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Introduction

牛乳作為哺乳動(dòng)物乳腺分泌的營(yíng)養(yǎng)豐富的液態(tài)食品，因易消化的蛋白質(zhì)、均衡的氨基酸組成及高營(yíng)養(yǎng)密度，成為全球各年齡段人群的重要膳食來源。但牛乳高水分、高營(yíng)養(yǎng)的特性使其易滋生大腸桿菌等致病菌，在不衛(wèi)生條件下易引發(fā)食源性疾病，因此必須通過加工延長(zhǎng)保質(zhì)期。但現(xiàn)有乳制品保鮮技術(shù)均存在局限：巴氏殺菌和超高溫處理需專用設(shè)備，且會(huì)改變營(yíng)養(yǎng)與風(fēng)味；冷藏依賴持續(xù)供能，儲(chǔ)存成本高；發(fā)酵雖可以改善口感卻縮短保質(zhì)期。傳統(tǒng)的干燥技術(shù)同樣存在問題，噴霧干燥破壞熱敏性營(yíng)養(yǎng)素、影響溶解度；冷凍干燥成本高、能耗大；滾筒干燥易過熱；流化床干燥能耗高且干燥不均；真空干燥耗時(shí)且易損失風(fēng)味。乳制品行業(yè)亟需一種兼顧保鮮效果與產(chǎn)品品質(zhì)的新型技術(shù)。

泡沫墊干燥技術(shù)為解決上述難題提供了新思路。該技術(shù)通過向液態(tài)食品中添加起泡劑形成穩(wěn)定泡沫，鋪展成薄層后在可控條件下進(jìn)行干燥，能在提升效率的同時(shí)保留食品原有色澤、風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)。

相較于傳統(tǒng)技術(shù)，泡沫墊干燥優(yōu)勢(shì)顯著：溫和加工保留食品品質(zhì)，泡沫增大比表面積以縮短干燥時(shí)間，多孔結(jié)構(gòu)降低能耗，適用范圍廣且干燥均勻，符合可持續(xù)發(fā)展需求。在乳制品領(lǐng)域，該技術(shù)已展現(xiàn)出潛力，如添加麥芽糊精等填充劑制備的乳粉產(chǎn)率和溶解度更高，生產(chǎn)的酸乳粉穩(wěn)定性良好。其低溫操作可保護(hù)牛乳蛋白質(zhì)特性，多功能性與高能效也契合乳制品行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展方向，為乳及乳制品保鮮提供了高效、環(huán)保的新選擇。

泡沫墊干燥技術(shù)的工作原理

如圖1所示，乳及乳制品泡沫墊干燥的流程為：先向液態(tài)牛乳中加入蛋白質(zhì)、表面活性劑等起泡劑，這些活性成分通過在牛乳基質(zhì)中包裹氣泡形成穩(wěn)定泡沫結(jié)構(gòu)；隨后將泡沫均勻鋪展在墊子或托盤上形成薄層，以最大化暴露于可控干燥條件；最后通過加熱和氣流等可控干燥過程高效去除泡沫中的水分。增大的比表面積加速了干燥進(jìn)程，使泡沫轉(zhuǎn)化為固態(tài)，同時(shí)保留牛乳原有的風(fēng)味、色澤和營(yíng)養(yǎng)成分。起泡劑的選擇對(duì)穩(wěn)定泡沫結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，而溫度、氣流、泡沫厚度等加工參數(shù)的精確控制，是實(shí)現(xiàn)均勻干燥、保證乳粉產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。

圖1 乳及乳制品泡沫墊干燥技術(shù)的工作方法

用于泡沫墊干燥的泡沫劑種類

（1）脂肪酸丙二醇酯（PGEs）：具有良好的起泡和乳化性能，起泡能力隨單酯含量增加而增強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于蛋糕、乳油、冰淇淋等多種食品。

