嬰兒配方乳粉干法生產工藝混合均勻性研究

姜艷喜，李歸浦，張建友，華家才，季杰，儲小軍

（1.貝因美股份有限公司，杭州310058；2.貝因美（杭州）食品研究院有限公司，杭州311106；3.浙江工業大學 食品科學與工程學院，杭州310004；4.杭州貝因美母嬰營養品有限公司，杭州311106）

0 引 言

均勻性是指對于物質的一種或多種指定特性具有相同特性量值或相同結構或相同組分的一種物質狀態[1]是否達到規定的混合均勻度是衡量混合工序效果的關鍵指標，也用來衡量各營養強化劑劑型是否均勻分散于嬰兒配方乳粉中進而確保嬰兒在每次食用時均可攝入配比均衡的營養素。

本文研究嬰兒配方乳粉所用主要原輔料的松裝密度、振實密度、壓縮度、休止角以及粒度分布等粉體物性對混合均勻性的影響。并選擇商業化生產線的5批次嬰兒配方乳粉，以維生素、不飽和脂肪酸、礦物質等作為混合均勻性評價指標，以茲為干法工藝生產嬰幼兒配方乳粉、調制乳粉和固體飲料提供指導。

1 實 驗

1.1 材料

嬰兒配方乳粉基粉、植物脂肪粉、脫鹽乳清粉D 90、脫脂乳粉、全脂乳粉、復配營養強化劑（維生素）、復配營養強化劑（礦物質）、低聚果糖、二十二碳六烯酸粉（魚油DHA粉）、乳鐵蛋白、復配營養強化劑（核苷酸）、花生四烯酸粉（ARA粉）、濃縮乳清蛋白粉WPC80等。

嬰兒配方乳粉，5批次，車間商業化生產線制備；混合工藝主要參數：一級放大混合（即預混）時間180 s，混合轉速68 rpm；二級放大混合時間120 s，混合轉速38 rpm。

1.2 主要儀器設備

MD-II型粉體密度儀，黑龍江立高儀器設備有限公司；激光粒度儀（馬爾文Mastersizer 3000型），M alvern Panalytical；食品混合機1000L，利樂公司；食品混合機200L，江蘇牧羊集團有限公司。

1.3 方法

1.3.1 粉體松裝密度測定

將粉體物料通過玻璃漏斗緩慢均勻注入200 mL量筒中，當粉體物料注滿量筒時，用刮刀沿圓筒上沿將多余的粉體刮去，然后精確稱量圓筒中粉體物料質量，按公式求出粉體物料的松裝密度ρ0（單位g/100mL）：

1.3.2 振實密度測定[2]

將注滿粉體物料的量筒置于輕敲測定儀上進行多次輕敲，直至體積不變為止，精確計量粉體物料的振實體積，按公式求出粉體物料的振實密度ρf（單位g/100 mL）：

1.3.3 粉體壓縮度測定[3]

粉體壓縮度是粉體振實密度和松裝密度之差與振實密度的比值，它主要反映了粉體間聚集的傾向，是檢測粉體流動性的主要指標之一。壓縮度越小，表明粉體流動性越好。

根據粉體物料的松裝密度和振實密度，按公式求出粉體物料的壓縮度C：

1.3.4 粉體休止角測定

采用固定圓錐法，依據鐘勇鋒[4]測試方法進行改良，具體操作為：將粉體物料通過玻璃漏斗輕輕地、均勻地落入直徑為9 cm的圓盤中心部，使粉體形成以圓盤中心為圓心的圓錐體，當物料從粉體斜邊沿圓盤邊緣自由落下時停止加料，并用量角器測定圓錐體的圓錐底角，此圓錐底角就是粉體物料的休止角θ（見圖1）。

圖1 固定圓錐法測定粉體休止角

1.3.5 粉體粒度分布測定

粉體粒度分布使用激光粒度儀（馬爾文Mastersizer 3000型）進行檢測，檢測條件為：料斗高度1.5 mm，粉體吹掃壓力10 kPa，粉體進樣速度60%。粒度分布檢測指標為體積等效平均粒徑和不同粒徑范圍粉體顆粒占所有粉體顆粒的體積百分比。

1.3.6 混合均勻度評價方法[5-6]

