J. Future Foods | 泡沫墊干燥技術在乳及乳制品保鮮中的應用：一種創新的保鮮技術

本文系Journal of Future Foods原創編譯，歡迎分享，轉載請授權

Introduction

牛乳作為哺乳動物乳腺分泌的營養豐富的液態食品，因易消化的蛋白質、均衡的氨基酸組成及高營養密度，成為全球各年齡段人群的重要膳食來源。但牛乳高水分、高營養的特性使其易滋生大腸桿菌等致病菌，在不衛生條件下易引發食源性疾病，因此必須通過加工延長保質期。但現有乳制品保鮮技術均存在局限：巴氏殺菌和超高溫處理需專用設備，且會改變營養與風味；冷藏依賴持續供能，儲存成本高；發酵雖可以改善口感卻縮短保質期。傳統的干燥技術同樣存在問題，噴霧干燥破壞熱敏性營養素、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；真空干燥耗時且易損失風味。乳制品行業亟需一種兼顧保鮮效果與產品品質的新型技術。

泡沫墊干燥技術為解決上述難題提供了新思路。該技術通過向液態食品中添加起泡劑形成穩定泡沫，鋪展成薄層后在可控條件下進行干燥，能在提升效率的同時保留食品原有色澤、風味和營養。

相較于傳統技術，泡沫墊干燥優勢顯著：溫和加工保留食品品質，泡沫增大比表面積以縮短干燥時間，多孔結構降低能耗，適用范圍廣且干燥均勻，符合可持續發展需求。在乳制品領域，該技術已展現出潛力，如添加麥芽糊精等填充劑制備的乳粉產率和溶解度更高，生產的酸乳粉穩定性良好。其低溫操作可保護牛乳蛋白質特性，多功能性與高能效也契合乳制品行業的可持續發展方向，為乳及乳制品保鮮提供了高效、環保的新選擇。

泡沫墊干燥技術的工作原理

如圖1所示，乳及乳制品泡沫墊干燥的流程為：先向液態牛乳中加入蛋白質、表面活性劑等起泡劑，這些活性成分通過在牛乳基質中包裹氣泡形成穩定泡沫結構；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程，使泡沫轉化為固態，同時保留牛乳原有的風味、色澤和營養成分。起泡劑的選擇對穩定泡沫結構至關重要，而溫度、氣流、泡沫厚度等加工參數的精確控制，是實現均勻干燥、保證乳粉產品質量的關鍵。

圖1 乳及乳制品泡沫墊干燥技術的工作方法

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，廣泛應用于蛋糕、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，促進氣泡和泡沫結構形成。

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

（4）皂樹皮提取物：因含皂苷類物質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定涂層，其起泡能力受疏水性、分子量、構象穩定性等影響，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，兼具起泡和穩定作用，且其起泡性還受離子強度、pH值、溫度等因素調控。

（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定性；黃原膠、阿拉伯膠等樹膠作為水膠體，可防止氣泡聚結；藻酸鹽也可作為起泡劑使用。這類物質的分子結構、分子量、電荷密度等決定了其在氣-水界面形成剛性結構和粘彈性網絡的能力，進而影響起泡性能。

影響乳及乳制品泡沫墊干燥的因素

如圖2所示，幾個因素可以影響泡沫墊干燥的效率和質量。

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量，過高會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；泡沫穩定性即泡沫維持結構的能力，對干燥均勻性和產品質量至關重要，受起泡劑類型、濃度及穩定劑影響；表面張力則關系到氣泡的形成與穩定，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定性和結構，進而作用于干燥過程。研究表明，增加起泡劑濃度可縮短干燥時間，因其能形成更穩定、氣泡更小的泡沫，降低表面張力。

（3）干燥參數：干燥溫度影響水分去除速率，較高溫度可提高墊子結構孔隙率，但過高會導致產品質量下降；泡沫與干燥環境間的水分含量梯度推動水分擴散，泡沫厚度和成分會對其產生影響，且牛乳的成分和材料特性也會作用于有效水分擴散系數、干燥速率等；活化能是驅動水分去除所需能量，是待干燥材料的固有特性；此外，牛乳的成分和材料會影響干燥速率和水分擴散系數，例如不同類型牛乳材料的孔隙結構存在差異。

