粒径法分析全脂乳粉再水化过程

贾宏信，周佳颖

（1.光明乳业股份有限公司乳业研究院，上海乳业生物工程技术研究中心，乳业生物技术国家重点实验室，上海 200436；2.上海商学院酒店管理学院，上海 200235）

牛乳富含蛋白质、脂肪和碳水化合物，且含有多种矿物质和维生素，非常容易滋生微生物，引发变质[1]。为了能长时间保存牛乳，一种重要的手段就是将牛乳脱水加工为乳粉，这样不但可以充分延长牛乳货架期，而且可以相应地减少贮藏及运输成本[2]。全脂乳粉作为食品加工领域一种重要的食品原料，广泛应用于饮料、咖啡、酸乳、复原乳、酱料及调制乳粉等的生产[2-5]。一般而言，乳粉应用中的添加过程都会涉及从粉体体系到液体体系的转变过程，乳粉的这一复原过程从经济及食品加工要求上应该是快速和完全的。

全脂乳粉含有约28%脂肪，因此其再水化过程相比于脱脂乳粉时间更长，水化后其粒径分布和体系稳定性均会受体系内脂肪的影响[6]。另外，水化温度和乳粉粒径会影响乳粉在水中的分散性，进而可能会对乳粉的水化过程造成影响[7-9]。本研究通过粒径法分析全脂乳粉再水化过程中的粒径变化及再水化温度、乳粉粒径与再水化时间的关系，探究全脂乳粉的再水化特性。

1 材料与方法

1.1 材料

全脂乳粉 光明乳业股份有限公司。

1.2 仪器与设备

Malvern Mastersizer 3000激光粒度分析仪 英国Malvern公司；SEIJ-MT-1001多功能粉体物性测试仪（带0.2 mm分析筛） 日本Seishin公司；搅拌器 艾卡（广州）仪器设备有限公司；WPE 45水浴锅 德国Memmert公司；TE612-L电子天平 德国Sartorius公司。

1.3 方法

1.3.1 不同粒径分布全脂乳粉的制备

利用0.2 mm的分析筛筛分全脂乳粉，得到过筛样A（＜0.2 mm）和过筛样B（＞0.2 mm）。全脂乳粉及筛分全脂乳粉的粒径分布信息如表1所示。

表 1 全脂乳粉的粒径分布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，将搅拌器转速调至1 500 r/min，快速分散全脂乳粉（控制分散时间不超过30 s，并马上进行粒径分析）；而后将搅拌器转速调至100 r/min，每隔一定时间测定全脂乳粉冲调液的粒度分布。

1.3.3 粒径分析

粉状全脂乳粉选用Mastersizer 3000激光粒度分析仪的AeroS进样器直接分析粒径分布。对于溶于水的全脂乳粉，选用Hydro LV进样器进行粒度分析。干粉测试时，分散剂折射率1.000，颗粒吸收率0.100，颗粒折射率1.520，检测的有效遮光度5%～10%；溶液测试时分散剂为去离子水，分散剂折射率1.330，颗粒吸收率0.100，颗粒折射率1.520，泵转速2 000 r/min，检测的有效遮光度10%～20%。

2 结果与分析

2.1 全脂乳粉再水化过程中的粒径分布

将全脂乳粉按照1.3.2节的方法溶解于30 ℃的水中，其溶解过程中的粒径分布如图1所示。

由图1可知，全脂乳粉溶解于30 ℃的水中后，其粒径分布会形成2 个峰，且随着再水化时间的延长，粒径小于1.5 μm的颗粒所占的体积分数增加，而粒径大于1.5 μm的颗粒所占体积分数下降，说明随着再水化时间的延长，全脂乳粉逐渐溶解，破裂为小颗粒。这与Crowley等[10]分析得到的牛乳浓缩蛋白粉（MPC35、MPC50、MPC60、MPC70、MPC80、MPC85和MPC90）再水化时的粒径变化相似，均表现为粒径分布在较小粒径（约0.5 μm）处的峰值增加，而分布在较大粒径（＞1.0 μm）处的峰值减小。

另外，结合表1可知，全脂乳粉在30 ℃条件下再水化，乳粉颗粒会在极短的时间内溶解为小颗粒，然后再慢慢地溶解为均一的牛乳状态。一般来说，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]。在乳粉再水化过程中，可溶性成分颗粒的溶解和破裂可以通过溶液粒径的变化进行跟踪，并对溶解终点进行判定。

2.2 水温对全脂乳粉再水化的影响

由前期跟踪数据可知，全脂乳粉在水中溶解时，粒径Dx（90）达到1.11 μm后，溶液会处于相对稳定的状态。因此，本研究定义全脂乳粉的再水化时间（复原时间）为全脂乳粉在水中溶解至Dx（90）＜1.11 µm所用的时间。

