JP2010281523A - 粉末製造方法、粉末製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】減圧噴霧乾燥において酸化を抑制し、また食品粉末等の製造の効率化を図る。
【解決手段】噴霧ガスとして窒素等の不活性ガスを用い、不活性ガスと液体原料とを二流体ノズルにより減圧噴霧乾燥塔内に噴霧し、該減圧噴霧乾燥塔内で上記液体原料を乾燥させた粉末を得る。また減圧噴霧乾燥塔に対する減圧のための吸引系で吸引される不活性ガスを、噴霧ガスとして循環再利用する。
【選択図】図１

Description

本発明は食品粉末等の粉末製造方法及び粉末製造装置に関する。

特開２００６−３３３８３８号公報 特開２００６−２９７２４３号公報 特開２００２−１４３６６９号公報

北村豊，本多慎平，乳酸菌プロバイオティクス食品の減圧噴霧乾燥，バイオインダストリー，24，60-66(2007)．

液体食品の貯蔵・運搬のための蒸発脱水による容量減と安定性向上の技術として、噴霧乾燥法（Spray Dry）が知られている。
噴霧乾燥法は、乾燥塔内で微小液滴化した材料に直接熱風を接触させることにより、瞬時に水分を蒸発させて乾燥粉末を得る方法である。
この噴霧乾燥法は、液体食品を短時間で連続的に処理することから、乾燥効率が良く製造コストを低く抑えられる利点があり、粉乳類，粉末調味料，粉末香料などの生産に広く利用されている。
液滴は乾燥初期に高温の熱風と接触するが、乾燥の進行とともに熱風温度が低下するため、乾燥粒子は比較的低温になるとされる。
しかし粒子中の感熱性成分は乾燥後の熱風暴露によって、変質・消失する可能性も示唆されている。

一方、食品の乾燥技術として、凍結乾燥法（Freeze Dry）も知られている。凍結乾燥法は、種々の材料を氷点以下の温度で凍結させ、そのまま昇華によって乾燥させる方法である。
従って噴霧乾燥法と比較して材料の物理的・化学的変化が少なく、食品材料の熱劣化、香気成分の散失、酵素の失活を起こしにくいという利点がある。
しかし凍結乾燥の乾燥速度は非常に小さいため、材料が液体食品の場合には運転費・設備費が高くなり、その結果他の乾燥法に比べて製品が割高になる欠点もある。

これに対して発明者らは噴霧乾燥法と凍結乾燥法のそれぞれの長所を兼ね備えた新しい乾燥法として減圧噴霧乾燥機(Vacuum Spray Dryer，ＶＳＤ)を開発している（上記特許文献１、非特許文献１参照）。
ＶＳＤは乾燥塔内を真空ポンプによって減圧することにより、従来の噴霧乾燥法よりも低温(５０℃前後)での乾燥を可能として、感熱性成分の変質・消失を抑えるものである。
発明者らはＶＳＤを用いて感熱性プロバイオティクス食品の粉末化を４０〜６０℃の乾燥温度で行った。このような感熱性素材に加え、ビタミンや脂肪酸など酸化の容易な材料を対象とすることもＶＳＤには期待される。

ところでＶＳＤでは、圧縮空気によるせん断作用を利用する二流体噴霧ノズルを使用している。一般に微細な液滴を得るには、できるだけ高圧で乾燥塔内に噴霧することが望ましい。そのためには大量の圧縮空気を噴霧ガスとして二流体ノズルに供給する必要がある。圧縮空気の増量は、蒸発水分の排出促進による乾燥特性の向上にも有効である。

しかしながら、二流体噴霧ノズルに大量の空気を使用する場合、それに含まれる酸素との接触により材料が酸化される可能性がある。
そこで本発明は、ＶＳＤにおいて原料の酸化を抑制できるようにすること、さらには噴霧乾燥の効率化を図ることを目的とする。

本発明の粉末製造方法は、噴霧ガスとして不活性ガスを用い、上記不活性ガスと液体原料とを二流体ノズルにより減圧噴霧乾燥塔内に噴霧し、該減圧噴霧乾燥塔内で上記液体原料を乾燥させた粉末を得るとともに、上記減圧噴霧乾燥塔に対する減圧のための吸引系で吸引される上記不活性ガスを、上記噴霧ガスとして循環再利用する。
また上記噴霧ガスの循環再利用過程で、上記噴霧ガスの温度調整又は圧力調整を行う。
また上記噴霧ガスの循環再利用過程で、上記噴霧ガスに対する水分除去を行う。
また上記不活性ガスは窒素ガスである。
また上記減圧噴霧乾燥塔の乾燥温度は４０℃乃至６０℃とする。
また上記減圧噴霧乾燥塔の内部圧力は４ｋＰａ乃至２０ｋＰａとする。

