牛奶加工單元操作（六）——牛奶的干燥

/顧佳升（上海奶業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)）

牛奶加工單元操作（六）——牛奶的干燥

/顧佳升
（上海奶業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)）

1　水在濃縮奶里的存在形態(tài)

通過(guò)濃縮方法蒸發(fā)牛奶中水分的方法，由于受到黏度的牽制而有很大的局限性。因此如何進(jìn)一步干燥除去水分，使得牛奶里的干物質(zhì)更便于保存和運(yùn)輸，已經(jīng)成為了牛奶脫水處理的第二大課題。

與濃縮前的牛奶不同，濃縮后，牛奶中的自由水分子基本都被蒸發(fā)了，留在濃縮奶里的主要是束縛水。但是水依然是承載乳固體分散物質(zhì)的連續(xù)相，其中的各種成分都在盡其能力爭(zhēng)奪水分子，以形成自己的水化層。然而可以爭(zhēng)奪的水分子很少，能力弱的成分由于形不成水化層而不得不析出沉淀，比如甜煉乳里的乳糖和淡煉乳里的檸檬酸鈣。

由此可知，干燥操作的對(duì)象主要是濃縮奶里的束縛水，這需要比濃縮蒸發(fā)更強(qiáng)的能量才能完成。簡(jiǎn)單回顧歷史上采用過(guò)的原始方法，可以幫助理解以下問(wèn)題：為什么牛奶干燥方法的突破口，集中在克服濃縮奶的黏度障礙和提升蒸發(fā)脫水強(qiáng)度2 個(gè)方面？

2　干燥的原始方法

最原始的干燥方法其實(shí)就是做“土煉乳”過(guò)程的自然延續(xù)，即平鍋法。只是當(dāng)牛奶的體積減少到大約一半時(shí)不加入蔗糖，而是繼續(xù)以“幽火翻炒”，直到成塊狀后移離火灶。另取硬物將塊狀物碾壓成粉，制得的成品叫“土奶粉”。顯然土奶粉的復(fù)原品質(zhì)比土煉乳還要低得多，其中經(jīng)常可以發(fā)現(xiàn)黑色碳化顆粒物的存在。

20世紀(jì)40年代還有一種原始機(jī)械化的做法，如圖1所示。圖中的滾筒以銅質(zhì)或鑄鐵制成，直徑為600 mm，長(zhǎng)度為1.1 m；內(nèi)部維持著4.5 個(gè)大氣壓力的高溫水蒸汽；以12 r/min的速度旋轉(zhuǎn)。把牛奶均勻地散布在緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵筒外表面，形成一層薄膜。轉(zhuǎn)動(dòng)大半圈之后，液態(tài)薄膜已經(jīng)干燥成為固態(tài)奶片，圖1顯示的“3刮刀”將固態(tài)奶片刮下；最后施壓粉碎成粉。雖然操作方便了不少，而且改進(jìn)為薄層蒸發(fā)，縮短了牛奶受熱的時(shí)間，但是品質(zhì)只得到了稍許改善。

圖1　雙滾筒干燥設(shè)備工作原理圖

3　干燥的經(jīng)典工藝

1901年歐洲出現(xiàn)了第1 個(gè)“壓力噴霧干燥”的專利，內(nèi)容是利用一個(gè)“噴嘴”，借助壓力將濃縮牛奶噴進(jìn)1 個(gè)充滿熱空氣的箱子，以“霧滴”的形態(tài)進(jìn)行干燥。其意義在于第1次改變了牛奶里承載各種干物質(zhì)的水的存在狀態(tài)。牛奶自身被分散在連續(xù)的空氣里，成為體積非常微小的“霧滴”在空氣里流動(dòng)。于是濃縮了的牛奶因其自身黏度高而難以流動(dòng)的問(wèn)題，被“霧滴”與空氣之間的摩擦力所替代。

2 年之后，有人在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，主要是再增加1 個(gè)“熱空氣噴嘴”，往這個(gè)箱子里源源不斷地提供熱空氣，另開(kāi)1 個(gè)出氣孔形成一股熱空氣流，液滴漂浮在空氣流里實(shí)現(xiàn)干燥，箱子里也形成了1 個(gè)低于大氣壓的負(fù)壓狀態(tài)，于是產(chǎn)生了現(xiàn)代意義上的噴霧干燥技術(shù)最初的雛形。1912年有人開(kāi)始研究用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤代替噴嘴，也能夠?qū)饪s奶粉散成霧滴，開(kāi)創(chuàng)了“離心噴霧”新方法，但是世界性的專利直到1933年才出現(xiàn)。按照現(xiàn)在歸類，離心噴霧也屬于噴霧干燥法之一。

