牛奶加工單元操作（六）——牛奶的干燥

/顧佳升（上海奶業行業協會）

牛奶加工單元操作（六）——牛奶的干燥

/顧佳升
（上海奶業行業協會）

1　水在濃縮奶里的存在形態

通過濃縮方法蒸發牛奶中水分的方法，由于受到黏度的牽制而有很大的局限性。因此如何進一步干燥除去水分，使得牛奶里的干物質更便于保存和運輸，已經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的連續相，其中的各種成分都在盡其能力爭奪水分子，以形成自己的水化層。然而可以爭奪的水分子很少，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，干燥操作的對象主要是濃縮奶里的束縛水，這需要比濃縮蒸發更強的能量才能完成。簡單回顧歷史上采用過的原始方法，可以幫助理解以下問題：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脫水強度2 個方面？

2　干燥的原始方法

最原始的干燥方法其實就是做“土煉乳”過程的自然延續，即平鍋法。只是當牛奶的體積減少到大約一半時不加入蔗糖，而是繼續以“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”。顯然土奶粉的復原品質比土煉乳還要低得多，其中經常可以發現黑色碳化顆粒物的存在。

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

圖1　雙滾筒干燥設備工作原理圖

3　干燥的經典工藝

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

2 年之后，有人在此基礎上加以改進，主要是再增加1 個“熱空氣噴嘴”，往這個箱子里源源不斷地提供熱空氣，另開1 個出氣孔形成一股熱空氣流，液滴漂浮在空氣流里實現干燥，箱子里也形成了1 個低于大氣壓的負壓狀態，于是產生了現代意義上的噴霧干燥技術最初的雛形。1912年有人開始研究用高速旋轉的轉盤代替噴嘴，也能夠將濃縮奶粉散成霧滴，開創了“離心噴霧”新方法，但是世界性的專利直到1933年才出現。按照現在歸類，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噴霧干燥技術，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等各方面都有了長足的進步。圖2所顯示的是1949年新中國建立時，從上海英國商人手里接受下來的一條奶粉壓力噴霧加工流水線的現場紀實資料。

圖2的噴霧箱是用木材打制的，只是在木質箱子的內壁鋪襯了鍍錫薄鐵皮（俗稱“馬口鐵”）。濃縮奶由高壓泵通過管道輸送，送到安裝在噴霧箱左側壁上的4 個“水平方向噴頭”。在壓力驅動下經過每個噴頭時，濃縮奶形成4 個呈圓錐體形狀散開的密集“霧滴群”，并沿著水平方向在箱內前進（圖3）。

在濃縮奶4 個噴頭的外圈，安裝著熱風管的進口。該進口噴出來的是160～220 ℃的高溫干燥空氣，可沿著水平方向以更高的速度前進。熱空氣將圓錐體形狀散開的濃縮奶“霧滴群”包裹在一起向前運動。“霧滴”狀的濃縮奶在與高溫干燥空氣同方向一起前進的過程中，所含的水分迅速蒸發，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。這里設有一個“螺旋傳送帶”，連續不斷地將跌落下來的奶粉顆粒及時運出噴霧箱，并立即降溫。蒸發出來的水分則隨高速流動的空氣被帶出噴霧箱，出口空氣的溫度為70～90 ℃。過于細小顆粒的奶粉難免被高速空氣所裹挾，但它們會被設在噴霧箱內右上方的過濾布袋截下。

濃縮奶“霧滴”里水分的蒸發，實際上存在前后2 個不同的階段。前期叫做“恒速干燥階段”，蒸發速度很快。大部分水分蒸發后，未干透的顆粒表面形成了一層薄“殼”，降低了顆粒內部水分的蒸發速度，進入后一個“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嚴重變性。可見霧滴和奶粉均不宜長時間停留在干燥箱內，這也是為什么用于干燥成粉的濃縮奶干物質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（嚴格說是由溫度決定的熱空氣的“相對濕度”），一般熱空氣的出口溫度也不宜超過90 ℃，此時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，而是與蛋白質分子結合得更為緊密的“結合水”。不能徹底除去結合水，否則奶粉里的蛋白質功能會發生變化。通常奶粉的水分含量應控制在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繁殖。

