第二节 乳粉加工工艺及其品质控制

一、工艺流程

乳粉生产的工艺流程见图1-5-1。

二、工艺要求

1. 乳的预处理

为了提高原料乳的卫生质量，可采用离心除菌或微滤除去乳中的菌体细胞及其芽孢，以保证高质量的原料乳。

全脂乳需进行标准化，控制脂肪∶总固形物在1∶2.67，以控制最终成品中脂肪的含量。

2. 预热及浓缩

浓缩前预热杀菌不仅可以控制产品的微生物质量，同时也是控制乳粉功能特性最关键的一步。预热杀菌过程中大部分乳清蛋白发生变性。预热方式可以采用直接热交换系统或间接热交换系统。安装在蒸发器中的螺旋式热交换器（spiral heat exchanger）或蒸汽喷射系统，属于直接热交换系统；片式热交换器（plate heat exchanger），属于间接热交换系统。直接热交换系统较间接热交换系统好一些，在间接热交换系统中，嗜热菌易产生生物膜（biofilm）。

脱脂乳粉根据在预热杀菌过程中热处理的程度可分为：低热乳粉（典型为75℃、15s）、中热乳粉（典型为75℃、1～3min）和高热乳粉（80℃、30min或120℃、1min）。全脂乳一般不进行热分类，常用的预热杀菌温度为85～95℃，杀菌几分钟以保证钝化乳中内源性脂酶，同时使乳清蛋白中抗氧化的-SH暴露。

预热杀菌后常采用多效降膜蒸发器进行蒸发浓缩。一般全脂乳浓缩到45%～50%总固形物（TS），脱脂乳浓缩到42%～48%TS。多效蒸发器可以最大限度地利用热能，前一效的蒸汽可作为下一效的加热介质。通过采用热蒸汽或机械蒸汽再压缩工艺，热效率可以进一步提高。一般在蒸发器上都安装有折射计或黏度计以确定浓缩终点。

膜浓缩是近年使用的新技术。超滤可以降低乳的受热程度，还能将乳组分分离，进行标准化，调节产品中蛋白质和乳糖含量。反渗透和纳滤除去了乳中的水，可对乳进行预浓缩。

大多数产品在干燥前希望乳糖结晶，特别是乳糖含量较高的产品，如乳清粉。在一些乳粉生产中牛乳浓缩后需进行均质，均质温度为60～70℃，二段均质压力分别为15 MPa和5 MPa。

3. 干燥

乳粉干燥常用的方法有滚筒干燥和喷雾干燥。除生产特殊的乳粉外（如巧克力用高游离脂肪乳粉），目前滚筒干燥已极少用于乳粉的生产。

在喷雾干燥过程中，通过正位移泵（positive displacement pump）将浓缩后的浓乳送到干燥室顶部的雾化器（atomiser）雾化为细小的液滴，然后与进入干燥室的热空气接触后水分被蒸发。

在雾化前，浓乳一般加热到72℃，以降低黏度获得最佳的雾化效果。经雾化后，浓乳成为10～400μm的液滴。液滴的大小及分布对乳粉的功能特性非常重要。可采用压力喷嘴或离心进行雾化，两种雾化方式特性的比较见表1-5-4。

根据独立干燥段的数目，喷雾干燥设备分一级、二级及多级喷雾干燥。一级干燥的整个过程是在圆锥形的干燥室内进行的。决定最终产品质量和干燥效率的关键工艺参数是进风温度（Tinlet）和排风温度（Toutlet）。乳粉干燥过程中典型的Tinlet和Toutlet分别为160～220℃和70～90℃。在干燥过程中，由于蒸发潜热的损失，乳滴连续被冷却，温度不会高于70℃。

在起始的恒速干燥阶段，液滴表面水分呈饱和状态，随后进入降速干燥阶段。由于水分蒸发，液滴表面形成一个干硬的壳，由此导致蒸发速率降低。如果硬壳太厚，则表面硬化阻止了进一步干燥。如果在干燥结束时暴露于较高的温度下，乳粉颗粒内部的水蒸气和空气发生膨胀，形成大的空泡，乳粉颗粒有可能破裂，导致细粉增加。因此应控制干燥速率，以保证在降速干燥阶段结束时加热和干燥也结束。