此后幾十年間不斷有人研究和改進(jìn)噴霧干燥技術(shù)，諸如濃縮奶的成分和濃度，濃縮牛奶噴霧的角度和形狀，霧滴大小和干燥速率，熱空氣吸收水分的性質(zhì)等各方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。圖2所顯示的是1949年新中國(guó)建立時(shí)，從上海英國(guó)商人手里接受下來(lái)的一條奶粉壓力噴霧加工流水線的現(xiàn)場(chǎng)紀(jì)實(shí)資料。

圖2的噴霧箱是用木材打制的，只是在木質(zhì)箱子的內(nèi)壁鋪襯了鍍錫薄鐵皮（俗稱“馬口鐵”）。濃縮奶由高壓泵通過(guò)管道輸送，送到安裝在噴霧箱左側(cè)壁上的4 個(gè)“水平方向噴頭”。在壓力驅(qū)動(dòng)下經(jīng)過(guò)每個(gè)噴頭時(shí)，濃縮奶形成4 個(gè)呈圓錐體形狀散開(kāi)的密集“霧滴群”，并沿著水平方向在箱內(nèi)前進(jìn)（圖3）。

在濃縮奶4 個(gè)噴頭的外圈，安裝著熱風(fēng)管的進(jìn)口。該進(jìn)口噴出來(lái)的是160～220 ℃的高溫干燥空氣，可沿著水平方向以更高的速度前進(jìn)。熱空氣將圓錐體形狀散開(kāi)的濃縮奶“霧滴群”包裹在一起向前運(yùn)動(dòng)?！办F滴”狀的濃縮奶在與高溫干燥空氣同方向一起前進(jìn)的過(guò)程中，所含的水分迅速蒸發(fā)，而液體顆粒的表面溫度始終保持在70 ℃以下。濃縮奶“霧滴”則在失去水分后變成了干燥的粉末顆粒而跌落到了噴霧箱的底部。這里設(shè)有一個(gè)“螺旋傳送帶”，連續(xù)不斷地將跌落下來(lái)的奶粉顆粒及時(shí)運(yùn)出噴霧箱，并立即降溫。蒸發(fā)出來(lái)的水分則隨高速流動(dòng)的空氣被帶出噴霧箱，出口空氣的溫度為70～90 ℃。過(guò)于細(xì)小顆粒的奶粉難免被高速空氣所裹挾，但它們會(huì)被設(shè)在噴霧箱內(nèi)右上方的過(guò)濾布袋截下。

濃縮奶“霧滴”里水分的蒸發(fā)，實(shí)際上存在前后2 個(gè)不同的階段。前期叫做“恒速干燥階段”，蒸發(fā)速度很快。大部分水分蒸發(fā)后，未干透的顆粒表面形成了一層薄“殼”，降低了顆粒內(nèi)部水分的蒸發(fā)速度，進(jìn)入后一個(gè)“降速干燥階段”。在降速干燥階段，顆粒物的溫度有可能上升，引起牛奶的焦化和蛋白質(zhì)嚴(yán)重變性。可見(jiàn)霧滴和奶粉均不宜長(zhǎng)時(shí)間停留在干燥箱內(nèi)，這也是為什么用于干燥成粉的濃縮奶干物質(zhì)含量需要比煉乳更高一些但又不能太高的原因。

奶粉顆粒的最后含水量取決于出口的空氣溫度（嚴(yán)格說(shuō)是由溫度決定的熱空氣的“相對(duì)濕度”），一般熱空氣的出口溫度也不宜超過(guò)90 ℃，此時(shí)所得奶粉的水分含量最低為1.88%。這部分水不是一般意義上的束縛水，而是與蛋白質(zhì)分子結(jié)合得更為緊密的“結(jié)合水”。不能徹底除去結(jié)合水，否則奶粉里的蛋白質(zhì)功能會(huì)發(fā)生變化。通常奶粉的水分含量應(yīng)控制在3%～5%為好，低的水分含量足以抑制殘留在成品中微生物的生長(zhǎng)繁殖。