（2）聚山梨酯類：包括聚山梨酯20、40、60等非離子型表面活性劑，憑借高表面活性降低液體表面張力，促進(jìn)氣泡和泡沫結(jié)構(gòu)形成。

（3）脂肪酸單雙甘油酯乳酸酯（LACTEM）：乳化和充氣性能優(yōu)異，其成分對(duì)泡沫質(zhì)地和空氣分布影響顯著，乳酸化處理可使泡沫更堅(jiān)硬、空氣分布更均勻。

（4）皂樹皮提取物：因含皂苷類物質(zhì)而具備出色起泡能力，皂苷作為天然表面活性劑，能降低表面張力、穩(wěn)定氣泡，可用于碳酸飲料、低醇啤酒等。

（5）甘草酸：從甘草根中提取的三萜皂苷類化合物，可用作起泡劑。

（6）蛋白質(zhì)類：血清白蛋白、乳清蛋白、酪蛋白膠束、大豆殘余蛋白等可在氣泡周圍形成穩(wěn)定涂層，其起泡能力受疏水性、分子量、構(gòu)象穩(wěn)定性等影響，如乳清蛋白因分子量小，能在氣泡表面形成柔韌且有粘性的薄膜，兼具起泡和穩(wěn)定作用，且其起泡性還受離子強(qiáng)度、pH值、溫度等因素調(diào)控。

（7）碳水化合物類：玉米、小麥、土豆等來源的淀粉通過形成粘性溶液為泡沫提供粘度和穩(wěn)定性；黃原膠、阿拉伯膠等樹膠作為水膠體，可防止氣泡聚結(jié)；藻酸鹽也可作為起泡劑使用。這類物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)、分子量、電荷密度等決定了其在氣-水界面形成剛性結(jié)構(gòu)和粘彈性網(wǎng)絡(luò)的能力，進(jìn)而影響起泡性能。

影響乳及乳制品泡沫墊干燥的因素

如圖2所示，幾個(gè)因素可以影響泡沫墊干燥的效率和質(zhì)量。

圖2影響牛乳及乳制品泡沫墊干燥的因素

（1）泡沫特性：泡沫密度（FD）指單位體積泡沫的質(zhì)量，過高會(huì)因暴露表面積減少而減慢干燥速度，且受起泡劑種類和濃度影響；泡沫膨脹體積是液體到泡沫的體積增量，影響干燥墊覆蓋率和干燥效率；泡沫穩(wěn)定性即泡沫維持結(jié)構(gòu)的能力，對(duì)干燥均勻性和產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要，受起泡劑類型、濃度及穩(wěn)定劑影響；表面張力則關(guān)系到氣泡的形成與穩(wěn)定，需通過起泡劑合理控制。

（2）起泡劑：起泡劑的類型和濃度直接影響泡沫的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)，進(jìn)而作用于干燥過程。研究表明，增加起泡劑濃度可縮短干燥時(shí)間，因其能形成更穩(wěn)定、氣泡更小的泡沫，降低表面張力。

（3）干燥參數(shù)：干燥溫度影響水分去除速率，較高溫度可提高墊子結(jié)構(gòu)孔隙率，但過高會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降；泡沫與干燥環(huán)境間的水分含量梯度推動(dòng)水分?jǐn)U散，泡沫厚度和成分會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，且牛乳的成分和材料特性也會(huì)作用于有效水分?jǐn)U散系數(shù)、干燥速率等；活化能是驅(qū)動(dòng)水分去除所需能量，是待干燥材料的固有特性；此外，牛乳的成分和材料會(huì)影響干燥速率和水分?jǐn)U散系數(shù)，例如不同類型牛乳材料的孔隙結(jié)構(gòu)存在差異。

