微波真空干燥发酵乳制品：加工对干燥动力学与粉末品质的影响

《Journal of Dairy Science》：Microwave vacuum drying of fermented dairy products: Effect of processing on drying kinetics and powder quality

　　

摘要：发酵乳制品因其生物活性化合物和营养价值在全球范围内广受欢迎。尽管此类乳制品通常以新鲜形式消费，但将其保存为具有货架稳定性的粉末可带来利用、运输和供应链方面的优势。本研究探索了微波真空干燥（MVD）作为一种有效技术，用于生产具有高品质和活乳酸菌的货架稳定脱水发酵乳制品。研究人员评估了市售原味酸奶、希腊式酸奶和开菲尔在MVD下的干燥动力学，并成功使用Page模型进行了拟合（0.93 < R2 < 0.96）。希腊酸奶和开菲尔的干燥速度快于原味酸奶，这可能是由于基质结构差异以及原味酸奶基质中胞外多糖（EPS）结合水的作用。MVD处理使活乳酸菌（LAB）计数减少约1.5个对数单位。所有三种产品均在MVD处理120分钟内达到货架稳定性（水分活度aw < 0.4），对应累积能量输入为113.6 W/g，压力为2 kPa。选定的复水条件包括在4°C下以12,000 rpm搅拌2分钟。复水后的产品在所有测试样品中均表现出与原产品相似的粘度和密度。由于在MVD过程中产品温度始终低于50°C，干燥及复水后的产品与新鲜样品相比显示出极小的品质差异。复水的MVD产品中德氏乳杆菌保加利亚亚种（Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus）和嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）浓度下降小于2个对数单位，表明实现了良好的活乳酸菌保留率。这些发现为制造高品质、货架稳定的发酵乳粉奠定了基础，将MVD技术定位为乳制品行业的重要创新驱动力。

一、研究背景与意义

发酵乳制品（如酸奶、开菲尔等）因其富含益生菌和生物活性物质而受到全球消费者的青睐。然而，传统发酵乳制品保质期短（通常在冷藏条件下仅为2-3周），其主要失效模式为微生物腐败，因为高水分基质中的乳固体为微生物生长提供了适宜环境。这种易腐特性给产品的运输和储存带来了巨大挑战，并导致高昂的供应链成本。虽然超高温瞬时灭菌（UHT）和无菌加工可以延长保质期，但高温处理会导致风味和营养退化，并使益生菌失活，从而影响其健康益处和消费者接受度。另一种延长保质期并实现常温储存的有效途径是将液态乳制品转化为粉末。然而，传统的干燥技术（如热风干燥）往往因处理时间长、温度高而对产品品质造成负面影响，包括风味、色泽、质地和营养成分的损失。因此，亟需一种既能高效脱水又能最大限度保持产品品质的新型干燥技术。

微波真空干燥（MVD）技术应运而生。它利用电磁能产生内部体积加热，并结合部分真空环境，能在低温至中温条件下促进水分蒸发。与其他热基干燥方法相比，MVD能更好地保持食品品质。此前已有研究证明了MVD在干燥酸奶和含乳酸菌（LAB）材料方面的可行性，并显示出其在保留功能特性方面的潜力。基于此，本研究的目的是探究MVD对几种典型发酵乳制品的干燥行为，以及该工艺对所得粉末的理化性质、复水特性和活乳酸菌保留率的影响，从而为生产高品质、货架稳定的脱水发酵乳制品提供科学依据，并为乳品加工的可持续性发展带来积极影响。

二、关键技术方法

1. 1.
   微波真空干燥（MVD）工艺：采用小型商业规模的nutraReV 10 kW微波真空干燥器（加拿大EnWave公司）。将样品均匀铺展在托盘上，厚度为2 mm。开发了一种三段式干燥方案（2 W/g → 1 W/g → 0.67 W/g，总时长120分钟），旨在初始阶段快速干燥，同时确保整个过程中产品最高温度保持在50°C以下。评估了2、6和10 kPa三个压力水平对干燥效率的影响。
2. 2.
   干燥动力学建模：使用Page模型对MVD过程中的干燥动力学数据进行拟合，以量化不同产品的干燥速率。
3. 3.
   粉末复水与理化分析：将干燥后的粉末在特定条件（4°C水，12,000 rpm，2分钟）下进行复水。对原始样品、干燥粉末及复水后样品进行了一系列理化性质分析，包括：水分含量、水分活度（a_w）、颜色参数（CIELAB色空间）、堆积密度、分散性、不溶指数和水吸收指数（WAI）。
4. 4.
   微生物分析：对原始样品和复水后的MVD产品中的活乳酸菌（LAB）进行计数，具体针对德氏乳杆菌保加利亚亚种（Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus）和嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）。

三、主要研究结果

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  干燥动力学：希腊酸奶和开菲尔的干燥速度快于原味酸奶。研究人员认为，这很可能是由于原味酸奶基质中存在大量由高产胞外多糖（EPS）菌株产生的EPS，这些EPS与水分子紧密结合，从而降低了水分的迁移速率。所有产品的干燥曲线均能很好地被Page模型拟合（R² > 0.93）。
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  水分活度与货架稳定性：在2 kPa压力下，所有三种产品均在120分钟的MVD处理时间内达到了水分活度（a_w）低于0.4的货架稳定性标准，对应的累积能量输入为113.6 W/g。
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  粉末品质与复水性：
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    在选定的复水条件（4°C水，12,000 rpm，2分钟）下，复水后的产品在粘度和密度上与原始产品非常接近。
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    由于MVD过程中产品温度始终保持在50°C以下，干燥及复水后的产品与新鲜样品相比，在颜色等品质指标上差异极小。
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  乳酸菌存活率：MVD处理后，总活乳酸菌（LAB）数量减少了约1.5个对数单位。对于特定的益生菌菌株，复水后的MVD产品中德氏乳杆菌保加利亚亚种和嗜热链球菌的浓度下降均小于2个对数单位，表明该工艺实现了良好的活菌保留率。

四、总结与结论

本研究表明，微波真空干燥（MVD）是一种极具潜力的技术，可用于生产高品质、货架稳定的发酵乳粉。该技术能够在温和的温度条件下实现快速干燥，所得粉末在复水后能够很好地再现原始产品的特性，并且仅导致活乳酸菌（LAB）数量的小幅减少。这些高品质的发酵乳粉能够满足消费者和工业界对营养丰富、富含益生菌且长货架期食品的需求。通过减少冷链依赖和实现长距离运输，MVD工艺不仅提供了显著的经济和环境效益，也推动了乳制品行业的全球市场拓展和技术创新。研究结论明确指出，这些发现为制造高品质、货架稳定的发酵乳粉奠定了基础，并将MVD技术定位为乳制品行业的重要创新驱动力。