各类乳制品加工工艺.doc

第四章 各类乳制品加工工艺
第五章
§4-1 概述

一、三类大宗乳制品的综合工艺流程
二、三类大宗乳制品的特征比较
1．耐藏性
⑴奶粉
① 聚乙烯薄膜塑料袋包装，高频电热焊接封口，保藏期3-6月；
② 真空充氮包装，包装时抽真空，容器中充填氮气，并采用马口铁罐，能贮藏3-5年之久；
③玻璃瓶装，保藏期9个月。
保藏原理：奶粉成品并不是绝对无菌，之所以能长期保存是因为成品所含的水分很低（W≤2.25-3%），使残存微生物细胞和周围环境的渗透压差值很大，从而发生所谓“生理干燥现象”，此时奶粉中残留的微生物不仅不能繁殖，甚至会死亡。
⑵炼乳
A：甜炼乳：部颁标准：T<20℃,t≮9个月，且开罐后还能保藏几天。
保藏原理：成品中加入16%的蔗糖，浓缩到原体积的40%，成品中蔗糖含量为40-45%，增大了渗透压。例成品中蔗糖含量43%时，其渗透压为56.6atm ，所以只要包装适宜，可以在室温下长期保藏。
B：淡炼乳：相当于罐头的保藏期，但开罐后不能久藏，1-2天内必须用完。
保藏原理：将杀菌的浓缩乳装罐封罐后又经高压杀菌(灭菌)，其中的微生物及酶完全杀死、破坏，所以常温下可长期保藏。

⑶消毒牛乳（市乳）
A： 经杀菌处理，以液体鲜乳状态用瓶或其它型式的小包装直接供消费者饮用。保藏期限：常温下<12hr，巴氏杀菌原理。
B：灭菌乳： 灭菌——无菌包装 成品呈无菌状态
装瓶封口——灭菌 不冷藏条件下保藏3-6个月
2．营养特征
⑴消毒牛奶
热处理程度最轻，营养成分保存最完全，不添加任何化学试剂，营养价值最接近鲜乳状态。
⑵炼乳
热处理程度比消毒牛奶强，但低于奶粉。
A：甜炼乳
含有大量的蔗糖，稀释到常乳仍过高，所以不适宜喂养婴幼儿，因长期食用易使婴儿虚胖，对疾病抵抗力减弱。
但对于早产儿、胃肠疾患者反而有良好的效果。因易消化，添加蔗糖使蛋白质变性，甜炼乳的消化率有所改善，对酸的凝结性也有所改善。
加热处理主要破坏了VB1、VC，其它V影响不大。
B：淡炼乳
适合于婴儿及病弱者饮用，若增补VB1、VC，其营养价值几乎与新鲜牛乳相同。不易获得鲜乳的地方可用之代替。
淡炼乳经高温灭菌后具有以下特征：
a易消化吸收：比普通牛乳易消化。形成了软凝块化，在人体内由胃酸或凝乳酶凝固的凝乳极为柔软；脂肪经均质处理，脂肪球微细化更易于吸收。
b降低了牛乳的芳香风味。
c VB1、VC损失大，长期饮用需强化VB VC VD(本来含量就少)。
⑶奶粉
热处理程度最强，蛋白质易变性凝固，奶粉冲调时蛋白质的分散状态、脂肪的乳化状态不能完全复原为鲜乳，沿用“溶解度”来表示其复原性。
V的损失还低于淡炼乳，与甜炼乳差不多。
3．储运性
从乳制品缩小体积、减轻重量、节省包装材料、运输费用等方面：
消毒牛乳：原状；
炼乳：只有原体积的40%，水分由86-87%→27-28%；
奶粉：水分由86-87%→3%；

思考题：
1.试从保藏原理、保藏期限、营养特征及储运性等方面比较消毒奶（或灭菌奶）、炼乳、奶粉三大类产品有何不同。

§4-2 乳品生产主过程
一、预热杀菌
乳制品预热杀菌的主要目的在于杀死微生物、酶失活或获得一些工艺特性；但热处理也会带来褐变、风味变化、营养物质损失、菌抑制剂失活和对凝乳力的损害等变化。
（一）预热杀菌的目的

1.保证消费者的安全
杀死如结核杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、李斯特菌等病原菌，及进入乳中的潜在病原菌、腐败菌，其中很多菌耐高温。
2.延长保质期
杀死腐败菌及其芽胞，钝化乳中天然存在的或由微生物分泌的酶。热处理抑制了脂肪自身氧化带来的化学变质，“凝乳素”失活可避免迅速形成稀奶油。
3.形成产品的特性

（1）蒸发前加热可提高炼乳杀菌期间的凝固稳定性；
（2）失活细菌抑制剂如免疫球蛋白和乳过氧化氢酶系统来提高发酵剂菌的生长；
（3）获得酸奶的理想粘度；
（4）促进酸化过程中乳清蛋白和酪蛋白凝集。
（二）加热引起的变化