泡沫墊干燥技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

（1）保留營(yíng)養(yǎng)成分：泡沫墊干燥溫度低于傳統(tǒng)干燥方法，能有效保護(hù)牛乳中維生素B、蛋白質(zhì)等熱敏性營(yíng)養(yǎng)素，避免熱降解；干燥時(shí)間更短，減少營(yíng)養(yǎng)成分暴露于熱環(huán)境的時(shí)間，降低損失風(fēng)險(xiǎn)；控制氧氣暴露，減少脂質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)素的氧化分解；最大限度減少蛋白質(zhì)變性和降解，保證蛋白質(zhì)質(zhì)量；形成均勻泡沫基質(zhì)，使?fàn)I養(yǎng)素在產(chǎn)品中分布均勻，確保每份產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)均衡。

（2）維持感官品質(zhì)：低溫加工可保留牛乳中的揮發(fā)性風(fēng)味化合物，防止熱劣化；有效減少美拉德褐變反應(yīng)，維持牛乳原有色澤，避免不良風(fēng)味產(chǎn)生；控制氧氣接觸，防止脂質(zhì)氧化帶來的異味，保持產(chǎn)品新鮮度；泡沫基質(zhì)保證干燥條件均勻，避免局部質(zhì)地和口感差異，維持乳制品特有的口感和乳油質(zhì)地。

（3）保證微生物品質(zhì)：通過降低產(chǎn)品水分活度，創(chuàng)造不利于細(xì)菌、酵母和霉菌生長(zhǎng)的環(huán)境，抑制微生物繁殖；減少產(chǎn)品與外部環(huán)境的接觸，降低干燥后再污染的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）成本效益與效率：操作溫度低，降低能耗和生產(chǎn)成本；縮短干燥時(shí)間，提高生產(chǎn)吞吐量，增強(qiáng)企業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求的響應(yīng)能力；適用范圍廣，可用于乳粉、濃縮液、速溶混合物等多種乳制品，無需為每種產(chǎn)品購(gòu)置專用設(shè)備，減少資本投入；能耗和電力消耗低，傳質(zhì)和傳熱系數(shù)高，能在保證關(guān)鍵產(chǎn)品質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)快速干燥，節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本；與非泡沫干燥相比，干燥時(shí)間可縮短60%，效率約為2 倍，能耗降低近80%，且泡沫材料密度低可減少干燥機(jī)負(fù)荷，減少資本支出。

泡沫墊干燥技術(shù)的局限性

（1）行業(yè)接受度有限：在乳制品行業(yè)的應(yīng)用不如傳統(tǒng)干燥方法廣泛，這與技術(shù)學(xué)習(xí)曲線、替代干燥方法的可獲得性以及不同乳制品的特定要求有關(guān)，且泡沫需薄層干燥，即使在理想條件下吞吐量也有限。

（2）泡沫穩(wěn)定性問題：干燥過程中維持泡沫穩(wěn)定是高效干燥的關(guān)鍵，但泡沫穩(wěn)定性易受配方、溫度、壓力等因素影響，若控制不當(dāng)導(dǎo)致泡沫破裂，會(huì)對(duì)干燥產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。

（3）操作復(fù)雜性：涉及泡沫穩(wěn)定性、干燥條件、產(chǎn)品特性等眾多復(fù)雜參數(shù)，實(shí)現(xiàn)并維持最佳條件難度較大，需要熟練的操作人員和精密的控制系統(tǒng)，且設(shè)備成本較高、生產(chǎn)需較大表面積，進(jìn)一步增加了操作復(fù)雜性。

泡沫墊干燥技術(shù)在乳及乳制品中的應(yīng)用

泡沫墊干燥技術(shù)在乳及乳制品中應(yīng)用廣泛，涵蓋乳粉、酸乳粉、乳清粉、白乳酪粉、駱駝乳油粉等多種產(chǎn)品。在乳粉制備中，以鮮牛乳為原料，添加麥芽糊精、阿拉伯膠作為填充劑，吐溫-80作為乳化劑，研究發(fā)現(xiàn)隨著填充劑濃度增加，乳粉產(chǎn)率和溶解度提高，蛋白質(zhì)含量降低，15%麥芽糊精時(shí)效果最佳。

