比较喷雾干燥器和单颗粒技术制备的颗粒的蒸发动力学及干燥后的形态特征

《Food Research International》：Comparing the evaporation kinetics and dried morphologies of particles generated by spray dryers and single-particle techniques

单滴干燥法模拟喷干机条件，研究乳蛋白、碳水化合物及纤维对颗粒形态的影响。酪蛋白浓度显著增加颗粒折叠度，乳清蛋白影响较小，纤维无效应。通过参数化干燥动力学和 falling droplet column (FDC) 实验验证模型有效性。

　　

Barnaby E.A. Miles|Lukesh K. Mahato|Rachael E.H. Miles|Emmanuelle Costard|Jewe Schr?der|Arend Dubbelboer|Jonathan P. Reid

布里斯托大学化学学院，英国布里斯托BS8 1TS

摘要

了解控制喷雾干燥过程中颗粒形态发展的基本原理对于优化产品质量和工艺效率至关重要。以往利用单滴干燥（SDD）研究来重现喷雾干燥粉末形态的尝试未能考虑到工业干燥室中存在的大温度梯度。此外，迄今为止仅研究了简单的乳制品基溶液。

在这里，我们提出了一种利用SDD方法重现台式喷雾干燥器形态的新方法，通过参数化喷雾干燥器中液滴的干燥过程，并在落滴柱（FDC）中重现该干燥过程的极限条件。

我们制备了一系列复杂的无脂乳制品基溶液，以观察碳水化合物含量、蛋白质类型和纤维含量对颗粒干燥行为和形态的影响。研究发现，酪蛋白含量对液滴蒸发速率和颗粒形态的影响最大，使得颗粒更加易发生弯曲。纤维含量对颗粒形态没有影响。

引言

无论是工业应用还是消费者使用，喷雾干燥粉末都需要具备良好的流动性和复原性。通常情况下，表面不规则性最小的球形颗粒更受欢迎；形状不规则的颗粒会损害粉末的流动性能，从而影响粉末的计量、混合和涂层（Capece等人，2015；Walton，2000）。因此，颗粒的形态对粉末质量至关重要，从而理解喷雾干燥产品的干燥过程也显得十分重要。然而，干燥条件对粉末形态的影响尚未完全明了，需要进一步的研究来提高喷雾干燥器的效率并确保产品质量。

通常可以使用Péclet数（Pe）来大致预测颗粒的形态：$\mathrm{Pe}=\frac{\kappa }{D}\#\left(1\right)其中$κ表示蒸发速率，D表示液滴中非挥发性成分（如蛋白质、糖分子）的扩散常数。对于简单的盐类系统，扩散常数通常使用Stoke-Einstein关系来定义；然而，由于蛋白质-水之间的复杂相互作用，这一假设在蛋白质扩散时不再适用（Nesmelova等人，2002）。已经开发了适用于乳制品类蛋白质-碳水化合物系统的扩散模型（见第2.3节），从而可以预测乳制品基液滴中的Pe值（Siemons等人，2019）。影响乳制品液滴中扩散速率的两个重要因素是液滴内包含物的大小（例如蛋白质胶束或碳水化合物链的大小）和粘度。例如，溶液中酪蛋白胶束的质量分数较高会迅速增加溶液的粘度，从而降低扩散速率（Siemons等人，2019）。

当Péclet数（Pe?

已经进行了大规模的喷雾干燥实验来研究工艺参数对最终粉末形态的影响，但这些实验的一个关键问题是无法直接观察单个液滴的干燥行为（Both等人，2020；Eijkelboom等人，2023；Littringer等人，2013）。单滴干燥实验（SDD）已成功地将单个液滴的干燥行为与简单和复杂溶质/悬浮液的颗粒形态联系起来（Archer等人，2020；Boel等人，2020；Miles等人，2024；Miles等人，2025；Schutyser等人，2019）。然而，SDD技术难以再现喷雾干燥器中观察到的液滴大小和温度梯度（Eijkelboom等人，2023）。

之前已有研究探讨了乳制品基系统中液滴成分对颗粒形态的影响（Both等人，2018；Eijkelboom等人，2024；Schutyser等人，2019；Tran & Tsotsas，2016）。比较含有常见乳制品碳水化合物的干燥颗粒后发现，从含有乳糖的水滴中干燥出的颗粒通常比从含有麦芽糊精的水滴中干燥出的颗粒更小、皱纹更少（Both等人，2018）。含有较高乳糖质量的液滴粘度较低，因此内部扩散速率更快，从而形成更致密的球形颗粒（Che等人，2012）。

