奶粉的生产.docx

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奶粉的生产

通过干燥脱去微生物生长所必需的水分来保存不同食品的方法已经使用了几个世纪。

按照马可波罗在亚洲旅行的笔记记载，蒙古人通过在阳光下干燥牛乳以生产奶粉。

现在奶粉的生产在大工业化的现代工厂中进行。

脱脂奶粉具有最多约3年的货架期，全脂奶粉约为最长6个月的货架期，这是因为贮存过程中奶粉中的脂肪氧化，逐渐在风味上变败。

干燥

干燥即为液体产品-乳-中的水分被除去以使得产品以固态存在。

乳粉中的水含量在2.5到5%之间，在这样低的水含量下没有细菌能够繁殖，干燥延长了乳的货架寿命，大大降低了重量和容积，减少了产品的贮存和运输费用。

冷冻干燥已被应用于生产高质乳粉，在这一加工过程中，乳中的水分在真空中蒸发，这一方法在保证乳质量上取得长足优势，因为蛋白质不会受到任何损害。

如果在比较高的温度下进行干燥，乳粉或多或少总会受到影响。

冷冻干燥并没有广泛应有，部分原因是其能耗太高。

工业化干燥方法是对产品进行加热，水分以蒸汽形式被蒸发出去，残留物即为干燥的物质—奶粉。

乳品工业基本使用两种方法干燥，滚桶和喷雾干燥。

在喷雾干燥方法中，乳首先在蒸发器中浓缩，然后在干燥塔内干燥。

在干燥的第一阶段，干固物颗粒间自由状态的过剩水分被蒸发去除。

在最后阶段乳固体颗粒上孔隙中的和毛细管中的水分也被蒸发掉。

第一阶段相对容易、快而最后阶段需要更多的能量和时间，如果干燥的过程中乳颗粒与热交换器很热的表面直接接触，则产品的质量明显受热的影响—比如在滚桶干燥的情况下奶粉可能含有焦粒而影响质量。

