粒徑法分析全脂乳粉再水化過程

賈宏信，周佳穎

（1.光明乳業股份有限公司乳業研究院，上海乳業生物工程技術研究中心，乳業生物技術國家重點實驗室，上海 200436；2.上海商學院酒店管理學院，上海 200235）

牛乳富含蛋白質、脂肪和碳水化合物，且含有多種礦物質和維生素，非常容易滋生微生物，引發變質[1]。為了能長時間保存牛乳，一種重要的手段就是將牛乳脫水加工為乳粉，這樣不但可以充分延長牛乳貨架期，而且可以相應地減少貯藏及運輸成本[2]。全脂乳粉作為食品加工領域一種重要的食品原料，廣泛應用于飲料、咖啡、酸乳、復原乳、醬料及調制乳粉等的生產[2-5]。一般而言，乳粉應用中的添加過程都會涉及從粉體體系到液體體系的轉變過程，乳粉的這一復原過程從經濟及食品加工要求上應該是快速和完全的。

全脂乳粉含有約28%脂肪，因此其再水化過程相比于脫脂乳粉時間更長，水化后其粒徑分布和體系穩定性均會受體系內脂肪的影響[6]。另外，水化溫度和乳粉粒徑會影響乳粉在水中的分散性，進而可能會對乳粉的水化過程造成影響[7-9]。本研究通過粒徑法分析全脂乳粉再水化過程中的粒徑變化及再水化溫度、乳粉粒徑與再水化時間的關系，探究全脂乳粉的再水化特性。

1 材料與方法

1.1 材料

全脂乳粉 光明乳業股份有限公司。

1.2 儀器與設備

Malvern Mastersizer 3000激光粒度分析儀 英國Malvern公司；SEIJ-MT-1001多功能粉體物性測試儀（帶0.2 mm分析篩） 日本Seishin公司；攪拌器 艾卡（廣州）儀器設備有限公司；WPE 45水浴鍋 德國Memmert公司；TE612-L電子天平 德國Sartorius公司。

1.3 方法

1.3.1 不同粒徑分布全脂乳粉的制備

利用0.2 mm的分析篩篩分全脂乳粉，得到過篩樣A（＜0.2 mm）和過篩樣B（＞0.2 mm）。全脂乳粉及篩分全脂乳粉的粒徑分布信息如表1所示。

表 1 全脂乳粉的粒徑分布Table 1 Particle size distribution of milk powder

1.3.2 全脂乳粉再水化

取230 g全脂乳粉加入到1 670 g水中，將攪拌器轉速調至1 500 r/min，快速分散全脂乳粉（控制分散時間不超過30 s，并馬上進行粒徑分析）；而后將攪拌器轉速調至100 r/min，每隔一定時間測定全脂乳粉沖調液的粒度分布。

1.3.3 粒徑分析

粉狀全脂乳粉選用Mastersizer 3000激光粒度分析儀的AeroS進樣器直接分析粒徑分布。對于溶于水的全脂乳粉，選用Hydro LV進樣器進行粒度分析。干粉測試時，分散劑折射率1.000，顆粒吸收率0.100，顆粒折射率1.520，檢測的有效遮光度5%～10%；溶液測試時分散劑為去離子水，分散劑折射率1.330，顆粒吸收率0.100，顆粒折射率1.520，泵轉速2 000 r/min，檢測的有效遮光度10%～20%。

2 結果與分析

2.1 全脂乳粉再水化過程中的粒徑分布

將全脂乳粉按照1.3.2節的方法溶解于30 ℃的水中，其溶解過程中的粒徑分布如圖1所示。

由圖1可知，全脂乳粉溶解于30 ℃的水中后，其粒徑分布會形成2 個峰，且隨著再水化時間的延長，粒徑小于1.5 μm的顆粒所占的體積分數增加，而粒徑大于1.5 μm的顆粒所占體積分數下降，說明隨著再水化時間的延長，全脂乳粉逐漸溶解，破裂為小顆粒。這與Crowley等[10]分析得到的牛乳濃縮蛋白粉（MPC35、MPC50、MPC60、MPC70、MPC80、MPC85和MPC90）再水化時的粒徑變化相似，均表現為粒徑分布在較小粒徑（約0.5 μm）處的峰值增加，而分布在較大粒徑（＞1.0 μm）處的峰值減小。

另外，結合表1可知，全脂乳粉在30 ℃條件下再水化，乳粉顆粒會在極短的時間內溶解為小顆粒，然后再慢慢地溶解為均一的牛乳狀態。一般來說，乳粉的再水化包括可溶性成分的溶解和不溶性成分的分散[2]。在乳粉再水化過程中，可溶性成分顆粒的溶解和破裂可以通過溶液粒徑的變化進行跟蹤，并對溶解終點進行判定。

2.2 水溫對全脂乳粉再水化的影響

由前期跟蹤數據可知，全脂乳粉在水中溶解時，粒徑Dx（90）達到1.11 μm后，溶液會處于相對穩定的狀態。因此，本研究定義全脂乳粉的再水化時間（復原時間）為全脂乳粉在水中溶解至Dx（90）＜1.11 μm所用的時間。