1.物理化学变化
①乳中的的气体可以在加热期间除去,特别是O2的除去对加热期间氧化反应速度和随后细菌增长速度有重要影响；
②胶体磷酸盐增加，而[Ca2+]减少；
③产生乳糖同分异构体如异构化乳糖和乳糖的降解物，如乳酸等有机酸。
④酪蛋白中的磷酸根、磷脂会降解而无机磷增加；
⑤乳的pH值降低，滴定酸度增加，这些变化都依赖于条件的变化；
⑥大部分乳清蛋白变性由此导致不溶；
⑦许多酶被钝化；
⑧蛋白质与乳糖之间的美拉德反应使得赖氨酸效价降低；
⑨蛋白中的二硫键断裂，游离巯基的形成，致使氧化还原电势的降低；
⑩酪蛋白胶束发生聚集，最终会导致凝固；
(11)脂肪球膜发生变化，如Cu2+含量变化；
(12)甘油酯水解；
(13)由脂肪形成内酯和甲基酮；
(14)一些维生素损失。

2.加热处理综合变化

①加热过程中乳起初变得稍白一些，随着加热强度的增加，颜色变为棕色；
②粘度增加；
③风味改变；
④营养价值降低，如维生素损失、赖氨酸效价降低。
⑤某些微生物在热处理过的乳中生长较快：
其原因：
•因为细菌抑制剂如乳过氧化物酶和免疫球蛋白钝化失活；
•产生的某些物质促进了一些菌生长，相反抑制另一些菌生长。
⑥浓缩乳的热凝固和稠化趋势会降低；
⑦凝乳能力降低；
⑧乳脂上浮趋势降低；
⑨自动氧化趋势降低；
⑩在均质或复原过程形成的脂肪球表面层物质组成受均质前加热强度的影响，例如形成均质团的趋势有所增加。
3. 乳的热凝固

酪蛋白不像球蛋白那样容易加热变性。但在非常强烈的热处理条件下，它能形成聚合，尤其在胶束内部。酪蛋白在预热杀菌过程中凝聚，当凝聚大量出现时形成可见的凝胶体，出现这种现象所需时间被称作热凝固
时间（HCT）。

(1)影响乳热凝固的因素
•初始pH值对热凝固时间HCT有相当大的影响，pH值越低，发生凝固的温度越低。在温度保持不变的条件下，凝结速率随pH值的降低而增加；
•凝聚往往不可逆，即pH值增加不能使形成的凝聚再分散。
pH 值降低的最初原因：磷酸钙沉淀引起；
进一步降低的原因：乳糖产生甲酸。
通常预热杀菌很少产生热凝固问题，但浓缩乳如炼乳在杀菌过程中会凝固。尽管乳与炼乳在热处理过程中大部分的反应机制相同，但二者之间的结果有很大区别。
原料奶没经预热的炼乳中，乳清蛋白处于自然状态，经120℃加热即开始变性并且在酸性范围内强烈聚合，因为乳清蛋白浓度高（浓缩），酪蛋白胶束与乳清蛋白形成胶体结合；
预热过的乳制成的炼乳中，乳清蛋白已经变性并与酪蛋白胶束结合。预热过程中不形成胶体化是因为乳清蛋白浓度太低；而炼乳中不形成胶化是因为乳清蛋白已经变性了。

(2)炼乳稳定性与pH的关系
•pH值由6.2上升到6.5，稳定性会随之增加，因Ca2＋活性降低的缘故；
•在pH值＞7.6时，炼乳稳定性降低的原因是由于酪蛋白胶粒к－酪蛋白脱落引起的，结果没有к－酪蛋白的胶束对Ca2＋的敏感性增加，而炼乳中盐浓度比液态乳的要高，因此造成炼乳的不稳定。
（三）加热强度

加热强度取决于加热的持续时间和温度

1、预热杀菌的工艺
（1）预热杀菌
60～69℃/15～20s的处理。其目的杀死细菌，尤其是嗜冷菌。因为嗜冷菌能产生耐热的脂酶和蛋白酶，这些酶可以使乳变质。此加热处理除了杀死许多活菌外，几乎不引起乳的不可逆变化。
（2）低温巴氏杀菌

63℃/30min或72℃/15～20s的处理可钝化乳中的碱性磷酸酶，杀死乳中所有的病原菌、酵母和霉菌以及大部分的细菌，而在乳中生长缓慢的某些种微生物不被杀死。
一些酶被钝化，乳的风味改变很大，几乎没有乳清蛋白变性、冷凝聚，抑菌特性不受损害。

（3）高温巴氏杀菌（高温短时法）

70～75℃/20min或85℃/15～20s的处理，发生很少的不可逆化学反应：
•生产中采用更高温度（100℃），使除芽胞外所有细菌生长体都被杀死；
•可破坏乳过氧化物酶的活性，大部分的酶都被钝化，但乳蛋白酶（胞质素）和某些细菌蛋白酶与脂酶不被钝化或不完全被钝化；
•大部分抑菌特性被破坏；
•部分乳清蛋白发生变性，产生明显的蒸煮味；
•除了损失VC之外，营养价值没有重大变化；
•脂肪自动氧化的稳定性增加。
高温短时杀菌法（HTST）：100℃以下加热杀菌法