奶粉的不同用途

奶粉有许多用途，例如

●乳的再制。

●用于烘烤业，加入到生面团中增加面包的容积和提高持水能力，该种面包

的新鲜度会保持更长时间。

●混入起酥面团使之更酥脆。

●在面包和起酥面团中代替鸡蛋。

●巧克力工业中生产牛奶巧克力。

●应用于食品工业及餐饮行业生产香肠和不同品种的预制肉品。

●做为婴儿食品中母乳替代品。

●生产冰淇淋。

●动物饲料。

表1特级脱脂乳粉（ADMI*脂肪乳粉的技术条件）

脱脂奶粉

脱脂奶粉是至今为止最常见奶粉的类型。

每一应用都对奶粉提出自己特定的要求，如果奶粉是用来加水混合成再制奶，奶粉就必须易于溶解并有正确的滋味和营养价值。

如果是巧克力生产则乳糖一定程度的焦糖化是有益的。

前者情况需要产品在混和的喷雾干燥下进行干

燥，而第二种情况则是在滚桶的激烈热处理状态生产奶粉，因此两种奶粉具有明显区别：

1．滚桶干燥奶粉

2．喷雾干燥奶粉

表1是脱脂奶粉的标准示例。

喷雾干燥奶粉的溶解性相当好，然而考虑到滚桶干燥激烈的热处理，其奶粉的溶解性明显地比较差。

按照热处理的强度，奶粉依脱脂奶在蒸发和干燥之前经受的温度/时间进行分类。

热处理使乳清蛋白失活，随热处理强度增加失活的百分率上升，失活的程度通常表示为“乳清蛋白氮指标”（WPNI），单位为每克奶粉中失活乳清蛋白的微克数。

喷雾干燥脱脂奶粉的不同类型总结于表2中。

表2喷雾干燥脱脂乳粉的种类

全脂奶粉

喷雾干燥的全脂奶粉通常用乳脂标准化后的牛乳生产。

标准化后牛乳不再均质，但要求有良好的搅拌，搅拌时不可裹入空气。

在蒸发之前及蒸发后、喷雾干燥前都需搅拌。

然而，在全脂速溶奶粉生产中，浓缩液需要均质。

用于滚桶干燥生产奶粉的脂肪标准化乳一般需要均质。

全脂奶粉不同于脱脂奶粉，并没有进行分类。

用于生产全脂奶粉的牛乳通常在80~85℃下巴氏杀菌，使绝大多数脂酶失活，使奶粉在贮存期间脂肪不被降解。

速溶奶粉

生产具有极佳溶解性的脱脂和全脂奶粉—即速溶奶粉—的方法已经开始使用。

这种奶粉的粒度比一般奶粉大（受附聚的影响）甚至可速溶于冷水中。

容积密度（表观密度）

当奶粉需要很长距离传送时，具备较高容积密度以减少容积就显得很重要。

因为很多情况下运输费用是以容积为单位计算的。

高容积密度的奶粉可节省包装材料。

然而，在某些情况下，生产商也许对低容积密度感兴趣，因为奶粉从视觉上显得比竞争者的奶粉的量要多。

低容积密度，像附聚影响一样也是速溶奶粉的一个重要特性。

定义

容积密度为单位容积奶粉的重量，实际应用中表示为g/mlg/100ml或g/L。

影响容积密度的因素

奶粉的容积密度是一个极复杂的特性，它影响着很多其他特性，也同时受很多因素的影响决定容积密度的几个基本因素为：

1颗粒密度，由以下构成

－奶粉物质密度

－颗粒内包含的空气

２空隙空气的含量，比如颗粒之间的空气。

奶粉物质密度

奶粉的物质密度由奶粉的组分赋予。

决定于每个组分的密度成分可依下列公式进行计算：

气体含量

奶粉通常每100g含有10-30ml截留的空气，有很多因素影响奶粉颗粒吸留空气。

部分因素仅在以下做一介绍：

●空气混入供料中。

蒸发有效地脱去浓缩物中的空气，然而在浓缩物被输送到喷雾干燥器的过程中，会自渗漏的管路中吸取空气等等。

●浓缩液喷入干燥器的系统选择。

●来料的特性，混入产品中的空气量不仅取决于喷雾搅打反应的强烈程度而且也取决于来料的特性，比如来料形成稳定气泡的能力，这个特性主要受蛋白成分及状态和可能存在的搅打抑制物的影响，这样，有脂肪的浓缩物比脱脂乳难于形成泡沫。

以下为干燥过程中影响脱脂乳起泡能力的几个因素。

●未变性乳清蛋白具较强起泡趋势，通过热处理使乳清蛋白在一定程度上变性可减少，这一趋势见表.2。

●具较低总干固物的比浓缩液浓度高的来料更易形成泡沫。

●冷浓缩物比热的更易搅打起泡。

空隙空气

颗粒间的空气组分，空隙空气可达每100g奶粉127ml，这是一个极复杂的特性，取决于比如颗粒大小、分布和附聚的程度等等。

奶粉的生产

在滚桶方法生产奶粉中，预处理后的乳被送至滚桶干燥器，整个加工过程在这一阶段内完成。

在喷霉干燥生产奶粉时，首先在真空条件下蒸发达到大约45~52%的干物质含量，喷雾干燥脱脂奶粉的生产分两种质量：

●一般产品和

●经不同喷雾干燥系统附聚的产品（速溶奶粉）；

经滚桶或喷雾干燥后，根据奶粉随之包装于罐中、纸袋、加铝铂的袋或塑料袋中，决定于质量和顾客的需求。

原料

对用于生产奶粉的原料的质量具有极严格的要求，表1表明每g奶粉的细菌数不得超过50000，有些国家甚至30000，在没有再污染的前提下，这与产品复配后每升细菌总数约5000（或3000）相当，由于喷雾干燥过程中真空蒸发，控制浓缩物中的耐热细菌在真空蒸发过程不生长繁殖也同样非常重要。