空气排出干燥室时，会带出大量较轻、较细的乳粉颗粒（一般称为细粉），可通过旋风分离器（cyclone seperator）、布袋过滤器（bag filter）或湿的净化系统（wet scrubbing system）回收。回收的细粉可以加回到喷雾干燥的乳粉中，采用旋风分离器回收细粉工艺见图1-5-2。

一级干燥需要较高的温度，常导致产品的速溶性差及焦粒。在二级或多级干燥系统中，从干燥室出来的乳粉水分含量较高（10%～15%），应在下一级继续进行干燥，见图1-5-3。

二级或多级干燥可以改进乳粉的特性，提高干燥效率，因为进入热量的速率与蒸发的速率调节一致，同时乳粉受热程度也不如一级干燥高。多级干燥可用于较浓物料的加工而不影响乳粉的溶解性。

乳粉的输送可以通过流化床（图1-5-4）或风力系统进行，但风力输送会打破已附聚的乳粉颗粒，该方法仅适用于容积密度较大的乳粉。

干燥后的乳粉有的过筛后包装，有的直接进行包装。一般多用衬聚乙烯多层复合纸袋包装。为了防止储存过程中全脂乳粉（WMP）氧化，可以充N2和CO2的混合气体。

三、乳粉的速溶化

一级干燥生产的乳粉颗粒没有经过附聚工艺，容积密度较大，无速溶性。为了生产能够在冷水中分散还原较好的速溶性乳粉，需要改变干燥过程。

附聚提高了乳粉的可湿性（wettability）、沉降性（sinkability）和溶解性（solubility）。通过附聚（agglomeration）生产速溶脱脂乳粉，可使乳粉颗粒形成直径为250～750μm多孔性的乳粉颗粒簇，内部空气较多，乳粉容积密度较低。

附聚有4种类型，即洋葱型（onion）、木莓型（raspberry）、紧凑葡萄型（compact grape）及松散葡萄型（loose grape），如图1-5-5所示。其中，前两种类型无助于乳粉的分散性，一般不采用；后两种类型通过细小颗粒的碰撞形成，取决于水分含量，有助于乳粉的分散性。在喷雾干燥过程中，附聚作用可以自然形成，也可以通过引入细粉或改变干燥模式强制形成。

SMP的附聚可通过将旋风分离器分离出的细粉返回到雾化区，此细粉颗粒可作为附聚物形成的“核”；通过从干燥室出来的水分含量在8%～15%，乳粉颗粒在流化床进行附聚及再湿润并在流化床附聚。除此之外，还有很多附聚方法，如多喷嘴互交错对喷，或采用曲面叶片旋转雾化器（curved-vane rotary atomiser）进行雾化，或在浓缩的物料中充入CO2或N2使干燥结束时乳粉颗粒膨胀，可以增加乳粉颗粒中空泡的大小。为了使形成的附聚物具有最佳的还原性，一般推荐低热或中热SMP附聚技术，附聚前乳粉的颗粒应具有较大的颗粒密度（particle density），直径为25～50μm。

再湿润附聚是将非速溶的乳粉用湿空气或蒸汽或液态再湿润剂（乳、水）进行再湿润，在一定条件下保持一定时间使潮湿的乳粉颗粒相互作用形成附聚物，之后进一步干燥除去多余的水分，并可以过筛筛出所需大小的附聚颗粒。再湿润附聚乳粉的速溶性均较其他方法好，但生产成本也相对较高。附聚与非附聚乳粉颗粒微观结构见图1-5-6。

为了克服脂肪的疏水性，WMP的速溶仅需要将附聚和喷涂卵磷脂结合起来。WMP的附聚过程与SMP一样，卵磷脂在喷雾干燥阶段和流化床干燥阶段之间或在再湿润阶段加入，加入量一般为0.1%～0.2%。为了使卵磷脂喷涂完全，需将混合物温度升高到50℃并保持5min。

WMP的其他速溶技术有全脂乳和结晶乳糖溶液联合干燥、稀奶油和脱脂乳浓缩物融合干燥等。

四、乳粉的质量控制

在乳粉的生产过程中，如果操作不当，就有可能出现各种质量问题，目前乳粉常见的质量问题主要有水分含量过高、溶解度偏低、易结块、颗粒形状和大小异常、脂肪氧化味、色泽较差、细菌总数过高、杂质度过高等。