本発明の粉末製造装置は、不活性ガスを噴霧ガスとして用いて、二流体ノズルにより噴霧される液体原料を減圧下で乾燥させ、上記液体原料を乾燥させた粉末を得る減圧噴霧乾燥塔と、上記減圧噴霧乾燥塔の減圧のための吸引を行う減圧部と、上記減圧部により吸引される上記不活性ガスを循環再利用して、噴霧ガスとして上記二流体ノズルに供給する噴霧ガス循環供給部とを備える。
また上記噴霧ガス循環供給部では、上記噴霧ガスの循環再利用過程において、上記噴霧ガスの温度調整又は圧力調整を行う。
また上記噴霧ガス循環供給部では、上記噴霧ガスの循環再利用過程において、上記噴霧ガスに対する水分除去を行う。
また上記不活性ガスは窒素ガスである。

このような本発明では、空気に代えて不活性ガス（例えば窒素）を二流体ノズルの噴霧ガスに使用することで、原料の酸化を抑制する。
ここで、窒素等の特殊ガスを噴霧ガスに使用する場合、空気を使用することに比べコスト高となることが予想される。そこで、窒素等の不活性ガスを循環利用することで、コストアップを抑える。さらにこのとき、噴霧ガスとして使用した窒素等を、減圧のための吸引系から取り出すことで装置構成上、効率的に窒素等を循環利用できるようにする。
さらに循環利用過程において噴霧ガスの温度調整、圧力調整、水分除去等を行うことができる。

本発明によれば、不活性ガスを二流体ノズルの噴霧ガスに使用することで、原料の酸化を抑制することができ、酸化抑制機能の加わったＶＳＤを実現できる。これにより、例えばビタミン、不飽和脂肪酸、アミノ酸などの易酸化性の機能性成分の粉末化にも好適となる。
また、窒素等の不活性ガスを循環再利用することで、食品粉末の製造コストを抑えることができる。
また減圧吸引系から噴霧後の不活性ガスを集めて循環再利用することで、装置構成上も効率よく循環利用系を実現できる。
また、循環利用過程において噴霧ガスの温度調整、圧力調整、水分除去等を行うことで、噴霧ガスの特性調整が容易であると共に、加圧、減圧、予熱、除熱によって、原料の噴霧・乾燥特性を調整できることにもなる。

本発明の実施の形態の食品粉末製造装置の説明図である。 実施の形態での酸化抑制効果を示す実験結果の説明図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１に実施の形態の食品粉末製造装置の構成を示す。
この食品粉末製造装置は、原料タンク１、乾燥塔２、フィルタ３、真空ポンプ４、後冷却器５、ガス圧縮器６、ガスタンク７、保温器８、除湿器９、緩衝タンク１０、噴霧ガスタンク１１、バルブ１３、１４、１５、二流体ノズル１６により構成される。

原料タンク１は粉末化する液体原料を貯留・供給するタンクである。またガスタンク７は噴霧ガスとして用いる圧縮窒素が貯留される。
乾燥塔２は、例えば容積３５０Ｌ程度とされた減圧噴霧乾燥塔であり、頭頂部に二流体ノズル１６が取り付けられている。この二流体ノズル１６には、ガスタンク７から後冷却器５、バルブ１５、１４を介して噴霧ガス（窒素）が供給されるとともに、原料タンク１からの原料が供給され、乾燥塔２内に原料が噴霧される。

乾燥塔２内は、減圧器として設けられている真空ポンプ４による真空吸引により減圧される。
フィルタ３は真空ポンプ４による吸引路上に配置され、微粉末を遮断する。
除湿器９には真空ポンプ４で吸引された後の窒素と蒸発水分が導入され、この除湿器９によって除湿が行われる。

除湿後の窒素成分は緩衝タンク１０に導入される。緩衝タンク１０には、バルブ１３を介して噴霧ガスタンク１１から窒素の補充がなされるようになっている。緩衝タンク１０では、必要に応じた窒素の補充により窒素の濃度調整が行われる。
緩衝タンク１０で濃度調整された窒素は、保温器８で温度調整され、ガス圧縮器６で圧縮された後、ガスタンク７に貯留される。
ガスタンク７に貯留された圧縮窒素は、再び後冷却器５，バルブ１５，１４を介して噴霧ガスとして利用される。
後冷却器５は例えば水冷式とされる。
除湿器９、緩衝タンク１０、保温器８、ガス圧縮器６、ガスタンク７、後冷却器５、バルブ１５、１４の系が乾燥塔２に対する噴霧ガス循環供給部を形成する。

発明者らは、このような食品粉末製造装置、即ち噴霧ガスの循環機能を有したＶＳＤを構築するとともに、易酸化試料の粉末化とその物性測定を通して、低温乾燥機能を有するＶＳＤへの酸化抑制機能の付加を検証した。
以下実験例を述べる。

