氣動霧化系統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條件下進行優化，通過單因素試驗和響應面試驗設計優化噴霧干燥工藝。結果表明，進風溫度150 ℃、風量6 m3·min-1，乳化液固形物含量為35 brix%的條件下進行噴霧干燥，高蛋白型配方粉的粒徑最高可達8.74 μm。

關鍵詞：噴霧干燥;高蛋白配方粉;響應面實驗;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，居民營養健康意識也逐漸增強，營養與人們的生活息息相關，如日常飲食中的營養、體育鍛煉健身中的營養、醫學臨床使用中的營養等。平衡膳食模式是人體營養和健康的保障，已有科學證據和實踐證明，改善膳食模式、均衡營養和適當運動能提升個人體質和免疫力，并可以降低慢性疾病的發生風險[1]。高蛋白型配方粉的配方包含了優質蛋白質[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，適合需要營養補充的人群。產品形態為粉狀，沖調后使用，粉狀產品的沖調性往往與其物理功能性質有關，粒徑對粉體的流動性有較大影響，適當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，其中D50為中位徑或中值粒徑，表示粉體的平均粒度[1]。

為保障產品質量和良好的用戶體驗，制作工藝的改良與優化必不可少，霧化干燥系統為噴霧干燥系統的核心部分，其關鍵參數有溫度、風量等[4]。本文所選用的設備為外混式霧化，即氣液兩相在霧化發生器內各自通行，在噴嘴出口處發生碰撞混合，以達到霧化目的[5]。霧化后的細小顆粒與熱空氣在短時間內充分接觸，在瞬間完成傳熱和傳質的過程，在整個過程中受熱時間短，有利于保護熱敏性營養素，在合理的工藝條件下可以獲得質量合格的產品。本文選用外混式氣動霧化系統對高蛋白型配方粉進行噴霧干燥工藝研究，設計單因素和響應面試驗，研究氣流量、進風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粒徑數據作為研究對象。

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：廣州棕天貿易有限公司;全脂奶粉：蘇州二龍貿易有限公司;食用香精：上海奇華頓有限公司;乳化劑：廣州晶方醫藥科技發展有限公司。

1.2 儀器與設備

BS200S電子天平（賽多利斯公司）;PAL-1（NFC）便攜式數顯折射計（廣州市愛宕科學儀器有限公司）;T50剪切機（德國IKA）;Panda Plus 2000均質機（德國GEA Group）;SD-1000噴霧干燥機（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（15 MPa，2次）→噴霧干燥→高蛋白型配方粉。

1.3.2 噴霧干燥工藝參數確定

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

（2）以風量為單因素進行考察，在進風溫度150 ℃、

固形物含量35%的參數下，分別按2、4、6、8 m3·min-1

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

（3）以固形物含量為單因素進行考察，在進風溫度150 ℃、風量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

將試驗所得的產品進行粒徑檢測，使用NKT6100-D

激光粒度儀進行產品平均粒徑的檢測。

1.3.4 響應曲面法

根據單因素實驗結果，本實驗根據Box-Behnken中心組合試驗設計原理，以產品粒徑為響應值，選擇系統進風溫度、風量和固形物含量為試驗因素，運用Design Expert 11軟件設計3因素3水平的響應曲面試驗，因素編碼及水平見表1。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

（1）在6 m3·min-1，35 brix%條件下，考察130、140、150、160 ℃和170 ℃進風溫度條件下的粉體粒徑，在150 ℃時粉體粒徑最高可達8.47 μm。粒徑隨著溫度的升高而增大，在超過150 ℃以上繼續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的風量噴霧干燥制粉，在2 m3·min-1時粉體粒徑最高可達9.14 μm。粒徑隨著風量的提高而下降，大于6 m3·min-1的風量會使粒徑進一步降低，跟霧化程度有關。

（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%的乳化液進行噴霧干燥制粉，在35 brix%時粉體粒徑最高可達8.47 μm。提高固形物含量有利于產品粒徑的提高，固形物含量高的乳化液中的空氣較少，經過噴霧后粉體顆粒較大。

2.2 響應面試驗數據

數據收集見表2。

2.3 對響應值為粒徑的響應面分析

由Design expert v11.0響應面軟件對表2數據進行多元回歸擬合，得到響應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

對模型進行方差分析，結果見表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，可以用來響應值預測。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的條件進行優化是合適的。

由表3可以看出，A、B、C、AB、BC、A2、B2、C2

對產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 對模型進行交互作用分析

利用Design expert v11.0軟件對表2中粒徑數據進行二次多元回歸擬合，所得響應面見圖1～圖3。由圖可知，雙因素之間的交互作用顯著，能夠清晰的反應產品粒徑隨雙因素的變化情況，通過該數據可以從理論上對實驗方案進行解釋。由回歸模型的方差分析顯著性檢驗可知，A進風溫度與B風量存在顯著的交互作用（P<0.01），A進風溫度與C固形物含量存在顯著的交互作用（P<0.01），B：風量與C固形物含量之間的交互一般顯著，因此需要進一步分析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，當進風溫度固定在較低值時，產品的粒徑隨著風量的提高先是緩慢升高，再顯著下降;當進風溫度在高水平范圍內取值時，產品的粒徑隨著風量的提高而緩慢升高，然后又下降。進風溫度提高和適當的風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，當風量固定時，產品的粒徑隨著固形物含量的提高而提高，當固形物含量固定時，產品的粒徑隨著風量的提高而降低，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，進風溫度和固形物含量較高時，產品粒徑較大，當固形物含量在低水平范圍取值時，隨著溫度升高，產品粒徑仍舊處于較低的范圍。

3 結論

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，經過溶解分散均質等工藝后制成乳化液，最后通過氣動霧化系統噴霧干燥制成高蛋白型配方粉，試驗表明，在進風溫度150 ℃、風量6 m3·min-1，固形物含量為

35 brix%的條件下進行噴霧干燥，高蛋白型配方粉的粒徑最高可達8.74 μm。本文研究了氣動霧化系統對粉體的粒徑的影響，為以后的產業化生產提供數據支持。

參考文獻：

[1]董青云.粒度測試的基本知識和基本方法[J].電子測試.2007（1）：14-21.

[2]吳 斌.酪蛋白和乳糖的營養價值及提取方法[J].世界最新醫學信息文摘，2015，15（23）：256.

[3]《乳業科學與技術叢書》編委會，乳業生物技術國家重點實驗室.乳業科學與技術叢書[M].北京：化學工業出版社，2015.

[4]賈 超.噴霧干燥系統運行條件對嬰兒配方乳粉品質影響的研究[D].哈爾濱：黑龍江東方學院，2015.

[5]吳 明.二流體霧化發生器的研究與應用[D].青島：青島科技大學，2018.

作者簡介：魏 星（1993—），男，碩士;研究方向為食品科學與工程。