（一）乳粉水分含量过高

正常乳粉的水分含量在3%～5%。乳粉中的水分含量过高，会促使残存的微生物生长繁殖产生乳酸，酪蛋白变性而变得不可溶。水分含量过低，易引起乳粉变质而产生氧化臭味，一般喷雾干燥生产的乳粉水分含量低于1.88%时就易引起这种缺陷。以下是引起乳粉水分含量过高的一些原因，在生产中应加以注意。

（1）喷雾干燥过程中，进料量、进风温度、进风量、排风温度、排风量控制不当。

（2）雾化器因阻塞等原因导致雾化效果不好，致使乳滴太大而不易干燥。

（3）包装间的空气相对湿度偏高，乳粉吸湿后水分含量上升。包装间的相对湿度应控制在50%～60%。

（4）乳粉冷却过程中，冷风湿度太大，从而使水分含量升高。

（5）包装封口不严，或包装材料本身不密闭。

（二）乳粉溶解度偏低

乳粉溶解度的高低反映了乳粉中蛋白质的变性程度。引起乳粉溶解度偏低的原因有：

（1）原料乳的质量差，混入了异常乳或酸度高的牛乳，蛋白质热稳定性差，受热易变性。

（2）牛乳在杀菌、浓缩或喷雾干燥过程中温度偏高，或受热时间过长，乳蛋白质受热过度而变性。

（3）牛乳或浓缩乳在较高的温度下长时间放置会导致蛋白质变性。

（4）不同的干燥方法生产的乳粉溶解度有差异。滚筒干燥法生产的乳粉溶解度较差，仅为70%～85%，喷雾干燥法生产的乳粉溶解度可达99%以上。

（三）乳粉结块

乳粉极易吸潮而结块，主要与乳粉中含有的乳糖及其结构有关。乳粉中乳糖呈非结晶的玻璃态，其中α-乳糖与β-乳糖之比为1∶1.5，两者保持一定的平衡关系。非结晶状态的乳糖具有很强的吸湿性，吸湿后则生成含1分子结晶水的结晶乳糖。在乳粉干燥过程中操作不当使乳粉水分含量偏高或部分产品水分含量过高，在贮存中吸收水分都会导致产品结块。

（四）乳粉颗粒的形状和大小异常

乳粉颗粒的形状随干燥方法的不同而异，滚筒干燥法生产的乳粉颗粒呈不规则的片状，且不含有气泡；而喷雾干燥法生产的乳粉呈球状，可单个存在或几个粘在一起呈葡萄状。一般来说，压力喷雾干燥法生产的乳粉，颗粒直径为10～100μm，而离心喷雾干燥法生产的乳粉，颗粒直径为30～200μm，平均为100μm。乳粉颗粒直径大、色泽好，则冲调性能及润湿性能好。如果乳粉颗粒大小不一，而且有少量黄色焦粒，则溶解度较差，且杂质度高。

影响乳粉颗粒形状及大小的因素有：

（1）雾化器出现故障，将有可能影响到乳粉颗粒的形状。

（2）干燥方法的不同，影响着乳粉颗粒的形状和大小。

（3）同一干燥方法、不同类型的干燥设备，所生产的乳粉颗粒直径也不同。例如压力喷雾干燥法中，立式干燥塔较卧式干燥塔生产的乳粉颗粒直径大。

（4）浓缩乳的干物质含量对乳粉颗粒直径有很大的影响。在一定范围内，干物质含量越高，乳粉颗粒直径就越大，所以在不影响产品溶解度的前提下，应尽量提高浓缩乳的干物质含量。

（5）压力喷雾干燥中，高压泵压力的大小是影响乳粉颗粒直径大小的因素之一，使用压力低，则乳粉颗粒直径大，但前提是不能影响干燥效果。

（6）离心喷雾干燥中，转盘的转速也会影响乳粉颗粒直径的大小。转速越低，乳粉颗粒的直径越大。

（7）喷头的孔径大小及内孔表面的光洁度状况，也影响乳粉颗粒直径的大小及分布状况，喷头孔径大、内孔光洁度高，则得到的乳粉颗粒直径大，且颗粒大小均一。

（8）浓乳的黏度、输粉的方式等。

（五）乳粉脂肪的氧化及酸败

脂肪导致的质量缺陷主要是脂肪分解产生的酸败臭味和脂肪氧化臭味。脂肪分解臭味具有一种类似丁酸的酸性刺激臭味，是由于牛乳中的脂酶将乳粉中的脂肪水解而产生游离的挥发性脂肪酸。