①管式热交换器、套管式热交换器
圆筒形外壳
管式：牛乳在多根不锈钢列管内流动
管外壁空间有加热介质流动
套管式：螺旋式套管装在加热及冷却圆筒内
牛乳在套管间流动
内管的内部及外管的外部均有加热或冷却介质流过
特点：A：小型化，生产能力小;
B：管壁易结垢、焦化；
C：清洗不方便，不能实现设备原地无拆卸循环清洗（CIP）
②片式热交换器：
不锈钢薄片(波纹板)叠合夹紧组成，分预热→加热→保温→冷却四个阶段。
各阶段由分段板（隔板）分开，加热或冷却介质在相邻的两个片间空隙中以相反方向流动。预热和预冷却时，由冷热牛乳自身进行热交换。
其特点：①占地面积小；
②连续式短时间杀菌，效率高；
③CIP清洗，不必拆卸，直接用酸、碱液就地循环清洗；
④节省热源，无污染，劳动效率高。
（4）超高温瞬间杀菌法（UHT）
① 定义
选自《乳品超高温杀菌和无菌包装》徐守渊著，原浙大农学院农化系，现在美国约翰拿食品公司总化学师，1969年出版英文版，1986年2月出版中文版。

超高温杀菌法：指一种工艺，标准温度135-150℃、时间2-8秒的处理。
灭菌奶：满足“无活的微生物”及“用密封容器销售”两条的牛乳。
②超高温杀菌法（灭菌）的工艺原理
巴氏杀菌可杀死所有的致病菌，且原料乳的大部分物理和化学性质如色泽、风味也基本保持不变。
若温度上升，微生物致死率上升，且物理变化、化学变化的速率也上升，但两者的增长速率不相等。
普通细菌孢子Q10=20(平均值)
例：嗜热脂肪芽孢杆菌孢子Q10＝11
枯草杆菌孢子Q10＝30
乳的褐变（最普遍是蛋白质与还原糖相互作用产生黑色素）：其褐变程度可间接地通过测量带色牛乳对光线的反射来确定Q10＝3
∴ T每上升10℃，杀菌效率上升：褐变速率上升＝11：3或快3.67倍
＝20：3或快6.67倍
T＜135℃，两者比值未发生显著变化
T＝140℃，杀菌速率比褐变速率增长要快2000倍
T＝150℃，杀菌速率比褐变速率增长要快5000倍
因此：采用T＞135℃的热处理可得到颜色变化很小的灭菌产品，以此法杀菌的牛乳颜色不比高温短时杀菌的黑。
∴ T↑、t↓，是确保杀菌效果、减轻牛乳不良颜色变化的最可靠的途径。
超高温杀菌所依据的基本原理：
牛乳在135-150℃超高温处理几秒，就有可能获得事实上没有存活的细菌或很少有抵抗力的孢子以及比传统高温短时杀菌更少不良色泽的牛乳制品。
牛乳高温处理过程中的变化还有：产生焦煮味、乳清蛋白变性、热敏性维生素的破坏、酶复活等，这些变化的速度或方式或多或少地与褐变现象有些相似。
③超高温灭菌方法
A 直接加热法
a喷射式：蒸汽喷入牛乳中，Alfa-Laval/Delaval两公司
真空瞬时加热杀菌装置(Vacu-Therm Instant Sterilizer)
简称VTIS，由阿法－拉伐和德拉伐公司联合研制。采用把蒸汽喷射到牛乳中，使乳T迅速上升至140℃左右，随后通过真空罐瞬间冷却到80℃的方法。
原料乳预热到75℃→离心泵抽送至喷射器→＜1秒的时间内牛乳即由喷入的蒸汽加热至140℃（一部分蒸汽冷凝，其潜热传递给牛奶T瞬间↑）→原料乳通过保温管保持4-8秒→转向阀进入真空罐（因牛乳的压力突然下降，体积迅速增大，T瞬间下降至77℃）→无菌泵抽至无菌均质机200kg/cm2→无菌乳冷却器冷却至20℃。
蒸汽喷射器：纯不锈钢制造，外形是不对称的T形三通，内管管壁四周加工了许多d<1mm的细孔，蒸汽就是通过这些细孔并与牛乳流动方向成直角的方位强制喷射至牛乳中。
喷射过程中：牛乳的压力保持4.0kg/cm2，蒸汽压力4.8-5kg/cm2；蒸汽纯度要求很高，可通过离心式过滤器除去蒸汽中可能存在的固体颗粒。

直接蒸汽喷射杀菌装置（Uperization）
50-60 年代由瑞士索耳塞Sulzer兄弟公司、阿尔皮拉Alpura公司生产，现生产销售由英国APV公司接管。
P410图5－1－7工艺流程说明：
原料乳用乳泵(2)从生乳罐(1)中抽出→经预热器Ⅰ(3)进入预热器Ⅱ⑷乳T↑75－80℃→用奶泵⑸抽出至喷射加热器(7)（在该处向牛乳内喷入P＝10kg/cm2的蒸汽，瞬间T↑至150℃，保温管中保持0.75秒）→闪蒸进入减压容器(8)（又叫真空罐、膨胀罐），乳温急剧冷却至77℃→热废气进入预热器Ⅰ⑶；杀菌过的乳收集在真空罐底部（一定的液位）→灭菌乳用无菌泵(10)送至无菌均质机(11)→在无菌冷却器中⑿进一步冷却→直通无菌装罐机
几个主要系统：
无菌系统：无菌泵、无菌均质机、无菌冷却器、无菌装罐机，用生蒸汽密
封所有通道，以保证无菌状态；
蒸汽处理系统：进入(7)之前的工序，要得到高纯度的蒸汽，必须除去可能存在的固体颗粒和溶解的盐类。
蒸汽源⒅→蒸汽阀→蒸汽离心过滤器→蒸汽保护器→超压温度控制器→进入喷射加热器（7）
水处理系统：氯罐、灭菌水罐
向牛奶中喷射的蒸汽量≈真空罐排出的二次蒸汽(热废汽)量：通过冷凝器（14）及真空泵（16）使真空罐的压力始终保持固定值，喷入牛乳中的蒸汽全部在真空罐汽化时除去，同时也带走乳中的臭味。