表 2 全脂乳粉在不同温度下的再水化时间Table 2 Rehydration time of milk powder at different temperatures

由表2可知，在30、40、50 ℃水温下分别进行再水化，水温为50 ℃时，复原时间为30 min，远低于水温为30、40 ℃时。说明水温越高，全脂乳粉的复原时间越短，在全脂乳粉实际复原过程中可以适当调整水温，以提高全脂乳粉的复原速率，将加工过程控制在合理的时间范围内。

由图2～3可知，全脂乳粉在40、50 ℃温度下再水化时，前10 min的水化速率最快，乳粉溶液的颗粒粒径Dx（50）从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上下小幅度波动；Dx（90）从大于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处波动。Richard等[8]研究表明，酪蛋白磷酸盐和乳清分离蛋白再水化时也表现出类似结果，即再水化的前10～15 min，溶液的粒径有一个快速下降，并且快速下降的时间占再水化总时间的5%～10%。相比于在40、50 ℃水温下再水化，全脂乳粉在30 ℃水温下再水化时，乳粉溶液粒径的下降较为平缓，特别是Dx（90）的变化可以进一步说明，常规条件下，30 ℃水温快速溶解全脂乳粉的效果不佳。这与乳粉产品的建议冲调温度为40～50 ℃相一致[11-14]，间接说明乳粉产品冲调性的改善可以通过适当提高冲调温度来实现。

2.3 粒径对全脂乳粉再水化过程的影响

当水温为40 ℃时，按照1.3.2节的方法再水化不同粒径分布的全脂乳粉，评估全脂乳粉的颗粒大小对于其复原特性的影响。

表 3 不同粒径全脂乳粉的再水化时间Table 3 Rehydration time of milk powders with different particle sizes

由表3可知，全脂乳粉的颗粒大小直接影响全脂乳粉的复原速率。颗粒较大的过筛样B在40 ℃水温下再水化时间最短，约为30 min；而乳粉粒径分布接近的全脂乳粉和过筛样A的再水化时间一致，均为60 min。说明同种工艺下生产的乳粉，较大的粒径有利于其快速溶解。Donz等[15]研究不同喷雾干燥阶段脂肪粉（棕榈油＋乳清蛋白）的再水化特性时发现，旋风分离器内的脂肪粉（粒径较小）水化后粒径分布更宽，多数集中在0.1～110.0 µm，而正常喷雾干燥得到的终产品脂肪粉（粒径较大）水化后粒径分布较窄，多数集中在0.1～20.0 µm。

由图4～5可知，全脂乳粉粒径越大，乳粉溶液的颗粒粒径Dx（50）和Dx（90）的起始值越小。这可能是由于粒径较大的乳粉其分散性和可湿性较好，在水中不易形成内部带有空气和干粉的结块，多数乳粉颗粒能够立即与水接触并溶解，形成粒径较小的乳液。研究表明，乳粉的附聚度越高，其可湿性越好，溶于水后越易形成粒径（体积分布）呈正态分布的溶液，在水中产生的乳粉结块越少，乳粉溶解也越快[2,15-16]。另外，不同粒径全脂乳粉的溶液粒径再水化过程中，特别是溶解超过60 min后，粒径较大的过筛样B与粒径较小的全脂乳粉和过筛样A的粒径曲线并不重叠，说明全脂乳粉粒径大小也会影响其再水化后的粒径分布，即使是同一种配方，由于其粉体粒径不同，再水化后其溶液的粒径分布也不同。这一结果与Ji等[16]研究得出的牛乳分离蛋白粉再水化后粒径的分布结果类似，他们发现通过流化床造粒的牛乳分离蛋白粉的粒径不同，其再水化后溶液的粒径分布也不同。

3 结 论

将粒径法应用于全脂乳粉再水化过程的分析，可以确定全脂乳粉再水化过程中粒径大小的变化及再水化时间。结果表明：全脂乳粉再水化过程中，水温越高，其再水化时间越短，水温50 ℃时，再水化时间为30 min，是水温40 ℃时（60 min）的50%，不足水温30 ℃时（＞400 min）的7.5%；对于同种加工工艺下的全脂乳粉，粒径大小分布不同的乳粉通过相同条件的水化过程，其再水化时间不同，且再水化后乳粉溶液的粒径分布也不同。全脂乳粉的粒径越大，其再水化时间越短，Dx（50）为246 µm的全脂乳粉再水化时间是Dx（50）为163 µm和145 µm全脂乳粉的50%。