基本介紹
- 中文名：泡沫層乾燥
- 外文名：Foam drying method
- 適用：熱敏性的、粘性的的食品和藥物
- 預處理：預先泡沫化
- 介質：熱風
- 屬於：食品乾藏
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泡沫層乾燥法
泡沫層乾燥法（Foamdryingmethod）適用於加工熱敏性的、粘性的、含糖量高的食品物料和藥物等（Rajkumar等，2007；Ratiya等，2008）。其原理是：先將液態或半固態食品物料進行預泡沫化處理，預先泡沫化是為了形成多孔狀結構，增大物料的表面積，使水分能夠快速散失。對於不同性質的食品物料預處理方式可以不同，本身易起泡的食物，如雞蛋清，可以直接用機械攪成泡沫或向其中吹入氣體並急劇攪拌形成泡沫；而不易起泡食物，如柑橘汁、果泥、果漿、番茄醬，可以人為的添加少量發泡劑，如蔬菜蛋白、碳水化合物、膠類、甘油酸酯等，攪拌形成泡沫。在進行起泡預處理的同時添加適量可食用的穩定劑，確保形成密度在0.2-0.6g/cm3範圍內的穩定泡沫。然後，將穩定的泡沫物在多孔板上鋪成厚約2-5mm的均勻薄層，再進行乾燥（德力格爾桑，2002）。早在60年代，美國的Hartd等學者（Hartd等，1963）就開始對泡沫特性和起泡裝置進行研究，並成功找出進行連續操作的條件。傳統的泡沫層乾燥是以熱風作為加熱介質（Rajkumar等，2007；Ratiya等，2008），也可利用真空乾燥、噴霧乾燥、冷凍乾燥等其他方法作為輔助乾燥手段。
泡沬層乾燥研究現狀
近年來國外學者提出了泡沫層乾燥法，該方法對物料進行前期預處理，載入保護劑、發泡劑等，配合抽真空等手段使物料膨脹成泡沫狀，然後在真空下加熱完成一、二次乾燥，從而除去藥品中水分。泡沫層乾燥法由於發泡後物料的比表面積顯著增大，傳質情況得到明顯改善，並且發泡過程中會帶走大量水分，從而顯著提高了乾燥速率。泡沫層乾燥法的配方及工藝過程比較複雜，配方成分包括：發泡劑、保護劑、穩定劑、表面活性劑、酸鹼緩衝液以及其它的一些賦形劑等。工藝處理過程包括預處理、發泡、一次乾燥、二次乾燥等。乾燥過程需控制的參數包括：一次乾燥溫度位、一次乾燥結束點判定、抽真空速率、二次乾燥溫度位等。
泡沫層乾燥配方
發泡劑是用於抽真空時使懸浮液膨脹成泡沫狀結構，此過程即為發泡過程。發泡的手段有多種，可以通過調節溫度與真空度，使懸浮液在較低溫度下沸騰成泡沫；可以通過充注隋性氣體，增加懸浮液中的氣泡數量；也可以在懸浮液中添加化學藥品，使之發生化學反應產生氣泡等。泡沫層乾燥法可以使用的保護劑各類比較多，包括糖類、多元醇、聚合物等，比如鹿糖、海藻糖、山梨糖、松三糖、山梨醇、水蘇糖、棉子糖、果糖、甘露糖、麥芽糖、乳糖、樹膠酸醣、木糖、核酸糖、鼠李糖、半乳糖、葡萄糖、甘露醇、木糖醇、赤薛糖醇、蘇糖醇、甘油等。該類保護劑可以在乾燥過程中代替水分圍繞在生物活性材料周圍，提高物料分子結構的強度，同時避免物料直接暴露在周圍環境中，防止物料在乾燥過程中變性。在配方溶液中添加聚合物穩定劑，在乾燥過程中可以給物料提供保護，同時使發泡產生的泡沫結構更穩定。與多元醇類保護劑類似，聚合物穩定劑可以為生物活性材料提供物理、化學方面的保護。但是相比多元醇類保護劑，同等劑量的聚合物穩定劑可以極大增強物料的粘性，使產生的泡沫結構穩定、不易破裂。泡沫層乾燥法可以使用的穩定劑有很多，比如明膠、卵白蛋白、膠原、硫酸軟骨素、肌動蛋白、肌漿球蛋白、動力蛋白、激動素、人血清白蛋白等，其中許多聚合物極易溶於水，所以乾燥後的泡沫狀藥品仍易於復水使用。在配方溶液中添加表面活性劑增加其它成分的溶解度，同時可以減小在發泡過程中生物分子由於表面張力引起的活性損失，增強泡沫的穩定性，提高了泡沫的復水性能，有助於在泡沫層乾燥結束後藥品的復水使用。
