静电喷涂技术及其在食品工业中的应用

庄晨俊，钟宇

（上海交通大学 农业与生物学院，上海200240）

静电喷涂是近年来快速发展的新型喷涂技术，是一种利用高压静电场使物料微粒沿着电场线定向运动至被涂物表面，沉积成均匀牢固薄膜的喷涂方法[1]，一般而言，以被涂物作为阳极，接地；粉末物料或经雾化的液态物料作阴极，接电源负高压。相较于常规的涂膜方法如浸涂、刷涂与加压喷涂，静电喷涂能够通过对物料加载电荷，使其与靶标间存在静电吸引，从而减少物料损失、提高效率[2]，该技术也能使物料更细微均匀，改善涂层性能[3]，所以，静电喷涂在涂料工业、农业等领域都有广泛应用。1962年，法国Sames公司发明粉末静电喷涂设备用于喷粉涂装，到20世纪末，英国Nevos公司研究开发了可控的静电涂敷系统用于粉状颗粒状调味品、增强剂等的涂敷。自此，静电喷涂设备逐渐应用于食品添加剂、保鲜剂等物料喷涂应用上[4]，以改善涂料在产品表面的分布。然而，静电喷涂在食品工业领域的理论研究尚处于起步阶段，特别是关于物料性能对涂覆效率与涂膜性能影响以及该技术在不同食材上的实际应用效果方面鲜有系统和深入的研究报道。本文主要综述了静电喷涂技术基本理论、喷涂效果影响因素的研究状况及该技术在食品工业中的应用进展。

1 静电喷涂基本理论

静电喷涂按物料性质不同可分固体粉末静电喷涂及液体静电喷涂[1]。固体粉末静电喷涂应用相当广泛，一般在200℃不发生变形的粉末微粒均可采用该方法。粉末静电喷涂充电过程一般通过两种机制来实现：电晕充电和摩擦充电。在电晕充电过程中，粉末颗粒通过离子区，得到带电离子。随后，带电颗粒被运向靶向目标，依靠电荷差异而沉积。而摩擦充电是粉末通过特定材料（如聚四氟乙烯、金属或其它粉末颗粒）的管道输送，与管壁摩擦而充电[5]。而液体静电喷涂原理与粉末静电喷涂不同，在静电场作用下，液体物料经雾化后带电。这一过程中，液体表面张力与粘滞阻力是雾化过程的主要阻力[1]。液体静电喷涂可依据喷射模式及液滴分裂方式分为两种基本类型[1]：滴液模式（即在离喷嘴出口一定距离时细碎液滴会收缩成球形液滴）与喷射模式（即液体被拉成细长喷射流，以平稳或其它常规模式向外运动）。液体静电喷涂中最重要的一种是锥体喷射模式。此模式下，液体喷嘴顶点曲面表现为常规轴对称椎体，沿毛细管轴伸展[2]，如图1。

图1 椎体喷射模式液体静电喷涂Fig.1 Jet mode liquid electrostatic spraying

该模式由于其形成的液体曲面与电场线分布均匀，雾化颗粒尺寸大小一致，故常被用作理论研究的基础[1]。经过理论分析和实验结果证实，Delamora和Loscertales[4]提出一种椎体喷射模式中的液滴直径公式：

式中：α为取决于喷涂条件与液体介电常数的一个常数；γl为液体电导率；ε0为指自由空间介电常数；εr为液体介电常数；Q为液体流速。

Ganan-Calvo等[6]得到另外一个静电喷涂椎体喷射模式的液滴直径公式：

式中：α 被假定为常数 2.9；ρl为液体密度；σl为液体表面张力。由该式可看出：液滴直径随液体流速下降或液体电导率及表面张力增加而降低。以上两个等式均未考虑液体黏度，但实际上从曲面带出高黏度液体需要更多能量，其液滴的产生频率较低。

Barrero等[7]经过研究得到椎体喷射模式中液体稳定的最低流速公式：

在最低流速下，当液体电导率在10-3S/m时，液滴直径达到1 μm。关于喷射电流大小，Delamora和Loscertales[4]提出以下电流公式：

Gañán-Calvo等[6]在理论上确定了低电导率液体在椎体喷射模式下的电流公式：

对于导电液体的电流公式则为：

式（1）到式（5）已为众多椎体喷射试验所证实[1]。

2 静电喷涂的影响因素

静电喷涂技术作为一种新型技术，开始被广泛应用到各个领域中。经过试验与实践研究发现，静电喷涂效果不仅受控制参数影响，还与物料性能紧密相关。

2.1 静电喷涂效果受控制参数影响

2.1.1 施加电压

施加电压对静电喷雾过程中物料的荷质比有极大影响。对于液体静电喷涂，随施加电压上升，液滴荷质比一般呈先增后降的趋势。荷质比增大时，液滴间排斥力上升，生成的涂层覆盖更广[8]。施加电压对滴液模式、液滴数量与尺寸也会产生重大影响。研究表明施加15 kV电压即可使液体巧克力形成锥体射流；而低于15 kV时，即使持续增加电压，样品还是以滴液模式为主，这主要归因于外加电场不足以平衡液体表面张力[9]。Aykas和Barringer[10]发现，施加电压从0 kV上升至40 kV时，大豆油液滴尺寸范围呈下降趋势。