以同一批次嬰兒配方乳粉中所檢測指標質量分數的相對標準偏差來反映所測產品的混合均勻度為

式中：xi為第i個樣品某營養素的質量分數，即第i個樣品的某營養素質量分數的兩次測定值的算術平均值；xm為所有樣品某營養素質量分數的算術平均值；RSD為樣品某營養素質量分數的相對標準偏差；Hs表示測定產品的混合均勻度。

1.3.7 營養素指標測定

檢測方法為嬰兒配方食品各營養成分對應的現行有效的食品安全國家標準檢測分析方法。

2 結果與討論

2.1 嬰兒配方乳粉所用主要原輔料粉體物性

影響混合均勻度的因素有：①粉體粒徑大?。虎诟鹘M分間粒徑差與密度差；③粒子形態和表面狀態；④靜電性和表面能；⑤其他如固體物料中含濕量等也是影響混合的重要因素[3]。當嬰兒配方乳粉所用各種原輔料進行混合時，若盡量減少各組分粉體性質之間的差異，以減少混合過程中或混合后不同粒子的離析現象，便可提高混合均勻度。

評價粉體流動性的指標有休止角、內部摩擦角、剪切黏著力、久野-川北方程的參數、流動綜合指數等[3]。其中休止角是檢驗粉體流動性最簡單易操作的指標，因此最為常用。

由表1可以看出，不同原輔料的松裝密度和振實密度均有不同程度的顯著性差異，其中維生素、礦物質、低聚果糖、魚油DHA粉、核苷酸的松裝密度和振實密度均顯著高于配方中占比較大物料的嬰兒配方乳粉基粉、植物脂肪粉和全脂乳粉，這種粉體密度之間的差異，有可能導致混合過程中出現不可逆的分層現象，從而影響混合均勻性。因此在混合過程中，一般應盡量使混合物料的密度和粒度相接近，避免出現混合分層，以追求達到理想的混合均勻度。

表1 嬰兒配方乳粉所用主要原輔料粉體物性

由表1數據同樣可以看出，不同物料粉體的流動性均存在不同程度的顯著性差異。就粉體壓縮度而言，維生素（32.00%）、低聚果糖（37.00%）和濃縮乳清蛋白粉WPC80（38.34%）的壓縮度顯著高于魚油DHA粉（11.51%）、ARA粉（20.25%）和乳鐵蛋白（25.50%）的壓縮度，組成中間產品（即一級放大混合所得產品，下同）的大部分原輔料（低聚果糖和濃縮乳清蛋白粉WPC80除外）的壓縮度顯著低于成品粉（即二級放大混合所得產品，下同）的主要原輔料嬰兒配方乳粉基粉（35.38%），但與植物脂肪粉（28.25%）的壓縮度相差不大（魚油DHA粉和ARA粉除外）；就粉體休止角而言，維生素（45.22°）、脫鹽乳清粉D90（46.45°）、低聚果糖（48.03°）、核苷酸（48.43°）和濃縮乳清蛋白粉WPC80（61.26°）的休止角顯著高于魚油DHA粉（34.69°）、ARA粉（38.18°）和乳鐵蛋白（38.38°）的休止角，組成中間產品的所有原輔料的休止角均顯著低于嬰兒配方乳粉基粉（54.95°），但與植物脂肪粉（47.32°）的休止角相差不大（魚油DHA粉、ARA粉和乳鐵蛋白除外）。這種粉體之間的流動性差異也可能會導致粉體不易混合均勻。

壓縮度是粉體流動性的重要指標，其大小可反映粉體的聚結性、松軟狀態。壓縮度20%以下時，流動性較好，可用于生產；壓縮度越大流動性越差，當壓縮度達到40%～50%時，粉體則很難從容器中自由流出[3]。亦有研究記載，粉體的壓縮度小于15%時，粉體具有較好的流動性和不團聚性[7]，魚油DHA粉的壓縮度小于15%，具有很好的流動性，這與粉體的直觀表征相一致；當粉體的壓縮度在15%～30%之間，粉體具有較好的流動性和輕微的團聚性[7]，表1中絕大多數物料的壓縮度均小于30%，具有較好的流動性。但需特別關注嬰兒配方乳粉基粉、全脂乳粉和濃縮乳清蛋白粉WPC80的粉體性狀，必要性增加相關特征指標作為它們混合均勻性的指示指標；更需引起重視的是維生素和低聚果糖，必要時應逐一分析維生素中各個單體劑型的物性并將所含維生素均列入混合均勻性的指示指標，建議同時將低聚果糖納入混合均勻性的考察指標。