UHT( Aseptic Aero-Vacu)
美国Cherry-Burrell公司，大气—真空喷射装置Aero-Vacu Injection system
b注入式—牛乳注入蒸汽中
喷射式是把蒸汽喷射至牛乳中，注入式是把牛乳注入到过热蒸汽加热器中，由蒸汽瞬间加热到杀菌T，然后在真空罐中通过膨胀实现骤冷。
以Pararisation system帕拉莱斯托尔装置、Laguilharre system拉去奥尔装置为代表，P410图5-1-8 为例：
生牛奶由两台预热器Ⅰ、Ⅱ加热到75℃(预热器Ⅰ利用真空闪蒸罐的热废汽加热，预热器Ⅱ利用低压蒸汽)→注入145℃的过热蒸汽杀菌器4（牛乳液滴一经溅落至容器底部，即被瞬间加热至145℃）→压入闪蒸罐5骤冷至75℃(牛乳在闪蒸罐排出的水分正好等于杀菌器中加入牛乳的水蒸汽)→无菌泵抽至无菌均质机→冷却器→无菌贮槽→无菌罐装
过热蒸汽杀菌器(注入式加热器)：
l 不锈钢的圆筒形蒸汽直接加热容器。蒸汽在容器中部加入，其内安装两台控制蒸汽的传感器：一台接近加热器底部，另一台装在保温管中部；
l 原料乳或制品则从容器上方经一管道从上而下进入加热器，最后到达分配器，分散成“自由下落”的薄雾状细乳滴。
l 加热器内装有一只空气调节阀，随着液面升高，该阀可让少量已过滤的加压空气进入。通过调节P蒸汽与P空气，准确控制加热的T、t（145℃/2-4s）。
B 间接加热法
热量由介质→热交换器器壁→制品
a板式热交换器：1950年由英APV公司推出(P411图5-1-9 APV-Ultramatic)
工作原理：与板式高温短时杀菌热交换器相似，不同之处是其所配备的板框橡胶垫圈、圈环橡胶垫圈要耐高温高压(T＝136-138℃，P＝2.8-3kg/cm2)。
使用时易出现的问题：换热片表面形成大量的乳固体沉淀物，装置不得不经常停车清洗，使运行周期大为缩短。
改进办法：换热器之前加一台保温槽(沉积器)；或在系统中安装两台换热器，轮换使用。
b管式加热器：
P411图5-1-10所示为斯托克型管式超高温灭菌装置，由荷兰著名的斯托克－阿姆斯特丹公司研制。
流程说明：用离心泵②将牛乳从平衡槽①抽出送至高压泵③→经预热器④、第一道均质机⑧(T↑至65℃)→经热交换器⑤(乳温↑至120℃)→经加热灭菌器⑥(T↑至135℃以上)→进入换热器的冷却段⑦(T↓65℃)、第二道均质机→冷却器⑩(T↓15℃)→冷却器12(冰水冷却至5℃)→无菌灌装系统或无菌贮槽。
系统特点：
l 加热灭菌器、热交换器、冷却器、保温器均以无缝不锈钢环形管制成，没有密封垫圈和死角，可承受很高的压力，牛乳在内管流动，蒸汽、冷水、冰水在外管的环状空间内逆向流动。④、⑤、⑥、⑦、⑩、⑿皆为环形管。
l 高压泵是系统中唯一具有强大功率的乳泵，其作用之一是担负物料管路输送任务；之二为驱动两道均质机⑧、⑨。
l 强烈的湍流保证了制品的均匀处理和较长的运行周期。
二、乳的均质

（一）均质目的

1. 防止脂肪上浮或其它成分沉淀而造成的分层
脂肪球的大小应被大幅度地降低到1μm；
均质能减少酪蛋白在酸性条件下的凝胶沉淀。
2.提高微粒聚集物的稳定性

微粒聚沉尤其在稀奶油层中易发生，经均质过的制品中形成的微粒聚沉非常缓慢，防止微粒聚沉是均质的最重要的目的；
3. 获得所需求的流变性质
均质块的形成极大地增加了稀奶油的粘度；经均质的酸奶比未均质的酸奶的粘度高；因被酪蛋白覆盖的脂肪球参与酪蛋白胶束的凝聚。