泡沫墊干燥技術的優勢

（1）保留營養成分：泡沫墊干燥溫度低于傳統干燥方法，能有效保護牛乳中維生素B、蛋白質等熱敏性營養素，避免熱降解；干燥時間更短，減少營養成分暴露于熱環境的時間，降低損失風險；控制氧氣暴露，減少脂質等營養素的氧化分解；最大限度減少蛋白質變性和降解，保證蛋白質質量；形成均勻泡沫基質，使營養素在產品中分布均勻，確保每份產品營養均衡。

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

（3）保證微生物品質：通過降低產品水分活度，創造不利于細菌、酵母和霉菌生長的環境，抑制微生物繁殖；減少產品與外部環境的接觸，降低干燥后再污染的風險。

（4）成本效益與效率：操作溫度低，降低能耗和生產成本；縮短干燥時間，提高生產吞吐量，增強企業對市場需求的響應能力；適用范圍廣，可用于乳粉、濃縮液、速溶混合物等多種乳制品，無需為每種產品購置專用設備，減少資本投入；能耗和電力消耗低，傳質和傳熱系數高，能在保證關鍵產品質量的前提下實現快速干燥，節省運營成本；與非泡沫干燥相比，干燥時間可縮短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負荷，減少資本支出。

泡沫墊干燥技術的局限性

（1）行業接受度有限：在乳制品行業的應用不如傳統干燥方法廣泛，這與技術學習曲線、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，且泡沫需薄層干燥，即使在理想條件下吞吐量也有限。

（2）泡沫穩定性問題：干燥過程中維持泡沫穩定是高效干燥的關鍵，但泡沫穩定性易受配方、溫度、壓力等因素影響，若控制不當導致泡沫破裂，會對干燥產品質量產生負面影響。

（3）操作復雜性：涉及泡沫穩定性、干燥條件、產品特性等眾多復雜參數，實現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，且設備成本較高、生產需較大表面積，進一步增加了操作復雜性。

泡沫墊干燥技術在乳及乳制品中的應用

泡沫墊干燥技術在乳及乳制品中應用廣泛，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，研究發現隨著填充劑濃度增加，乳粉產率和溶解度提高，蛋白質含量降低，15%麥芽糊精時效果最佳。

泡沫墊干燥技術的負面影響

泡沫墊干燥可能導致某些生物活性成分損失，此外，加熱過程中泡沫不穩定可能導致細胞結構破壞，影響干燥操作，且低密度泡沫與高密度泡沫的干燥機制不同，氣液兩相熱導率差異會導致傳熱速率不同；高溫還可能引發酶促和非酶促褐變反應，使產品顏色加深，且產品的亮度、紅度、黃度等顏色參數會受表面水分、含水量、色素濃度、干燥條件等多種因素影響。

結論與展望

泡沫墊干燥技術為乳及乳制品保鮮提供了創新方案，具有保留營養和感官品質、提高微生物穩定性、提升能效、降低成本等顯著優勢，在乳粉、酸乳粉、乳清粉等多種乳制品的生產中展現出良好應用前景。然而，該技術在推廣應用中仍面臨行業接受度低、泡沫穩定性不足、操作復雜等挑戰，這些問題亟待解決以實現大規模應用。

未來研究應聚焦以下方向：1）優化泡沫墊干燥工藝參數，針對不同乳制品特性定制干燥方案，提高技術適用性和穩定性；2）開發新型高效起泡劑，改善泡沫穩定性，減少干燥過程中泡沫破裂的風險；3）研發更精密的控制系統，簡化操作流程，降低對操作人員技能的依賴；4）開展更多產業化試驗，積累實際應用數據，提升行業對該技術的認可度和接受度；5）進一步拓展應用范圍，探索其在更多乳制品及其他食品領域的潛力，推動泡沫墊干燥技術成為乳制品行業乃至食品工業的主流保鮮技術之一。

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（實習）

編輯：龔藝；責任編輯：梁安琪

封面圖片來源：攝圖網

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