圖2　壓力噴霧干燥箱示意圖

圖3　單個(gè)圓錐體形狀散開(kāi)的密集霧滴示意圖

目前使用的干燥設(shè)備，無(wú)論在材料、結(jié)構(gòu)和布局上都已發(fā)生了根本的改進(jìn)，如圖4所示。

圖5是圖4中“空氣和粉粒分離系統(tǒng)（5）”的局部放大圖，顯示的是“空氣和粉粒分離系統(tǒng)”中的主要部件“旋風(fēng)分離器”的工作原理。來(lái)自干燥室的空氣通常裹挾了特別細(xì)小的奶粉顆粒，以前多用布袋過(guò)濾截留?，F(xiàn)在按氣流運(yùn)動(dòng)的切線方向被引導(dǎo)進(jìn)入一個(gè)瘦而高的錐形容器內(nèi)，裹挾著奶粉細(xì)微顆粒的氣流沿著錐形容器高速旋轉(zhuǎn)，效果猶如脂肪離心分離機(jī)。其中較輕的空氣向上排出，而較重的奶粉顆粒下落到錐底。錐底有個(gè)出口，下落的顆粒與來(lái)自圖4里的“干燥室（1）”的大量奶粉匯合，由“氣動(dòng)輸送和冷卻系統(tǒng)（6）”送往出粉口。

據(jù)測(cè)定，1 L濃縮奶經(jīng)過(guò)噴頭壓力霧化后，形成了約15 億個(gè)“霧滴”，其平均直徑為50 μm，總表面積達(dá)120 m2。進(jìn)口熱空氣的溫度約為200 ℃，出口時(shí)約為90 ℃。濃縮奶霧滴中的大量水分幾乎在瞬間得到蒸發(fā)，“霧滴”隨即變成平均直徑為35 μm左右的粉末。至此，商業(yè)化的干燥工藝和裝備都發(fā)展得成熟了。

但當(dāng)奶粉進(jìn)入平常百姓家庭之后，卻經(jīng)常遇到消費(fèi)者的抱怨，這是由于沖調(diào)奶粉過(guò)于麻煩。因?yàn)楫?dāng)時(shí)奶粉的顆粒一般都很細(xì)，與水混和時(shí)常?！按驁F(tuán)”。尤其是全脂純奶粉非常不易調(diào)均，需要用匙背去壓捻才行。情況如同用水和面粉和面時(shí)，需要用手“拿捏”打團(tuán)的“面粉小疙瘩”一樣。進(jìn)入20世紀(jì)50年代之后，奶粉噴霧干燥技術(shù)首先在脫脂奶粉的“速溶化（Instantizing）”方向上有了新的突破，由此干燥方法也發(fā)生了許多變化。圖6顯示了濃縮奶噴霧方向和熱空氣流動(dòng)方向不同組合的多種可能性。

圖4　常用的奶粉干燥流水線

圖5　旋風(fēng)分離器工作原理圖

圖6　按濃縮奶噴霧方向和熱空氣流動(dòng)方向分類的壓力噴霧干燥方式

這些研究的目的是通過(guò)探討“空氣流”和“霧滴流”運(yùn)動(dòng)方向的交叉角度，尋找最佳方案以獲得更大的奶粉顆粒，改善奶粉用水沖調(diào)時(shí)的性能。比較研究的結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，為了促使細(xì)小顆粒變成大顆粒，也可以通過(guò)將已經(jīng)干燥的小顆粒細(xì)粉收集起來(lái)，回噴到濃縮奶“霧滴”來(lái)形成大顆粒，稱為“霧滴附聚法”。圖7表現(xiàn)了其中一個(gè)方案的細(xì)節(jié)。

