Роль сушки спреем в производстве белковых порошков на растительной основе

Сравнение с альтернативными методами сушки

Сушка спреем — не единственный способ получения белковых порошков, но он предлагает явные преимущества перед альтернативами. Сушка с замораживанием производит порошки исключительного качества с минимальным термическим повреждением, но она является серийной, чрезвычайно медленной и энергоемкой, что делает ее коммерчески жизнеспособной только для дорогостоящих, малообъемных продуктов. Сушка барабанов использует нагревательные ролики для сушки тонкой пленки жидкости, но она подвергает продукт высоким температурам в течение более длительных периодов времени и производит хлопья, а не мелкие порошки. Вакуумная сушка работает при более низких температурах для сохранения чувствительных к теплу компонентов, но она также страдает от низкой пропускной способности и высоких эксплуатационных расходов.

Сушка спреем обеспечивает оптимальный баланс между качеством продукции, пропускной способностью и стоимостью для большинства применений растительного белка. Его непрерывный характер, короткое время пребывания и способность производить порошки с контролируемым размером частиц, плотностью и содержанием влаги делают его технологией выбора для промышленности.

Процесс сушки спреем для растительных белков: подробный обзор

Подготовка кормов и предлекарство

Перед сухим распылением растительный белок должен быть извлечен и приготовлен в качестве стабильного жидкого корма. Для горохового белка процесс обычно включает в себя измельчение гороха до тонкой муки, с последующей щелочной экстракцией (pH 8,0 до 9,5) для растворения белков. Нерастворимые фракции волокна и крахмала удаляются центрифугированием или декантацией. Богатый белком супернатант затем выводится путем корректировки pH до изоэлектрической точки (около pH 4,5 для гороховых белков), а осажденный творог отделяется и промывается. Альтернативно, технологии мембранной фильтрации, такие как ультрафильтрация и диафильтрация, все чаще используются для концентрации и очистки белка без необходимости корректировки pH.

Конечный жидкий белковый концентрат или изолят обычно имеет содержание твердых веществ от 15% до 30% по весу. Коррекция концентрации твердых веществ корма является критической переменной процесса. Более высокое содержание твердых веществ снижает энергию, необходимую для испарения воды, и увеличивает пропускную способность, но также увеличивает вязкость корма, что может повлиять на качество атомизации и морфологию частиц. Если вязкость корма слишком высока, атомайзер может производить более крупные капли или неравномерное распределение размеров капель, что приводит к непоследовательному сушке и качеству порошка.

Предварительное нагревание корма до 50°C до 70°C перед его попаданием в атомайзер может снизить вязкость и улучшить атомизацию. Однако следует соблюдать осторожность, чтобы не превышать температуры, которые вызвали бы денатурацию белка или агрегацию в кормовой линии.

Атомизация: создание капель

Атомизация, возможно, является наиболее важным этапом процесса распыления, поскольку она определяет распределение размера капель, что, в свою очередь, диктует кинетику сушки, морфологию частиц и конечные свойства порошка. Три основных типа атомизатора, используемых в производстве белкового порошка:

• Ротари (центробежные) атомизаторы: Они используют высокоскоростное вращающееся колесо или диск для выкачивания жидкого корма наружу в виде мелкого распылителя. Размер капель контролируется скоростью вращения (обычно от 10 000 до 30 000 об/мин), скоростью подачи и конструкцией диска. Ротари атомайзеры очень универсальны и могут обрабатывать вязкие корма и суспензии, что делает их популярным выбором для применения растительного белка. Они производят относительно узкое распределение размера капель и хорошо подходят для сушилок большой емкости.
• Сопла (Давление) Атомайзеры: Они заставляют жидкий корм под высоким давлением (обычно от 50 до 300 бар) через небольшое отверстие, создавая распыление капель. Атомайзеры сопла под давлением производят более однородный размер капель, чем вращающиеся атомизаторы, и часто предпочтительнее, когда требуется очень мелкий порошок. Однако они более склонны к засорению вязкими или содержащими твердые частицы кормами и требуют насосных систем высокого давления.
• Двухжидкостные (пневматические) атомизаторы: Они используют высокоскоростной газовый поток (обычно сжатый воздух или пар) для разбиения жидкого корма на капли. Двухжидкостные атомизаторы могут производить очень тонкие капли и эффективно обрабатывать низковязкие корма, но они потребляют значительное количество сжатого газа, что увеличивает эксплуатационные расходы. Они чаще всего используются в небольших или пилотных операциях.

Выбор типа атомизатора и рабочих параметров оказывает глубокое влияние на конечные свойства порошка. Например, более мелкие капли высыхают быстрее и производят более мелкие порошки с более высокой плотностью насыпи, но они также могут привести к увеличению пыльности и решению проблем. Большие капли высыхают медленнее, требуя более длительного времени пребывания или более высоких температур сушки, но они, как правило, производят больше свободнотекущих порошков с лучшими мгновенными свойствами.