乳制品样品中主要的两种蛋白质是酪蛋白和乳清蛋白。Both等人之前研究了乳清浓度对简单乳清-乳糖液滴最终颗粒形态的影响，发现乳清的质量对干燥颗粒形态的影响很小（Both等人，2018）。相反，液滴中酪蛋白的浓度对颗粒形态有显著影响。在低浓度（10:90酪蛋白:乳糖）下，颗粒形态与乳清-乳糖颗粒相似。然而，增加酪蛋白浓度会导致颗粒弯曲程度增加（Both等人，2018；Eijkelboom等人，2024；Sadek等人，2014）。这种随着酪蛋白含量增加而导致的颗粒变形趋势在静止液滴干燥、悬挂液滴干燥、单分散喷雾干燥（MSDS）和工业喷雾干燥中也有观察到（Sadek等人，2014；Selvamuthukumaran等人，2019）。这些实验涵盖了从10到100微米的大范围颗粒尺寸（Sadek等人，2014）。尽管这种行为在基本的乳清-酪蛋白模型系统中已经得到证实，但乳清与酪蛋白比例对更复杂的乳制品基系统的影响尚未研究。

本研究重点利用实验室喷雾干燥和SDD电动力悬浮及落滴技术，探讨乳制品基无脂模型系统的成分对颗粒形态的影响。我们开发了一种新的方法来重现喷雾干燥器的干燥条件，以观察这些条件对最终颗粒形态的影响（方法流程示意图见图2）。该方法首先使用Büchi B-290迷你喷雾干燥器制备喷雾干燥颗粒，并通过扫描电子显微镜（SEM）分析其形态。然后使用比较动力学电动力平衡（CK-EDB）进行测量，以参数化乳制品基液滴的干燥动力学。将乳制品干燥行为加入Siemons等人（2019）开发的单气溶胶液滴动力学和轨迹（SADKAT）模型中，可以计算出喷雾干燥器中的初始Pe值。随后可以在室温下的落滴柱（FDC）中重现喷雾干燥器的Pe条件，从而形成具有相同干燥行为和形态的颗粒。然后可以将SDD颗粒的SEM图像与喷雾干燥器颗粒进行比较，以观察两种颗粒群体的形态。

第3.1节探讨了乳制品基模型配方对液滴干燥动力学的影响，第3.2节探讨了Pe条件确定的干燥/扩散行为参数化。第3.3节讨论了B-290喷雾干燥粉末的形态趋势，这些趋势是由于液滴大小和乳制品基模型配方造成的。第3.4节分析了SDD生成的颗粒形态，并评估了它们与相应喷雾干燥颗粒的相似程度。

实验片段

喷雾干燥粉末的制备

根据表1中所示的成分量，准备了六种乳制品基溶液，每种溶液的溶质质量分数（MFS）为0.25。所选配方旨在有针对性地改变不同类型和年龄段婴儿配方中的蛋白质与碳水化合物的比例、蛋白质部分中酪蛋白与乳清的比例以及纤维含量。目标是无脂配方，但引入的蛋白质来源含有少量

样品配方对液滴干燥动力学的影响

图3显示了在不同相对湿度（RH）下样品1–6的液滴蒸发速率的测量结果与SADKAT模型预测的蒸发速率的比较。从这些图表可以明显看出，基础SADKAT模型能够很好地模拟大多数样品的蒸发速率。然而，基础SADKAT模型高估了样品1和5的水基溶液在相对湿度低于50%时液滴的蒸发速率。这种差异可能是由于表面动力学效应所致

结论

我们研究了蛋白质/碳水化合物含量、蛋白质类型和纤维含量对SDD和喷雾干燥颗粒干燥动力学及最终颗粒形态的影响。在室温下干燥的单个液滴形成的颗粒形态与喷雾干燥器中生成的颗粒形态相似。酪蛋白含量对液滴干燥动力学的影响最大，其浓度增加会通过形成壳层来减缓蒸发过程

CRediT作者贡献声明

Barnaby E.A. Miles：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法论，研究，数据分析。Lukesh K. Mahato：撰写 – 审稿与编辑，验证。Rachael E.H. Miles：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督。Emmanuelle Costard：撰写 – 审稿与编辑，验证，方法论。Jewe Schr?der：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，方法论，概念化。Arend Dubbelboer：撰写 – 审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

B.E.A.M感谢Mike Teunisse在喷雾干燥粉末生产方面的帮助，并感谢EPSRC CDT in aerosol science（EP/S023593/1）的财政支持。