喷雾干燥研究进展

喷雾干燥

摘要：随着喷雾干燥技术的日益完善，以及人们对于食品方面的严格要求，该技术在食品工业凸显重要作用。本文综述了喷雾干燥系统、其分类特点及在食品工业中运用。对未来该技术在各个领域中的运用进行了相应的展望。

关键字：喷雾干燥；分类；食品工业

喷雾干燥技术的研究始于19世纪初期，在世界上已有一百多年的历史。早在1865年，La Mont提出了用喷雾干燥方法来处理蛋品，这种由液态经雾化和干燥在极短时间内直接变成固体粉末的过程，在20世纪取得了长足的进展。而喷雾干燥技术在我国起步较晚，最早是在20世纪50年代从前苏联引进喷雾干燥机用于染料的喷雾干燥[1-2]。目前，喷雾干燥技术已日渐成熟，在食品工业中的应用也越来越广泛，如用于奶粉[3]、乳清粉[4]、豆奶粉[5]、蛋粉、果汁粉、速溶咖啡[6]等的生产。喷雾干燥技术具有蒸发面积大、干燥速度快、物料温度低、易于连续化生产等特点，在食品干燥中显示出很强的优越性。它使许多有价值但不易保存的物料得以大大延长保质期，使一些物料便于包装、贮存和运输。同时，也简化了一些物料的加工工艺[7]。近几年来，喷雾干燥技术在固体饮料中的应用也日益广泛，如草莓粉、乳粉、南瓜粉、番茄粉及各种植物蛋白粉的加工等。本文阐述了喷雾干燥技术的分离及特点，同时综述了喷雾技术在食品工业的运用，为进一步利用该技术及对其改进提供一些参考。

1喷雾干燥技术及分类

1.1喷雾干燥技术

喷雾干燥是以单一工序将溶液、乳浊液、悬浮液和浆状物料加工成粉状、颗粒状、空心球或团粒状干燥产品的一种干燥方法[8]，主要

是利用雾化器将料液分散成细小的雾滴，并在热干燥介质中迅速蒸发溶剂形成干粉产品的过程。一般喷雾干燥阶段为料液雾化、雾群与热干燥介质接触混合、雾滴的蒸发干燥、干燥产品与干燥介质分离。料液的形式可以是溶液、悬浮液、乳浊液等经泵可以输送的液体形式，干燥所得产品可以是粉状、颗粒状或经过团聚的[9]。与传统的干燥方法相比，喷雾干燥技术有很多优点，其干燥速度快，时间短(3～10 s)，特别适合于热敏性物料的干燥；干燥过程瞬间完成，可由液体直接得到干燥产品，避免了干燥过程中造成粉尘飞扬；无需蒸发、结晶、固液机械分离等操作；产品具有良好的分散性和溶解性，能极大地保留原料本身的色、香、味和营养成分；生产过程简单，操作控制方便。但喷雾干燥方法也有一些不易克服的缺点，如动力消耗大、传热系数低导致热效率低；干燥器的体积大、操作弹性小，易发生粘壁现象等[10-11]。

1.2喷雾干燥系统

喷雾干燥系统包括空气加热系统、供料系统、热风分配系统、雾化和干燥系统、回收系统以及控制系统等。[12]

1.2.1加热系统

工业性的喷雾干燥设备的空气加热形式很多，如蒸汽加热、电加热、导热油加热、燃煤热风炉、燃气热风炉和燃油热风炉等。实验室用的喷雾干燥器由于干燥所需空气量很少，所以选用了电加热，这样使得设备更紧凑，温度调控便利，而且所需的电耗也少。此外，为了满足生化产品的卫生要求及工艺参数的可调性，加热系统则包括空气

过滤器、电加热器和调压加热等控制装置。

1.2.2供料系统

工业性生产的喷雾干燥设备的供料系统一般采用螺杆泵加调节装置。而微型喷雾干燥器选用医用蠕动泵，可满足小流量、可调节的要求。

1.2.3热风分配系统

工业性生产的喷雾干燥设备的热风分配系统采用DAR型、DHS 型或直通型，根据雾化方式进行选择，通常对于喷嘴型式雾化的采用直通型热风分配器。对于二流体喷嘴雾化方式,采用改进型直通型热风分配器。