休止角是檢驗粉體流動性的另一個重要指標。粒子在粉體對基層的自由斜面上滑動時，受到重力和粒子間摩擦力的作用，如果粒子密度小，則重力作用小而流動性差；如果黏性粉體或粒徑小于100～200μm的粉體，其粒子間的相互作用力較大而流動性差，相應地休止角較大[3]。對于球形顆粒，粉體的休止角較小，一般在23～28°之間，粉體的流動性好；規則顆粒的休止角約為30°；不規則顆粒的休止角約為35°；極不規則顆粒的休止角大于40°[7]。根據經驗，一般認為休止角θ＜30°時流動性很好，θ＞45°時流動性差[3]。嬰兒配方乳粉所用原輔料需特別關注休止角大于45°物料的混合均勻性。

由表2可以看出，魚油DHA粉和ARA粉粉體體積占比達到10%，50%，90%的顆粒粒徑以及體積等效平均粒徑均顯著高于嬰兒配方乳粉基粉和植物脂肪粉，且魚油DHA粉粉體粒徑＜100μm的顆粒體積占比為0%，這表明魚油DHA粉和ARA粉的粉體粒度顯著高于嬰兒配方乳粉基粉和植物脂肪粉；維生素、礦物質、低聚果糖和核苷酸的粉體體積占比達到10%，50%，90%的顆粒粒徑以及體積等效平均粒徑均顯著低于嬰兒配方乳粉基粉和植物脂肪粉，且0～30μm和0～50μm的顆粒體積占比顯著高于嬰兒配方乳粉基粉和植物脂肪粉，這表明維生素、礦物質、低聚果糖和核苷酸的粉體粒度顯著低于嬰兒配方乳粉基粉和植物脂肪粉，微粉顆粒顯著多于嬰兒配方乳粉基粉和植物脂肪粉。

各種原輔料尤其是魚油DHA粉、ARA粉、礦物質、維生素、低聚果糖和核苷酸等與嬰兒配方乳粉基粉和植物脂肪粉在粒度分布上的巨大差異，有可能會導致其不容易混合均勻。此外，礦物質和維生素中的微粉顆粒或者粗粉顆粒是否集中來源于某一種或幾種營養強化劑劑型還需要進一步研究。若微粉顆?；蛘叽址垲w粒集中來源于某一種或幾種營養強化劑劑型，則有可能會導致這些營養強化劑劑型不容易混合均勻，尤其關注本底含量低主要來源于外源強化但強化量很低的營養素如：維生素A、維生素D3、維生素B6、維生素B12、維生素K1、葉酸、生物素等。

表2 嬰兒配方乳粉主要原輔料粉體粒度分布差異分析(n=5，±s)

表2 嬰兒配方乳粉主要原輔料粉體粒度分布差異分析(n=5，±s)

