低密度材料的制造技术

专利名称：低密度材料的制造技术
技术领域：
本发明涉及具有工业应用所要求物理属性的低密度材料的制造。本发明进一步涉及高流动性、低密度材料的制造方法，如非奶制品乳脂的制造方法，该方法采用一种新设计的多流体喷嘴。该多流体喷嘴用来在高控制条件下将气体夹带在细的雾化滴中。
众所周知，喷雾干燥的低密度咖啡粉可以在喷雾干燥前将气体散布在液状的咖啡萃取物中，形成泡沫(夹带有气体的液状咖啡萃取物)。美国专利说明书US-2，788，276中公开了一种方法将气体在加压条件下引入到咖啡萃取物中，形成泡沫，用增压泵提高压力，并且将此泡沫送至高压往复泵内，泡沫在那里被缩到更高的压力，以便喷雾干燥。美国专利说明书US-3，749，378公开了一种混合装置，该混合装置包括一个通往混合区的气体入口和一个通往混合区的液体入口。该混合区与包含多块隔板的第二区相连，粗泡沫通过这些隔板成为细泡沫而排出。同样，发明人为Kates的美国专利说明书US-4，129，624和发明人为Janovtchik的美国专利说明书US-4，160，002公开了一种流体混合装置或流体喷射装置。但是，这些参考文献和现有技术从整体上看未能提供一种用可接受的过程控制来制造低密度材料的系统，以制得具有相适应的可控的密度、颗粒尺寸分布和可流动性的低密度材料。此外，现有技术的系统要求在下游处理泡沫材料，例如泵吸，这从工业应用来看，本身是低效率的，且易出故障。
一些参考文献指出，在制备事先加入咖啡冲淡剂的咖啡组合物时可以采用非奶制品乳脂。非奶制品乳脂通常包含油脂、蛋白质和碳水化合物。这些成分通常配制成乳状液，接着将此乳状液干燥，最好是喷雾干燥，并制成粉末块销售或进一步与其它成分混合而制得最终产品。发明人为Einstman等人的美国专利说明书US-3，706，572和发明人为Mancuso等人的美国专利说明书US-3，653，911就是两篇这类内容的对比文献。Einstman等人的参考文献指出将喷雾干燥的咖啡颗粒与喷雾干燥的非奶制品咖啡冲淡剂颗粒均匀混合，再将此混合物磨碎到90到150微米的颗粒尺寸范围，然后聚结成块。Mancuso等人指出将非奶制品咖啡冲淡剂和咖啡滤液混合，然后喷雾干燥。Mancuso等人的改进之处是用一部分通常存在于咖啡冲淡剂中的缓冲剂来代替，加入到咖啡滤液中去。
在美国专利说明书US-4，046，926中，发明人Gardiner给出一种制备非奶制品乳脂的工艺过程，这种非奶制品乳脂具有改进的抗“絮析”的能力，此处“絮析”是指在不适宜的酸-盐环境下蛋白质浆液中出现了沉淀。Gardiner采用一种碳酸钠和磷酸氢二钾的混合物来达到所要求的结果。
非奶制品乳脂这类材料的物理属性对于将其和其它成分混合制成最终的干混合产品的应用来说是很重要的。在这方面特别重要的一些属性是颗粒尺寸分布、密度和流动性。对制备能在船运和储放期间保持均匀性的干混合产品来说，颗粒尺寸分布是重要的。对于将合适的材料配方输送到给定的配制区来说密度是个关键。为保证加工过程中能流畅地处理材料，流动性是有实质意义的属性。
喷雾干燥材料的物理属性通常由干燥这一步骤所处的条件来控制。需要制备密度比现有技术低、而同时具有良好流动性和保证干燥混合产品均匀性的颗粒尺寸分布的材料。对于要求用不含热量的糖精，如阿斯巴特来代替糖的产品配方来说，更需要这样，用阿斯巴特代替糖是因为仅需要少得多的阿斯巴特就能达到同样的甜味。
这样，本发明的一个目的是制造具有低密度的喷雾干燥材料，而且有良好的流动性、满意的颗粒尺寸分布以及满意的器官感觉。
本发明的另一个目的是提供一种有效的和可控制的制造低密度材料的方法。
这些发明目的和其它目的通过下面对本发明的进一步描述将变得更为清楚。
已经发现，本发明的目的可以由一种新的喷雾干燥方法来达到，采用了一种特殊设计的喷雾干燥喷嘴，该喷嘴能够在使液流导至喷雾干燥室之前将气体引入到液流中。该喷嘴设计成可喷射多流体，其作用是将液流雾化成细液滴，然后在液滴喷射到干燥室之前将气体引入到雾化滴中。