在配方溶液中添加酸鹼緩衝液，可以為溶液提供一個合適、穩定的pH值。泡沫層乾燥法中使用的典型的緩衝液包括磷酸鉀、磷酸鈉、醋酸鈉、組氨酸、檸檬酸鈉、丁二酸鈉、碳酸氧銨、碳酸鹽等。泡沫層乾燥法使用的緩衝液的值，需要根據不同配方和物料進行調節，pH值的範圍一般應為pH4-10之間，但是對於大多數配方而言，一個接近中性的pH值（比如pH7.2）是比較合適的。
在配方溶液中同時可添加其它一些賦形劑，比如精氨酸、蛋氨酸等胺基酸，甘油，乙二胺四乙酸等。胺基酸因為可以去除氧化作用、脫醯胺作用，可以穩定蛋白質結構，因而提高生物活性材料的穩定性；甘油可作為乾燥泡沫的多元醇類保護劑和塑化劑；乙二胺四乙酸可以去除溶液中的金屬離子，避免金屬離子破壞自由基反應。
泡沫層乾燥工藝處理過程
泡沫層乾燥法的工藝處理過程主要包括配製溶液、溶液的預處理、發泡、一次乾燥、二次乾燥等幾個部分。實驗前需根據配方配製溶液，並將溶液內各組分混合均勻再放入冷凍乾燥實驗台進行實驗。預處理過程是將生物活性材料預冷到細胞膜的相變溫度（即從流動態轉變為液晶態），並保持10-20分鐘，對物料進行前期預處理是為了提高生物活性材料對保護劑的負載量，保護劑的含量通常應在2%-40%之間。預處理過程結束後即可抽真空對藥品溶液進行發泡處理，發泡過程需控制抽真空速率，抽真空速率太快會使產生的泡沫不穩定，甚者會產生噴瓶現象，抽真空速率太慢則發泡效果不理想。一次乾燥、二次乾燥過程與傳統的冷凍乾燥法相同，都是通過在真空下提供熱量去除物料中的自由水分和結合水，不過由於在物料中添加了各種保護劑、穩定劑以及表面活性劑，泡沫層乾燥法的一、二次乾燥溫度位可遠高於傳統冷凍乾燥法的一次乾燥溫度位，並且由於發泡後物料的比表面積顯著增加，二次乾燥時間顯著縮短。
微波輔助泡沫層乾燥特點
傳統的泡沫層乾燥是以熱風為加熱介質，因物料預處理成泡沫狀，增加熱風與物料的接觸面積，來提高表層乾燥速率。但因泡沫內有空氣存在，不利於熱量向泡沫內部傳遞，使物料內部水分擴散速度變慢，因此，這種乾燥方法一般乾燥時間長，又由於這些物料中的某些成分熱敏性強，在乾燥過程中易產生熱損傷或過度氧化，以致影響最終產品的顏色和質量，難以保證產品的品質要求。在微波乾燥時，微波能夠穿過物料表層，直接作用到物料內部，使內部水分加熱，提高水分蒸發速度。但是如果單純使用微波乾燥，容易出現過度加熱的現象，局部溫度有時會高達100℃，這樣會導致食品、藥品等熱敏性物料的品質變壞，營養風味的損失等等。因此將微波乾燥和泡沫層乾燥方法結合，以微波為加熱源代替熱空氣進行泡沫層乾燥，發揮兩種方法的優勢，提出一種新型乾燥方法。
微波輔助泡沫層乾燥結合了泡沫層乾燥方式和微波乾燥的優點（楊州等，2000；祝聖遠等，2003），其主要表現在如下幾個方面：
1.乾燥速度快
在微波加熱過程中，物料內外同時、快速產生熱量；由於物料的預泡沫化處理，增加了物料表面積，從而擴大物料水分蒸發麵積，使乾燥速度大為提高；
2.產品品質好
經微波輔助泡沫層乾燥後的產品，受熱均勻，可以避免出現表面硬化、過熱等現象；而且製得的產品充分體現了泡沫脫水製品的特點，基本上能夠保持原有的色澤、風味兒和營養成分，具有良好的品質；
3.能量利用率高
微波乾燥結合泡沫層乾燥方法能較好地減少熱量的散失，可以更加充分的利用微波能量來乾燥物料，因而能更有效的節約能源、降低成本；
4.適用範圍廣
微波泡沫層乾燥方法可以廣泛的套用到食品、醫藥、生物製品等熱敏性物料的乾燥，尤其適用於粘度大、結構緻密、不易乾燥的物料。