表 2 全脂乳粉在不同溫度下的再水化時間Table 2 Rehydration time of milk powder at different temperatures

由表2可知，在30、40、50 ℃水溫下分別進行再水化，水溫為50 ℃時，復原時間為30 min，遠低于水溫為30、40 ℃時。說明水溫越高，全脂乳粉的復原時間越短，在全脂乳粉實際復原過程中可以適當調整水溫，以提高全脂乳粉的復原速率，將加工過程控制在合理的時間范圍內。

由圖2～3可知，全脂乳粉在40、50 ℃溫度下再水化時，前10 min的水化速率最快，乳粉溶液的顆粒粒徑Dx（50）從0.7 μm快速降至0.5 μm左右，而后Dx（50）降至0.45 μm，并在0.45 μm上下小幅度波動；Dx（90）從大于24 μm快速降至小于1.5 μm，而后Dx（90）降至1.2 μm左右，并在1.2 μm處波動。Richard等[8]研究表明，酪蛋白磷酸鹽和乳清分離蛋白再水化時也表現出類似結果，即再水化的前10～15 min，溶液的粒徑有一個快速下降，并且快速下降的時間占再水化總時間的5%～10%。相比于在40、50 ℃水溫下再水化，全脂乳粉在30 ℃水溫下再水化時，乳粉溶液粒徑的下降較為平緩，特別是Dx（90）的變化可以進一步說明，常規條件下，30 ℃水溫快速溶解全脂乳粉的效果不佳。這與乳粉產品的建議沖調溫度為40～50 ℃相一致[11-14]，間接說明乳粉產品沖調性的改善可以通過適當提高沖調溫度來實現。

2.3 粒徑對全脂乳粉再水化過程的影響

當水溫為40 ℃時，按照1.3.2節的方法再水化不同粒徑分布的全脂乳粉，評估全脂乳粉的顆粒大小對于其復原特性的影響。

表 3 不同粒徑全脂乳粉的再水化時間Table 3 Rehydration time of milk powders with different particle sizes

由表3可知，全脂乳粉的顆粒大小直接影響全脂乳粉的復原速率。顆粒較大的過篩樣B在40 ℃水溫下再水化時間最短，約為30 min；而乳粉粒徑分布接近的全脂乳粉和過篩樣A的再水化時間一致，均為60 min。說明同種工藝下生產的乳粉，較大的粒徑有利于其快速溶解。Donz等[15]研究不同噴霧干燥階段脂肪粉（棕櫚油＋乳清蛋白）的再水化特性時發現，旋風分離器內的脂肪粉（粒徑較?。┧罅椒植几鼘?，多數集中在0.1～110.0 μm，而正常噴霧干燥得到的終產品脂肪粉（粒徑較大）水化后粒徑分布較窄，多數集中在0.1～20.0 μm。

由圖4～5可知，全脂乳粉粒徑越大，乳粉溶液的顆粒粒徑Dx（50）和Dx（90）的起始值越小。這可能是由于粒徑較大的乳粉其分散性和可濕性較好，在水中不易形成內部帶有空氣和干粉的結塊，多數乳粉顆粒能夠立即與水接觸并溶解，形成粒徑較小的乳液。研究表明，乳粉的附聚度越高，其可濕性越好，溶于水后越易形成粒徑（體積分布）呈正態分布的溶液，在水中產生的乳粉結塊越少，乳粉溶解也越快[2,15-16]。另外，不同粒徑全脂乳粉的溶液粒徑再水化過程中，特別是溶解超過60 min后，粒徑較大的過篩樣B與粒徑較小的全脂乳粉和過篩樣A的粒徑曲線并不重疊，說明全脂乳粉粒徑大小也會影響其再水化后的粒徑分布，即使是同一種配方，由于其粉體粒徑不同，再水化后其溶液的粒徑分布也不同。這一結果與Ji等[16]研究得出的牛乳分離蛋白粉再水化后粒徑的分布結果類似，他們發現通過流化床造粒的牛乳分離蛋白粉的粒徑不同，其再水化后溶液的粒徑分布也不同。

3 結 論

將粒徑法應用于全脂乳粉再水化過程的分析，可以確定全脂乳粉再水化過程中粒徑大小的變化及再水化時間。結果表明：全脂乳粉再水化過程中，水溫越高，其再水化時間越短，水溫50 ℃時，再水化時間為30 min，是水溫40 ℃時（60 min）的50%，不足水溫30 ℃時（＞400 min）的7.5%；對于同種加工工藝下的全脂乳粉，粒徑大小分布不同的乳粉通過相同條件的水化過程，其再水化時間不同，且再水化后乳粉溶液的粒徑分布也不同。全脂乳粉的粒徑越大，其再水化時間越短，Dx（50）為246 μm的全脂乳粉再水化時間是Dx（50）為163 μm和145 μm全脂乳粉的50%。