4. 还原乳制品

均质可以使乳成分在溶液中分散，然而均质机不是乳化设备，因此，涉及的混合物应首先预乳化，如严格进行搅拌，形成不完全乳化体系后再均质。
（二）稳定脂肪的均质原理
1．均质机及工作原理
主要组件：高压泵和均质阀；
操作原理：是在一个适合的均质压力下，料液通过窄小的均质阀而获得很高的速度，这导致了剧烈的湍流，形成的小涡流中产生了较高的料液流速梯度，引起压力波动，这会打散许多颗粒，尤其是液滴。
均质后的脂肪球的状态：
脂肪形成细小的球体，新形成的表面膜主要由胶体酪蛋白和乳清蛋白质组成，其中一些酪蛋白胶束存在于胶束内，而大多数或多或少延伸出来形成胶束断层或次级胶束层。
均质后脂肪球的大部分表面被酪蛋白覆盖（大约90%，还原乳中100%），使脂肪球具有象酪蛋白胶束一样的性质。任何使酪蛋白胶束凝聚的反应因素如凝乳、酸化或高温加热都将使均质后脂肪球凝集。
2．均质团现象
(1) 均质团概念
在显微镜下可看到均质的稀奶油中有大量的脂肪球聚集物，含有大约10５个脂肪球而非单一的脂肪球，即所谓均质团。
因为均质团间隙含有液体使稀奶油中颗的有效体积增加，因此增加了它的粘度。
•（2）均质团成因及影响因素

均质过程中当部分裸露的脂肪球与其它已经覆蛋白胶束的脂肪球相碰时，酪蛋白胶束也能附着在裸露的脂肪球表面。
两个脂肪球由酪蛋白胶束这个“桥”连接着，从而形成均质团，该团块会很快被随后的湍流旋涡打散。如蛋白质太少以至不能完全覆盖在新形成的脂肪表面，部分裸露脂肪球恰好在均质机的阀缝之外会形成均质团，在那里动力太小以致不能再次打散。
高脂肪含量、低蛋白含量、高均质压力及表面蛋白相对过剩、均质温度低、强烈预热等促进了均质团的形成。
实际操作中，稀奶油的脂肪含量小于9%时，均质团块不产生；脂肪高于18%的稀奶油通常产生均质团；脂肪含量9%～18%范围内，产生的团块主要与均质压力和温度有关。

（3）二段均质机：

第一段：均质压力大（占总均质压力的2/3），形成的湍流强度高是为打破脂肪球；

第二段：均质 压力小（占总均质压的1/3），形成的湍流强度很小不足以打破脂肪球，但可打破第一段均质形成的均质团块。

(三) 均质效果及测定

1.均质效果与均质压力的关系
均质后乳脂肪球的大小受均质压力影响，并有不同分布（图4-3）。
2.均质效果测定
(1)均质指数表示：
奶样在4℃和6℃的温度下保持48h，然后测定上层(容量的1／10)和下层(容量的9／10)的含脂率。
上层与下层含脂率的百分比差数，除以上层含脂率数即为均质指数。如上层含脂率为3．3％，下层为3.0％均质指数将为：
均质奶的均质指数：1～10的范围
(2) 显微镜、离心、静置等方法：其中显微镜检查较简便
（四）均质对乳的影响
1.含有解脂酶的均质乳乳脂肪分解增强；
现象：均质后原料乳几分钟内就可酸败；

原因：解脂酶能渗透至因均质而形成的乳脂肪球膜中，但不能渗透至天然乳脂肪球膜中；
措施：
•避免均质生牛奶或均质后的乳迅速巴氏杀菌，灭活解脂酶；

•避免均质乳与原料乳混合，以防原料乳中的解脂酶对均质乳中脂肪的分解。

2. 均质后原料乳工艺特性的改变：
l 颜色变白；
l 起泡性增强，易形成泡沫；
l 脂肪易自然氧化；
l 脂肪球失去冷却条件下的凝固能力。
3. 部分均质工艺
为节约能源和设备投入，可采用部分均质（均质机昂贵且耗能），即原料乳先被分成脱脂乳和稀奶油，只均质稀奶油，稀奶油被均质后再与分离出的脱脂乳混合。

三、浓缩
是使乳中水分蒸发以提高乳固体含量使其达到所要求浓度的过程，乳品工业中普遍采用真空浓缩方法。
（一）真空浓缩的特点及应用
1.真空浓缩的特点:
•水分蒸发通常在减压下进行，低温沸腾避免加热造成的损失；
•水分蒸发过程中，一些挥发性物质尤其是溶解气体也同时除去

•蒸发浓缩减小乳制品的体积并提高保藏性。

2. 真空浓缩在乳品工业中的应用：
•直接生产浓缩产品，如淡炼乳、甜炼乳、浓缩酸奶等；
•干燥乳制品的生产步骤，真空浓缩比干燥除水节约能源和节省冷却用水；
浓缩的必要性：
针对奶粉生产而言，浓缩排除了原料乳中70%的水分。
l 能源消耗低：
Qs(蒸汽量/蒸发kg水分) S K
浓缩 1.1-0.035kg 10-20M2 1500-2000
喷雾干燥 2.5-3.0kg 100M2 很小
l 成品质量好：
色 泽 颗 粒 状 态
未经浓缩的奶粉粒子： 灰白 细微、冲调性差
经浓缩的奶粉粒子： 白里泛青、悦眼 致密、坚实、密度大
经浓缩的奶粉颗粒内的气泡大大↓，包装费用↓，脂肪氧化↓，保藏性↑。
喷雾干燥每蒸发1kg水需消耗蒸汽3～4kg；单效真空蒸发器中消耗蒸汽1.1kg；双效真空蒸发器中消耗蒸汽0.4kg；蒸发产生的水蒸汽还可作为下一效的热源。
•通过浓缩结晶从乳清中生产乳糖（α-乳糖水合物）。
（二）真空浓缩原理和条件
具备条件：
1. 不断供给热量，维持牛乳的沸腾，使水分汽化；
2. 迅速排除二次蒸汽。
（三）浓缩引起的变化