2.1.2 流速

对于粉末样品，流速越高，样品沉积速度越快。对于液体样品，通常来说，流速降低、液滴荷质比增加。当液体巧克力流速低于50 μL/min时，无法得到稳定静电喷射流；当流速为50 μL/min时，液滴平均粒径为0.14 mm；而当流速达到 100 μL/min 和 200 μL/min 时，液滴平均粒径分别约为0.18 mm和0.20 mm[11]。

2.1.3 靶标表面特性

涂膜效果与靶标表面性质直接相关，包括电阻率、形状、粗糙度等。其中，最主要的是其电阻率。在静电喷涂过程中，物料沉积是空气中带电颗粒与沉积颗粒反相电晕间的竞争结果。若靶标表面电阻率较低，则新带电颗粒和靶标表面已沉积颗粒间不会有静电相互作用，涂层效率更好。对于靶标形状，锥形物质获得的电流和荷质比最大，随后分别是平面，圆筒形，椭圆形和球形物质。靶标粗糙度则会影响粉末颗粒与其表面之间的粘附力。靶标表面粗糙度减小，接触面积增加，颗粒粘附力显著上升[8]。

2.2 粉末物料性能对静电喷涂效果影响

粉末物理性质包括粒径、流动性、电阻率等，对涂层性能有很大影响，涂层性能包括迁移率、附着力、均匀度和静电涂膜产品功能性等。

2.2.1 粒径

对于小粒径粉末颗粒，静电力占主导地位；粒径越小，颗粒荷质比越大，涂膜效果越好。而大粒径颗粒在运动过程中，其受到的重力占主导地位，粒径越大则沉降效果越优。Yousuf和Barringer[12]经过建模与试验指出，氯化钠颗粒尺寸从28 μm增至342 μm的过程中，粉末迁移率有所提高，而涂层均匀性下降。

2.2.2 粉末电阻

粉末电阻与颗粒携带或失去的电荷量有关。粉末电阻越高，其电荷衰变速率越低，静电粘附越强。电阻大于1013Ωm的粉末属于绝缘颗粒，其电荷衰变发生在几分钟至几小时之间，所以充电绝缘颗粒有足够的时间达到更远的靶位。Huang和Barringer[3]报道，具有高电阻率的可可粉（1.15×1013Ωm）与中等电阻率的淀粉（2.56×1010Ωm）和低电阻率的氯化钠粉末（7.31×105Ωm）相比，表现出更强的静电附着能力。

2.2.3 粉末流动性

粉末流动性反映粉末在特定情况下的流动行为，取决于粉末组成成分、颗粒形状与尺寸的差异。根据流动性可将粉末分为自由流动粉末、凝聚粉末与非流动粉末。在静电喷涂过程中，自由流动粉末涂层最为均一，迁移率也最高[8]。

2.3 液体性能与静电喷涂效果关系

在液体静电喷涂系统中，液体经由表面静电充电分散成直径在0.1 μm～1 000 μm之间的细小液滴，液体的电阻率、黏度和表面张力均会影响其分散效果。

2.3.1 液体电阻率

液体静电喷涂中，液体电阻率对涂覆效果影响最大，在椎体喷射模式中，电阻率上升，液滴尺寸变大、涂层覆盖率下降。液体电阻率保持105Ωm～108Ωm之间即可实现良好的雾化效果[13]。

液体电阻率受其种类、黏度、表面张力的影响。黏度升高会导致离子迁移率下降，故可通过降低黏度使溶液电阻率下降。Gorty等[9]通过改变巧克力样品成分来确定其对电阻率和黏度的影响。他们指出，样品表观黏度和电阻率都随脂肪含量的降低和卵磷脂的加入而增加。电阻率增加会使液滴尺寸增加，涂层覆盖率下降。在35 kV电压下，样品黏度增加，液滴尺寸也相应增长，而涂层覆盖率呈下降趋势。

2.3.2 黏度

黏度对静电喷涂的影响主要是其对电荷浓度产生的效应：黏度增加，电荷载流子迁移率降低，电荷扩散速度下降。液体动态黏度增加会导致雾化延迟，液滴尺寸增加[14]；在喷射流体分裂成液滴的过程中，液体黏度的提高会引起二次液滴尺寸增加[15]。