离心除菌机处理或微滤也就因此应用于奶粉生产以除去乳中的细菌芽孢，提高终产品的微生物质量。

用于奶粉生产的牛乳在送到奶粉加工厂之前不允许进行任何强烈的、超常的热处理。

这样的热处理会导致乳清蛋白凝聚，影响奶粉的溶解性、气味和滋味。

使用过氧化物酶实验或乳清蛋白实验可以检测牛乳所受热处理是否过于强烈。

以上两个实验都能表明牛乳是否受过高温下的巴氏杀菌。

乳的常见一般预处理

在脱脂奶粉的生产中，牛乳随着脂肪分离而变清。

如果脂肪含量在一个直接标准化系统中进行标准化，情况也是一样，除非是滚桶干燥，否则用于全脂奶粉生产的标准化乳通常不需均质。

用于奶粉生产的脱脂乳热处理必须达到磷酸酶实验阴性。

生产全脂奶粉的乳

的热处理需要达到脂酶失活，也就是通常用高温巴氏消毒以达到过氧化物酶实验阴性。

滚桶或滚鼓干燥

滚桶干燥即是将乳分散在由蒸汽加热的转动的圆鼓上，当乳触及热鼓表面，乳中的水分蒸发出来并被空气带走，高温的热表面使蛋白变为一种不易溶解且使产品变色的一种状态。

强烈的热处理使奶粉的持水性能上升，这一特性对于预制食品工业是很有用的。

槽供料和喷雾供料的差别在于滚桶干燥上奶被供到热鼓表面的方式。

图1是一个槽供料的原理图，预处理后的乳被送至由铸铁鼓和四壁构成的槽中，乳在热鼓表面迅速被加热形成一薄层，这层乳中的水分被加热蒸发而干燥，干燥的料持续被每一鼓上的刮刀刮下来。

干燥的乳落入螺杆传送器，在期间磨成碎片。

这些碎片，被传送到一个磨碎机，同时硬颗粒和焦粒在滤网中被分离出去。

根据生产能力，一个双滚桶干燥器约1~6m长，鼓直径为0.6~3m，这一尺寸取决于膜厚度、温度、转鼓速度和干粉的干固物要求。

干燥层的厚度可通过调整鼓间距来改变。

图2是一个喷雾供料滚桶干燥原理图，鼓上的喷嘴在热鼓表面将预处理奶喷成一个薄层，在此状况下，大约90%的传热表面得以利用，相比之下槽供料干燥器只有不到75%的利用率。

