深度解析固体饮料的干燥工艺及结块的解决方式

  固体饮料种类繁多,像茶类、咖啡类、五谷类、保健类等等,不同的种类生产工艺不一样。前期阶段我们可以参考饮料类的生产工艺,里面常有混合、过滤、加热等工序。但液态饮料与固体饮料工艺上有一个很大的区别,就是固体饮料有干燥工艺。因此下面我们重点介绍下干燥工艺。

  冷冻干燥是一种先进的干燥工艺,可较好地保留物料的营养及风味成分,但投资高,应用受到限制;

  喷雾干燥技术适合于干燥高果汁含量的液态物料,由于物料受热温度低、时间短,能较好地保留物料的营养及风味成分。

  冻干法是将物料中的水冻结成固体的冰,在真空条件下,使水直接升华变成水蒸汽逸出,从而把水从物料中脱除。其特点是营养物质及挥发性成分保存完好,但加工成本极高,因而用冻干法生产固体饮料还很少,只有少部分附加值较高的产品如速溶茶粉、咖啡粉中应用。

  造粒技术有湿法造粒、干法造粒、快速搅拌制粒技术以及流化床造粒等4种。流化床造粒又称沸腾造粒,是将常规湿法制粒的混合、制粒、干燥等3个步骤在密闭容器内一次完成的新型制粒技术,可大大减少辅料量,制出的颗粒大小均匀,效果好。

  流化床造粒中颗粒的成长一般有3种机理—附聚、涂层和累积造粒。流化床造粒过程中往往是这3种作用共同使颗粒生长。食品工业造粒的目的,主要解决速溶性,并使外观优良,改善流动性,便于包装,从而提高商品价值。

  目前国内生产的速溶果蔬固体饮料,一般采用调配、造粒、干燥的方法,利用摇摆式颗粒机进行造粒,但直接利用摇摆式颗粒机加工固体饮料的主要缺点是辅料含量高。

  喷雾干燥是利用雾化器将料液分散为细小的雾滴,并在热干燥介质中迅速蒸发溶剂形成干粉的过程,料液的形式可以是溶液、悬浮液、乳浊液等泵可以输送的液体形式,干燥的产品可以是粉状、颗粒状或经团聚的颗粒。

  喷雾干燥固体饮料的生产范围很广,除广泛用于生产的奶粉、速溶豆粉和番茄粉以外,还有荔枝粉、藕粉、香蕉粉、草莓粉等也有报道。

  经喷雾干燥加工的粉体营养损失小、色泽好,除可以直接冲调外,还可作为配料。但喷雾干燥后的粉体,一般粒度较小、冲调性差,需要造粒后才可以直接冲调。速溶奶粉是最典型的一种通过喷雾干燥后附聚造粒成冷热水迅速溶解的固体饮料,其研究也是最热门的。

  固体饮料的包装在开封以后,内容物很容易结块。这是由于一般的固体饮料含水量都比较低,在外界环境湿度稍高时,就会吸收水分。在某一温度下,各种食品物料与外界环境的相对湿度都有一个平衡时的水分含量。当低于该水分含量时,即发生吸湿导致结块。所以固体饮料在从生产到包装、运输、贮存时,都要注意防止其吸湿。具体解决方法可以从以下三大方面解决。

  水分是导致固体饮料潮解结块的重要成因,因此在物料基质加工环节,一方面要以国家标准或行业标准为依据严格控制物料的含水量,避免物料自身的根源性问题;另一方面要确保干燥系统能有效干燥物料。

  对于易吸潮结块的物料基质,通常建议采用制粒工艺,例如湿法制粒。这是一种在粉末物料中加入粘合液使之制成具有一定形状与大小的粒状物的工艺,其制得的粒状物比粉末的粒径大,每个粒子周围可接触的粒子数目少,因其黏附性、凝集性较弱,从而改善物料基质的流动性,一定程度上能降低结块发生的几率。

  另一种应对物料结块的方法是添加能够阻止粉状颗粒彼此粘结成块的抗结剂,利用其吸收水分的能力或使其附着在颗粒表面,进而让颗粒具有憎水性,常用的抗结剂有二氧化硅和微晶纤维素。

  二氧化硅含有丰富的毛细孔,当周围空气中含有一定量的水分时,其毛细孔迅速吸湿。但由于二氧化硅的毛细孔的孔隙容量较小以及与水分子的物理结合能力较弱,不能将水分包裹,因此,吸湿的二氧化硅很容易解吸,因此表面水分还有可能被固体饮料物料基质夺走,难以长时间地保持固体饮料的干燥。

  微晶纤维素是抗结剂的另一种应用形式,其具有极强的吸水性,以合适的量添加在固体饮料的物料基质中能够起到防结块和帮助流动的作用。同时,由于该物质在水中经强力剪切作用后具有生产凝胶体的能力,因此当固体饮料在水中分散时可以很快形成稳定的胶体溶液,分散性和稳定性大幅提高。

  经干燥系统加工过的固体饮料物料基质,将投入灌装生产线,然后封包入库。这一环节,物料基质通常仍保持较高的温度(50~60℃),因此封入包装后极易出现冷凝现象,从而致使固体饮料结块。

