第六节 乳粉的速溶技术
一、速溶机制
1.机制
速溶性就是乳粉能够迅速复原的能力，对于许多应用来说，它都是必须具备的性质。速溶乳粉比普通喷雾乳粉具有颗粒大而疏松，润湿性好，分散度高，用水冲调复原速度快，即使用冷水也能迅速溶解而不结块的优点，所以颇受消费者欢迎。
速溶乳粉是一种采取了特殊工艺生产的乳粉，因此，比普通的乳粉具有更好的复原性。很多人认为速溶乳粉的溶解性具有很大的改善，这种想法是错误的。事实上，速溶工艺并没有改善溶解性，如果工艺条件控制不当，反而降低产品的溶解性。
速溶的目的是提高乳粉复原的速度和完全性，这一产品对家庭消费具有重要意义。因为在工业上可以使用机械设备对乳粉进行复原，所以并不强调速溶性。速溶乳粉是指将乳粉放在未经加热过的水的表面，在没有搅拌的情况下乳粉会迅速下沉；乳粉必须具有良好的润湿性（较短的润湿时间），良好的沉降性和分散性，而溶解性与普通的乳粉相同。1979年，IDF标准87对分散性的定义是：评价速溶性的最好标准，在一定的时间内乳粉分散的前提是乳粉颗粒已经被润湿并沉入水中。当水温升至增加70～80℃时会显著增加复原速度。IDF标准中用来测定分散性和润湿性的温度是25℃，采用这一温度的目的是与日常生活用水的温度相一致（虽然通常自来水的温度要比这一温度低）。故奶粉的速溶是指在温水或冷水中都具有很快的溶解速度，当奶粉放到水中，轻轻搅拌即可完全、快速地溶解。
2.速溶乳粉的特性描述
①润湿性。即反映乳粉分散于水面后被润湿情况的指标。
②沉降性。即反映润湿后的乳粉在一定量的水中的沉降能力的指标。
③分散性。即反映乳粉完全分散于一定量的水中的能力指标。
④溶解度。即反映乳粉复原成牛乳后溶解情况的指标。
3.速溶乳粉的特点
速溶乳粉是采用某种特殊的工艺及设备所制成的粉末状制品，它有以下特点。
①速溶乳粉的颗粒直径大，一般为100～800μm。
②速溶乳粉的溶解性、可湿性、分散性等性能都得到极大改善，当用不同温度的水冲调复原时，只需搅拌一下，即迅速溶解，不结块，毋须先调浆再冲调，减少了消费者冲饮的麻烦，即使用冷水直接冲调也能迅速溶解。
③速溶乳粉中的乳糖是呈结晶状的含水乳糖，在包装和保存过程中不易吸潮结块。
④由于速溶乳粉的直径大而均匀，减少了制造、包装及使用过程中粉尘飞扬的程度，改善了工作环境，避免了不应有的损失。
⑤速溶乳粉的比容大，表观密度低，则包装容器的容积相应增大，一定程度上增加了包装费用。
⑥速溶乳粉的水分含量较高，不利于保藏；对脱脂速溶乳粉而言，易于褐变，并具有一种粮谷的气味。
二、速溶工艺
脱脂乳粉的速溶工艺与全脂乳粉的工艺完全不同。脱脂乳粉的复原速度是由乳粉的质构所决定的，脱脂乳粉的速溶工艺是将乳粉颗粒附聚成大小为2～3mm的多孔附聚物，附聚的过程增加了乳粉中空气的量，乳粉复原的过程是从乳粉中的空气被水替代时开始的；随后乳粉颗粒被润湿分散，最后开始真正地溶解。
1.脱脂速溶乳粉的干燥工艺
普通脱脂乳粉中的乳糖，呈不定形的玻璃状非结晶，是α-乳糖与β-乳糖的混合物，前者与后者的比值为1:1.5。这种乳粉具有很强的吸湿性能，当处于温度为35℃，相对湿度为70％的环境中，将普通脱脂乳粉放置4～10h，其水分含量将高达10％～12％，其后就不再吸水了，但乳糖已变成结晶状态。若此时将这部分已吸湿的脱脂乳粉再进行干燥，使吸湿的那部分水分蒸发掉，就得到乳糖呈结晶状态的乳粉。速溶脱脂乳粉就是根据上述原理制造的，其制造方法有一段法和二段法两种。
（1）一段法
一段法无需基粉，直接一次生产而成，克服了二段法生产的弊病，目前一段法生产脱脂速溶乳粉又有干燥室内直接附聚法和流化床附聚法两种。