膜厚度由喷雾嘴压力而定，干燥时间可通过调整温度和鼓的转速来控制。

奶粉的一些特性可由视比板来控制，如果参数正确，奶膜从鼓上刮下来时应为基本干燥的。

刮下来的干燥膜粉送入到和槽供料干燥器一样的处理设备中。

喷雾干燥

喷雾干燥分两段进行，第一阶段预处理奶被蒸发浓缩到干物质含量为45~55%。

第二阶段浓缩物被泵送到干燥塔最后干燥，后者的过程分三个步骤：

●浓缩物分散为细小液滴

●将细小分散的浓缩液与热空气混合，在其中水分快速蒸发

●将干粉颗粒与干燥空气分离

蒸发是生产高质奶粉不可或缺的过程，没有预浓缩，奶粉颗粒将会非常小并含有大量空气，润湿性能下降，货架期缩短，加工过程也不经济。

浓缩常用降膜蒸发器，经二级或更多级蒸发，以获得45~55%干物质含量，设备与生产炼乳的设备相同。

干燥基本装置

一段干燥

最简单的生产奶粉的设备是一个具风力传送系统的喷雾干燥器，见图3。

图1连续供料的滚筒干燥器的原理

图2喷雾供料滚筒干燥器的原理

图3带有圆锥底的传统喷雾干燥（一

段干燥）室（1干燥室2空气加热器3牛乳浓缩缸4高压泵5雾化器6主旋风分离器7旋风分离输送系统）

这一系统建立在一级干燥原理上，即从将浓缩液中的水分脱除至要求的最终湿度的过程全部在喷雾干燥塔室内

（1）完成。

相应风力传送系统收集奶粉和奶粉末，一起离开喷雾塔室进入到主旋风分离器（6）与废空气分离，通过最后一个分离器（7）冷却奶粉，并送入袋装漏斗。

两段干燥

在两段干燥中第一段使用上述设备生产同样奶粉，不同的是风力运送系统被流化床所取代。

三段干燥

三段干燥是两段干燥概念的延伸发展以期节约更多工厂操作费用。

喷雾干燥操作原理

一段干燥

图3为一段干燥生产线图，浓缩奶由一个高压泵（4）送至干燥室

（1）继续进入喷雾器（5），形成极细小奶滴被喷入混合室与热空气进行混合。

空气由风扇吸入并通过过滤器，然后在加热器

（2）处加热到150~250℃，热空气经分散进入喷雾塔，在塔内，经喷雾的乳与热空气完全混合蒸发出奶中的水分。

最大程度的干燥发生于乳自喷雾器高速喷出后与空气摩擦减速的阶段。

自由水自动蒸发，而毛细管孔隙间水必须首先扩散到颗粒表面之后才能蒸发，这一过程是奶粉在塔内缓慢沉降的过程中进行的，乳仅被加热到70~80℃，因为空气的热容量在蒸发水分的过程中不断被消耗掉。

水分脱除使液滴的重量、容积、尺寸大大降低。

在理想条件下，重量将会下降50%，容积下降至原来的40%，颗粒大小降到从喷雾器中出来时颗粒尺寸的75%，见图4。

在干燥过程中奶粉在塔中沉降到塔底排出。

奶粉被冷风冷却下来并传送到包装段，冷风由风扇送至输送管道，冷却之后，混着冷风的奶粉流动到排放单元（7），在包装之前奶粉由空气中分离出来。

一些小的、轻的颗粒可能与空气混在一起离开干燥空间。

这些粉在一个或多个旋风分离器（6.7）中分离。

经分离后，这些粉再混回到包装奶粉中，干净干燥的空气由风扇自工厂抽出。

图4在理想的干燥条件下达到

4%H2O，液滴的重量，体积直径的减少。

图5在喷雾干室中用于雾化牛乳固定喷嘴

A逆流喷嘴

B与空气流动方一致的喷嘴

图6在喷雾干中用于雾化的旋盘

奶的雾化

奶滴分散的越微细，其比表面积越大，也就越能有效地干燥，1升牛奶具有约0.05m2表面积，如果这个量的牛奶在喷雾塔中被雾化，每一个小滴会具有0.05~0.15mm2的表面积。

从一升奶得到奶滴总表面积将会约35m2，这样，雾化使比表面增加了约700倍。

雾化设备的设计取决于颗粒大小和干燥生产要求的特性，这些特性可能是奶粉颗粒、结构、溶解性、密度和润湿性，一些干燥器用固定喷嘴，见图5。

图5A的安排应用于低喷雾塔并固定，所以相应较大的奶滴和干燥空气对流排放。

图5B示为固定喷嘴排出牛奶和空气流动的方向一致。

在此情况下牛奶供入压力决定了颗粒大小，在供料压力高至30Mpa或是300bar时，奶粉将很细具有很高的密度，在低压力下（20~5Mpa或200~50bar）颗粒会较大，且不含有尘埃大小的颗粒。

图6示为另一种常用的雾化器类型，包括一个转盘，转盘上有通道，牛乳在其中获得高速度，在此情况下，产品的特性由转盘转动的速度来控制，其速度可在5000和25000ϒ/min之间变动。

两段干燥

即使使用高出口温度来提供足够的驱动力，但是最后——小部分水份从奶粉中的去除仍是极困难的。

由于提高出口干燥温度对奶粉具不利影响，所以奶产品基本上都使用较低的出口温度。

如果最终产品奶粉的湿含量仍很高，在喷雾干燥中可结合使用再干燥段，形成两段加工如图7所示。

两段干燥方法生产奶粉包括了喷雾干燥第一段和流化床干燥第二段。

奶粉离开干燥室的湿度比最终要求高2~3%，流化床干燥器的作用就是除去这部分超量湿度并最后将奶粉冷却下来。

牛奶的两段干燥方法最初的开发是为了在直接干燥加工中获得附聚的奶粉，但在七十年代初，该法被改良用于非附聚奶粉的生产，这样产品质量提高的优势就与两段加工的更佳经济性结合在一起。