1. 溶解物的浓缩引起结晶
2.
浓缩程度用浓缩比Q表示，即浓缩产物中的干物质含量对原物质中干物质含量的比值。浓缩后干物质质量是浓缩前干物质质量的1/Q。
浓缩过程中，一些物质可能成过饱和状态，并可能结晶产生沉淀。
例如乳中的磷酸钙 浓缩时出现饱和状态；室温下当Q≈2.8时乳糖呈饱和状态；

2. 浓缩乳制品的特性变化及控制
（1）高浓度炼乳的稠化；
（1）
浓缩乳粘度是蒸发过程中的重要参数，其粘度的增加超过干物质含量增加的比例。
浓缩度通常用密度ρ或折射指数n来检测，这些参数可在浓缩过程中连续测定。

（2）高浓度炼乳易发生美拉德反应；

（3）产品高度浓缩时，温度高、温差大、液体流动速度慢则易发生结垢；
l 预热可明显减小在高温段处的结垢；

如Q高的浓缩乳清，过饱和盐在加热器表面沉积会产生相当多的乳垢，可通过将一部分浓缩乳清在进一步浓缩前保留在设备外一段时间（大约2h）来克服。
l 设备的结构影响结垢速度和清洗的难易，清洗成本随设备加热面积增加而增加，随多效蒸发器效数的增加而增加。

（4）浓缩过程中耐热细菌的生长；

如嗜热脂肪芽胞杆菌巴氏杀菌后仍存活，能在较高温度下生长，末效浓缩过程中尤为突出。
加工过程必须卫生，连续工作20h后，设备须清洗消毒。
（5）低温时脱脂乳易产生泡沫；

采用适宜的机械如降膜蒸发器减少泡沬产生

（6）浓缩过程中一些挥发性物质和溶解气体同时被除去；
（四）浓缩设备
1. 盘管式真空浓缩锅：可实现浓缩后期加糖的操作
2. 外热式蒸发器：
3. 液膜式蒸发器：①升膜式蒸发器；②降膜式蒸发器
(五)浓缩终点的确定：
1. 连续蒸发器：自动控制，到达一定浓度后正常、连续地出料。
2. 间歇式蒸发器：逐锅测定
①经验法：从蒸发室的视孔观察
其一：接近浓缩终点时，乳粘度↑，沸腾状态滞缓，微细的气泡集中在中心，浓奶表面稍呈光泽。
其二：溅落在视孔玻璃上的乳液的下落速度。
② 取样测定：比重、密度、粘度、折射率，一般用波美比重计测定。
2.不同产品的浓缩终点
浓缩后乳温约47～50℃，不同产品的浓缩终点：
（1）全脂乳粉为11.5～13oBe，相应乳固体含量为38%～42%；
（2）脱脂乳粉为20～22oBe，相应乳固体含量为35%～40%；
（3）全脂甜乳粉为15～20oBe，相应乳固体含量为45%～50%；
（4）大颗粒奶粉可相应提高浓度。

四、喷雾干燥
干燥是通过水分蒸发使物质变成固体状的过程。干燥通常用来生产易保存、加水后可还原其性质（与原始状态相似）的食品。
普遍用于处理水分含量高的原料如牛乳、脱脂乳、乳清、奶油、冰淇淋混合料、蛋白质浓缩物、婴儿食品等；
水分蒸发能量消耗大，费用很高，原料干燥前应先通过蒸发或反渗透使水分减少到相当低的程度。
干燥过程中的主要技术问题：
防止干燥过程中的不良反应，如导致蛋白质不溶解的反应、褐变等，在适宜温度迅速使水分从20%降到8%。
水的有效扩散系数和干燥速度随水分含量降低和温度降低而降低，要使液体干燥加快的话必须将其雾化。
液体干燥方法：滚筒式干燥 、发泡干燥、冷冻干燥，但最常用的是喷雾干燥。
浓奶泵入喷雾干燥塔可分为3个连续过程：
（1）将浓缩乳雾化成液滴；
（2）液滴与热空气流接触，水分迅速蒸发；
干燥过程大约25s，因微小液滴中水分不断蒸发，乳粉的温度不≯75℃。
（3）将乳粉颗粒与热空气分开。
干燥的乳粉颗粒含水2.5%左右，从塔底排出；而热空气经旋风分离器或袋滤器分离所携带的乳粉颗粒后，排入大气或进入空气加热室再利用。
(一) 喷雾干燥原理：
1.原理： 采用机械力量，通过雾化器将浓乳喷成雾状乳滴，增大表面积，使水分在瞬间(10-15秒)蒸发。
雾化：将浓乳通过雾化器，使之被分散成雾状乳滴，极大地增加了蒸发表面积；
将容积为1cm3的立方体雾化后的雾滴个数与表面积见下表：