2.3.3 表面张力

为形成稳定锥体射流，施加电势产生的电场力必须能克服表面张力。表面张力越高，所需电势也越大，这就增加了放电的可能性。经测量，地下水表面张力较贮水池中的水高约2.65%，因此能形成更小液滴且获得更多电荷量[15]。而对于高导电性液体（电导率大于1.3×10-3S/m），表面张力并不会影响液滴尺寸。

3 静电喷涂在食品工业中的应用与前景

据统计，目前的食品工业中，80%的膨化食品、50%以上的巧克力制品与全部农产品均需要通过表面涂敷处理来达到保鲜效果[16]。然而，传统涂敷工艺（主要为浸涂、加压喷涂等）缺点明显，如加工质量与工艺参数不可控、原料浪费、环境污染严重从而导致成本增加。研究表明，与传统粉末喷涂技术相比，粉末静电喷涂技术主要优点在减少涂层材料损失（68%），减少粉尘形成（根据颗粒尺寸降低，范围在40%至84%间）[17]，降低运营成本，但其存在涂层色差大、附着力差等缺点。液体静电喷涂对此有明显改善，利用静电喷涂液体时，静电在均匀细化液滴及提高液滴在产品上的吸附性、均匀性等方面有明显改善。早期液体静电喷涂主要应用于油脂类原料，水溶性液体易出现静电击穿等现象。近年来，随喷涂设备不断改进，静电喷涂水溶性物料安全性大幅提高。

3.1 静电喷涂在改善食品感官中的应用

静电喷涂在食品工业中的典型应用包括在食品表面喷涂物料以防止水分及风味物质损失，或直接喷涂调味料与着色剂来改善产品的风味口感以及外观形貌。Ratanatriwong等[18]通过比色法对静电喷涂与传统喷涂方式进行比较，得到的静电喷涂薯片产品比传统喷涂产品着色更加均匀 （在0 kV和25 kV下分别喷涂盐、醋、烤肉粉等调味料），静电涂层的粒径达到 19 μm～165 μm，涂料转移效率提高20%。利用葡萄糖对炸薯条进行静电喷涂能产生更丰富的色彩（增强褐变反应）、更均匀的质地，且产生更少的霉菌[19]。利用500 mg/kg的抗坏血酸静电喷涂的肉类相较于非静电喷涂不易变色[20]。感官评价试验结果表明，相对于传统喷涂，消费者更偏爱静电喷涂调味料（烧烤味、酸奶油味或洋葱味）的炸薯片产品[18]。

3.2 静电喷涂在微胶囊技术上的应用

微胶囊技术是通过使用薄膜材料来包封易反应、敏感性或挥发性液体或固体的一种保护技术。静电喷涂微胶囊薄膜具有技术简单、成本较低等优点[21]。Zhang Y等[22]将海藻酸钠（1.5%）和明胶（1%）混合物用静电喷涂法包埋嗜酸乳杆菌，得到当嗜酸乳杆菌与海藻酸钠与明胶混合物比例为1∶2时包埋率最高，达到96.3%。同样的，Zhang W等[23]利用静电喷涂将活细胞包封于藻酸钠微胶囊中，发现细胞在藻酸钠微胶囊中能够生存。Paximada等[24]则将亲水与亲脂两种不同儿茶素通过电喷雾包埋于乳液（包含细菌纤维素和蛋白质）的水相或油相中，并对乳液稳定性、液滴尺寸及黏度等理化性质进行了评估，结果表明，电喷雾与超声均质结合可使亲脂儿茶素的包埋率达到97%，可见电喷雾技术在微胶囊包埋中大有所为。