（１）窒素循環型ＶＳＤの構築
上記図１のように噴霧ガスの循環機能を有したＶＳＤを構築して、噴霧ガスとして窒素を用いた。
原料タンク１から供給される材料は３５〜４０℃に予熱された後、水冷式の後冷却器５により調温された系内循環窒素とともに、二流体ノズル１６を経て容積３５０Ｌの乾燥塔２の頭頂部より噴霧される。
作成された粉末は乾燥塔２の下部円錐部に残留する。窒素は真空ポンプ４により吸引され、同伴する微粉末はフィルタ３で、また蒸発水分は除湿器９によりトラップされる。
窒素は噴霧ガスタンク１１から補充されながら緩衝タンク１０で濃度調整され、保温器８にて調温され、ガス圧縮機６において圧縮後、ガスタンク７の貯留を経て再び噴霧ガスとして利用される。このような噴霧ガスの循環利用は、噴霧に係るコストの低減を可能とするものである。
乾燥塔２における噴霧液の乾燥加熱は、二流体ノズル１６による噴霧口の周辺に設置した図示しない遠赤外線ヒーター（３ｋＷ）により行った。
また乾燥塔２内壁における水蒸気の凝縮を防ぐため、乾燥塔２をジャケット構造として、温水を循環させることにより乾燥塔２全体を緩やかに加温した。
なお乾燥操作は、ガスタンク７内の酸素濃度が０．２〜０．３％まで減少した後に開始した。

（２）材料
供試果汁として感熱性かつ易酸化性を有するビタミンＣを多く含むレモン果汁を使用した。本品は国産のストレート果汁であり、殺菌処理、パルプ量調整がされており、固形分濃度９．１６％、クエン酸酸度６．２９％、パルプ０．３％であった。
レモンはさわやかな芳香と酸味から世界中で広く用いられているミカン科柑橘属の果実である。レモンの成分であるビタミンＣやフラボノイドには、強い抗酸化物質が含まれており、活性酸素による生活習慣病の発病を抑制する効果も期待できると考えられる。
またレモンの酸味のもとであるクエン酸には、疲労回復作用やカルシウムや鉄と結合して安定する性質がある。
一方、ビタミンＣは熱に弱いことから熱湯で煮たり茹でたりすると容易に分解してしまう。さらに空気接触によって酸化酵素がはたらき、急激に失われてしまうことがある。従ってレモン果汁は、ＶＳＤの酸化防止機能を検証するのに最適な材料の一つであると考えた。

（３）試料のＶＳＤ粉末化と粉末物性の測定
生成した粉末の物性として含水率（ろ乾法）、水分活性（グラフ挿入法）、ビタミンＣ（ヒドラジン法）を測定するとともに、粉末回収率（乾燥前後の固形物比）やビタミンＣ残存率（乾燥前試料および乾燥後粉末のビタミンＣ含有量の比）を求めて、本例の窒素循環ＶＳＤの酸化抑制機能について実験的に検証した。

（４）結果および考察
窒素循環ＶＳＤによる粉末化特性は以下のとおりであった。
約４０℃に予熱した試料を約２００ｇ／ｈで４〜５ｋＰａに減圧した乾燥塔２に噴霧した。噴霧圧は２２０ｋＰａ、乾燥塔温度は約５０℃で，窒素循環流量は３０〜３５Ｌ／ｍｉｎとした。
得られた粉末の物性値を図２に示す。ここでは、噴霧ガスとして空気を使用した場合と窒素を使用した場合のそれぞれを示している。

窒素噴霧で得られた粉末の含水率は、空気噴霧の場合よりやや高かった。これは空気噴霧が乾燥した外気を絶えず吸入利用していたのに対して、除湿した循環ガスを利用する窒素噴霧では、水分の残留があったことによると考えられた。
水分活性はいずれの噴霧についても０．３以下の値が得られ、保存性の高い粉末の得られることが示された。
ビタミンＣ（ＶＣ）残存率は、窒素噴霧で得られた粉末は７６％を示し、空気噴霧による粉末と比較して約１６ポイント向上したことがわかった。

以上の結果より、窒素循環ＶＳＤで得られる粉末の物性は、空気噴霧で得られるものと同等であり、さらには窒素利用による酸化抑制機能もあることが確認された。

以上のように、図１の実施の形態の食品粉末製造装置、食品粉末製造方法によれば、窒素ガスを二流体ノズルの噴霧ガスに使用することで、原料の酸化を抑制することができ、酸化抑制機能の加わったＶＳＤを実現できる。
これによって、例えばビタミン、不飽和脂肪酸、アミノ酸などの易酸化性の機能性成分の粉末化にもＶＳＤを良好に使用できることとなる。