脂肪分解产生的酸败可从下述几个方面采取有效的预防措施：

（1）必须将牛乳中的脂酶在预热杀菌时彻底破坏，否则在其后的浓缩、喷雾干燥时的受热程度不足以将脂酶破坏。

（2）喷雾干燥前浓缩乳经过二级均质，可降低乳粉中游离脂肪含量。

（3）在出粉及乳粉的输送过程中，应避免高速气流的冲击和机械擦伤。

（4）干燥后的乳粉应迅速冷却，以减少游离脂肪的产生。

乳粉出现脂肪氧化味的反应历程比较复杂，影响因素也很多。卵磷脂、亚油酸、花生四烯酸等不饱和脂肪酸氧化后，氧进入不饱和醛基上，形成氢过氧化物，这种氢过氧化物即为出现脂肪氧化臭味的主体。一般认为2-β不饱和醛（R·CH∶CH·CHO）是强的氧化臭味化合物。在氧化臭味中发现了一系列醛类，主要分布于3～11℃，并证明了有双键不饱和醛类（2，4-二烯醛类）存在，其中以碳原子数8的辛二烯醛以及碳原子数9的壬二烯醛为最典型的氧化臭味代表，它们即使含量在1×10-6以下，也能使乳粉发生显著的氧化臭味。

影响氧化臭味产生的因素包括空气中的氧气、光线、重金属（特别是铜）、酶（特别是过氧化物酶）以及酸度等。

（1）氧气 氧化臭味的主要原因是氧结合于不饱和脂肪酸的双键处，所以在制造过程中，应尽可能避免与空气长时间接触，尽量提高浓缩时的浓度，避免乳粉颗粒在喷雾时含有大量气泡，尽可能采用真空充氮包装。

（2）光线和热 乳粉易受光线和热的影响而促进氧化。喷雾干燥时，乳粉在干燥箱内停留时间要尽可能短，如果不能及时出粉，则乳粉颗粒受热，游离脂肪增多，容易发生氧化。

（3）重金属 二价铜离子，能够促进脂肪的氧化，含有1×10-6时就有影响，超过1.5×10-6以上，则显著地促进氧化反应的发生。其他重金属（如三价铁）也有促进氧化的作用，但不如铜作用显著。所以，乳粉（或乳制品）生产时应使用不锈钢设备，以避免铜的混入。

（4）原料乳的酸度 酸度升高的会促进乳粉的氧化，所以，一定要严格控制牛乳的酸度。

（5）原料乳中的过氧化物酶 过氧化物酶是促进氧化的一个重要因素，必须在预热杀菌时予以破坏，最好采用高温短时或超高温瞬时杀菌。

（6）水分含量 乳粉中水分应保持在适当含量，含水分太少，反而易发生氧化臭味，一般喷雾干燥乳粉含水量低于1.88%就易发生氧化臭味。

（六）乳粉色泽异常

正常的乳粉一般呈淡黄色，乳粉出现异常颜色时可能受如下因素影响：

（1）原料乳酸度过高而加入碱中和后，所制得的乳粉色泽较深，呈褐色。

（2）牛乳中脂肪含量较高，则乳粉颜色较深。

（3）乳粉颗粒较大，颜色较黄；乳粉颗粒较小，则颜色呈灰黄色。

（4）乳粉生产过程中，物料热处理过度或在高温下存放时间过长，会使产品色泽加深。

（七）细菌总数过高

乳粉中细菌总数过高与下列因素有关：

（1）原料乳污染严重，细菌总数过高，导致杀菌后残留量太多。

（2）杀菌温度和时间没有严格按照工艺条件的要求进行。

（3）板式换热器垫圈老化破损，使生乳混入杀菌乳中。

（4）生产过程中，受到二次污染。

（八）杂质度过高

造成乳粉杂质度过高的可能原因如下：

（1）原料乳的净乳工艺异常。

（2）干燥室热风温度过高，导致风筒周围产生焦粉。

（3）分风箱热风调节不当，产生涡流，使乳粉局部过热而产生焦粉。