霧干燥機(jī))的回收系統(tǒng)一般有旋風(fēng)分離器、 濕式洗滌器和袋濾器等。一般采用兩種方式進(jìn)行物料的有效回收：兩處排出，即從干燥室底部和旋風(fēng)分離器排出；一處排出, 即粉料與干燥空氣一起從干燥室排出再經(jīng)旋風(fēng)分離器回收。 2噴霧干燥分類 2.1按微?；椒ǚ诸怺13] 已知溶液在噴霧干燥時(shí)，其表面積越大，則干燥速度越快，所以，為了增大被干燥溶液的表面積，使溶液微粒化，這是噴霧干燥關(guān)鍵的問題，微?；姆椒ㄓ腥N，即壓力小型噴霧干燥機(jī)、離心小型噴霧干燥機(jī)和氣流小型噴霧干燥機(jī)。因氣流噴霧在食品工業(yè)中較少采用，故此處只做簡要概述。 2.1.1壓力噴霧干燥機(jī) 2.1.1.1壓力噴霧干燥原理 利用高壓泵使料液的壓力達(dá)到（200大氣壓），對于高粘度物料的高壓泵可達(dá)300-400大氣壓。在的初速度下以切線方向進(jìn)入噴咀的旋轉(zhuǎn)室中,使料液形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。而聚化成直徑在10-20微米的霧狀微粒噴入干燥室，由于同熱空氣直接接觸，進(jìn)行熱交換和水分的傳遞，其表面水分迅速蒸發(fā)，在很短的時(shí)間內(nèi)被干燥成球狀顆粒，沉降千室底。旋轉(zhuǎn)速度與旋渦半徑成反比,故噴成的液霧呈空心園錐形。 2.1.1.2壓力噴霧微?；b置 壓力噴霧微?；b置是保證成品質(zhì)量，提高干燥效率的關(guān)鍵性部件，目前較為常用的有“M "型和“S "型兩種。小型噴霧干燥機(jī)噴嘴一般均有使液流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)溝結(jié)構(gòu)。 2.1.2離心小型噴霧干燥機(jī)噴霧干燥機(jī) 2.1.2.1離心噴霧干燥的原理 小型噴霧干燥機(jī)是利用在水平方向作高速旋轉(zhuǎn)的圓盤給予溶液以離心力，使其以高速甩出，形成薄膜、細(xì)絲或液滴，同時(shí)又受到周圍空氣的摩擦、阻礙與撕裂等作用，此時(shí)作用的兩種力是：由料液與熱風(fēng)界面之間的相對速度而產(chǎn)生的摩擦力；料液進(jìn)入到離心盤周緣處的慣性產(chǎn)生的離心力。隨著圓盤旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的切向速度與離心力作用而產(chǎn)生的徑向速度，結(jié)果以一合速度在圓盤上運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡可設(shè)想為一螺旋形，液體沿著此螺旋線自圓盤上拋出后，就分散成很微小的液滴以平均速度沿著圓盤切線方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)液滴又受到地心吸力的作用向下落。由于微灑出的微粒大小不同，因而它們飛行距離也就不同，因此在不同的距離落下的微粒形成一個(gè)以轉(zhuǎn)軸中心對稱的圓柱體。 2.1.2.2離心噴霧器結(jié)構(gòu) 它與壓力噴霧不同，不用高壓也可獲得很大的速度，當(dāng)溶液進(jìn)入旋轉(zhuǎn)盤而獲得旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，因離心力的作用，成薄膜狀的溶液以不斷增長的速度，向盤邊緣移動(dòng)而噴出成微細(xì)的霧狀。對于較優(yōu)良的離心盤設(shè)計(jì)，要求潤濕周邊長，能使溶液達(dá)到高轉(zhuǎn)速，噴霧均勻。離心盤本身結(jié)構(gòu)要求堅(jiān)固、質(zhì)輕、結(jié)構(gòu)簡單、*、易拆洗、并有較大的生產(chǎn)率。 目前在工業(yè)生產(chǎn)采用離心盤的式樣很多。對于碟式、碗式、僧帽式而言，它們均有較大的潤濕周邊，使溶液形成扁平之薄膜，有利于霧化，結(jié)構(gòu)也較簡單，其缺點(diǎn)是因表面平滑，溶液在轉(zhuǎn)盤內(nèi)產(chǎn)生較大的滑動(dòng)，使之不能得到較高的噴霧速度。另一方面，碟式離心盤在加料時(shí)，易發(fā)生液滴飛濺，碗式離心盤上的螺釘易脫落，造成危險(xiǎn)。 2.1.3氣流噴霧干燥 利用空氣的動(dòng)能如二流體（噴咀）霧化，從噴咀噴出的氣體速度一般為200-300米/秒，有時(shí)甚至達(dá)到聲速或超音速，但溶液流出的速度并不太大，因此在二種流體之間存在很大的相對速度，由此而產(chǎn)生的摩擦，使料液成為細(xì)絲狀，然后斷裂為微細(xì)霧滴。由細(xì)絲狀斷裂為細(xì)霧滴的快慢是與料液粘度和二流體之間的相對速度有關(guān)。 