基于产率优化的全蛋粉喷雾干燥数学模型

程方圆 周学永 刘艳美 . .

(1. 天津市农副产品深加工技术工程中心，天津 300384；2. 天津农学院食品科学与生物工程学院，天津 300384；3. 古尔伯加大学科学技术学院，印度 古尔伯加 585308)

禽蛋是人们普遍食用且营养价值很高的食品，也是广泛应用的烹饪原料，在中国的膳食中占有很重要的地位。2014年中国全年禽蛋总消费量2 880.0万t，人均消费16 kg[1]。禽蛋含有优质蛋白质，且蛋白质的消化率达98%，居奶类、肉类、米饭、面包等食物之首；其蛋白质的生物价达94，高于牛奶、牛肉和猪肉等[2]。鸡蛋中除了含有大量的优质蛋白，还有供给能量的脂类，其中包括丰富的卵磷脂、脑磷脂等磷脂类物质。由于易碎的蛋壳给鸡蛋的运输和储存带来了不便，蛋粉制品的加工技术便应运而生[3-4]。依据鸡蛋液脱水的特点，可以采取烘干[5]、冷冻干燥[6]和喷雾干燥[7]3种方式制备蛋粉，其中喷雾干燥因操作简便、节省时间而成为最常用的脱水方式。鸡蛋液在喷雾干燥过程中，不同的工艺条件会对蛋粉的性质产生不同程度的影响。

目前喷雾干燥技术在实际应用中依然存在着诸多问题。岳莲[8]研究蛋清粉和奶粉脉动燃烧喷雾干燥试验时发现，颗粒团聚现象导致大量产品附着在干燥塔壁上，粘壁损失严重。刘殿宇[9]认为喷头类型对喷雾干燥产率有较大影响，采用单喷头喷雾易使雾滴变大，产生线状液流，使塔壁结垢严重。此外，如果喷雾干燥塔的锥体内外温差过大，会产生容易挂壁的潮粉，导致产率降低[10]。

近年来，有关蛋粉喷雾干燥的应用研究中，多关注喷雾干燥工艺参数对蛋粉性能的影响，例如对蛋粉溶解度[11-12]、蛋粉理化性质[13]以及蛋清粉冲调效果的影响[14-15]，而很少关注喷雾干燥工艺参数对蛋粉产率的影响。本试验以优化蛋粉产率为目标，在正交试验基础上构建喷雾干燥工艺参数对蛋粉产率、蛋白质含量和含水率之间的数学模型，并以蛋白质产量为核心指标对数学模型进行优化，探索蛋粉生产的最佳工艺条件，并对数学模型的准确性进行验证，为蛋粉工业化生产提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

鲜鸡蛋：购于天津市物美超市；

浓硫酸、硫酸铜、硫酸钾、乙醚、三氯甲烷、甲醇、盐酸、钼酸铵、磷酸二氢钾：分析纯。

1.2 试验仪器

喷雾干燥仪：B-290型，瑞士Büchi公司；

全自动凯氏定氮仪：UDK159 型，意大利VELP公司；

紫外可见分光光度计：UV-3100PC型，上海美谱达仪器有限公司；

电阻炉：SX2-4-10型箱式，上海一恒科学仪器有限公司；

电子分析天平：FA2204B型，上海佑科仪器仪表有限公司；

电热恒温鼓风干燥箱：DH-101型，天津中环实验电炉有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程

挑选鸡蛋→清洁蛋壳→消毒→晾干→打碎→称取蛋液质量→按比例(质量比1∶1，1∶2，1∶3)加水稀释蛋液→充分搅拌→过滤→设置喷雾各参数(进风温度、进料速度、抽气流量)→喷雾干燥→收集鸡蛋粉末

1.3.2 正交试验设计 通过单因素试验发现当进风口温度低于120 ℃时，会有湿粉产生；而当进风口温度高于180 ℃时，蛋粉颜色加深，且粘壁物料在长时间的高温条件下容易降解变质。蛋液进料速度受进风口温度和蛋液浓度的双重制约，当蛋液浓度变低或进料速度变大时，进风口温度必须相应提高。经过试验观察，进风口温度在120～180 ℃，蛋液浓度在0.25～0.50 g/mL，进料速度在7.4～14.8 g/min时，可以达到稳定操作。抽气流量主要影响蛋粉引出速率和旋风分离效果，本研究所使用的喷雾干燥设备抽气流量最高为10 L/min，当抽气流量低于最高流量的80%时，蛋粉引出速率变慢，故本试验中选定的抽气流量范围为8～10 L/min。根据单因素试验的研究结果，本研究采用四因素三水平正交试验对喷雾干燥工艺进行优化，因素水平见表1。