①干燥室内直接附聚法 这是在同一干燥室内完成雾化、干燥、附聚、再干燥等操作，使产品达到标准要求的方法。
从设备角度出发，一般采用增高干燥室高度或增大其直径，延长物料的干燥时间，使物料在较低的干燥温度下达到预期的干燥目的。通常喷雾器采用上下两层结构布置。
从工艺角度考虑，一般采用提高浓缩乳的浓度，大孔径喷头压力喷雾，并降低高压泵的使用压力的办法，以得到颗粒较大的脱脂速溶乳粉。
直接附聚法的工作原理是：浓缩乳通过上层雾化器分散成微细的液滴，与高温干燥介质接触，瞬间进行强烈的热交换和质交换，雾化的液滴形成比较干燥的乳粉颗粒流。然后另一部分浓缩乳通过下层雾化器形成相当湿的乳粉颗粒流，使湿的乳粉颗粒流与上述比较干燥的乳粉颗粒流保持良好的接触，并使湿颗粒包裹在干颗粒上。这样湿颗粒失去水分，而干颗粒获得水分而吸潮，以达到使乳粉附聚及乳糖结晶的目的。然后附聚颗粒在热介质的推动及本身的重力作用下，在干燥室内继续干燥并持续地沉降于底部卸出。
②流化床附聚法 原理是浓缩乳经雾化器分散成微细的液滴，在干燥室内与热空气进行热交换和质交换，最终获得水分含量高达10％～12％的乳粉。乳粉在沉降过程中产生附聚，沉降于干燥室底部时仍在继续附聚，然后潮湿且已部分附聚的乳粉自干燥室卸出，进入第一级振动流化床继续附聚成为稳定的团粒，然后进入二次干燥的流化床及冷却床，最后经过筛成为均匀的附聚颗粒。
（2）二段法
用喷雾干燥法生产的普通脱脂乳粉作基粉。基粉生产时脱脂乳粉的杀菌温度宜采用80℃、保温时间为15s，浓缩温度采用45～50℃，使乳清蛋白的变性程度小于15％，然后将喷雾干燥所得的脱脂乳粉，经下列工序的处理便可制造成脱脂速溶乳粉。
①基粉定量地注入加料斗，经振动筛板均匀地洒布于附聚室内，与潮湿空气或低压蒸汽接触，使基粉的水分含量增高至10％～12％，并使乳粉颗粒相互附聚而颗粒直径增大，随之乳糖便结晶。
②已结晶及附聚的脱脂乳粉在流化床，或与附聚室一体的干燥室内，与温度为100～120℃的热空气接触，再进行干燥，使脱脂乳粉的水分含量达到应有的要求。
③在振动冷却床上以冷风冷却至一定的温度。
④过筛使颗粒大小均匀一致。
二段法生产脱脂速溶乳粉工艺过程复杂，能源不经济，生产成本高，生产环节多，产品质量难以控制。
2.全脂速溶乳粉的干燥工艺
全脂速溶乳粉的制造较为复杂，除了考虑脱脂速溶乳粉的因素外，还得考虑解决脂肪对乳粉速溶性的影响因素。由于全脂速溶乳粉含25％以上的脂肪，其润湿性较差，不易达到乳粉速溶的要求。为此全脂速溶乳粉的生产除使乳粉颗粒附聚外，尚须进行乳脂肪的润湿性处理。对全脂乳粉而言，当温度为45℃时（比脂肪的熔点高10℃），附聚物在水中的复原非常困难，因此，必须在乳粉颗粒表面覆盖表面活性剂或润湿剂。卵磷脂已经作为一种表面活性剂在业界广泛地使用。用于速溶工艺的卵磷脂是由大豆卵磷脂中提取的几种天然卵磷脂成分构成的。
全脂乳粉的速溶加工过程是从生产基粉开始的，卵磷脂化的乳粉在25℃的水中具有速溶性。基粉除了要达到普通乳粉的标准外，还要达到下列要求。
①游离脂肪的含量要尽量地低，这通过在雾化前对浓缩乳进行均质来实现。
②颗粒的密度要尽可能地高，以增加沉降性，因此，需要使用高浓度的浓缩乳以使包埋在乳粉颗粒中的空气达到最小值。将进风温度升高到170～180℃也可以增加乳粉颗粒的密度。