大小　　　　　　个数　　　1个的表面积cm2 全表面积cm2
边长1cm的立方体　　　1　　　　　　6　　　　　　　　　6
直径1mm的球体　　1.91×102　　　3.14×10-2　　　　　　　　　　　6×10
直径100微米的球 　1.91×106　　　3.14×10-4　　　　　 6×102
直径1微米的球体　 1.91×1012　　 3.14×10-8　　　　　 6×104
干燥：浓乳雾滴在干燥室与热风接触，其表面水分在0.01-0.04s内瞬间蒸发完毕，整个过程仅需15-30s。
•雾滴被干燥成粉粒落入干燥室底部；
•水分以蒸汽的形式被热风带走；
喷雾：手段，先行步骤与必要条件
干燥：目的
(二) 雾化机理：
1.压力雾化
雾化器(喷枪)的形式：①涡旋室型(喷嘴孔径0.7～1.5mm)
②离心型：具有螺旋或斜槽状的流乳沟（4沟或6沟)
当浓缩乳经高压泵送到喷枪时：
涡旋室型：浓乳对涡旋室以切线或接近切线的角度呈旋转流进入
离心型：浓乳通过任意角度的芯沟送入旋转室
此时，浓乳的部分静压能转化为动能，浓乳产生旋转运动。据自由旋涡动量矩守恒定律：旋转速度V反比于旋涡半径r。即有：
愈靠近轴心，r愈小，v愈大，静压强愈小，在轴心形成空气芯(压力等于大气压的空气旋流)，而浓乳则成为绕空气芯旋转的环形薄膜从喷嘴喷出，液膜伸长变薄并拉成细丝，最后细丝断裂为乳滴，由乳滴群形成了空心圆锥形的喷矩。
充实圆锥喷雾：轴心液滴多，圆锥中心的液滴群分散不良，被高湿度的雾气长时间包围，干燥时间延长，干燥均匀度下降；
中空圆锥喷雾：旋转力愈大，喷雾角与空气芯也愈大，液滴群在圆锥周围分布多，干燥迅速。
乳滴大小的估算：平均直径（桐荣实验式）P434-435
2.离心雾化
浓乳由高速旋转(6000-30000rpm)的离心盘甩出时，受到两种力的作用：①由空气与乳液之间的相对速度产生的摩擦力——速度雾化
②由离心盘旋转产生的离心力——离心雾化
当流量大，转速高时：以速度雾化为主，离心力只给浓缩乳加速，
雾化乳滴的直径与转速的0.6-0.83次方成反比；
当流量小，转速低时：以离心雾化为主，摩擦力对雾化的影响很小，
雾化乳滴的直径与转速成反比。
实际上，两种雾化同时存在，很难严格区分，工业上大都采用速度雾化。
离心雾化器的种类：喷枪式和篮式P435图5-1-25
影响乳滴大小及均匀性的因素：
乳滴大小可用经验公式计算：P435
①无振动旋转；
②离心盘的转速要高：80-200m/s(圆周速度)，通常≮60m/s；
③平滑的沟槽、叶片表面；
④进料量稳定、均匀；
⑤浓奶均匀湿润叶片表面；
⑥向叶轮均匀供液。
3.压力喷雾与离心喷雾工艺性能比较：
（三）干燥
1.热风干燥机理:
喷雾干燥的预热阶段：短暂不计
恒率阶段：几分之一秒或几十分之一秒
降率阶段：10-15秒
干燥过程快速的原因：细分散使表面积大大↑
以顺流喷雾干燥为例分析：
oa：预热阶段，短暂不计，物料T=浓缩T
ab：恒率干燥阶段，乳滴的水分蒸发在表面进行
乳滴内部水分扩散速率V内»V表表面水分蒸发速度
乳滴温度tM=θ(周围热空气的湿球温度)
干燥速度取决于ΔT ΔT=t-tM t:热空气的干球温度
b： 临界点(tM, 临界水分)恒率和降率的分界点
be：降率干燥阶段：
V内<V表 ，乳滴微粒表面水分不再保持饱和状态，蒸发发生在乳滴内部的某一界面上，微粒表面呈塑性状态，使乳滴干燥形成中空的乳粉颗粒，结合水只能部分排除，W乳粉=WP(平衡水分)，干燥后期tM=废气温度。
注意：干燥过程中，随着水分↓→粘度↑表面张力↑→乳滴表面呈硬壳(硬化)，如果此时：
乳滴表面T不高：水蒸汽易冲出表面而干燥，奶粉颗粒疏松，复水性好；
乳滴表面T高：硬化严重，残留在乳滴内的水汽及空气难于排除，蛋白质易变性(溶解度↓)，粉粒的收缩产生阻碍，无定形乳糖变硬。
∴ 干燥后期热空气T要严格控制，不能太高。
2. 两段或多段干燥机
（1）工艺过程
在干燥塔内，先将乳滴中绝大部分的水分瞬间除去（恒率干燥阶段），当水分降至5%-8%时，由干燥塔卸出，进入流化床（降率干燥阶段）二次干燥至含水量≯3%。
（2）特点
A：可减小干燥塔容积，特别是降低塔高，节约基本建设费用和运转费用；
B：提高热效率，降低热处理的强度；
可提高进风温度，因乳粉颗粒在塔内的时间缩短，仅几秒钟；而流化床干燥进风温度相对较低 130℃，虽乳粉颗粒停留时间要几分钟，但热空气消耗还是减少。
C：流化床的附聚
简单加入一个冷却部分，流化床也能用于粉粒附聚，附聚冷水中分散性差的细粉来常生产大颗粒乳粉。在流化床中奶粉颗粒之间相互碰撞，如果粉末足够粘即有足够的含水量，就会发生附聚。