因此，制得了具有满意的颗粒尺寸分布和极好流动性的低密度材料。可以控制干燥条件来制得具有良好器官感觉的干材料。按本发明制得的材料适于作多方面的应用，尤其适用于用不含热量的糖精(如阿斯巴特)代替糖的产品配方所作的干混合。
下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述，从而本领域技术人员对于按本发明来雾化材料和将气体引入到材料中去的上述特性以及其它的特性和优点有更清楚的理解。


图1给出按本发明教导所构成的双流体喷射的正视剖面图。
本发明的多流体喷嘴提供了一种将液流雾化成细滴的手段，一种引入气流、使气体夹带到雾化滴中的手段，以及一种将雾化的、夹带气体的液滴喷射到一个空腔(典型情况是干燥室)中的手段。多流体喷嘴允许将气体控制在紧靠雾化滴喷入到干燥室之前的位置引入，于是不再需要用泵来抽吸夹带气体的液流。因为多流体喷嘴能如此好地控制夹带气体的比率和程度，则可制得具有合乎要求的密度、流动性和颗粒尺寸分布的最终产品。
本发明的多流体喷嘴适用于任何液流。液流中的颗粒浓度影响雾化液滴中夹带气体的程度和干燥器处的蒸发量。本领域普通技术人员很清楚比较稀的液流在干燥器中有一个更大的蒸发量，并且与较浓的液流相比，每磅颗粒夹带有更多的气体。因此，液流的浓度将影响干燥室内所选择的运行参数，因而将影响最终产品的香味和其它器官感觉特性。这样，进入多流体喷嘴的液流浓度将根据本领域熟练技术人员所知的许多标准对本发明的应用情况进行选择。
本发明可以应用于象咖啡萃取物那样的液流，香精、酸、乳化剂等的液体混合物;而且还发现特别适用于非奶制品乳脂的液流。非奶制品乳脂的配方包括油脂、蛋白质和碳水化合物。这样的配方还可以包含缓冲剂、流动剂和乳化剂，如现有技术中所述。为了说明问题，下面的讨论是针对制造低密度非奶制品乳脂进行的，但这样的讨论是为说明问题才限于非奶制品乳脂。而本发明的范围不局限于此，而包括制造任何液流的低密度材料。
参考图1，可更充分地理解本发明。图1是按本发明教导构成的双流体喷嘴10的正视剖面图。在这个本发明的实施例中，液流通过设置在喷嘴右面部分的导管12进入喷嘴(如图1所示)，并且先径向向内、再轴向向下通过在喷嘴中心部分的小孔14。嵌入件16安放在小孔14的下面部分，用来将液流雾化成细滴。第二个导管18位于喷嘴的左面部分(如图1所示)，用来引入气体。气流通过导管18流到位于向下延伸小孔14四周的环形进气管20，且向下通过气体喷射孔22到气体喷射室或气罩24，在那里气体被夹带在雾化细滴中。
除了带嵌入件16的小孔14、气体喷射孔22以及夹带气体的雾化细滴流出的喷射孔26外，气罩24全部被密封。这样，气罩通常处在正压下，典型情况是等于或接近气体进入第二导管18时的压力。夹带气体的压力在流出喷射孔26后，进入干燥室(未图示)，在那里液滴干燥成粉末。
图1给出了本发明多流体喷嘴的最佳实施例，用来将液流雾化成细滴、并将气体夹带到上述滴中的其他喷嘴结构也落在本发明的范围内。典型的喷嘴部件由金属或者具有足够强度的塑料制成。不锈钢是最好的结构金属，适于作食品加工。图1所示的典型的嵌入件16是一种较硬的结构材料，例如碳化钨。
根据本发明可以采用任何气体。如空气、二氧化碳和氮那样的气体特别适用，因为它们相对来说价格便宜，且具有惰性。气体喷射压力是决定最终产品物理特性(尤其是最终产品密度)的关键控制参数。例如，当用非奶制品乳脂运行操作时，60-80磅/平方英寸的气体压力与检验对此情况相比可减少密度20-40% 根对本发明作了上述描述后，用下述具体实例对本发明作进一步说明。
实例1将表Ⅰ中的各组分与水混合，达到60%颗粒浓度(按重量计)，从而制备了非奶制品的乳脂液流。搅动液流约30分钟，以保证其均匀性。
表Ⅰ组分重量百分数氢化的椰子油47.0谷物浆颗粒40.8酪朊酸钠颗粒5.8磷酸二钾(缓冲剂)2.6甘油脂1.7糖1.7二氧化硅(流动剂-flowagent)0.3卵磷脂(乳化剂)0.1100.0液流送至如图1所示的双流体喷嘴。于是液流被雾化成细滴。空气在压力约为60磅/平方英寸下作为第二种流体送至喷嘴。雾化细滴夹带着空气从喷嘴排出，进入干燥室，干燥成粉末。