圖2　壓力噴霧干燥箱示意圖

圖3　單個圓錐體形狀散開的密集霧滴示意圖

目前使用的干燥設備，無論在材料、結構和布局上都已發生了根本的改進，如圖4所示。

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

據測定，1 L濃縮奶經過噴頭壓力霧化后，形成了約15 億個“霧滴”，其平均直徑為50 μm，總表面積達120 m2。進口熱空氣的溫度約為200 ℃，出口時約為90 ℃。濃縮奶霧滴中的大量水分幾乎在瞬間得到蒸發，“霧滴”隨即變成平均直徑為35 μm左右的粉末。至此，商業化的干燥工藝和裝備都發展得成熟了。

但當奶粉進入平常百姓家庭之后，卻經常遇到消費者的抱怨，這是由于沖調奶粉過于麻煩。因為當時奶粉的顆粒一般都很細，與水混和時常常“打團”。尤其是全脂純奶粉非常不易調均，需要用匙背去壓捻才行。情況如同用水和面粉和面時，需要用手“拿捏”打團的“面粉小疙瘩”一樣。進入20世紀50年代之后，奶粉噴霧干燥技術首先在脫脂奶粉的“速溶化（Instantizing）”方向上有了新的突破，由此干燥方法也發生了許多變化。圖6顯示了濃縮奶噴霧方向和熱空氣流動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　旋風分離器工作原理圖

圖6　按濃縮奶噴霧方向和熱空氣流動方向分類的壓力噴霧干燥方式

這些研究的目的是通過探討“空氣流”和“霧滴流”運動方向的交叉角度，尋找最佳方案以獲得更大的奶粉顆粒，改善奶粉用水沖調時的性能。比較研究的結果還發現，為了促使細小顆粒變成大顆粒，也可以通過將已經干燥的小顆粒細粉收集起來，回噴到濃縮奶“霧滴”來形成大顆粒，稱為“霧滴附聚法”。圖7表現了其中一個方案的細節。

圖7　霧滴附聚法示意圖

后來發現更有效的方法是在“振動流化床”里實現的“再濕潤表面附聚法”。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。而且在工作狀態中一直維持著一定幅度和頻率的振動，有助于堆積在上面的奶粉顆粒自左向右移動。同時奶粉顆粒受板下干燥空氣斜向進來的沖擊，一邊向上翻滾飄起一邊向右運動。顯然奶粉顆粒在整個過程中相互碰撞的幾率很大，如果此時顆粒表面帶有一點黏性，它們就會附聚在一起。振動流化床是由“固定沸騰床”改進而來的，如果分布板是水平固定安置的，干燥空氣也是垂直向上運動，分布板上的顆粒物質被適當強度的流動空氣“吹頂”翻滾起來，就像液態物質在“沸騰”，并因此而得名。事實上它本身也是一種適用于固體顆粒物脫水的干燥器。

得到實用的帶有振動流化床的速溶奶粉流水線，有多種不同的設計方案，圖9顯示了其中之一。待附聚的奶粉由進料器（4）送入濕潤室（5）的上部，在降落時遇到霧化噴嘴（3）噴出的濃縮奶霧滴。待附聚的奶粉顆粒表面被濕潤而具黏性，在濕潤室（5）的降落過程中相互開始附聚，經濕潤奶粉通口（7）進入振動流化床（6），在振動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。當水分含量符合要求時，附聚了的奶粉顆粒從出口（9）排出，進入灌裝工段。

