静电喷雾处理脱脂乳的概念验证研究

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Proof of concept of electrospraying skimmed milk

　　

摘要
静电喷雾是一种利用电场从聚合物溶液中去除溶剂的工艺，可生产微米级和纳米级颗粒。该技术具有非热特性，可避免对被处理物料造成热损伤。该方法尚未被用作食品加工中的脱水手段，其在该领域的潜在应用也尚未被深入探索或研究。在本研究中，研究人员对静电喷雾用于重组乳脱水的效果进行了评价，取得了有前景的结果。由于电场强度降低与停留时间增加两种相反效应的相互作用，针尖与收集器之间距离的增加对液滴尺寸未产生显著影响。研究还观察到，较大直径的针尖产生较大液滴，而高脂肪含量因黏度增加和表面张力降低而产生较小液滴。液滴直径通过降低流速和/或提高总固形物浓度而减小。最后，在低流速条件下，静电喷雾显著去除了水分（p < 0.05），且未对蛋白质（即酪蛋白和乳清蛋白）的结构产生显著影响。这些发现为高价值液体食品干燥领域开辟了新的研究方向，凸显了该技术在食品加工领域创新应用中的潜力。

静电喷雾技术用于液态食品脱水的概念验证研究——以脱脂乳为模型体系的系统评价

一、研究背景与目的

原料乳因营养组成优良且水分活度高，极易受微生物作用而变质，其货架期通常仅为12至24小时。对于乳基质而言，水分的脱除被广泛认为是高效的保藏手段，其能够抑制微生物活动、减缓酶促降解并提升产品整体稳定性。就奶粉而言，全脂乳粉与脱脂乳粉的货架期可分别延长至六个月和三年，且营养值得以保持。此外，水分脱除在物流层面具有显著优势，因体积减小可同时降低仓储与运输成本。

当前工业奶粉生产主要基于真空蒸发预浓缩后接喷雾干燥的工艺路线，其优势在于高处理量、连续化操作、短停留时间以及经过验证的可放大性。然而，该路线能耗密集且涉及热暴露，可能影响乳中热敏性组分如乳清蛋白、酶、维生素、乳糖及矿物质平衡。低温替代方案如膜浓缩可在干燥前降低含水量并更好地保持天然蛋白质功能性，但受限于膜污染、浓差极化、黏度升高及最终固形物浓度受限等问题。冷冻干燥可获得高质量产品并良好保持热敏性化合物，但受制于处理时间长、能耗高、批次操作及低处理量。滚筒干燥虽稳健且可放大，但加热表面的直接接触可能加剧热损伤并降低粉末功能性。

在此背景下，电流体动力学雾化（electrohydrodynamic atomization，亦称静电喷雾，electrospraying）作为一种在电场作用下从液体产生单分散细液滴的技术，凭借其非热特性，有望为液体食品脱水提供替代方案，同时保持蛋白质功能性。然而，其加工能力、能量效率、可放大性及制备完全干燥乳粉的能力仍有待验证。本研究作为概念验证，旨在评估静电喷雾作为乳中水分脱除潜在替代方法的可行性，具体目标包括：评估针尖-收集器距离和乳脂含量等关键工艺参数的影响；测定静电喷雾处理脱脂乳的水分脱除程度；分析静电喷雾工艺对乳中主要蛋白质（酪蛋白与乳清蛋白）的影响。

二、研究技术与方法

本研究使用Fluidnatek LE-10静电喷雾设备（Bioinicia，西班牙瓦伦西亚），该设备采用针尖与收集器之间的水平构型，仪器置于IMB-CNM-CSIC的洁净室中，环境受控（正压、相对湿度40±5%、温度20±2°C）。设备经改装以配备NE-4000注射泵（New Era Pump Systems Inc.，美国）。实验原料为商业喷雾干燥脱脂乳粉（LACTALIS Ingredients，法国Bourgbarré），以超纯水（电阻率18 MΩ·cm）在20°C下分别重组为12%、24%和30%（w/w）的总固形物浓度。重组过程包括30分钟搅拌、30分钟避光静置及5分钟超声处理以去除气泡。