Сухая камера: тепло и массовый перенос в действии

В сушильной камере атомизированные капли соответствуют горячему сушке газа. Конструкция камеры влияет на структуру потока газа, время пребывания частиц и характеристики тепло- и массопередачи. Двумя основными конфигурациями потока являются:

• Ко-текущий поток:] Атомизированные капли и горячий сухий воздух входят в верхнюю часть камеры и вместе стекают вниз. Это наиболее распространенная конфигурация для теплочувствительных материалов, таких как белки, потому что капли подвергаются воздействию самых высоких температур воздуха только в самом начале их траектории, когда они все еще влажные, и их температура остается на температуре влажной балки. По мере того, как частицы высыхают и становятся более чувствительными к тепловому повреждению, температура воздуха уже значительно снизилась. Сотоковый поток минимизирует термическую деградацию и является стандартным подходом для сушки белка на растительной основе.
• Контртекущий поток:] Капли падают сверху, в то время как горячий воздух поступает снизу и течет вверх. Эта конфигурация более термически эффективна, потому что исходящий воздух более холодный, а поступающий продукт сталкивается с постепенно более горячим воздухом, когда он высыхает. Однако высушенные частицы на дне камеры подвергаются воздействию самого горячего воздуха, что может вызвать перегрев, обесцвечивание и потерю растворимости. Контртоковый поток редко используется для сушки белка.

Температура воздуха на входе для сушки белков на растительной основе обычно колеблется от 150°C до 200°C, в то время как температура воздуха на выходе поддерживается между 70°C и 95°C. Температура выхода является наиболее важным параметром управления процессом, поскольку она непосредственно определяет окончательное содержание влаги в порошке. Более высокая температура выхода производит более сухой порошок, но увеличивает риск теплового повреждения. Более низкая температура выхода сохраняет качество продукта, но может привести к порошку с чрезмерным содержанием влаги, который склонен к спеканию и микробному росту.

Время пребывания частиц в сушильной камере обычно составляет 15-60 секунд, в зависимости от размеров камеры, скорости потока газа и размера частиц.Это короткое воздействие повышенных температур является ключевым преимуществом распылительной сушки по сравнению с другими методами термической сушки.

Сбор и разделение частиц

После сушки пороховой поток газа выходит из сушильной камеры и поступает в систему сбора, предназначенную для отделения мелких частиц от газа.

• Циклон-сепараторы:] Они используют центробежную силу для отделения частиц от газового потока. Газ поступает по тангенциальному каналу с высокой скоростью, создавая спиральный поток, который выталкивает более тяжелые частицы наружу против стенок циклона, где они скользят вниз к коллектору. Циклоны просты, прочны и недороги, но они наиболее эффективны для частиц размером более 5-10 микрометров. Эффективность сбора для мелких частиц (менее 5 микрометров) относительно низкая, что может привести к потере продукта и необходимости вторичной фильтрации.
• Фильтры для упаковки (Fabric Filters): Они используют пористые мешки для улавливания частиц по мере прохождения газа. Фильтры для упаковки могут достигать эффективности сбора, превышающей 99,9% для субмикронных частиц, что делает их высокоэффективными для восстановления лучших фракций белкового порошка. Однако они требуют периодической очистки (обычно путем обратной импульсно-струйной очистки) и являются более сложными и дорогими, чем циклоны. Фильтровые мешки также должны быть тщательно подобраны, чтобы избежать загрязнения продукта.
• Электростатические осадители: Они используют электростатический заряд для привлечения и сбора частиц из газового потока. Хотя они чрезвычайно эффективны, они менее распространены в приложениях для пищевых порошков из-за их высокой капитальной стоимости и сложности.

Многие современные установки для сушки распылителя используют комбинацию циклонов, за которыми следуют фильтры для мешков, для достижения высокой эффективности сбора при минимизации эксплуатационных расходов. Затем собранный порошок транспортируется в хранилища или упаковочное оборудование, часто с использованием пневматических систем транспортировки, которые поддерживают качество продукции и предотвращают загрязнение.

Ключевые преимущества сушки спреем для белковых порошков растительного происхождения

Сохранение качества питания и функциональных свойств

Быстрое высыхание кинетики и короткое время пребывания, присущее распылительной сушке, идеально подходят для сохранения питательного качества теплочувствительных растительных белков. Белки подвергаются воздействию повышенных температур всего лишь в течение нескольких секунд, а эффект испарительного охлаждения удерживает температуру частиц значительно ниже температуры впускного воздуха на протяжении большей части процесса сушки. Это минимизирует степень термической денатурации, позволяя белкам в значительной степени сохранять свою нативную структуру и функциональные свойства.

Растворимость белка является одним из наиболее важных качественных атрибутов для белковых порошков растительного происхождения, поскольку она непосредственно влияет на диспергируемость, эмульгацию и свойства вспенивания. Хорошо контролируемая сушка распылителем может производить порошки со значениями растворимости, превышающими 90%, в то время как плохо контролируемая сушка может снизить растворимость до 50% или менее из-за тепловой агрегации. Аналогично, эмульгирующая способность и свойства пенообразования белков в значительной степени сохраняются при оптимизации условий сушки.