氣動霧化系統(tǒng)運行條件對高蛋白型配方粉粒徑影響的研究

魏星　鄧穎詩　袁誠　劉菊妍　武林賀

摘 要：對高蛋白型配方粉在氣動霧化干燥系統(tǒng)條件下進(jìn)行優(yōu)化，通過單因素試驗和響應(yīng)面試驗設(shè)計優(yōu)化噴霧干燥工藝。結(jié)果表明，進(jìn)風(fēng)溫度150 ℃、風(fēng)量6 m3·min-1，乳化液固形物含量為35 brix%的條件下進(jìn)行噴霧干燥，高蛋白型配方粉的粒徑最高可達(dá)8.74 μm。

關(guān)鍵詞：噴霧干燥;高蛋白配方粉;響應(yīng)面實驗;粒徑

Abstract：In order to optimize the high protein formula powder under the condition of pneumatic atomization drying system， the spray drying process was optimized by single factor test and response surface test. The results showed that spray drying was carried out under the condition of air inlet temperature of 150 ℃， air volume of 6 m3·min-1， emulsion solid content of 35 brix%， and the maximum particle size of high protein formula powder could reach 8.74 μm.

Key words：Spray drying; High protein formula powder; Response surface experiment; Particle size

中圖分類號：TS252

隨著人們生活水平的逐漸提高，居民營養(yǎng)健康意識也逐漸增強，營養(yǎng)與人們的生活息息相關(guān)，如日常飲食中的營養(yǎng)、體育鍛煉健身中的營養(yǎng)、醫(yī)學(xué)臨床使用中的營養(yǎng)等。平衡膳食模式是人體營養(yǎng)和健康的保障，已有科學(xué)證據(jù)和實踐證明，改善膳食模式、均衡營養(yǎng)和適當(dāng)運動能提升個人體質(zhì)和免疫力，并可以降低慢性疾病的發(fā)生風(fēng)險[1]。高蛋白型配方粉的配方包含了優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)[2]、油脂、碳水化合物和微量元素，提供人體必需的氨基酸和脂肪酸，能快速供能，適合需要營養(yǎng)補充的人群。產(chǎn)品形態(tài)為粉狀，沖調(diào)后使用，粉狀產(chǎn)品的沖調(diào)性往往與其物理功能性質(zhì)有關(guān)，粒徑對粉體的流動性有較大影響，適當(dāng)增大粒徑可改善流動性[3]。常見的粒度測試有D10、D50、D90等指標(biāo)，其中D50為中位徑或中值粒徑，表示粉體的平均粒度[1]。

為保障產(chǎn)品質(zhì)量和良好的用戶體驗，制作工藝的改良與優(yōu)化必不可少，霧化干燥系統(tǒng)為噴霧干燥系統(tǒng)的核心部分，其關(guān)鍵參數(shù)有溫度、風(fēng)量等[4]。本文所選用的設(shè)備為外混式霧化，即氣液兩相在霧化發(fā)生器內(nèi)各自通行，在噴嘴出口處發(fā)生碰撞混合，以達(dá)到霧化目的[5]。霧化后的細(xì)小顆粒與熱空氣在短時間內(nèi)充分接觸，在瞬間完成傳熱和傳質(zhì)的過程，在整個過程中受熱時間短，有利于保護(hù)熱敏性營養(yǎng)素，在合理的工藝條件下可以獲得質(zhì)量合格的產(chǎn)品。本文選用外混式氣動霧化系統(tǒng)對高蛋白型配方粉進(jìn)行噴霧干燥工藝研究，設(shè)計單因素和響應(yīng)面試驗，研究氣流量、進(jìn)風(fēng)溫度和乳化液固形物含量對高蛋白型配方粉粒徑（D50）的影響，以下選用D50粒徑數(shù)據(jù)作為研究對象。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