③乳粉应该由多孔附聚物组成，但不能有细粉。绝大部分乳粉颗粒的直径应该为100～250μm。低于90μm的颗粒不应超过15％～20％，粉体密度应该在0.45～0.50g/cm3的范围内。为了达到最后一个要求，浓缩乳的黏度要高，即浓缩乳的浓度要比较高且不能加热。雾化过程中要使用与干燥能力相适应的最低雾化速度。这种工艺条件会产生大颗粒的乳粉，从而延长干燥的时间，使得没有干燥完全的乳粉黏合在一起的机会增多。为了克服干燥时间长的缺点，应该采用二级或三级干燥工艺，从而使得干燥室中的温度比一级干燥温度低，此情况下产品中的游离脂肪含量较低。
用喷雾干燥法制造全脂速溶乳粉可采用一段法及二段法，但不论采用哪一种生产方法，其工艺过程中均包括下述两个关键性的环节。
①采用高浓度、低压力、大孔径喷头生产颗粒大并已附聚的全脂乳粉，以得到颗粒直径较大和颗粒分布频率在一定范围内的乳粉，用以改善乳粉的下沉性。
②喷涂卵磷脂以改善乳粉颗粒的润湿性、分散性、使乳粉的速溶性大为提高。
全脂速溶乳粉的一段法制造方法可概述如下：由喷雾干燥室内直接喷制出含水量为5％～8％的全脂乳粉，此时乳粉呈热塑性状态。当沉降于干燥室底部时，因相互粘连而部分产生附聚。随即自干燥室内卸出，进入第一级流化床附聚，然后进入第二级振动流化床，被从流化床的孔板吹入的热风干燥。而后喷涂卵磷脂，最终经冷却流化床冷却至50℃左右，或在第二级流化床末端，喷涂70℃的卵磷脂溶液，然后在下一级流化床的孔板下吹入50～60℃的热风使乳粉进一步干燥。最终过筛后即得到速溶全脂乳粉。
振动流化床孔板的截面积取决于喷雾干燥设备的生产能力，乳板的开孔率取决于风速，风速取决于风量，而风量取决于乳粉与介质间所需的热交换量。孔板上乳粉的厚度、流化速度及时间将直接影响到附聚、干燥和冷却的效果。若乳粉的流化床速度为2.2cm/s，则孔板的开孔率为2％，交错开孔，孔呈菱形，每孔的截面积相当于1mm直径的面积；孔板的厚度为1mm，冲压波高60mm、波长为160mm的波纹板，同时，振动流化床需控制一定的振动角度，这样可以使乳粉在孔板上产生抛掷运动，有利于附聚或热交换。
喷涂卵磷脂的目的在于改善乳粉的润湿性。全脂乳粉含有25％以上的脂肪，乳粉颗粒或附聚团粒的外表面都有许多脂肪球存在，使颗粒表面游离脂肪增多，由于表面张力的影响，使乳粉在水中不易润湿而下降，因而也就不容易在水中溶解。卵磷脂是一种既亲水又亲油的表面活性物质，喷涂于乳粉颗粒的表面，可以增强乳粉颗粒的亲水性，提高了乳粉的润湿性。卵磷脂的喷涂厚度为0.1～0.15μm，卵磷脂的用量为乳粉量的0.2％～0.3％，允许加入量为0.4％；用量如超过0.5％时，就能尝出卵磷脂的味道。卵磷脂使用时，须配成60％的无水乳脂溶液。
卵磷脂的热喷涂必须与干燥过程保持同步，但要使喷涂设备的能力与干燥设备的能力保持一致的投资是相当巨大的。尽管乳粉可以趁热喷涂卵磷脂后进行包装，但喷涂室必须抽真空后再充入惰性气体。由于进行热喷涂的效果会在后续加工中被破坏，所以这一工序并没有很大的意义。由于后续的加工过程会使附聚的乳粉破碎，所以乳粉通常是从干燥器排出后在较冷的条件下进行卵磷脂的喷涂，但乳粉在喷涂卵磷脂后必须在50℃的条件下在流化床上保温5min，然后才能冷却。如果要对热粉暂存，那么必须存放在提筒或鼓筒中。如果乳粉要存放几天并已经被冷却，就无须使用充气喷涂法。使用风力输送和大筒贮藏也会导致乳粉的破碎，因此应该尽量避免。
IDF第87号标准提供了速溶脱脂乳粉和速溶全脂乳粉的体密度和润湿性指标的检验方法，但仅给出了分散性的推荐值。当使用IDF的方法对速溶乳粉的润湿性进行测定时，速溶脱脂乳粉的润湿时间不应超过15s，速溶全脂乳粉的润湿时间不应超过10～15s，以判断产品的速溶性。