1.3.3 蛋粉性能测试 对蛋粉分别进行蛋白质、脂肪、磷脂、水分等理化指标的测试。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels in the orthogonal test table

(1) 蛋白质含量测定：准确称取蛋粉0.50 g，加入5 g硫酸钾、0.5 g硫酸铜、10 mL浓硫酸置消化炉进行消化，设置3个消化阶段：200 ℃维持25 min，300 ℃维持35 min，420 ℃维持60 min，结束后用全自动凯氏定氮仪测定蛋白质含量。

(2) 脂肪含量测定：准确称取蛋粉2.00 g，用干燥至恒重的滤纸包裹，搭好索氏提取架，用乙醚抽提脂肪6～8 h，结束后转移样品至通风橱使乙醚挥发完全，烘干样品至恒重，称重并计算。

(3) 磷脂含量测定：按照文献[16]中的方法，并在其基础上，仅在测定吸光度值之前增加水浴加热步骤：水浴温度设为90 ℃，时间为15min。求得相应磷含量，并按式(1) 计算样品的磷脂含量。

(1)

式中：

P——磷脂含量，%

c——依据回归方程计算出试样中的磷含量，μg；

m——样品称量的质量，g；

n——稀释倍数；

25——磷换算成磷脂系数。

(4) 含水率的测定：烘培养皿至恒重，将1.0 g蛋粉均匀撒至培养皿，于105 ℃烘箱烘2～3 h至样品恒重，计算含水率。

1.3.4 蛋粉产率的测定

(1) 蛋粉理论产量的测定：取鸡蛋液样品100 g，充分搅拌均匀倒入3个平皿中，在-80 ℃冰箱冻6～8 h，然后转入真空冷冻干燥机中连续冷冻干燥24 h，得干燥的鸡蛋粉末，平行3次，计算100 g蛋液所得蛋粉理论产量YT并测定样品含水率WT。

(2) 喷雾干燥实际产量的测定：取鸡蛋全蛋液100 g，按比例稀释充分搅拌均匀，控制喷雾干燥器进风温度、进料速度、抽气流量等工艺参数进行雾化干燥，收集旋风分离器和收集瓶中的蛋粉，计算稀释前100 g蛋液喷雾干燥所得蛋粉产量Ys并测定样品含水率WS。

(3) 蛋粉产率的计算：

(2)

式中：

LS——蛋粉产率，%；

YS——喷雾干燥实际产量，g；

YT——蛋粉理论产量，g；

WS——喷雾干燥蛋粉样品含水率，%；

WT——冷冻干燥样品含水率，%。

1.3.5 数据处理分析方法 Spss Statistics 17.0统计学软件和Matlab数学软件对数据进行方差分析和数据模型拟合。

2 结果与分析

按照表1中的因素水平进行正交试验，设置一次重复试验。蛋粉产率、含水率、蛋白质、脂肪、磷脂各指标结果见表2。

表2 正交试验对蛋粉产品指标的影响†Table 2 Effect of the index of egg powder products on orthogonal test %

† 表中结果均为2次正交试验的平均值。

2.1 对蛋粉产率影响的正交试验

由表3可知：进风温度对蛋粉产率有极显著的影响(P<0.01)，蛋液浓度对蛋粉产率有显著的影响(P<0.05)，而进料速度、抽气流量对蛋粉产率无显著影响(P>0.05)。本试验的结果除了进料速度以外，进风温度和蛋液浓度影响趋势与谭佩毅等[17]的试验结果一致。

2.2 对蛋粉性能影响的正交试验

2.2.1 对蛋粉含水率的影响 由表4可知：进风温度、进料速度对蛋粉含水率的影响是显著的(P<0.05)，而蛋液浓度、抽气流量对蛋粉含水率无显著影响(P>0.05)。

表3 喷雾干燥参数对蛋粉产率方差分析Table 3 Variance analysis of egg powder yield on spray drying parameters

2.2.2 对蛋白质含量的影响 由表5可知：进风温度、蛋液浓度、进料速度、抽气流量4个因素对蛋白质含量均无显著影响(P>0.05)。

表4 喷雾干燥参数对蛋粉含水率方差分析Table 4 Variance analysis of egg powder water content on spray drying parameters

表5 喷雾干燥参数对蛋粉蛋白质含量方差分析Table 5 Variance analysis of egg powder protein content on spray drying parameters