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

圖8　振動流化床工作原理

圖9　再濕潤表面附聚法原理示意圖

經過諸多努力之后，終于在1954年出現了第1個脫脂速溶奶粉的專利。全脂速溶奶粉技術之所以一直沒能突破，是因為在研究過程認識到，奶粉顆粒的大小只是影響溶解性能眾多因素里的一個主要因素，此外還有其它次要因素也制約著速溶性能的實現。尤其對于全脂奶粉，更主要的一個原因在于顆粒表面存在著脂肪，很難與水親和。后來有人從模擬牛奶里脂肪球膜的結構著手，在奶粉顆粒表面噴涂了少許卵磷脂，全脂奶粉速溶的問題才迎刃而解了。一般是在沸騰床或流化床的前中端，當再濕潤附聚的大顆粒剛成型之時，將卵磷脂噴涂上去。圖11顯示了速溶全脂奶粉的生產全過程的一種具體方案。

然而大量的實踐進一步表明，奶粉的速溶性只是解決了沖調的方便性。肉眼可見的“水溶現象”，并不等同奶粉復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，在由奶粉復原成的“復原奶（Reconstituted milk）”中，原來的“膠體懸濁液”特征在相當程度上發生了改變。這意味著乳蛋白生理活性也發生了變化。美國奶粉研究所對此深入研究多年，于1971年發布了“奶粉熱處理強度檢驗方法標準”，目的是對奶粉的內在品質進行分等分級。

由于奶粉易于保存和運輸，所以其主要用途是作為一般食品工業的原料。美國提出的奶粉熱處理強度檢驗方法標準所依據的科學原理，雖然與牛奶熱處理強度的分級所依據的原理完全一樣，但是檢驗的具體對象和表達方式并不相同。作為其它食品工業的原料（包括復合奶制品工業在內），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”質量分數來表示，稱為“乳清蛋白氮指數（WPNI）”。脫脂奶粉品質的分級標準如表1所示。

圖10　顯微鏡下的奶粉顆粒

奶業國際組織還特別提出了不同等級的奶粉用來制造復合奶制品的許可范圍（表2）。表2沒有關于“乳基嬰幼兒配方食品”的熱處理強度等級方面的任何要求，這是因為有鑒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。因此毋庸置疑，首先需要最大程度地保護其中的乳清蛋白活性，即采用盡可能低的熱處理強度來加工。其次，只要有可能還得添加未變性的乳清蛋白。因此對于乳基嬰幼兒配方食品，測定其“未變性的乳清蛋白”在總蛋白質中的比例，比測定“乳清蛋白氮指數”要直接可靠得多，在我國食品安全國家標準的規定是不得低于60%。

圖11　設置雙振動流化床加工速溶全脂奶粉的流水線示意圖

表1　脫脂奶粉熱處理強度分級指標

表2　不同熱處理等級脫脂奶粉用于復合奶制品的范圍

表2只提到了4個品種的奶酪，其實更多的奶酪是不能使用奶粉復原來加工的。原因在于哪怕再低強度的熱處理，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。

國際奶業聯合會和國際食品法典委員會要求每個奶粉加工企業，每當規劃加工奶粉之前，首先需要明確終端成品的品質等級，然后選擇合理的加工工藝和設備。

如前所述奶粉加工涉及諸多工段，從理論上說只要與加熱有關的操作都有可能影響乳清蛋白的變性，但實際上只集中在殺菌、濃縮和干燥3 個主要環節。其中濃縮和干燥環境溫度都很高，但是全在負壓條件下進行，只要按規定操作，牛奶的實際溫度都在70 ℃以下。因此關鍵的環節其實只有一個，即熱殺菌操作。據此相關國際組織還配套提供了一個工藝選擇原則（圖12）。

由富含生物活性物質的生鮮牛奶為原料制得的奶制品，也可以“再次”作為原料來使用。只不過以“奶制品”為原料制得的產品，按照國際慣例它們不能稱為“奶制品”了，必需改稱為“復合奶制品（Composite milk product）”。同時也強調，牛奶標準化操作的關鍵，是只能使用“生牛奶”自身的組分，來完成特定成分的調整，而且這些組分不能在操作過程中發生顯著的品質變化。C

圖12　脫脂奶粉原料奶殺菌工藝參數選擇指南

（續完）

顧佳升（1948-），男，學士，高級工程師，研究方向為乳品加工及檢驗。

（2014-11-12）