3.3 静电喷涂在食品保鲜上的应用

由于静电喷涂对原料的节约与涂覆效果的优良，常通过涂覆保鲜剂、抗菌剂、可食性薄膜等用于食品保鲜应用，改善产品贮藏性。

Amefia等[19]对奶酪产品喷涂抗真菌粉末发现，产品功能得以改善、货架期得以延长。Lyons等[25]采用空气助动感应充电静电喷涂法 （air-assisted，inductioncharged electrostatic spraying，AAIC）将抗菌素液体应用于接种病原体的食品表面进行食品安全评估。结果表明，AAIC法沉积的活性物质质量是相同条件下未充电喷涂法沉积质量的6.1倍、是常规水压喷雾沉积量的29.0倍。相较于常规气助喷雾和水压喷雾，AAIC法能显著降低沙门氏菌菌落总数。Massey等[26]采用静电喷涂方法将有机酸和植物提取物溶液作为抗菌剂喷洒至鲜切哈密瓜（接种大肠杆菌）上，发现静电喷涂能更有效抑制病原菌生长。Kerr等[27]向杯装蛋糕静电喷涂5%山梨酸钾抗菌溶液，对涂层效果进行研究结果表明，静电喷涂可使山梨酸钾涂层在蛋糕上的覆盖均匀性和附着性提高，并能更好得限制微生物增殖。Nam等[20]在牛肉馅饼表面静电喷涂抗坏血酸层，结果显示该涂层可以有效防止脂肪氧化。喷涂的抗坏血酸在500 mg/kg时也可有效降低2-硫代巴比土酸活性物质和乙醛、庚醛等与脂质氧化有关的挥发性醛含量。

随着可食性膜愈加广泛地应用于果蔬保鲜以维持果蔬良好品质，静电喷涂技术用于可食性膜的涂覆上也愈来愈常见。Peretto等[28]分别以静电喷涂与常规喷涂法在新鲜草莓上涂覆海藻酸膜，常温贮藏13天后对3组（空白组、静电喷涂组与常规喷涂组）草莓的品质进行比较，指出静电喷涂组相对于另外两组能更好保持草莓的色泽、硬度与重量。Poverenov等[29]在鲜切甜瓜上静电涂覆了海藻酸钠和壳聚糖双层膜并测定了双层膜的抗菌能力与膜液粘附性，结果表明该方法成本低廉、操作简易、涂覆效果良好且能够有效保持鲜切甜瓜的食品安全与品质。

袁洪印等[30]选择直径在2 cm～10 cm的铁板圆筒作为食品模拟物，以1%羧甲基纤维素钠或海藻酸钠溶液作为保鲜剂对铁板圆筒进行静电喷涂，并得到了两种保鲜剂的完全涂覆范围。经过模拟试验之后，袁洪印等[16]进而选用1%羧甲基纤维素钠或海藻酸钠溶液对果蔬表面（番茄和黄瓜）进行静电涂敷保鲜试验，结果表明，未涂敷的对照组样品失水严重，色泽变化大，而静电涂敷组品质保持良好。Zhong等[31]比较了浸涂和喷涂（传统或静电）方式对涂膜马苏里拉奶酪在冷藏期间外观形貌及贮藏品质变化的影响，指出静电喷涂法的成膜厚度较另外两种方法的厚度更薄，但保鲜效果上3种方法并无显著差异。由此可以推断，利用静电喷涂方式涂布保鲜膜液，不仅能提高喷涂效率、降低成本，还能有效避免浸涂法带来的膜液污染等问题，为涂膜保鲜的工业化推广开辟新的道路。

此外，科研工作者也对粉末静电喷涂设备及工艺进行了研究。Biehl和Barringer[32]在转鼓设备上配备可电晕充电的粉末喷涂机。在转鼓中，粉末经振动漏斗被连续分散，并通过电晕丝充电，该方法已被成功运用于对爆米花产品涂覆白糖与淀粉颗粒生产线上。除电晕充电设备，Barringer和Sumonsiri[8]对静电喷涂生产线也进行了尝试。其将传送带系统（由气动喷涂器与滚筒组成）成功运用到对面包产品静电喷涂可可粉和玉米淀粉上，其中，静电场由涂层室内的电极或充电枪末端产生。

3.4 前景

静电喷涂已经有50多年的发展历史，相较于现有其它喷涂技术，静电喷涂有其独特优点。它开始逐步应用于各个工业领域中，在食品工业的包装、保鲜等方向将大有作为。而液体静电喷涂相对于粉末喷涂更有利于提高生产效率和产品品质，在喷涂领域具有更好的应用前景。但由于静电喷涂正处在发展时期，存在着一些缺点，今后应将静电喷涂的研究重点集中在以下几个方面：（1）研究和改善设备机械，保证设备成本与工业连续化程度；（2）通过研究建立合适的数学模型，分析静电场对喷涂各个方面的影响，回归出数学公式，完善静电喷涂雾化机理的研究，进而通过理论得到雾化参数包括液体雾化粒子的粒径等；（3）对于食品工业，研究食品涂膜保鲜中静电喷涂的应用效果。

4 总结

静电喷涂是一种新型的高效喷涂手段，利用其对食品进行涂膜保鲜具有良好的应用前景。深入研究各种成膜配方对静电喷涂雾化效果的影响，阐述静电喷涂成膜机理，明确膜结构与其功能特性之间的关系，考察静电喷涂对实际食品的涂覆及保鲜效果是非常必要的，这将对改善食品营养功能、提高产品质量安全、推广涂膜保鲜工业化应用具有重大意义。

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