泡沫墊干燥技術(shù)的負(fù)面影響

泡沫墊干燥可能導(dǎo)致某些生物活性成分損失，此外，加熱過程中泡沫不穩(wěn)定可能導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞，影響干燥操作，且低密度泡沫與高密度泡沫的干燥機(jī)制不同，氣液兩相熱導(dǎo)率差異會(huì)導(dǎo)致傳熱速率不同；高溫還可能引發(fā)酶促和非酶促褐變反應(yīng)，使產(chǎn)品顏色加深，且產(chǎn)品的亮度、紅度、黃度等顏色參數(shù)會(huì)受表面水分、含水量、色素濃度、干燥條件等多種因素影響。

結(jié)論與展望

泡沫墊干燥技術(shù)為乳及乳制品保鮮提供了創(chuàng)新方案，具有保留營(yíng)養(yǎng)和感官品質(zhì)、提高微生物穩(wěn)定性、提升能效、降低成本等顯著優(yōu)勢(shì)，在乳粉、酸乳粉、乳清粉等多種乳制品的生產(chǎn)中展現(xiàn)出良好應(yīng)用前景。然而，該技術(shù)在推廣應(yīng)用中仍面臨行業(yè)接受度低、泡沫穩(wěn)定性不足、操作復(fù)雜等挑戰(zhàn)，這些問題亟待解決以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

未來研究應(yīng)聚焦以下方向：1）優(yōu)化泡沫墊干燥工藝參數(shù)，針對(duì)不同乳制品特性定制干燥方案，提高技術(shù)適用性和穩(wěn)定性；2）開發(fā)新型高效起泡劑，改善泡沫穩(wěn)定性，減少干燥過程中泡沫破裂的風(fēng)險(xiǎn)；3）研發(fā)更精密的控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)化操作流程，降低對(duì)操作人員技能的依賴；4）開展更多產(chǎn)業(yè)化試驗(yàn)，積累實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)，提升行業(yè)對(duì)該技術(shù)的認(rèn)可度和接受度；5）進(jìn)一步拓展應(yīng)用范圍，探索其在更多乳制品及其他食品領(lǐng)域的潛力，推動(dòng)泡沫墊干燥技術(shù)成為乳制品行業(yè)乃至食品工業(yè)的主流保鮮技術(shù)之一。

Applications of foam-mat drying for milk and milk products: an innovative preservation technique

Dnyaneshwar Devrao Patangea, Shital Appasaheb Patilb, Snehal Pranav Khandekarcd*

a

Department of Animal Husbandry and Dairy Science, Rajarshee Chhatrapati Shahu Maharaj College of Agriculture, Kolhapur 416004, India

b

Department of Technology, Shivaji University, Kolhapur 416004, India

c

Department of Food Science and Technology, Shivaji University, Kolhapur 416004, India

Department of Food Technology, DY Patil Agriculture & Technical University, Kolhapur 416112, India

*Corresponding authors.

Abstract

The demand for traditional dairy products in the form of ready to eat with extended shelf life has increased steadily, and to prepare them, minimum moisture has to be maintained by the application of different drying technologies. These technologies have some limitations and these can be overcome by application of foam-mat drying. This method has clear benefits, as it is capable of maintaining nutritional and sensory qualities, providing improved energy efficiency, and reducing costs. This paper covers the applications of foam mat drying in various dairy products, including yogurt, cheese, and whey powder. The challenges linked to foam stability and operational complexity need to be addressed for large scale implementation of foam mat drying.

Reference:

PATANGED D, PATIL S A, KHANDEKAR S P , et al . Applications of foam-mat drying for milk and milk products: an innovative preservation technique [J ]. Journal of Future Foods, 2026, 6(2): 184-194. DOI:10.1016/j.jfutfo.2024.05.013.

翻譯：張慶芬（實(shí)習(xí)）

編輯：龔藝；責(zé)任編輯：梁安琪

封面圖片來源：攝圖網(wǎng)

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