原輔料嬰兒配方乳粉基粉植物脂肪粉脫鹽乳清粉D90脫脂乳粉全脂乳粉復配營養強化劑（維生素）復配營養強化劑（礦物質）低聚果糖二十二碳六烯酸粉（魚油DHA粉）乳鐵蛋白復配營養強化劑（核苷酸）花生四烯酸粉（ARA粉）濃縮乳清蛋白粉WPC80 D10/μm D50/μm D90/μm 體積等效平均粒徑/μm不同粒徑顆粒的體積占比/%46.2±0.3 65.2±0.4 53.1±0.4 54.7±0.3 63.8±0.7 21.1±1.0 12.0±0.1 18.6±0.2 193.2±2.1 33.5±1.0 19.6±0.5 61.5±2.2 30.3±0.4 122.4±0.8 172.0±1.4 180.6±0.4 142.4±0.6 190.1±3.5 111.8±3.8 62.9±1.1 94.7±1.9 293.0±4.1 149.0±2.0 90.6±1.1 203.8±9.7 101.1±0.7 257.6±2.0 366.7±4.0 341.9±1.4 294.2±0.7 436.8±11.5 247.5±8.4 226.2±5.2 241.7±6.0 448.0±6.7 339.5±1.8 256.6±0.4 445.6±18.5 219.9±1.5 139.2±1.0 197.6±1.9 191.6±0.6 160.8±0.5 225.0±4.6 126.2±4.1 94.0±1.9 115.0±2.4 309.2±4.6 171.0±1.6 118.1±0.7 232.9±10.4 115.1±0.8＜30μm 4.43±0.09 2.33±0.02 4.38±0.06 4.89±0.04 1.65±0.04 13.47±0.6 28.34±0.28 16.67±0.23 0.00±0.00 8.82±0.33 17.14±0.53 3.01±0.12 9.86±0.18＜50μm 11.66±0.13 6.05±0.07 9.23±0.11 8.70±0.09 6.04±0.11 20.55±0.97 42.71±0.44 27.76±0.41 0.00±0.00 15.62±0.50 29.76±0.68 7.18±0.37 20.71±0.29＜100μm 38.32±0.31 22.14±0.27 22.08±0.16 29.32±0.22 21.64±0.56 44.21±1.77 65.25±0.79 52.30±0.85 0.00±0.00 33.10±0.71 53.87±0.40 20.43±1.39 49.40±0.38 100～200μm 40.56±0.10 37.10±0.25 34.81±0.15 42.16±0.05 31.12±0.60 37.20±0.60 21.44±0.09 30.77±0.28 12.24±0.78 32.16±0.29 28.14±0.33 28.61±1.19 36.96±0.23＜200μm 78.87±0.38 59.24±0.52 56.89±0.14 71.48±0.22 52.76±1.00 81.41±1.55 86.69±0.70 83.06±0.92 12.25±0.78 65.26±0.53 82.02±0.08 49.05±2.57 86.35±0.25 200～300μm 15.75±0.19 22.67±0.09 26.66±0.11 19.22±0.14 21.65±0.50 13.91±0.94 9.33±0.40 12.61±0.48 40.54±0.90 20.03±0.29 11.77±0.06 22.77±0.20 11.30±0.14＜300μm 94.62±0.21 81.91±0.45 83.55±0.20 90.70±0.09 74.41±1.07 95.32±0.71 96.03±0.29 95.67±0.51 52.78±1.68 85.28±0.26 93.78±0.04 71.82±2.41 97.65±0.13＞300μm 5.38±0.21 18.09±0.45 16.45±0.20 9.30±0.09 25.59±1.07 4.68±0.71 3.97±0.29 4.33±0.51 47.22±1.68 14.72±0.26 6.22±0.04 28.18±2.41 2.35±0.13

2.2 嬰兒配方乳粉混合均勻性

物料在混合機的混合作用方式一般有對流混合、擴散混合和剪切混合，三種混合作用是不能絕對分開的，各種混合機都是以這三種作用的某一種作用起主導作用。

混合均勻性指示指標的確定一般遵循以下原則：①主要來自于食品營養強化劑強化；②所用檢測方法穩定準確性高；③在混合成品中含量較低且控制范圍較窄；④食品營養強化劑劑型粉體物理特性與主體基料粉體物理特性相差較大；⑤相似產品或配方在相同生產線上已表現出混合均勻性不太理想的指標。另混合的取樣應該具有代表性，且應該針對最可能發生死角的位置，運用合適的工具進行取樣分析以考察其混合效果。

嬰兒配方乳粉混合均勻性研究以維生素A、維生素D3、維生素E、維生素B1、維生素B2、維生素B6、煙酸、葉酸、泛酸、生物素、ARA、DHA、鐵、鋅、鎂、銅作為混合均勻度考察指示指標。在車間商業化生產線按照確定的混合參數試制生產5批次產品，每批次于混合機上層11個不同位置點取樣，每個位置點取3份樣品（1用2備）進行檢測分析。