制得的非奶制品乳脂的物理属性概括于表Ⅱ中表Ⅱ密度0.26克/立方厘米流动性43cc(立方厘米)颗粒尺寸分布美国筛分标准(U.S.Sieve)+30目0%+60目10%+140目70%盘形(Pan)20%
(续)表Ⅱ含水量1.2%PH值7.5采用一个与上述情况相同的液流进行检验对比运行。检验对比液流用一个现有技术中所熟知的、无气体喷入的典型高压喷嘴来进行干燥。
检验对比运行得到的非奶制品乳脂具有如表Ⅲ所概括的物理属性表Ⅲ密度0.45克/立方厘米流动性43CC(立方厘米)颗粒尺寸分布+30目0%+60目10%+140目70%盘形(Pan)20%含水量1.2%PH值7.5显然，本发明的产品密度减少了42%，但其他物理属性未受影响。一个专家小组评定检验对比运行制得的非奶制品乳脂和低密度非奶制品乳脂两者都有好的质量，没有可辨别得出的香味区别。
实例2包含浓度为20%(按重量计)的茶叶颗粒的液流送至图1所示的双流体喷嘴。空气在大约为60磅/平方英寸的压力下作为第二流体送至喷嘴。在喷嘴内部液流被雾化成细滴，空气被夹带在细滴中。然后夹带空气的细滴从喷嘴中喷射出来，在干燥室内干燥。喷雾干燥的茶的密度为0.21克/立方厘米。
采用标准高压喷嘴喷雾干燥同样的茶粒液流来进行检验对比运行得到的最终产品密度为0.46克/立方厘米。两种产品在所有其它物理属性和可引起器官感觉属性方面是非常相似的。
权利要求
1.一种制造比以往用常规喷雾干燥喷嘴得到的材料有更低密度的材料的方法，它包括(a)让该材料的液流通过由与气体喷射室相连的喷嘴本体构成的多流体喷雾干燥喷嘴中的导管，并向下通过位于喷嘴中心部分的小孔，在气体喷射室内将液流雾化成细滴；(b)让惰性气体通过多流体喷嘴的第二导管，并向下通过喷嘴本体的环形进气管到一个向下延伸的、位于中心小孔四周的环形小孔；(c)在与喷嘴本体相连的气体喷射室内让上述材料的液滴和气体混合，从而就在雾化滴引入到干燥室之前使气体夹带在细液滴中，上述气体喷射室包围住中心小孔和环形小孔，以便容纳夹带在细滴中的气体，上述喷射室从喷嘴本体向下延伸，向内并向下朝着气体喷射室的小孔锥形收缩，上述中心小孔和环形小孔彼此布置得使气体喷射室内材料的液流方向与气体方向相交；(d)把夹带气体的雾化细滴直接通过位于喷射室最低处的气体喷射室小孔进入干燥室，所述喷射室小孔使气体喷射室内压力保持在正压，等于或接近于气体进入第二导管时的压力，所述干燥室包围多流体喷嘴，使细滴干燥成粉末，其密度比用常规、没有气体喷入的喷嘴将同样材料喷射到同样的干燥室所得到的干材料密度低20-40%。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于气体是从空气、二氧化碳和氮这一组气体中选择的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于液流是一种密度小于0.35克/立方厘米的非奶制品乳脂，其颗粒尺寸分布为美国筛分标准(U.S.Sieve) 重量百分比(%)+30目 微量+60目 2-20+140目 60-85盘形(Pan) 2-25
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于液流材料是茶，干茶密度小于0.25克/立方厘米。
5.按照权利要求3所述的方法，其特征在于非奶制品乳脂包含油脂、蛋白质和碳水化合物。
6.按照权利要求3所述的方法，其特征在于进一步将上述非奶制品乳脂和速溶咖啡相混合。
7.按照权利要求3所述的方法，其特征在于进一步将上述非奶制品乳脂和速溶咖啡、无热量的糖精及香精相混合。
全文摘要
本发明公开了一种使气体夹带在液流雾化细滴中的多流体喷嘴，该喷嘴允许生产具有满足要求的颗粒尺寸分布和流动性的低密度材料。本发明特别适用了低密度非奶制品乳脂。
文档编号B05B7/06GK1046290SQ89103269
公开日1990年10月24日 申请日期1989年4月7日 优先权日1988年10月7日
发明者埃斯闰·皮乔恩 申请人:通用食品公司