麥芽糊精：中糧生化能源有限公司;乳清蛋白：廣東天圣生化工程有限公司;植物油、MCT：廣州棕天貿(mào)易有限公司;全脂奶粉：蘇州二龍貿(mào)易有限公司;食用香精：上海奇華頓有限公司;乳化劑：廣州晶方醫(yī)藥科技發(fā)展有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

BS200S電子天平（賽多利斯公司）;PAL-1（NFC）便攜式數(shù)顯折射計（廣州市愛宕科學(xué)儀器有限公司）;T50剪切機(jī)（德國IKA）;Panda Plus 2000均質(zhì)機(jī)（德國GEA Group）;SD-1000噴霧干燥機(jī)（日本EYELA）、NKT6100-D激光粒度儀（山東耐克特）。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

麥芽糊精、乳清蛋白、純化水、植物油、全脂奶粉、MCT、大豆磷脂、食用香精→溶解分散（45 ℃，2 200 r·min-1，15 min）→均質(zhì)（15 MPa，2次）→噴霧干燥→高蛋白型配方粉。

1.3.2 噴霧干燥工藝參數(shù)確定

（1）以進(jìn)風(fēng)溫度為單因素進(jìn)行考察，在風(fēng)量6 m3·min-1，固形物含量35%條件下，分別按130、140、150、160 ℃和170 ℃的進(jìn)風(fēng)溫度噴霧干燥制粉，獲得不同進(jìn)風(fēng)溫度條件下的粉體粒徑以確定較佳的進(jìn)風(fēng)溫度。

（2）以風(fēng)量為單因素進(jìn)行考察，在進(jìn)風(fēng)溫度150 ℃、

固形物含量35%的參數(shù)下，分別按2、4、6、8 m3·min-1

和10 m3·min-1的風(fēng)量噴霧干燥制粉，獲得不同風(fēng)量條件下的粉體粒徑以確定較佳的風(fēng)量。

（3）以固形物含量為單因素進(jìn)行考察，在進(jìn)風(fēng)溫度150 ℃、風(fēng)量6 m3·min-1的條件下，分別配成25.0%、30.0%、35.0%、40.0%和45.0%的乳化液進(jìn)行噴霧干燥制粉，獲得不同固形物含量下的粉體粒徑以確定較佳的固形物含量。

1.3.3 粒徑檢測

將試驗所得的產(chǎn)品進(jìn)行粒徑檢測，使用NKT6100-D

激光粒度儀進(jìn)行產(chǎn)品平均粒徑的檢測。

1.3.4 響應(yīng)曲面法

根據(jù)單因素實驗結(jié)果，本實驗根據(jù)Box-Behnken中心組合試驗設(shè)計原理，以產(chǎn)品粒徑為響應(yīng)值，選擇系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)溫度、風(fēng)量和固形物含量為試驗因素，運用Design Expert 11軟件設(shè)計3因素3水平的響應(yīng)曲面試驗，因素編碼及水平見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

（1）在6 m3·min-1，35 brix%條件下，考察130、140、150、160 ℃和170 ℃進(jìn)風(fēng)溫度條件下的粉體粒徑，在150 ℃時粉體粒徑最高可達(dá)8.47 μm。粒徑隨著溫度的升高而增大，在超過150 ℃以上繼續(xù)提高溫度粒徑則有小幅度的下降。

（2）在150 ℃、35 brix%的條件下，考察2、4、6、8 m3·min-1和10 m3·min-1的風(fēng)量噴霧干燥制粉，在2 m3·min-1時粉體粒徑最高可達(dá)9.14 μm。粒徑隨著風(fēng)量的提高而下降，大于6 m3·min-1的風(fēng)量會使粒徑進(jìn)一步降低，跟霧化程度有關(guān)。

（3）在150 ℃、6 m3·min-1的條件下，考察固形物含量為25.0、30.0、35.0、40.0 brix%和45.0 brix%的乳化液進(jìn)行噴霧干燥制粉，在35 brix%時粉體粒徑最高可達(dá)8.47 μm。提高固形物含量有利于產(chǎn)品粒徑的提高，固形物含量高的乳化液中的空氣較少，經(jīng)過噴霧后粉體顆粒較大。