思考题：
1、试述原料乳预热杀菌的目的，预热杀菌时发生了哪些变化？
2、预热杀菌工艺有哪几类？试述超高温灭菌的工艺原理，举例分析超高温灭菌实现瞬时升降温的原因。
3、试述均质的目的，均质对乳有何影响？试述均质团的成因及影响因素。
4、试述奶粉生产中浓缩的必要性，浓缩过程中乳发生了哪些变化？怎样确定乳的浓缩终点？
5、试述压力雾化和离心雾化的机理。
6、试述奶粉热风干燥的机理，什么是两段或多段干燥机，有何特点？

§3-3 奶粉生产工艺
一、 普通全脂奶粉生产工艺
主要从奶粉的理化性质与工艺过程的关系来进行分析、控制：
1. 奶粉的密度：受喷雾方式，浓乳浓度、温度、粘度，热空气T等的影响。
2. 奶粉的水分及其控制：受干燥室的排风T和排风相对湿度j的控制。
3. 奶粉的色泽：受原料乳的质量(加碱)、高温长时间处理、成品水分(>5%)、 贮藏T(＞37℃)的影响而出现深黄色、褐色。
4. 奶粉的溶解度：通常指奶粉的最终溶解度
溶解度＝1－[不溶物干燥后重量W/样品重W0 (1-B%)]×100%　B--样品中水分百分数
定量称取样品，加水溶解；离心管保温5分/30℃，震摇3分钟,置离心机中以2850rpm离心10分钟→倾去上层清液,重复上述过程,将不溶物用少量水洗入已恒重的称量皿中→100℃水浴蒸干水分→100℃烘箱中烘干至恒重得W
溶解度:表示乳粉用水冲调时复原性能是否良好的指标,借以反映原料乳的质量及其在热处理过程中蛋白质变性的程度。
影响奶粉溶解度的因素:原乳的质量,制造方法和工艺,贮藏时间和条件。
溶解度与蛋白质的存在状态有关:①不溶性沉淀主要是酪蛋白吸附了磷酸三钙,形成了变性的酪蛋白酸钙粒子；②全脂奶粉中的脂肪和蛋白质有时会形成脂肪-蛋白质的络合物。
5. 奶粉的颗粒与冲调性能(亦称速溶度)
速溶度:表示奶粉的溶解度，它随奶粉颗粒平均直径的增大而提高。
6. 乳糖的状态：
乳糖呈非结晶的玻璃态(a-:b-=1:1.5), 与乳粉的吸湿性有关，有很强的吸湿性，乳糖吸水®结晶乳糖。
7.奶粉中脂肪的状态:
①由于均质脂肪球比原料乳中的小(压力喷雾1-2mm,离心喷雾1-3mm)
②控制游离脂肪酸含量<(0.5-1.0%)TS，凡游离脂肪酸高,则容易凝集于奶粉颗粒表面,易氧化变质而不耐藏,通常采取的控制措施为：
A 浓乳均质，使之适当降低；
B 奶粉出粉及时并迅速冷却至20℃以下；
C 乳糖吸湿过多，游离脂肪酸含量↑；
D 水分>8.5-9.0%,有促进脂肪游离的倾向。
二﹑速溶奶粉生产工艺（脱脂、全脂速溶奶粉）
速溶奶粉的优点:
1. 迅速溶解，即使冷水中也速溶；
2. 颗粒粗大均匀,干粉不易飞扬,食品工业中使用方便；
3. 乳糖为结晶的a-乳糖状态,不易吸湿结块。
速溶奶粉的缺点:
1. 表观密度低,比容较大,水分含量较高；
2. 脱脂速溶奶粉易产生焖煮味和褐变等。
（一）全脂速溶奶粉生产工艺
全脂奶粉中含有26%的脂肪,奶粉颗粒的可湿性差(在水中不易润湿),通常采用附聚-喷涂卵磷酯工艺。
1.与速溶有关的主要物理性质:《食品机械》1998.4 P25
2.工艺原理（两个关健生产环节）：
①制备附聚良好的全脂乳粉,↑其颗粒大小,提高颗粒的均匀度,改善奶粉的下沉性（即提高沉降性）；
②涂布卵磷酯，改善奶粉颗粒的可湿性，从而提高制品的分散性和湿润性。
全脂奶粉脂肪含量高，颗粒的外表面有许多脂肪球，颗粒表面的游离脂肪也增多，在水中则不易润湿和下沉。如果在奶粉颗粒表面涂布既亲水又亲油的表面活性物质，就可增强奶粉颗粒的亲水性，改善其可湿性。
喷涂工艺：
①喷涂液的组成：60%卵磷脂和40%无水乳脂肪，65℃预热熔化保温；
②用量：占奶粉总干物质TS的0.2-0.3%，允许添加量＜0.4%,若＞0.5%就有卵磷酯的味道；
③涂布卵磷酯的厚度：0.1-0.15微米；
④喷涂方式：A 塔内在锥节部分喷涂
B 塔外在振动流化床前或两个振动流化床之间喷涂
保温的喷涂液