圖7　霧滴附聚法示意圖

后來(lái)發(fā)現(xiàn)更有效的方法是在“振動(dòng)流化床”里實(shí)現(xiàn)的“再濕潤(rùn)表面附聚法”。圖8顯示了大致的工作情況。圖8中的分布板是傾斜安置的，左高右低。而且在工作狀態(tài)中一直維持著一定幅度和頻率的振動(dòng)，有助于堆積在上面的奶粉顆粒自左向右移動(dòng)。同時(shí)奶粉顆粒受板下干燥空氣斜向進(jìn)來(lái)的沖擊，一邊向上翻滾飄起一邊向右運(yùn)動(dòng)。顯然奶粉顆粒在整個(gè)過(guò)程中相互碰撞的幾率很大，如果此時(shí)顆粒表面帶有一點(diǎn)黏性，它們就會(huì)附聚在一起。振動(dòng)流化床是由“固定沸騰床”改進(jìn)而來(lái)的，如果分布板是水平固定安置的，干燥空氣也是垂直向上運(yùn)動(dòng)，分布板上的顆粒物質(zhì)被適當(dāng)強(qiáng)度的流動(dòng)空氣“吹頂”翻滾起來(lái)，就像液態(tài)物質(zhì)在“沸騰”，并因此而得名。事實(shí)上它本身也是一種適用于固體顆粒物脫水的干燥器。

得到實(shí)用的帶有振動(dòng)流化床的速溶奶粉流水線，有多種不同的設(shè)計(jì)方案，圖9顯示了其中之一。待附聚的奶粉由進(jìn)料器（4）送入濕潤(rùn)室（5）的上部，在降落時(shí)遇到霧化噴嘴（3）噴出的濃縮奶霧滴。待附聚的奶粉顆粒表面被濕潤(rùn)而具黏性，在濕潤(rùn)室（5）的降落過(guò)程中相互開(kāi)始附聚，經(jīng)濕潤(rùn)奶粉通口（7）進(jìn)入振動(dòng)流化床（6），在振動(dòng)流化床的前半部分顆粒物邊附聚邊干燥，在其后半部分主要是干燥。當(dāng)水分含量符合要求時(shí)，附聚了的奶粉顆粒從出口（9）排出，進(jìn)入灌裝工段。

附聚后的奶粉顆粒平均直徑可以達(dá)到100μm左右。圖10是某批奶粉附聚前后，在顯微鏡下的照片。

圖8　振動(dòng)流化床工作原理

圖9　再濕潤(rùn)表面附聚法原理示意圖

經(jīng)過(guò)諸多努力之后，終于在1954年出現(xiàn)了第1個(gè)脫脂速溶奶粉的專利。全脂速溶奶粉技術(shù)之所以一直沒(méi)能突破，是因?yàn)樵谘芯窟^(guò)程認(rèn)識(shí)到，奶粉顆粒的大小只是影響溶解性能眾多因素里的一個(gè)主要因素，此外還有其它次要因素也制約著速溶性能的實(shí)現(xiàn)。尤其對(duì)于全脂奶粉，更主要的一個(gè)原因在于顆粒表面存在著脂肪，很難與水親和。后來(lái)有人從模擬牛奶里脂肪球膜的結(jié)構(gòu)著手，在奶粉顆粒表面噴涂了少許卵磷脂，全脂奶粉速溶的問(wèn)題才迎刃而解了。一般是在沸騰床或流化床的前中端，當(dāng)再濕潤(rùn)附聚的大顆粒剛成型之時(shí)，將卵磷脂噴涂上去。圖11顯示了速溶全脂奶粉的生產(chǎn)全過(guò)程的一種具體方案。

然而大量的實(shí)踐進(jìn)一步表明，奶粉的速溶性只是解決了沖調(diào)的方便性。肉眼可見(jiàn)的“水溶現(xiàn)象”，并不等同奶粉復(fù)原之后各種成分如同生鮮牛奶一樣，具有同等的功能。特別是其中的蛋白質(zhì)，在由奶粉復(fù)原成的“復(fù)原奶（Reconstituted milk）”中，原來(lái)的“膠體懸濁液”特征在相當(dāng)程度上發(fā)生了改變。這意味著乳蛋白生理活性也發(fā)生了變化。美國(guó)奶粉研究所對(duì)此深入研究多年，于1971年發(fā)布了“奶粉熱處理強(qiáng)度檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)”，目的是對(duì)奶粉的內(nèi)在品質(zhì)進(jìn)行分等分級(jí)。