2.2.3 对脂肪含量的影响 对蛋粉脂肪进行方差分析，结果见表6。

由表6可知：进风温度、蛋液浓度、进料速度、抽气流量4个因素对脂肪含量均无显著影响(P>0.05)。

表6 喷雾干燥参数对蛋粉脂肪含量方差分析Table 6 Variance analysis of egg powder fat content on spray drying parameters

2.2.4 对磷脂含量的影响 由表7可知：进风温度、蛋液浓度、进料速度、抽气流量4个因素水平变化对磷脂含量结果无显著影响(P>0.05)。

2.3 喷雾干燥数学模型

由表3、4可知，正交试验对蛋粉产率、含水率分别有极显著、显著影响，而对蛋粉蛋白质、磷脂、脂肪3个品质都没有显著影响，但鉴于蛋粉含有大量优质蛋白，则对蛋粉产率、含水率和蛋白质指标进行进一步分析。利用Matlab数学软件及式(3)形式通过4因素进风温度、蛋液浓度、进料速度、抽气流量对蛋粉的产率、蛋白质和含水率进行数据模型拟合描述。

表7 喷雾干燥参数对蛋粉磷脂含量方差分析Table 7 Variance analysis of egg powder phospholipid content on spray drying parameters

Y=k×TaEbVcAd，

(3)

式中：

Y——因变量(蛋粉产率、蛋白质和含水率)；

T——进风温度，℃；

E——蛋液浓度，g/mL；

V——进料速度，g/min；

A——抽气流量，L/min；

k——系数。

将在各因素下所获得的试验数据代入式(3)，分别得到：

Y1=0.806 3T0.740 9E-0.242 5V-0.287 1A0.438 0，

(4)

Y2=35.543 3T0.026 3E-0.003 6V-0.019 9A0.027 7，

(5)

Y3=5.467 4T-0.256 1E-0.073 1V0.127 4A-0.059 9，

(6)

式中：

Y1——蛋粉产率，%；

Y2——蛋白质含量，%；

Y3——含水率，%。

由式(4)可知，对蛋粉产率的影响，蛋粉产率随着进风温度和抽气流量的升高而升高，即进风温度和抽气流量为正相关自变量；蛋粉产率随着蛋液浓度和进料速度的升高而降低，即蛋液浓度和进料速度为负相关自变量。

同理，对蛋白质含量的影响，进风温度和抽气流量为正相关自变量，蛋液浓度和进料速度为负相关自变量；对蛋粉含水率：进料速度为正相关变量，进风温度、蛋液浓度、抽气流量为负相关变量。

2.4 喷雾干燥工艺参数优化

优质蛋白质是蛋粉中的重要物质，如果以蛋粉中的蛋白质产量为考察目标，则必须使蛋粉产率与蛋粉蛋白质含量的乘积最大，则有：

Y1×Y2=MAX。

(7)

式(4)、(5)带入式(7)，得到：

Y1×Y2=28.659 1T0.767 1E-0.246 1V-0.307 0A0.465 8。

(8)

基于以上公式，探索出高产率高蛋白蛋粉的最佳工艺条件为：进风温度180 ℃、蛋液浓度0.25 g/mL、进料速度7.4 g/min、抽气流量10 L/min。通过对比式(6)与式(8) 可知，在模拟的最佳工艺条件下，进料速度(V)的指数由正变为负，恰好是有利于含水率降低的工艺条件。因此，利用本试验确立的优化工艺条件不仅可以使蛋粉产率达到最高，而且产品的含水率也较优化前降低，实现产量、质量共同提升的目的。

2.5 验证实验

采用模型优化后获得的喷雾干燥工艺参数进行验证实验，即：进风温度180 ℃、蛋液浓度0.25 g/mL、进料速度7.4 g/min、抽气流量10 L/min，验证结果见表8。

表8 验证实验结果对比Table 8 Experimental results verification comparison %

由表8可知：对产率而言，蛋粉实测值达到模型值的96.33%；蛋粉蛋白质含量实测值达到模型值的96.05%；蛋粉含水率实测值达到模型值的95.04%。通过分析可知，指标的实测值均达到模型值的(100±5)%，验证结果符合预期。

3 结论

本试验以蛋白质产量为核心指标对数学模型进行优化运算，探索出蛋粉的最佳工艺条件为：进风温度180 ℃、蛋液浓度0.25 g/mL、进料速度7.4 g/min、抽气流量10 L/min。验证实验表明，在最佳工艺条件下蛋粉产率与模型值接近，蛋粉各性能指标与模型值相符，蛋粉产率达到78.64%，较优化前有较大幅度的提高。通过建立数学模型来优化喷雾干燥工艺参数具有准确、方便的特点，对蛋粉工业化生产具有重要的借鉴意义和应用价值。