1.2.4雾化系统

本系统包括空气压缩机、雾化器、压缩空气的流量调节等。雾化器包括压力式、二流体及离心式三种。空气压缩机采用增氧泵型，流量调节用转子流量计。

1.2.5干燥系统

干燥系统主要指干燥室和相关的管路、控制等。干燥室采用耐热玻璃作为干燥室直筒(250 mm×300 mm)，便于观察，且直观性好，下部采用不锈钢锥体连接，锥体角度不同于工业性生产的喷雾干燥设备的锥体55°或60°，采用30°锥体以有利于干粉的卸落和增加一定的干燥流程。在干燥室的进出口管道上装有温度检测及显示仪表。

在食品料滴表面形成的饱和蒸汽膜迅速进行蒸发，蒸发温度近似等于干燥空气的湿球温度。所设计的干燥室可提供有效的料滴逗留时

间，使料滴在不发生热降解的情况下被彻底干燥。从喷雾干燥器排出的产品温度近似等于25～30℃, 低于干燥空气排出口的温度。在蒸发阶段,雾化形成的料滴分布也是可变的，主要取决于产品要求的外观形状。

1.2.6回收系统

本系统包括旋风分离器、增氧泵及产品收集器等。工业性生产喷雾干燥设备的回收系统一般有旋风分离器、湿式洗涤器和袋滤器等。一般采用两种方式进行物料的有效回收：两处排出，即从干燥室底部和旋风分离器排出；一处排出, 即粉料与干燥空气一起从干燥室排出再经旋风分离器回收。

2喷雾干燥分类

2.1按微粒化方法分类[13]

已知溶液在喷雾干燥时，其表面积越大，则干燥速度越快，所以，为了增大被干燥溶液的表面积，必须使溶液微粒化，这是喷雾干燥非常关键的问题，微粒化的方法有三种，即压力喷雾、离心喷雾和气流喷雾。因气流喷雾在食品工业中较少采用，故此处只做简要概述。2.1.1压力喷雾干燥

2.1.1.1压力喷雾干燥原理

利用高压泵使料液的压力达到（200大气压），对于高粘度物料的高压泵可达300-400大气压。在一定的初速度下以切线方向进入喷咀的旋转室中,使料液形成旋转运动。而聚化成直径在10-20微米的雾状微粒喷入干燥室，由于同热空气直接接触，进行热交换和水分的传

递，其表面水分迅速蒸发，在很短的时间内被干燥成球状颗粒，沉降千室底。旋转速度与旋涡半径成反比,故喷成的液雾呈空心园锥形。

2.1.1.2压力喷雾微粒化装置

压力喷雾微粒化装置是保证成品质量，提高干燥效率的关键性部件，目前较为常用的有“M ”型和“S ”型两种。喷嘴一般均有使液流产生旋转的导沟结构。

2.1.2离心喷雾干燥

2.1.2.1离心喷雾干燥的原理

离心喷雾是利用在水平方向作高速旋转的圆盘给予溶液以离心力，使其以高速甩出，形成薄膜、细丝或液滴，同时又受到周围空气的摩擦、阻碍与撕裂等作用，此时作用的两种力是：由料液与热风界面之间的相对速度而产生的摩擦力；料液进入到离心盘周缘处的惯性产生的离心力。随着圆盘旋转而产生的切向速度与离心力作用而产生的径向速度，结果以一合速度在圆盘上运动，其运动轨迹可设想为一螺旋形，液体沿着此螺旋线自圆盘上抛出后，就分散成很微小的液滴以平均速度沿着圆盘切线方向运动，同时液滴又受到地心吸力的作用向下落。由于微洒出的微粒大小不同，因而它们飞行距离也就不同，因此在不同的距离落下的微粒形成一个以转轴中心对称的圆柱体。

2.1.2.2离心喷雾器结构

它与压力喷雾不同，不用高压也可获得很大的速度，当溶液进入旋转盘而获得旋转运动时，因离心力的作用，成薄膜状的溶液以不断增长的速度，向盘边缘移动而喷出成微细的雾状。对于较优良的离心

盘设计，要求润湿周边长，能使溶液达到高转速，喷雾均匀。离心盘本身结构要求坚固、质轻、结构简单、无死角、易拆洗、并有较大的生产率。

目前在工业生产采用离心盘的式样很多。对于碟式、碗式、僧帽式而言，它们均有较大的润湿周边，使溶液形成扁平之薄膜，有利于雾化，结构也较简单，其缺点是因表面平滑，溶液在转盘内产生较大的滑动，使之不能得到较高的喷雾速度。另一方面，碟式离心盘在加料时，易发生液滴飞溅，碗式离心盘上的螺钉易脱落，造成危险。2.1.3气流喷雾干燥

