气动雾化系统运行条件对高蛋白型配方粉粒径影响的研究

魏星　邓颖诗　袁诚　刘菊妍　武林贺

摘 要：对高蛋白型配方粉在气动雾化干燥系统条件下进行优化，通过单因素试验和响应面试验设计优化喷雾干燥工艺。结果表明，进风温度150 ℃、风量6 m3·min-1，乳化液固形物含量為35 brix%的条件下进行喷雾干燥，高蛋白型配方粉的粒径最高可达8.74 μm。

关键词：喷雾干燥;高蛋白配方粉;响应面实验;粒径

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

中图分类号：TS252

随着人们生活水平的逐渐提高，居民营养健康意识也逐渐增强，营养与人们的生活息息相关，如日常饮食中的营养、体育锻炼健身中的营养、医学临床使用中的营养等。平衡膳食模式是人体营养和健康的保障，已有科学证据和实践证明，改善膳食模式、均衡营养和适当运动能提升个人体质和免疫力，并可以降低慢性疾病的发生风险[1]。高蛋白型配方粉的配方包含了优质蛋白质[2]、油脂、碳水化合物和微量元素，提供人体必需的氨基酸和脂肪酸，能快速供能，适合需要营养补充的人群。产品形态为粉状，冲调后使用，粉状产品的冲调性往往与其物理功能性质有关，粒径对粉体的流动性有较大影响，适当增大粒径可改善流动性[3]。常见的粒度测试有D10、D50、D90等指标，其中D50为中位径或中值粒径，表示粉体的平均粒度[1]。

为保障产品质量和良好的用户体验，制作工艺的改良与优化必不可少，雾化干燥系统为喷雾干燥系统的核心部分，其关键参数有温度、风量等[4]。本文所选用的设备为外混式雾化，即气液两相在雾化发生器内各自通行，在喷嘴出口处发生碰撞混合，以达到雾化目的[5]。雾化后的细小颗粒与热空气在短时间内充分接触，在瞬间完成传热和传质的过程，在整个过程中受热时间短，有利于保护热敏性营养素，在合理的工艺条件下可以获得质量合格的产品。本文选用外混式气动雾化系统对高蛋白型配方粉进行喷雾干燥工艺研究，设计单因素和响应面试验，研究气流量、进风温度和乳化液固形物含量对高蛋白型配方粉粒径（D50）的影响，以下选用D50粒径数据作为研究对象。

1 材料与方法

1.1 试验材料

麦芽糊精：中粮生化能源有限公司;乳清蛋白：广东天圣生化工程有限公司;植物油、MCT：广州棕天贸易有限公司;全脂奶粉：苏州二龙贸易有限公司;食用香精：上海奇华顿有限公司;乳化剂：广州晶方医药科技发展有限公司。

1.2 仪器与设备

BS200S电子天平（赛多利斯公司）;PAL-1（NFC）便携式数显折射计（广州市爱宕科学仪器有限公司）;T50剪切机（德国IKA）;Panda Plus 2000均质机（德国GEA Group）;SD-1000喷雾干燥机（日本EYELA）、NKT6100-D激光粒度仪（山东耐克特）。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

麦芽糊精、乳清蛋白、纯化水、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）→均质（15 MPa，2次）→喷雾干燥→高蛋白型配方粉。

1.3.2 喷雾干燥工艺参数确定

（1）以进风温度为单因素进行考察，在风量6 m3·min-1，固形物含量35%条件下，分别按130、140、150、160 ℃和170 ℃的进风温度喷雾干燥制粉，获得不同进风温度条件下的粉体粒径以确定较佳的进风温度。

（2）以风量为单因素进行考察，在进风温度150 ℃、

固形物含量35%的参数下，分别按2、4、6、8 m3·min-1

和10 m3·min-1的风量喷雾干燥制粉，获得不同风量条件下的粉体粒径以确定较佳的风量。

（3）以固形物含量为单因素进行考察，在进风温度150 ℃、风量6 m3·min-1的条件下，分别配成25.0%、30.0%、35.0%、40.0%和45.0%的乳化液进行喷雾干燥制粉，获得不同固形物含量下的粉体粒径以确定较佳的固形物含量。

1.3.3 粒径检测

将试验所得的产品进行粒径检测，使用NKT6100-D

激光粒度仪进行产品平均粒径的检测。

1.3.4 响应曲面法

根据单因素实验结果，本实验根据Box-Behnken中心组合试验设计原理，以产品粒径为响应值，选择系统进风温度、风量和固形物含量为试验因素，运用Design Expert 11软件设计3因素3水平的响应曲面试验，因素编码及水平见表1。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