表3 嬰兒配方乳粉混合均勻性

圖2 嬰兒配方乳粉混合均勻性（n=5,±s）

由表3可以看出，嬰兒配方乳粉所檢測營養素混合均勻度均大于85%。維生素類指標的混合均勻性相較礦物質類指標的混合均勻性略差，如煙酸和泛酸的平均混合均勻度均小于90%，這應與粉體物性有關。它們分別由維生素和礦物質提供，由表1可知維生素的壓縮度與休止角均高于礦物質；另由表2可知維生素的體積等效平均粒徑明顯高于礦物質，代表維生素中粗粉顆粒較多。魚油DHA粉和ARA粉均具好良好的流動性，尤以魚油DHA粉流動性佳，但反映到混合均勻性指標上，DHA的平均混合均勻度低于ARA，這可能是因為粉體粒徑分布；由表2數據可以看出魚油DHA粉小于100μm的顆粒體積占比為0%且其粉體粒度顯著高于嬰兒配方乳粉基粉和植物脂肪粉，說明粗粉顆粒若集中來源于一種營養強化劑劑型，極大可能會導致這種營養強化劑劑型更不容易混合均勻。

研究所用混合設備為雙軸槳葉式混合機，為混合容器固定型，根據經驗，嬰兒配方乳粉所用原輔料在最優混合時間120 s下并不會出現分層現象，所以在進行混合均勻性取樣時進行了上層11個不同位置點的取樣，涵蓋了混合機上層的4個死角，以及雙軸附近6個點和1個中心點。但美國FDA相關文件規定對于混合設備取樣，容器旋轉型混合設備應在設備內部確認出至少10個取樣點，取樣點的位置應能代表潛在的不均勻區域；對于容器固定型混合設備則應在設備內部確認出至少20個取樣點，取樣點的位置應盡可能從容器死角處和放料口處布置；以上2種設備每個取樣點重復取3份樣品[8]。對每一個取樣點的一份樣品進行含量測定，所有結果的RSD≤5.0%，每個點的值應在平均結果的±10%范圍內[9]。目前該指南現雖已廢止，但藥品制造行業仍在廣泛應用其理論用于藥品混合均勻性評估。

建議今后開展混合均勻性工藝驗證時，設置取樣位置點不少于20個，并以同一指標的所有結果的RSD≤7.8%作為內控要求，參照我國對于藥品的混合均一度規定相對標準偏差不應高于7.8[9]。同時為了將檢測誤差將至最低，取兩次檢測數據的平均值，且兩次檢測數據的相對標準偏差應符合食品安全國家標準檢測方法的規定，另建議考慮檢測5個樣品后加1個質控樣以減少檢測偏差，以便真實反饋樣品營養素指標真值。

3 結 論

實驗結果表明良好的粉體流動性是干法工藝混合均勻性的重要保證；粉體的物理性質是決定其流動性的關鍵。混合均勻性結果顯示：維生素（維生素A、維生素D3、維生素E、維生素B1、維生素B2、維生素B6、煙酸、葉酸、泛酸、生物素）、不飽和脂肪酸（ARA、DHA）和礦物質（鐵、鋅、鎂、銅）的混合均勻度均＞85%，其中煙酸、泛酸和DHA的混合均勻度＜90%，除此之外的營養素的混合均勻度均≥90%。這與復配營養強化劑（維生素）、復配營養強化劑（礦物質）、花生四烯酸粉（ARA粉）和二十二碳六烯酸粉（魚油DHA粉）良好粉體物性密不可分。綜上建議將粉體休止角、松裝密度、振實密度、壓縮度、粒徑分布等可表征粉體流動性的指標列為干法工藝生產所用物料評價評估的關鍵指標。

但另有研究表明粉體水分含量也是影響粉體流動性的關鍵指標，特別是粉體顆粒的表面水分，會在顆粒間形成液橋結構，該結構會在一定程度上影響顆粒間的黏著力及顆粒與混合容器壁間的附著力，水分含量的多少則會直接決定黏著力與附著力的大小[10]，因此對用于干法工藝生產的物料還應控制其水分含量，尤其是自由水的含量。

當混合工藝（混合機）確定后，混合均勻度除受粉體物理性質影響外，還受到操作因素的制約，如混合物料單位體積混合比、總體積混合比、物料重量混合比（添加量）、微量組分的添加程序等，以及最易被忽視的測定方法的影響，如分析檢測樣品量[11]。嬰兒配方乳粉是否可以借鑒王永昌等[11]的研究，以每日嬰兒攝入量做為分析檢測樣品量，還有待進一步討論。