  同时,灌装环境的温湿度也影响很大—灌装机械持续运转 , 源源不断地产生热量,加上气候温度的不断起伏,致使灌装环境的温度常常发生较大变化,空气湿度也伴随变化,从而影响物料基质,特别是糖料的水分平衡。因此,灌装现场应设立控温控湿装置,避免灌装时包装内空气含湿量过高。

  固体饮料包装主要有马口铁罐、玻璃瓶和复合膜袋 3 种形式。前两种包装在隔绝水蒸气方面密封效果良好,但质重易碎、成本高、占用空间大。塑料薄膜袋能很好的避免以上问题,因而成为现今使用最广的包装形式。

  当然,相较之下,在防潮方面塑料薄膜袋与前两种包装形式存在一定差距。根据兰光包装安全检测中心的测试经验,从防潮结块角度来看,固体饮料塑料薄膜包装应重点考虑包装的密封性、封边质量以及包装材料透湿性。

  固体饮料包装首先应保证包装整体具有良好的密封性,隔绝外界的水蒸气进入。笔者[2]所在的兰光包装安全检测中心曾利用 MFY-01 密封试验仪测试过一例固体饮料铝塑包装袋的多项物理性能,材料为 PET/AL/O P A / C P E ,厚 度 为 9 4 μ m 。

  其 中 ,负 压 密 封 性 测 试 测 得, 当 压 力为 -67.6kPa 时包装出现泄漏,位置在包装正面袋体中部压痕处。仔细观察此处,会发现其存在深浅不一的划痕,铝箔层极有可能已经遭到破坏,导致此处的耐冲击、耐穿刺能力下降,从而在压力环境下最先发生泄漏。

  该划痕可能由于制袋或运输、仓储过程中人为或机器造成,而此类微小泄漏若能及时检验发现,可以及时采取调整灌装和包装等补救措施,若发现不及时,保质期内的固体饮料将有较大概率出现结块现象。

  塑料薄膜包装的固体饮料通常采用热封工艺封口,即采用热封机器对封口处薄膜以一定温度的热压封口,并持续一段时间,使其达到预定的封口强度。这一过程中存在多重可能影响封口质量的因素,如热封的压力、温度和时间参数、封刀设计等。其中,影响最大的当属封口处的粉料污染。

  固体饮料的物料基质往往质轻、干燥,因而易随气流飞扬扩散。在利用包装机灌装时,粉体物料颗粒以积聚流的形态自由下落进入包装袋,搅动了原本相对静止的空气,使之向上流动。

  随着粉料加速下落,附近的气流被裹入粉料颗粒中,粉料流外层的颗粒发生内旋,逐渐脱离粉料流,悬浮于空气中。由于下料口位置粉体物料下落的初速度相对较小,因此更多的颗粒被气流带离粉体流,悬浮在下料口四周。

  与此同时,持续下落的粉料颗粒与已沉降颗粒、悬浮颗粒、包装壁面相互撞击,易导致部分颗粒悬浮于空气中。这些悬浮颗粒被向上的气流沿袋壁携带至包装口,因而造成了包装上封口部位四周大量粉料颗粒的聚集,为后续粉料对封口的污染制造了先决条件。

  对此,笔者[2]建议采用缩短下料口与包装底部的距离、增加除尘装置以及更换防静电包装材料等手段,以改善上述问题。最终可借助热封试验及热封强度试验对改善效果进行验证测试。

  除因泄漏和封口不严导致的水分渗入外,选择不同的包装材料也会影响袋内的水分含量。笔者针对不同包装材料的袋装豆乳粉做了含水量检测,如表 1。

  通过观测,可以明显发现采用俗称“铝箔袋”的铝塑复合膜包装的豆乳粉,其固体饮料颗粒的含水量控制优于镀铝复合膜,其原因在于复合膜的阻隔层不同。相比之下,AL 对水蒸气的渗透阻隔性更佳,因此更能获得良好的防潮性。

  对于 AL的易折性,可以通过在其和印刷层之间增加一层树脂材料,从而起到缓冲作用。但铝箔价格偏贵,会造成生产成本的增加。

  前文对固体饮料结块原因分析中提到,固体饮料灌装后贮藏、堆码的压力致使固体饮料颗粒更加紧密接触,从而加剧结块。为缓解这一问题,生产者可以引入充气包装技术,即向包装内充入一定量的干燥惰性气体,比如氮气,如此既不会影响固体饮料的风味,同时也会降低固体饮料所承受的压力,保证其良好的流动性。

  初峰等人的“固体枣粉饮料结块与内包装充气量之间的关系”研究试验证明,包装内充气有效延缓了固体粉料的结块。需要注意的是,充气包装技术有效性的关键在于维持袋内气体量的恒定,即最大限度防止气体的逸失,而这同样与包装的密封性、封口质量和包装材料的气体渗透阻隔性有关。

  固体饮料结块,根源在于水分的控制。这涉及到原料、加工、添加剂、灌装、包装、仓储、环境管理等诸多环节。可以说,结块控制是一个系统工程。唯一有效的应对方式是多措并举,并且加强物料、包装等质量控制,利用科学实验的方式建立一套有效的、系统的水分防控管理体系,避免因固体饮料结块带来经济和信誉的双重损失。

  [1] 小研. 食品研发与生产. 深度解析固体饮料及其加工工艺(附4款固体饮料工艺配方)

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