单段和两段设备生产的奶粉中都会有大量的单一颗粒，这些颗粒呈尘状并极难于再复配成奶。

两者之间当然也有一些轻微差别。

两段干燥奶粉由于原始颗粒比较大表面比较粗糙并且有一些附聚粉存在，使产品最终不是非常尘化并能很容易地复配，然而这两种奶粉间最大的区别是他们的特性，这些特性受到奶在干燥过程暴露于热处理的影响。

图7带有流化床辅助时装置的喷雾干燥室。

（1间接加热器2干燥室3振动流化床4用于流化床的空气，加热器5用于流化床的周围冷却空气6用于流化床的脱湿冷却空气。

7筛子）

图8具有完整运输、过滤器（三段干燥）的喷雾干燥器（1高压泵2喷头装置3主干燥室4空气过滤器5加热器/冷却器6空气分配器7传送带系统8保持干燥室9最终干燥室10冷却干燥室11乳粉排卸12旋风分离器13鼓风机14细粉回收系统。

15过滤系统16热回收系统）

表3一段和两段干燥系统的比较

另一有关特性的问题为溶解度指标和孔隙空气的含量，都较低，而容积密度却较高。

液滴在刚刚离开雾化器时，温度比较低，仅仅略高于干燥空气的湿球温度，颗粒温度随水分逐渐脱除而逐渐上升，最终达到温度低于出口空气温度——比出口温度低多少，这决定于颗粒水分含量。

一段干燥和两段干燥在表3进行了比较。

三段干燥

三段干燥中第二段干燥在喷雾干燥室的底部进行，而第三段干燥位于干燥塔外进行最终干燥和冷却。

主要有两种三段式干燥器

1具有固定流化床的干燥器。

2具有固定传送带的干燥器。

第二种类型的具有固定传送带干燥器的原理在下面做一介绍。

图8为带过滤器型干燥器，它包括一个主干燥器（3）和三个小干燥室

（8.9.10）用于结晶（当需要时，如生产乳清奶粉）、最后干燥和冷却。

产品经主干燥室顶部的喷嘴雾化，来料由高压泵泵送至喷雾嘴，雾化压力高达200bar，绝大部分干燥空气环绕喷雾器供入干燥室，温度高达280℃。

液滴自喷嘴落向干燥室底部的过程被称为第一步干燥，奶粉在传送带上沉积或附聚成多孔层。

第二段干燥的进行是由于干燥空气被抽吸过奶粉层。

刚落在传送带（7）上时奶粉的水分含量随产品不同为12-20%。

在传送带上的第二段干燥减少水分含量至8-10%。

水分含量对于奶粉的附聚程度和多孔率是非常重要的。

第三段和最后一段对脱脂或全脂奶浓缩物的干燥在两个室内（8.9）进行，在两室中进口温度高达130℃的热空气被吸过奶粉层和传送带，其方式与在主干燥室一样。

奶粉在最后干燥室（10）中冷却。

干燥室（8）用于要求乳糖结晶的情况（乳清奶粉）。

在此情况下不再向此室送入空气，以使其保持达10%的较高的水分含量，第三段干燥在干燥室（9）进行，冷却在干燥室（10）中进行。

有一小部分奶粉细末随干燥空气和冷却空气离开干燥设备，这些细粉在旋风分离器组（12）与空气分离，这些粉进入再循环，或进入主干燥室或进入产品类型需要或附聚需要的加工工艺点。