2.2 響應(yīng)面試驗數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)收集見表2。

2.3 對響應(yīng)值為粒徑的響應(yīng)面分析

由Design expert v11.0響應(yīng)面軟件對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到響應(yīng)值水分含量的回歸方程為：

Y=8.74+0.758 7A-1.09B+0.990 0C-0.272 5AB+0.195 0AC-

0.430 0BC-0.886 3A2-2.02B2-1.19C2

2.3.1 方差分析

對模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。

由表3可以看出，試驗選用的模型P值<0.01，所以表明該模型極顯著，可以用來響應(yīng)值預(yù)測。模型的R2=0.997 7，說明該模型與實際試驗擬合較好，Radj2=0.994 8，說明99.48%的響應(yīng)值變化能夠被該模型所解釋，說明該模型擬合程度良好。用此模型對干燥系統(tǒng)的條件進(jìn)行優(yōu)化是合適的。

由表3可以看出，A、B、C、AB、BC、A2、B2、C2

對產(chǎn)品粒徑的影響高度顯著（P<0.01），AC交互作用影響一般顯著（P<0.05）。由表3可以看出，三因素對粒徑的影響都極顯著。

2.3.2 對模型進(jìn)行交互作用分析

利用Design expert v11.0軟件對表2中粒徑數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，所得響應(yīng)面見圖1～圖3。由圖可知，雙因素之間的交互作用顯著，能夠清晰的反應(yīng)產(chǎn)品粒徑隨雙因素的變化情況，通過該數(shù)據(jù)可以從理論上對實驗方案進(jìn)行解釋。由回歸模型的方差分析顯著性檢驗可知，A進(jìn)風(fēng)溫度與B風(fēng)量存在顯著的交互作用（P<0.01），A進(jìn)風(fēng)溫度與C固形物含量存在顯著的交互作用（P<0.01），B：風(fēng)量與C固形物含量之間的交互一般顯著，因此需要進(jìn)一步分析A與C、A與B和B與C之間的交互作用。

由圖1可以看出，二者交互作用顯著，當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度固定在較低值時，產(chǎn)品的粒徑隨著風(fēng)量的提高先是緩慢升高，再顯著下降;當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度在高水平范圍內(nèi)取值時，產(chǎn)品的粒徑隨著風(fēng)量的提高而緩慢升高，然后又下降。進(jìn)風(fēng)溫度提高和適當(dāng)?shù)娘L(fēng)量可以使粒徑取值較大。由圖2可以看出，二者交互作用顯著，當(dāng)風(fēng)量固定時，產(chǎn)品的粒徑隨著固形物含量的提高而提高，當(dāng)固形物含量固定時，產(chǎn)品的粒徑隨著風(fēng)量的提高而降低，在高固形物含量的情況下，粒徑的降低幅度較小。

由圖3可以看出，二者交互作用顯著，進(jìn)風(fēng)溫度和固形物含量較高時，產(chǎn)品粒徑較大，當(dāng)固形物含量在低水平范圍取值時，隨著溫度升高，產(chǎn)品粒徑仍舊處于較低的范圍。

3 結(jié)論

試驗主要研究在一定噴霧干燥條件下，以麥芽糊精、酪蛋白、植物油、MCT為主要原料，磷脂為乳化劑，經(jīng)過溶解分散均質(zhì)等工藝后制成乳化液，最后通過氣動霧化系統(tǒng)噴霧干燥制成高蛋白型配方粉，試驗表明，在進(jìn)風(fēng)溫度150 ℃、風(fēng)量6 m3·min-1，固形物含量為

35 brix%的條件下進(jìn)行噴霧干燥，高蛋白型配方粉的粒徑最高可達(dá)8.74 μm。本文研究了氣動霧化系統(tǒng)對粉體的粒徑的影響，為以后的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。

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作者簡介：魏 星（1993—），男，碩士;研究方向為食品科學(xué)與工程。