噴霧干燥技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

盧義龍　王明力　李慧慧　閆巖

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(diǎn)及存在的問題，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

中圖分類號(hào) S509.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2015）11-276-03

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Sam eulPercy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(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(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，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(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(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3～10 s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(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(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]。尤其是粘壁問題，在噴霧干燥過程中如果發(fā)生粘壁物料由于長時(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(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(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。Vaibhav Patil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∶2 g/ml，進(jìn)風(fēng)溫度為160 ℃，進(jìn)料量為500 ml/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25 ml/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，這些問題都迎刃而解，而微膠囊技術(shù)的關(guān)鍵就是噴霧干燥。Ng Lay Tze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、pH 4.16，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65.54 μm。

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(fèi)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。Sri Haryani Anwar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(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20 ml/min，進(jìn)風(fēng)壓力為0.2 MPa，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)味和營養(yǎng)價(jià)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(fèi)者的喜愛。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40 MPa、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(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[34]。隨著對(duì)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(duì)食品的風(fēng)味和營養(yǎng)價(jià)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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