（1）在6 m3·min-1，35 brix%条件下，考察130、140、150、160 ℃和170 ℃進风温度条件下的粉体粒径，在150 ℃时粉体粒径最高可达8.47 μm。粒径随着温度的升高而增大，在超过150 ℃以上继续提高温度粒径则有小幅度的下降。

（2）在150 ℃、35 brix%的条件下，考察2、4、6、8 m3·min-1和10 m3·min-1的风量喷雾干燥制粉，在2 m3·min-1时粉体粒径最高可达9.14 μm。粒径随着风量的提高而下降，大于6 m3·min-1的风量会使粒径进一步降低，跟雾化程度有关。

（3）在150 ℃、6 m3·min-1的条件下，考察固形物含量为25.0、30.0、35.0、40.0 brix%和45.0 brix%的乳化液进行喷雾干燥制粉，在35 brix%时粉体粒径最高可达8.47 μm。提高固形物含量有利于产品粒径的提高，固形物含量高的乳化液中的空气较少，经过喷雾后粉体颗粒较大。

2.2 响应面试验数据

数据收集见表2。

2.3 对响应值为粒径的响应面分析

由Design expert v11.0响应面软件对表2数据进行多元回归拟合，得到响应值水分含量的回归方程为：

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

对模型进行方差分析，结果见表3。

由表3可以看出，试验选用的模型P值<0.01，所以表明该模型极显著，可以用来响应值预测。模型的R2=0.997 7，说明该模型与实际试验拟合较好，Radj2=0.994 8，说明99.48%的响应值变化能够被该模型所解释，说明该模型拟合程度良好。用此模型对干燥系统的条件进行优化是合适的。

由表3可以看出，A、B、C、AB、BC、A2、B2、C2

对产品粒径的影响高度显著（P<0.01），AC交互作用影响一般显著（P<0.05）。由表3可以看出，三因素对粒径的影响都极显著。

2.3.2 对模型进行交互作用分析

利用Design expert v11.0软件对表2中粒径数据进行二次多元回归拟合，所得响应面见图1～图3。由图可知，双因素之间的交互作用显著，能够清晰的反应产品粒径随双因素的变化情况，通过该数据可以从理论上对实验方案进行解释。由回归模型的方差分析显著性检验可知，A进风温度与B风量存在显著的交互作用（P<0.01），A进风温度与C固形物含量存在显著的交互作用（P<0.01），B：风量与C固形物含量之间的交互一般显著，因此需要进一步分析A与C、A与B和B与C之间的交互作用。

由图1可以看出，二者交互作用显著，当进风温度固定在较低值时，产品的粒径随着风量的提高先是缓慢升高，再显著下降;当进风温度在高水平范围内取值时，产品的粒径随着风量的提高而缓慢升高，然后又下降。进风温度提高和适当的风量可以使粒径取值较大。由图2可以看出，二者交互作用显著，当风量固定时，产品的粒径随着固形物含量的提高而提高，当固形物含量固定时，产品的粒径随着风量的提高而降低，在高固形物含量的情况下，粒径的降低幅度较小。

由图3可以看出，二者交互作用显著，进风温度和固形物含量较高时，产品粒径较大，当固形物含量在低水平范围取值时，随着温度升高，产品粒径仍旧处于较低的范围。

3 结论

试验主要研究在一定喷雾干燥条件下，以麦芽糊精、酪蛋白、植物油、MCT为主要原料，磷脂为乳化剂，经过溶解分散均质等工艺后制成乳化液，最后通过气动雾化系统喷雾干燥制成高蛋白型配方粉，试验表明，在进风温度150 ℃、风量6 m3·min-1，固形物含量为

35 brix%的条件下进行喷雾干燥，高蛋白型配方粉的粒径最高可达8.74 μm。本文研究了气动雾化系统对粉体的粒径的影响，为以后的产业化生产提供数据支持。

参考文献：

[1]董青云.粒度测试的基本知识和基本方法[J].电子测试.2007（1）：14-21.

[2]吴 斌.酪蛋白和乳糖的营养价值及提取方法[J].世界最新医学信息文摘，2015，15（23）：256.

[3]《乳业科学与技术丛书》编委会，乳业生物技术国家重点实验室.乳业科学与技术丛书[M].北京：化学工业出版社，2015.

[4]贾 超.喷雾干燥系统运行条件对婴儿配方乳粉品质影响的研究[D].哈尔滨：黑龙江东方学院，2015.

[5]吴 明.二流体雾化发生器的研究与应用[D].青岛：青岛科技大学，2018.

作者简介：魏 星（1993—），男，硕士;研究方向为食品科学与工程。