现在速溶全脂乳粉的生产厂家，特别是新西兰的生产商，使用多种分析方法来描述消费者使用乳粉时的速溶性。他们对速溶全脂乳粉在冷水和热水（或热咖啡）中进行冲调的情况进行模拟。速溶全脂乳粉溶解时进行轻微地搅拌，这些方法包括乳粉颗粒缓慢地分散和沉淀的测定。虽然这些方法的精确性和重现性值得改进，但它们对乳粉速溶性的描述确实比IDF对于分散性和润湿性的标准更具体。速溶乳粉的重要参数是流动性，流动性是乳粉可以被输送的容易程度的量度。通过附聚可以提高乳粉的流动性。速溶工艺——喷涂卵磷脂的工艺会降低乳粉的流动性，这是因为卵磷脂使得乳粉表面的游离脂肪增多，从而使乳粉具有更高的黏合度。
喷涂卵磷脂合乳粉的贮存对于速溶乳粉非常关键。在卵磷脂的喷涂过程中必须防止乳粉的物理性破碎以及水分的吸收。在对全脂乳粉进行喷涂时还要防止脂肪的氧化。因为附聚可以使产品具有良好的速溶性，因此，在乳粉被复原以前必须保持其较高的附聚度。附聚的乳粉即使有少量的破碎也会导致细粉的产生，从而降低乳粉的润湿性和分散性。附聚乳粉的破碎会使全脂乳粉未覆盖表面活性剂的乳粉颗粒表面暴露，从而导致润湿性降低。
综上所述，采用喷雾干燥加流化床附聚、二次干燥技术的一段法，生产全脂速溶乳粉、脱脂速溶乳粉等产品，操作简单，可利用现有的干燥设备，大大提高现有喷雾干燥设备的生产能力和热效率，但目前国内制造并使用的各种喷雾干燥设备，尚存在着乳粉不能连续均衡地自干燥室内卸出，经常出现搭桥、乳粉粘壁严重等问题，有待解决。
三、影响乳粉速溶的因素及改善方法
影响乳粉速溶的因素如下。
①能够被水润湿。因为水分可以通过虹吸作用被吸在乳粉颗粒之间的空隙中。乳粉的润湿性可以通过乳粉、水、空气三相体系的接触角测定出来，如果接触角小于90°，那么乳粉颗粒就能够被润湿。干燥的脱脂牛乳的接触角一般是20°左右，全脂乳粉的接触角为50°左右，但人们对乳粉块的润湿与单个乳粉颗粒的润湿的不同原因还不清楚；全脂乳粉的有效接触角会更大一些，润湿角可能会大于90°（特别是当一部分脂肪是固体时），这时水分不能够渗入到乳粉块内部或者仅仅能够局部的渗入，改善办法是将乳粉颗粒喷涂卵磷脂，从而减小了有效接触角。
②水分子对于乳粉的渗透率和乳粉颗粒之间的空隙大小有关。乳粉颗粒越小，孔隙就越小，渗透就越慢。如果乳粉颗粒的直径大小并不均一，小的颗粒可以填在大的颗粒的空隙之间，也会产生小的孔隙。
③渗透到乳粉内部的水分也可以因为毛细管的作用将乳粉颗粒粘在一起，导致乳粉颗粒之间的空隙变小。毛细管的收缩作用可以将乳粉的体积减少30％～50％，蛋白质的吸水膨胀也会导致空隙变小。
④乳粉中的一些成分，例如乳糖，溶解后会产生很高的黏度，从而阻碍了水分的渗透。正是由于乳粉中的乳糖是不定形状态，可以很快溶解，也可以说乳糖是被稀释的而不是被溶解的。由于以上众多的原因可以导致水分无法渗透到乳粉内部，这时乳粉会形成内部干燥外部湿润高度浓缩的乳块。
⑤乳粉的其他性质也会产生一些影响，但通常不会带来什么麻烦。例如连接在一起的乳粉颗粒在彻底润湿后是否能够很快分开，以及乳粉颗粒的密度是否会使颗粒下沉（这与乳粉颗粒内部空隙的体积有关）。
速溶乳粉的生产过程一方面是改善乳粉的润湿性，另一方面是改变乳粉颗粒的大小，这可以通过附聚的办法来解决，当乳粉颗粒还没有完全干燥时，它们之间会粘在一起。利用这一特点可以让湿乳粉粒相互碰撞，然后发生附聚，附聚颗粒的直径通常可以达到1mm，此时乳粉间的空隙也会变大。附聚的乳粉可以很快地在水中分散，然后慢慢地溶解，但经过附聚的颗粒必须能够承受乳粉处理过程中的机械性破坏。