小型噴霧干燥機研究進展

噴霧干燥機 摘要：隨著噴霧干燥機技術(shù)的日益完善，以及人們對于食品方面的嚴格要求，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)、其分類特點及在食品工業(yè)中運用。對未來該技術(shù)在各個領(lǐng)域中的運用進行了相應(yīng)的展望。 關(guān)鍵字：噴霧干燥；分類；食品工業(yè)  噴霧干燥機技術(shù)的研究始于19世紀初期，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)霧化和干燥在極短時間內(nèi)直接變成固體粉末的過程，在20世紀取得了長足的進展。而噴霧干燥技術(shù)在我國起步較晚，zui早是在20世紀50年代從前蘇聯(lián)引進噴霧干燥機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，在食品干燥中顯示出很強的*性。它使許多有價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、貯存和運輸。同時，也簡化了一些物料的加工工藝[7]。近幾年來，噴霧干燥機技術(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的加工等。本文闡述了噴霧干燥技術(shù)的分離及特點，同時綜述了噴霧技術(shù)在食品工業(yè)的運用，為進一步利用該技術(shù)及對其改進提供一些參考。 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闈嵋骸腋∫汉蜐{狀物料加工成粉狀、顆粒狀、空心球或團粒狀干燥產(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)過團聚的[9]。與傳統(tǒng)的干燥方法相比，噴霧干燥機技術(shù)有很多優(yōu)點，其干燥速度快，時間短(3～10 s)，特別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；無需蒸發(fā)、結(jié)晶、固液機械分離等操作；產(chǎn)品具有良好的分散性和溶解性，能極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，如動力消耗大、傳熱系數(shù)低導致熱效率低；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、導熱油加熱、燃煤熱風爐、燃氣熱風爐和燃油熱風爐等。實驗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蠕動泵，可滿足小流量、可調(diào)節(jié)的要求。  1.2.3熱風分配系統(tǒng)  工業(yè)性生產(chǎn)的小型噴霧干燥機設(shè)備的熱風分配系統(tǒng)采用DAR型、DHS型或直通型，根據(jù)霧化方式進行選擇，通常對于JT-8000Y噴嘴型式霧化的采用直通型熱風分配器。對于二流體噴嘴霧化方式 ,采用改進型直通型熱風分配器。 1.2.4霧化系統(tǒng)  本系統(tǒng)包括空氣壓縮機、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。空氣壓縮機采用增氧泵型，流量調(diào)節(jié)用轉(zhuǎn)子流量計。 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一定的干燥流程。在干燥室的進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)計的干燥室可提供有效的料滴逗留時間，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)的回收系統(tǒng)一般有旋風分離器、 濕式洗滌器和袋濾器等。一般采用兩種方式進行物料的有效回收：兩處排出，即從干燥室底部和旋風分離器排出；一處排出, 即粉料與干燥空氣一起從干燥室排出再經(jīng)旋風分離器回收。 2噴霧干燥分類 2.1按微粒化方法分類[13]  已知溶液在噴霧干燥時，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，必須使溶液微粒化，這是噴霧干燥非常關(guān)鍵的問題，微粒化的方法有三種，即壓力小型噴霧干燥機、離心小型噴霧干燥機和氣流小型噴霧干燥機。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 2.1.1.1壓力噴霧干燥原理  利用高壓泵使料液的壓力達到（200大氣壓），對于高粘度物料的高壓泵可達300-400大氣壓。在一定的初速度下以切線方向進入噴咀的旋轉(zhuǎn)室中,使料液形成旋轉(zhuǎn)運動。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壓力噴霧微粒化裝置  壓力噴霧微粒化裝置是保證成品質(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。小型噴霧干燥機噴嘴一般均有使液流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的導溝結(jié)構(gòu)。 2.1.2離心小型噴霧干燥機噴霧干燥機 2.1.2.1離心噴霧干燥的原理  小型噴霧干燥機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、細絲或液滴，同時又受到周圍空氣的摩擦、阻礙與撕裂等作用，此時作用的兩種力是：由料液與熱風界面之間的相對速度而產(chǎn)生的摩擦力；料液進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動，其運動軌跡可設(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動，同時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，當溶液進入旋轉(zhuǎn)盤而獲得旋轉(zhuǎn)運動時，因離心力的作用，成薄膜狀的溶液以不斷增長的速度，向盤邊緣移動而噴出成微細的霧狀。對于較優(yōu)良的離心盤設(shè)計，要求潤濕周邊長，能使溶液達到高轉(zhuǎn)速，噴霧均勻。離心盤本身結(jié)構(gòu)要求堅固、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，其缺點是因表面平滑，溶液在轉(zhuǎn)盤內(nèi)產(chǎn)生較大的滑動，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，易發(fā)生液滴飛濺，碗式離心盤上的螺釘易脫落，造成危險。 2.1.3氣流噴霧干燥  利用空氣的動能如二流體（噴咀）霧化，從噴咀噴出的氣體速度一般為200-300米/秒，有時甚至達到聲速或超音速，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，使料液成為細絲狀，然后斷裂為微細霧滴。由細絲狀斷裂為細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)干燥室中熱風和被干燥顆粒之間運動方向來分類，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)點可采用較高進風溫度來干燥，而不影響產(chǎn)品質(zhì)量，因為干燥至zui后的產(chǎn)品溫度，取決于干燥室的排風溫度，溶浪與熱風在干燥室同一邊進入，而在水平的噴矩下進行工作，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。其缺點是當處理量增加時，需增加壓力噴槍數(shù)目，但由于噴霧距離小，噴霧角等受到一定限制，在清掃產(chǎn)品時存在問題不小，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zui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，也滿足了作為香料快速釋放的要求[18]。 3.2在乳制品中的運用      乳制品干燥zui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)，因而不進行強烈的熱處理，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)化溫度和粘點溫度的對應(yīng)關(guān)系，用試驗證明了粘點曲線和玻璃態(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] 從而通過粘點曲線這一半定量標準 對產(chǎn)品進行一次評估，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等用實驗型噴霧干燥塔生產(chǎn)高質(zhì)量的速溶全脂奶粉，采用的條件是：較低的進料量和進口溫度（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]。隨著自動化及信息化技術(shù)的完善，如今可通過技術(shù)模擬來進行產(chǎn)品的預測，從而在保證高質(zhì)量的同時降低成本的輸出。 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者的歡迎。由于種類較多，因此噴霧干燥技術(shù)參數(shù)上有一定的差異。庫爾班江等[22]采用正交試驗的方法，優(yōu)化了菊花速溶茶噴霧干燥工藝，確定的*工藝為進口溫度為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：進口溫度135℃，出口溫度75℃，進樣速度為10mL/ min。談鴻斌等[24]在速溶茶粉的生產(chǎn)中指出，進風溫度為250℃，使用壓力噴嘴，操作壓力為2.5～3.0MPa時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：進料液溫度45～50℃，進風溫度為200～220℃，排風溫度為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，zui多的是番茄[26]。番茄紅素(Lycopene)是番茄內(nèi)zui主要的類胡蘿卜素，是一種不飽和碳氫化合物，是人體清中存在的zui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，從而起到保護作用，可減少損失，也有利于產(chǎn)品的包裝和運輸。 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，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、抗高壓、抗癌、促進組織再生、增強免疫功能等功效，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，又能彌補其易氧化和不易溶于水溶性產(chǎn)品的缺點[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、點心粉、固體飲料及肉類等食品加工業(yè)中。在實際應(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，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，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。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，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。