2.2按干燥室形式分類[14] 可根據(jù)干燥室中熱風(fēng)和被干燥顆粒之間運(yùn)動(dòng)方向來分類，一般分作并流型、逆流型和混流型三種。但是在食品工業(yè)中，如牛奶、果汁、雞蛋液等等，都是熱敏感物質(zhì)，故絕大多數(shù)采用并流型，也有采用混流型的。并流型的主要優(yōu)點(diǎn)可采用較高進(jìn)風(fēng)溫度來干燥，而不影響產(chǎn)品質(zhì)量，因?yàn)楦稍镏罿后的產(chǎn)品溫度，取決于干燥室的排風(fēng)溫度，溶浪與熱風(fēng)在干燥室同一邊進(jìn)入，而在水平的噴矩下進(jìn)行工作，稱為水平并流型，僅適用于壓力噴霧，我國老式嘖霧設(shè)備多采用此法。其缺點(diǎn)是當(dāng)處理量增加時(shí)，需增加壓力噴槍數(shù)目，但由于噴霧距離小，噴霧角等受到限制，在清掃產(chǎn)品時(shí)存在問題不小，漸漸被淘汰。 3噴霧干燥技術(shù)在食品工業(yè)中的運(yùn)用 3.1在食品添加劑中的應(yīng)用 在食品添加劑中，微膠囊香料是Z早應(yīng)用噴霧干燥技術(shù)的此技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了香料耐氧光熱的能力，提高了各種香料和風(fēng)味物質(zhì)的可加工性，延長了貯存期限，大大拓寬了香料和風(fēng)味物質(zhì)的使用范圍[15]。如木瓜蛋白酶作為一種酶制劑，易被氧化失活，且耐熱性差，易與金屬離子發(fā)生反應(yīng)；用β-環(huán)糊精噴霧干燥制成微膠囊可防止其氧化失活，減輕木瓜的特殊氣味，提高其熱穩(wěn)定性和利用率，從而拓寬了它的應(yīng)用范圍[16]。幾乎所有的油脂如芝麻油、花生油、棉籽油、大豆油、色拉油、豬油、玉米油、椰子油等均可經(jīng)噴霧干燥制成微膠囊，將其轉(zhuǎn)化成固體粉末油脂，從而可以方便地用作各種食品添加劑[17]。以大豆蛋白與麥芽糊精為壁材，將姜油樹脂噴霧干燥制成微膠囊，在改變姜油樹脂狀態(tài)的同時(shí)，也滿足了作為香料快速釋放的要求[18]。 3.2在乳制品中的運(yùn)用 乳制品干燥Z廣泛應(yīng)用的技術(shù)是噴霧干燥。由于乳制品中含有許多生物活性成分及營養(yǎng)物質(zhì)，因而不進(jìn)行強(qiáng)烈的熱處理，且允許產(chǎn)品在常溫條件下貯存是噴霧干燥技術(shù)的優(yōu)勢所在。[19]對于奶粉粘壁問題，L Ozmen等人研究了脫脂奶粉玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度和粘點(diǎn)溫度的對應(yīng)關(guān)系，用試驗(yàn)證明了粘點(diǎn)曲線和玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度曲線之間的正向?qū)?yīng)關(guān)系，得出可以用DSC（差式量熱掃描儀）測定玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度曲線來模擬和研究顆粒掛壁現(xiàn)象。[20] 從而通過粘點(diǎn)曲線這一半定量標(biāo)準(zhǔn) 對產(chǎn)品進(jìn)行一次評估，有利于后續(xù)工藝的改善。此外，乳制品制粉后如何提高其速溶性也是研究的方向，在此過程中加熱程度、顆粒直徑等因素都會對其有影響。MAA Cruz等用實(shí)驗(yàn)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(jìn)料量和進(jìn)口溫度（1.4 kg/h，160℃），較高的噴霧轉(zhuǎn)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[21]。隨著自動(dòng)化及信息化技術(shù)的完善，如今可通過技術(shù)模擬來進(jìn)行產(chǎn)品的預(yù)測，從而在保證高質(zhì)量的同時(shí)降低成本的輸出。 3.3在速溶茶飲料中的應(yīng)用 茶飲料具有良好的功能性，其中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)以及對人體有益活性成分。為了擴(kuò)大茶飲料市場，通過噴霧干燥制備的茶飲料也日益受到廣大消費(fèi)者的歡迎。由于種類較多，因此噴霧干燥技術(shù)參數(shù)上有的差異。庫爾班江等[22]采用正交試驗(yàn)的方法，優(yōu)化了菊花速溶茶噴霧干燥工藝，確定的Z佳工藝為進(jìn)口溫度為200℃，噴霧壓力為180kPa，料液相對密度為1.05。周天山等[23]在去苦味冷溶型速溶綠茶的加工工藝中采用噴霧干燥參數(shù)為：進(jìn)口溫度135℃，出口溫度75℃，進(jìn)樣速度為10mL/ min。談鴻斌等[24]在速溶茶粉的生產(chǎn)中指出，進(jìn)風(fēng)溫度為250℃，使用壓力噴嘴，操作壓力為2.5～3.0MPa時(shí)就可以得到串珠狀顆粒。周建華[25]在桑椹速溶茶的研制中所采用的噴霧條件是：進(jìn)料液溫度45～50℃，進(jìn)風(fēng)溫度為200～220℃，排風(fēng)溫度為80～90℃，干燥室溫度保持85～95℃，轉(zhuǎn)速為800～1500 r/ min。