利用空气的动能如二流体（喷咀）雾化，从喷咀喷出的气体速度一般为200-300米/秒，有时甚至达到声速或超音速，但溶液流出的速度并不太大，因此在二种流体之间存在很大的相对速度，由此而产生的摩擦，使料液成为细丝状，然后断裂为微细雾滴。由细丝状断裂为细雾滴的快慢是与料液粘度和二流体之间的相对速度有关。

2.2按干燥室形式分类[14]

可根据干燥室中热风和被干燥颗粒之间运动方向来分类，一般分作并流型、逆流型和混流型三种。但是在食品工业中，如牛奶、果汁、鸡蛋液等等，都是热敏感物质，故绝大多数采用并流型，也有采用混流型的。并流型的主要优点可采用较高进风温度来干燥，而不影响产品质量，因为干燥至最后的产品温度，取决于干燥室的排风温度，溶浪与热风在干燥室同一边进入，而在水平的喷矩下进行工作，称为水平并流型，仅适用于压力喷雾，我国老式啧雾设备多采用此法。其缺

点是当处理量增加时，需增加压力喷枪数目，但由于喷雾距离小，喷雾角等受到一定限制，在清扫产品时存在问题不小，渐渐被淘汰。

3喷雾干燥技术在食品工业中的运用

3.1在食品添加剂中的应用

在食品添加剂中，微胶囊香料是最早应用喷雾干燥技术的此技术的应用，大大提高了香料耐氧光热的能力，提高了各种香料和风味物质的可加工性，延长了贮存期限，大大拓宽了香料和风味物质的使用范围[15]。如木瓜蛋白酶作为一种酶制剂，易被氧化失活，且耐热性差，易与金属离子发生反应；用β-环糊精喷雾干燥制成微胶囊可防止其氧化失活，减轻木瓜的特殊气味，提高其热稳定性和利用率，从而拓宽了它的应用范围[16]。几乎所有的油脂如芝麻油、花生油、棉籽油、大豆油、色拉油、猪油、玉米油、椰子油等均可经喷雾干燥制成微胶囊，将其转化成固体粉末油脂，从而可以方便地用作各种食品添加剂[17]。以大豆蛋白与麦芽糊精为壁材，将姜油树脂喷雾干燥制成微胶囊，在改变姜油树脂状态的同时，也满足了作为香料快速释放的要求[18]。3.2在乳制品中的运用

乳制品干燥最广泛应用的技术是喷雾干燥。由于乳制品中含有许多生物活性成分及营养物质，因而不进行强烈的热处理，且允许产品在常温条件下贮存是喷雾干燥技术的优势所在。[19]对于奶粉粘壁问题，L Ozmen等人研究了脱脂奶粉玻璃态转化温度和粘点温度的对应关系，用试验证明了粘点曲线和玻璃态转变温度曲线之间的正向对应关系，得出可以用DSC（差式量热扫描仪）测定玻璃态转化温度曲

线来模拟和研究颗粒挂壁现象。[20]从而通过粘点曲线这一半定量标准对产品进行一次评估，有利于后续工艺的改善。此外，乳制品制粉后如何提高其速溶性也是研究的方向，在此过程中加热程度、颗粒直径等因素都会对其有影响。MAA Cruz等用实验型喷雾干燥塔生产高质量的速溶全脂奶粉，采用的条件是：较低的进料量和进口温度（1.4 kg/h，160℃），较高的喷雾转速（50 000 rpm）；得到的奶粉参数为：水分含量4.0%，Hausner比值1.6，表观密度531 kg/m3[21]。随着自动化及信息化技术的完善，如今可通过技术模拟来进行产品的预测，从而在保证高质量的同时降低成本的输出。