由于奶粉易于保存和運(yùn)輸，所以其主要用途是作為一般食品工業(yè)的原料。美國(guó)提出的奶粉熱處理強(qiáng)度檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)所依據(jù)的科學(xué)原理，雖然與牛奶熱處理強(qiáng)度的分級(jí)所依據(jù)的原理完全一樣，但是檢驗(yàn)的具體對(duì)象和表達(dá)方式并不相同。作為其它食品工業(yè)的原料（包括復(fù)合奶制品工業(yè)在內(nèi)），需要充分反映乳清蛋白綜合變性的程度，因此以保留在脫脂奶粉里的“未變性的乳清蛋白”質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)表示，稱為“乳清蛋白氮指數(shù)（WPNI）”。脫脂奶粉品質(zhì)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

圖10　顯微鏡下的奶粉顆粒

奶業(yè)國(guó)際組織還特別提出了不同等級(jí)的奶粉用來(lái)制造復(fù)合奶制品的許可范圍（表2）。表2沒(méi)有關(guān)于“乳基嬰幼兒配方食品”的熱處理強(qiáng)度等級(jí)方面的任何要求，這是因?yàn)橛需b于人奶中乳清蛋白與酪蛋白的比例是7︰3，而牛奶是2︰8的事實(shí)。因此毋庸置疑，首先需要最大程度地保護(hù)其中的乳清蛋白活性，即采用盡可能低的熱處理強(qiáng)度來(lái)加工。其次，只要有可能還得添加未變性的乳清蛋白。因此對(duì)于乳基嬰幼兒配方食品，測(cè)定其“未變性的乳清蛋白”在總蛋白質(zhì)中的比例，比測(cè)定“乳清蛋白氮指數(shù)”要直接可靠得多，在我國(guó)食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定是不得低于60%。

圖11　設(shè)置雙振動(dòng)流化床加工速溶全脂奶粉的流水線示意圖

表1　脫脂奶粉熱處理強(qiáng)度分級(jí)指標(biāo)

表2　不同熱處理等級(jí)脫脂奶粉用于復(fù)合奶制品的范圍

表2只提到了4個(gè)品種的奶酪，其實(shí)更多的奶酪是不能使用奶粉復(fù)原來(lái)加工的。原因在于哪怕再低強(qiáng)度的熱處理，都將引起生牛奶里乳清蛋白不同程度的變性，而明顯降低凝乳酶的工作效率，包括前期的酪蛋白析出，中期的凝塊收縮和乳清排放，以及后期的降解成熟。

國(guó)際奶業(yè)聯(lián)合會(huì)和國(guó)際食品法典委員會(huì)要求每個(gè)奶粉加工企業(yè)，每當(dāng)規(guī)劃加工奶粉之前，首先需要明確終端成品的品質(zhì)等級(jí)，然后選擇合理的加工工藝和設(shè)備。

如前所述奶粉加工涉及諸多工段，從理論上說(shuō)只要與加熱有關(guān)的操作都有可能影響乳清蛋白的變性，但實(shí)際上只集中在殺菌、濃縮和干燥3 個(gè)主要環(huán)節(jié)。其中濃縮和干燥環(huán)境溫度都很高，但是全在負(fù)壓條件下進(jìn)行，只要按規(guī)定操作，牛奶的實(shí)際溫度都在70 ℃以下。因此關(guān)鍵的環(huán)節(jié)其實(shí)只有一個(gè)，即熱殺菌操作。據(jù)此相關(guān)國(guó)際組織還配套提供了一個(gè)工藝選擇原則（圖12）。

由富含生物活性物質(zhì)的生鮮牛奶為原料制得的奶制品，也可以“再次”作為原料來(lái)使用。只不過(guò)以“奶制品”為原料制得的產(chǎn)品，按照國(guó)際慣例它們不能稱為“奶制品”了，必需改稱為“復(fù)合奶制品（Composite milk product）”。同時(shí)也強(qiáng)調(diào)，牛奶標(biāo)準(zhǔn)化操作的關(guān)鍵，是只能使用“生牛奶”自身的組分，來(lái)完成特定成分的調(diào)整，而且這些組分不能在操作過(guò)程中發(fā)生顯著的品質(zhì)變化。C

圖12　脫脂奶粉原料奶殺菌工藝參數(shù)選擇指南

（續(xù)完）

顧佳升（1948-），男，學(xué)士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槿槠芳庸ぜ皺z驗(yàn)。

（2014-11-12）