研究方法涵盖三类实验：（1）预实验部分，包括流速筛选测试（0.005至0.2 mL·min^?1，电压29 kV，距离10 cm）、脂肪含量影响测试（脱脂、半脱脂和全脂商业乳）及针尖-收集器距离影响测试（10至22 cm）；（2）正式实验设计，采用非随机化析因设计，包含三个重组浓度（12%、24%、30%）和两个流速（0.01和0.2 mL·min^?1），电压恒定为29 kV，距离恒定为10 cm，重复两次共12组试验；（3）分析与表征方法，包括使用光学显微镜（Leica DM2700M）和ImageJ软件进行液滴尺寸分析、通过Q因子计算水分脱除程度、采用SDS-PAGE凝胶电泳分别在还原和非还原条件下定性定量分析主要乳蛋白。

三、研究结果

（一）预实验结果：工艺参数对液滴尺寸的影响

预实验部分获得的核心结果如下：

关于流速的影响，在12%重组脱脂乳、29 kV电压和10 cm针尖-收集器距离条件下，流速与液滴尺寸之间呈显著正相关（p < 0.05）。初始液滴直径在破碎位置处与流速的立方根成比例增大。较高流速下单位时间内到达针尖的液体体积更大，降低了每个液滴的电荷量，导致库仑裂变（Coulomb fission）效率降低，到达收集器时平均尺寸增大。研究同时观察到液滴而非颗粒的收集，表明工艺尚未优化。

关于脂肪含量与针尖直径的影响，针尖外径从1.59 mm增至3.18 mm时，液滴平均直径显著增加（p < 0.05），因初始液滴更大导致裂变后产生的液滴成比例增大。最高脂肪含量（3.5%）产生显著更小的液滴，而脂肪含量的微小变化（0.15%与1.5%）间无显著差异。该效应归因于黏度增加和表面张力降低：全脂乳的表面张力（44–52 mN·m^?1）低于脱脂乳（49–60 mN·m^?1），有利于泰勒锥（Taylor cone）的稳定和液滴的裂变。全脂乳可观察到准稳定锥射流模式，而脱脂乳更接近纺锤体模式。

关于针尖-收集器距离的影响，距离从10 cm增至22 cm时，液滴直径未出现显著变化。这一现象归因于两个相反效应的相互抵消：电场强度随距离增加而降低，减弱了对液滴的碎裂作用；同时停留时间增加有利于溶剂蒸发和液滴碎裂。此外，随距离增大，沉积模式发生改变，从20 cm起部分产物无法到达收集器而落入设备底部，因此正式实验选定10 cm作为工作距离。

（二）水分脱除程度

静电喷雾能够去除乳中的水分，且脱除程度取决于流速和初始总固形物含量。在0.2 mL·min^?1流速下，最终总固形物与初始值相近，Q因子接近1，表明无明显脱水效果。将流速降至0.01 mL·min^?1后，水分脱除显著（p < 0.05），对于12%、24%和30%重组乳，Q因子分别约为3、2和2。最高相对浓缩倍数出现在12%重组乳配合0.01 mL·min^?1流速条件下（Q > 3）。该行为可归因于低流速下更高的荷质比（charge-to-mass ratio）和表面电荷密度，增强了液滴表面的静电应力，促进变形、裂变和溶剂蒸发。较高初始固形物浓度下，水蒸气压和水分可用性降低，抑制了蒸发的相对程度，导致Q因子较低。