3.4在果蔬粉加工中的應(yīng)用 在水果和蔬菜中，利用噴霧干燥法加工成粉的，Z多的是番茄[26]。番茄紅素(Lycopene)是番茄內(nèi)Z主要的類胡蘿卜素，是一種不飽和碳?xì)浠衔?，是人體血清中存在的Z主要的類胡蘿卜素。它通過捕捉單線態(tài)氧和過氧化自由基發(fā)揮抗氧化作用，但番茄紅素的穩(wěn)定性很差，易發(fā)生順反異構(gòu)化和氧化降解。果蔬漿含有大量的小分子糖，主要有葡萄糖和果糖，它們的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度(g)分別是31℃和 50℃[27]。其粘性大，很難進(jìn)行噴霧干燥，且在噴霧干燥過程中，果蔬粉會因它的熱塑性和吸濕性而出現(xiàn)結(jié)塊問題[28]。劉元軍以明膠與蔗糖為壁材，研究了番茄紅素微膠囊化工藝技術(shù)[27]，將番茄紅素封閉在囊膜內(nèi)與外界環(huán)境隔離，提高了對光和氧的穩(wěn)定性，從而起到保護(hù)作用，可減少損失，也有利于產(chǎn)品的包裝和運(yùn)輸。 3.5在保健食品中的應(yīng)用 目前我國保健食品的功能多集中在免疫調(diào)節(jié)抗衰老、抗疲勞等領(lǐng)域，而未來的發(fā)展趨勢是產(chǎn)品功能分布將逐步發(fā)散，趨向合理，中藥保健食品、老年保健食品、職業(yè)保健食品、昆蟲保健食品、海洋保健食品等是我國保健食品未來的發(fā)展方向[29]。如蜂膠具有抗菌、抗病毒、抗高血壓、抗癌、促進(jìn)組織再生、增強(qiáng)免疫功能等功效，用麥芽糊精等壁材包埋成包埋率高的微膠囊粉末，大大提高了蜂膠的保質(zhì)期[30]。天然維生素E是生育酚類化合物的總稱，它是油溶性的熱敏性物質(zhì)，難以與水溶性物質(zhì)混溶，因此不易均勻地添加于食品、化妝品、藥品等水溶性產(chǎn)品中，用水溶性壁材噴霧干燥制成微膠囊，既能保持天然
維生素E的固有特性，又能彌補(bǔ)其易氧化和不易溶于水溶性產(chǎn)品的缺點(diǎn)[15]。 3.6在其他食品領(lǐng)域的應(yīng)用 近年來隨著各種方便食品的開發(fā)，酸味劑的品種也越來越豐富 但如果把某些酸味劑直接添加到食品配料中，酸味劑會與果膠、蛋白質(zhì)、淀粉等成分發(fā)生反應(yīng)，使食品發(fā)生變質(zhì)。目前，微膠囊化檸檬酸乳酸、蘋果酸等產(chǎn)品已商品化，廣泛應(yīng)用于餡餅填充物、點(diǎn)心粉、固體飲料及肉類等食品加工業(yè)中。在實(shí)際應(yīng)用中，微膠囊化防腐劑類產(chǎn)品主要利用微膠囊的控制釋放及緩釋的特點(diǎn)，避免在加工過程中由于直接加入山梨酸、苯甲酸等防腐劑而影響食品質(zhì)量[15]。 4展望 噴霧干燥技術(shù)在生產(chǎn)加工中的應(yīng)用越來越廣泛，又因其本身的優(yōu)點(diǎn)，既克服了物料不易貯藏的缺點(diǎn)，又保留了物料的營養(yǎng)價(jià)值，為人們的健康提供了更好的保障。而且，隨著人們生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快，人們對食品的色、香、味要求越來越高，對方便、營養(yǎng)的食品需求量越來越大[31]。同時(shí)，在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的噴霧冷凍技術(shù)、食品泡沫噴霧技術(shù)、噴霧干燥微膠囊化、無菌噴霧干燥技術(shù)等也都將邁上一個(gè)新的臺階。單一的噴霧干燥技術(shù)的日益完善，使得噴霧干燥與流化床干燥聯(lián)用技術(shù)在工業(yè)化生產(chǎn)中形成，而聯(lián)用技術(shù)更能滿足大批量的工業(yè)化需要。此外，生產(chǎn)中噴霧干燥技術(shù)將漸漸擴(kuò)展到一些酶的包埋、食品添加劑的制取、微膠囊化食品的生產(chǎn)等，其在食品領(lǐng)域中有著廣闊的發(fā)展前景。