また二流体ノズル１６に圧縮窒素を供給し、液体原料と一緒に高圧噴出させることで、液体材料が適切に微粒化され、乾燥による粉末製造に適している。
また、窒素を用いることで食品粉末の製造コストの上昇が懸念されるが、窒素を循環再利用することで、製造コストを抑えることができる。
また真空ポンプ４による減圧吸引系から噴霧後の窒素を集めて循環利用することで、装置構成上も効率よく循環利用系を実現できる。

また、循環利用過程において保温器８や後冷却器５で窒素ガスの温度調整が行われることで、噴霧ガスの特性調整が容易である。即ち新たに窒素ガスを導入するよりも、一旦温調されて使用された窒素であるため、大幅な温度調整を必要としないことによる。
また窒素の循環利用過程においては、除湿器９での水分除去、緩衝タンク１０での濃度調整、ガス圧縮器６による圧力調整が行われる。これらにより噴霧ガスの特性調整が容易となる。

なお、噴霧ガスとして用いる不活性ガスとして窒素を例に挙げたが、例えばアルゴンガスやヘリウムなど、他の不活性ガスを用いることも考えられる。

また、上述の実験では乾燥塔２の内部圧力は４〜５ｋＰａとしたが、必ずしもこれに限られない。比較的小型のＶＳＤ装置を用いる場合、噴霧圧を上げると乾燥塔２の内部圧力が２０ｋＰａ程度まで上昇することもある。これは真空ポンプ４の能力や乾燥塔２の密閉度が影響していると考えられる。しかし、各種実験の結果、乾燥塔２の内部圧力が５〜２０ｋＰａの範囲であっても、粉末化は良好に可能であった。
内部圧力が低いほど、沸点を下げることができるが、以上の実験結果として、乾燥塔２の内部圧力としては、４〜２０ｋＰａが適切であると考えられる。
また実験において乾燥塔２の乾燥温度は４０℃乃至６０℃の範囲で行ったところ、粉末化が良好に行われることが確認された。

本発明は、熱変性や酸化を受けやすい素材の乾燥・粉末化に利用できる。このため例えばビタミンを始め、プロバイオティクス、芳香成分、油脂、酵素、アミノ酸といった素材を扱う食品や医薬品への導入が考えられる。

１ 原料タンク、２ 乾燥塔、３ フィルタ、４ 真空ポンプ、５ 後冷却器、６ ガス圧縮器、７ ガスタンク、８ 保温器、９ 除湿器、１０ 緩衝タンク、１１ 噴霧ガスタンク、１３，１４，１５ バルブ、１６ 二流体ノズル

Claims (10)

1. 噴霧ガスとして不活性ガスを用い、上記不活性ガスと液体原料とを二流体ノズルにより減圧噴霧乾燥塔内に噴霧し、該減圧噴霧乾燥塔内で上記液体原料を乾燥させた粉末を得るとともに、
   上記減圧噴霧乾燥塔に対する減圧のための吸引系で吸引される上記不活性ガスを、上記噴霧ガスとして循環再利用する粉末製造方法。
2. 上記噴霧ガスの循環再利用過程で、上記噴霧ガスの温度調整又は圧力調整を行う請求項１に記載の粉末製造方法。
3. 上記噴霧ガスの循環再利用過程で、上記噴霧ガスに対する水分除去を行う請求項１に記載の粉末製造方法。
4. 上記不活性ガスは窒素ガスである請求項１に記載の粉末製造方法。
5. 上記減圧噴霧乾燥塔の乾燥温度は４０℃乃至６０℃とする請求項１に記載の粉末製造方法。
6. 上記減圧噴霧乾燥塔の内部圧力は４ｋＰａ乃至２０ｋＰａとする請求項１に記載の粉末製造方法。
7. 不活性ガスを噴霧ガスとして用いて、二流体ノズルにより噴霧される液体原料を減圧下で乾燥させ、上記液体原料を乾燥させた粉末を得る減圧噴霧乾燥塔と、
   上記減圧噴霧乾燥塔の減圧のための吸引を行う減圧部と、
   上記減圧部により吸引される上記不活性ガスを循環利用して、噴霧ガスとして上記二流体ノズルに供給する噴霧ガス循環供給部と、
   を備えた粉末製造装置。
8. 上記噴霧ガス循環供給部では、上記噴霧ガスの循環利用過程において、上記噴霧ガスの温度調整又は圧力調整を行う請求項７に記載の粉末製造装置。
9. 上記噴霧ガス循環供給部では、上記噴霧ガスの循環利用過程において、上記噴霧ガスに対する水分除去を行う請求項７に記載の粉末製造装置。
10. 上記不活性ガスは窒素ガスである請求項７に記載の粉末製造装置。

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