（三）静电喷雾对乳蛋白的影响

SDS-PAGE分析结果显示，所有样品的条带位置相同，差异仅在于条带强度和厚度，这与各样品中的蛋白质浓度直接相关，而浓度又取决于水分脱除程度。在非还原条件下，所有样品的浓缩胶和分离胶界面处出现滞留物质，这些具有过高分子量的蛋白质或聚集体可能源自脂肪球膜蛋白或由二硫键连接的蛋白质聚集体，因在还原条件下大部分消失而得到验证。还原条件下出现的第三条带（分子量低于α-乳白蛋白）可能与γ-酪蛋白相关，即酪蛋白的降解产物。

定量比较表明，电喷雾最终产物与初始乳中主要蛋白（牛血清白蛋白、酪蛋白、β-乳球蛋白、α-乳白蛋白）的比例之间在还原和非还原条件下均无显著差异（p > 0.05），说明静电喷雾未改变乳蛋白的二级或三级结构。仅在β-乳球蛋白的还原与非还原条件之间出现显著差异（p < 0.05），这可能是起始乳粉工业生产中的热处理所致，尽管其属于“低热”等级。这些结果与此前关于静电喷雾对BSA、溶菌酶、木聚糖酶和牛乳铁蛋白无结构损伤作用的研究一致，但值得注意的是，此前研究均不涉及复杂液体食品基质中的蛋白质，本研究结果对于蛋白质在复杂食品基质中的适用性具有特别意义。

四、讨论与结论

在讨论层面，需要指出的是，本研究中测得的液滴为沉积时仍湿润或部分浓缩的液滴，而非完全干燥的电喷雾颗粒。因此，所测直径可能不仅反映初次雾化，还涉及停留时间差异、蒸发程度、荷质比、重复库仑裂变事件、液滴在收集器上的铺展以及沉积过程中可能的聚并等因素。这些因素可能放大流速对最终沉积液滴直径的表观影响，使得与干燥电喷雾颗粒研究的直接比较不具适切性。此外，脱脂乳未能持续实现稳定的锥射流模式，工艺主要呈现纺锤体液滴喷射，观察到的脱水效果不能直接归因于稳定泰勒锥的形成，而更可能与低流速下更高的荷质比及较小带电液滴的更有效蒸发相关。实验采用非随机化顺序，但通过将重复作为区组项的初步ANOVA模型未发现显著的重复效应，故最终模型未保留该变量。

在结论层面，本研究主要得出以下发现：针尖与收集器之间的距离未显著影响液滴尺寸，可能源于电场强度与停留时间之间的相反效应；较大的针尖直径产生较大的液滴，高脂肪含量因黏度增加和表面张力降低而产生较小液滴；在足够的低流速（0.01 mL·min^?1）、29 kV电压和10 cm针尖-收集器距离条件下，静电喷雾实现了显著的水分脱除；初始固形物浓度最低时乳达到最大浓缩因子（Q > 3），二者呈反比关系，可归因于固形物浓度升高对溶液理化性质的影响、抑制了溶剂蒸发；在该工艺条件下，静电喷雾未影响乳中主要蛋白质（酪蛋白和乳清蛋白）的结构。本概念验证研究表明，静电喷雾可在特定的低流速条件下促进重组脱脂乳的部分水分脱除，且未检测到主要乳蛋白SDS-PAGE图谱的显著变化。尽管未获得干燥粉末，但结果提供了初步证据表明静电喷雾可在不施加传统热干燥条件的情况下用于乳的浓缩。该论文发表在《Innovative Food Science》。

未来工作应聚焦于工艺优化以提高脱水程度、减小液滴尺寸变异性并提升整体效率，具体策略包括优化流速、施加电压和针尖-收集器距离，同时控制空气温度、相对湿度和收集器设计。需特别关注脱脂乳中泰勒锥或锥射流模式的稳定化，因为更稳定的电喷雾模式可能促进液滴破碎、增加蒸发表面积并提高脱水效率。放大研究应通过多针头电喷雾构型、连续收集器系统或辅助干燥方法加以解决，因为本研究使用的单针头装置加工能力有限。此外，未来研究应量化能耗、评估微生物稳定性和成粉能力，并评价浓缩或干燥产品重组后的功能特性。

解读完成。