3.3在速溶茶饮料中的应用

茶饮料具有良好的功能性，其中含有丰富的营养物质以及对人体有益活性成分。为了扩大茶饮料市场，通过喷雾干燥制备的茶饮料也日益受到广大消费者的欢迎。由于种类较多，因此喷雾干燥技术参数上有一定的差异。库尔班江等[22]采用正交试验的方法，优化了菊花速溶茶喷雾干燥工艺，确定的最佳工艺为进口温度为200℃，喷雾压力为180kPa，料液相对密度为1.05。周天山等[23]在去苦味冷溶型速溶绿茶的加工工艺中采用喷雾干燥参数为：进口温度135℃，出口温度75℃，进样速度为10mL/ min。谈鸿斌等[24]在速溶茶粉的生产中指出，进风温度为250℃，使用压力喷嘴，操作压力为2.5～3.0MPa时就可以得到串珠状颗粒。周建华[25]在桑椹速溶茶的研制中所采用的喷雾条件是：进料液温度45～50℃，进风温度为200～220℃，排风温度为80～90℃，干燥室温度保持85～95℃，转速为800～1500 r/ min。

3.4在果蔬粉加工中的应用

在水果和蔬菜中，利用喷雾干燥法加工成粉的，最多的是番茄[26]。番茄红素(Lycopene)是番茄内最主要的类胡萝卜素，是一种不饱和碳氢化合物，是人体血清中存在的最主要的类胡萝卜素。它通过捕捉单线态氧和过氧化自由基发挥抗氧化作用，但番茄红素的稳定性很差，易发生顺反异构化和氧化降解。果蔬浆含有大量的小分子糖，主要有葡萄糖和果糖，它们的玻璃态转化温度(g)分别是31℃和50℃[27]。其粘性大，很难进行喷雾干燥，且在喷雾干燥过程中，果蔬粉会因它的热塑性和吸湿性而出现结块问题[28]。刘元军以明胶与蔗糖为壁材，研究了番茄红素微胶囊化工艺技术[27]，将番茄红素封闭在囊膜内与外界环境隔离，提高了对光和氧的稳定性，从而起到保护作用，可减少损失，也有利于产品的包装和运输。

3.5在保健食品中的应用

目前我国保健食品的功能多集中在免疫调节抗衰老、抗疲劳等领域，而未来的发展趋势是产品功能分布将逐步发散，趋向合理，中药保健食品、老年保健食品、职业保健食品、昆虫保健食品、海洋保健食品等是我国保健食品未来的发展方向[29]。如蜂胶具有抗菌、抗病毒、抗高血压、抗癌、促进组织再生、增强免疫功能等功效，用麦芽糊精等壁材包埋成包埋率高的微胶囊粉末，大大提高了蜂胶的保质期[30]。天然维生素E是生育酚类化合物的总称，它是油溶性的热敏性物质，难以与水溶性物质混溶，因此不易均匀地添加于食品、化妆品、药品等水溶性产品中，用水溶性壁材喷雾干燥制成微胶囊，既能保持天然

维生素E的固有特性，又能弥补其易氧化和不易溶于水溶性产品的缺点[15]。

3.6在其他食品领域的应用

近年来随着各种方便食品的开发，酸味剂的品种也越来越丰富但如果把某些酸味剂直接添加到食品配料中，酸味剂会与果胶、蛋白质、淀粉等成分发生反应，使食品发生变质。目前，微胶囊化柠檬酸乳酸、苹果酸等产品已商品化，广泛应用于馅饼填充物、点心粉、固体饮料及肉类等食品加工业中。在实际应用中，微胶囊化防腐剂类产品主要利用微胶囊的控制释放及缓释的特点，避免在加工过程中由于直接加入山梨酸、苯甲酸等防腐剂而影响食品质量[15]。

4展望

喷雾干燥技术在生产加工中的应用越来越广泛，又因其本身的优点，既克服了物料不易贮藏的缺点，又保留了物料的营养价值，为人们的健康提供了更好的保障。而且，随着人们生活水平的提高和生活节奏的加快，人们对食品的色、香、味要求越来越高，对方便、营养的食品需求量越来越大[31]。同时，在其基础上发展起来的喷雾冷冻技术、食品泡沫喷雾技术、喷雾干燥微胶囊化、无菌喷雾干燥技术等也都将迈上一个新的台阶。单一的喷雾干燥技术的日益完善，使得喷雾干燥与流化床干燥联用技术在工业化生产中形成，而联用技术更能满足大批量的工业化需要。此外，生产中喷雾干燥技术将渐渐扩展到一些酶的包埋、专用食品添加剂的制取、微胶囊化食品的生产等，其在食品领域中有着广阔的发展前景。

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