离开干燥器后，奶粉附聚物经筛或磨——取决于产品类型——分散达到要求的大小。

速溶奶粉的生产

奶粉要想在水中迅速溶解必须经过速溶化处理，奶粉颗粒经处理后形成更大一些的，多孔的附聚物。

奶粉要得到正确的多孔率首先要经干燥把颗粒中的毛细管水和孔隙水用空气取代。

然后颗粒需再度湿润，这样，颗粒表面迅速膨胀关闭毛细管，颗粒表面就会发粘，使颗粒粘接在一起形成附聚。

生产速溶奶粉的方法之一即再将干奶粉颗粒循环返回到主干燥室中，如图9，一但干燥颗粒被送入干燥室，其表面即会被蒸发的水份所润湿，颗粒开始膨胀，毛细管和孔关闭并且颗粒变粘，其他奶颗粒粘附在其表面上，于是附聚物形成。

图9速溶乳粉生产用的离心喷雾器

图10速溶奶粉的流化床

流化床

比较有效的速溶化可经如下图10所示流化床获得。

流化床连接在主干燥室底部，由一个多孔底板和外壳构成。

外壳由弹簧固定并有马达可使之振动，当一层奶粉分散在多孔底板上时，振动奶粉以匀速沿壳长方向运送。

自干燥室下来的奶粉首先进入第一段，在此奶粉被蒸汽润湿，振动将奶粉传送至干燥段，在此温度逐渐降低的空气穿透奶粉及流化床干燥的第一段颗粒互相粘结发生附聚。

水分在奶粉经过干燥时从附聚物中蒸发出去。

奶粉在经过流化床时达到要求的干燥度。

任何大一些的颗粒在流化床出口都会被滤下并被返回到入口。

被滤过的和速溶的颗粒由冷风带至旋风分离器组，在其中与空气分离后包装。

来自流化床的干燥空气与来自喷雾塔的废气一起送至旋风分离器，以回收奶粉颗粒。

热回收

干燥加工造成大量的热量损失，一部分可在热交换器中回收，但是干燥空气中含有粉尘和蒸汽，因此，热交换器必须进行特殊设计。

大多数情况下，使用一种有很多玻璃管的特殊热交换器，如图11，光滑的玻璃表面预防了过量沉积的形成，设备也包括了CIP系统。

热空气从管底进入，强制通过玻璃管，新鲜空气在玻璃管外流动得到加热。

使用这种热回收方法，喷雾干燥设备的效率可增加25~30%。

另一个热回收的方法是从蒸发器中的浓缩物上收回热量，这一操作与喷雾干燥设备并行。

这个方法可使干燥费用节约5~8%。

图11从喷雾干燥器的废气中回收热量。

（1新鲜空气鼓风机2玻璃管换热管3加热器4喷雾塔5旋风分离器6废气鼓风机）

奶粉的包装

各国用于奶粉包装的形式和尺寸有较大差别，奶粉一般包装于有塑料内衬且具铝铂层的纸袋中。

塑料包装常热封。

因此这种包装实际上与铁罐包装一样密闭。

最常见的纸袋可装15或25kg。

当然其他尺寸的包装也较常见。

因其可以改变包装物重量以满足不同客户的特殊需求。

家用奶粉或类似小批量用户需要的奶粉也可装于铁罐，铝铂袋或装在纸盒中的塑料袋中。

奶粉在贮存期间的变化

全脂乳粉中的脂肪在贮存期间易氧化。

在工业生产中可用特殊的方法对乳进行预处理以延长保存期，其方法即添加抗氧剂和在铁罐包装情况下添入惰性气体。

奶粉应在冷却条件存放，同时避免与水接触。

在室温和低水分的条件下，奶粉的各种化学反应进行得非常缓慢，奶粉的营养价值即使经几年的贮存，也不会受到影响。

奶粉的溶解

在30-50℃条件下，将一份普通喷雾干燥奶粉与约10倍的水进行混合，溶解的时间约为20~30min，温度越低，所需时间越长。

在冷水中完全溶解奶粉往往需要8~12小时。

如果使用速溶奶粉，将所需的水倾入缸中，然后加入奶粉。

在很短的搅拌之后，即使在冷水中奶粉亦会溶解，此时的奶可以立即饮用。

溶解时奶粉的质量是非常重要的，必须记住，干燥过程包括浓缩（蒸发）过程，牛乳脱去的是纯水（蒸馏水）。