Effect of the unit operations: evaporation and drying on the whole and skimmed milk powder properties

Abstract

Milk is a nutrient-dense drink with high protein, bioavailable amino acids, vitamins, and essential minerals like calcium. The demand for powdered milk has increased due to its lack of refrigeration and extended shelf life, making it a cost-effective preservation method. Concentration and drying are crucial in milk powder production, influencing milk constituents such as fat, protein, and lactose. These may undergo structural and chemical changes that impact physical and functional properties, including flowability, compressibility, packaging, stability, reconstitution, color, browning index, and foaming. This study analyzes the effects of milk type, evaporation equipment, and drying techniques on milk powder properties. A full factorial design (2³) was used, with factors at two and three levels. The milk types tested were whole milk and skim milk. Evaporation was performed with an open-pan evaporator and a rotary evaporator, at 100.33°C and 60°C. Drying was done using a spray dryer at 150°C and a freeze dryer at -45°C. Both the rotary evaporator and freeze dryer used vacuum systems, reducing the boiling point during concentration and aiding water sublimation in low-pressure environments. A total of eight treatments were produced. The study analyzed the chemical composition of liquid milk and powder, as well as microstructure using Scanning Electron Microscopy (SEM). Additionally, bulk and compact density, Hausner ratio, Carr’s index, water activity, hygroscopicity, solubility, wettability, color parameters, Browning Index, and foaming properties were assessed. ANOVA and Tukey’s test were used for statistical analysis. Results showed that milk type significantly affected flowability, density, stability, color, and foaming properties. Skim milk powder, with higher protein and lower fat content, had greater compactness and a higher Carr Index (CI), associated with poor flowability. It also absorbed more moisture due to higher protein and lactose levels, with smaller particles that enhanced solubility and wettability. Water activity and hygroscopicity were influenced by amorphous lactose and protein. Foam stability increased with higher protein content, while fat in whole milk powder reduced foaming. Evaporation and drying methods also affected powder density. The open- pan evaporator and spray drying produced denser particles with better flowability, but increased moisture content, which could reduce stability and promote browning. The high processing temperatures raised the Browning Index (BI), causing a color shift towards red and yellow tones due to Maillard reactions. In contrast, the rotary evaporator and freeze dryer, with lower temperatures and vacuum systems, minimized thermal damage, preserving the color and stability of the powder. Freeze-drying resulted in more porous and hygroscopic powders. These findings provide valuable insights for optimizing milk powder production, helping the dairy industry balance cost, efficiency, and quality. Keywords: spray dryer; freeze dryer; packing; flowability; stability; foaming.O leite é um alimento nutritivo, rico em proteínas, aminoácidos biodisponíveis, vitaminas e minerais essenciais, como o cálcio. A demanda por leite em pó cresceu devido à sua longa vida útil e à dispensa de refrigeração, tornando-se um método econômico para sua conservação. A concentração e secagem influenciam a distribuição e as interações de componentes como gordura, proteína e lactose, podendo alterar suas propriedades físicas e funcionais, como fluidez, compressibilidade, estabilidade, solubilidade, umectação, cor, índice de escurecimento e capacidade de formação de espuma. Este estudo investigou os efeitos do tipo de leite, equipamento de evaporação e técnicas de secagem nas propriedades do leite em pó. Utilizou-se um delineamento fatorial completo (2³), com três fatores em dois e três níveis. Os dois tipos de leite foram integral e desnatado. A concentração foi realizada com evaporador de panela aberta (100,33°C) e evaporador rotativo (60°C). A secagem foi feita em spray dryer (150°C) e liofilizador (-45°C). O uso de vácuo nos dois sistemas de concentração e secagem reduziu o ponto de ebulição e facilitou a sublimação da água. Foram realizados oito tratamentos e analisados a composição química do leite líquido e do leite em pó, além da microestrutura, por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). A densidade aparente e compactada, razão de Hausner, índice de Carr, atividade de água, higroscopicidade, solubilidade, umectação, parâmetros de cor (L, a, b*), índice de escurecimento e propriedades de formação de espuma também foram avaliados. A análise dos fatores foi realizada por ANOVA e teste de Tukey. Os resultados mostraram que o tipo de leite influenciou a fluidez, densidade, estabilidade, cor e propriedades de espuma. O leite em pó desnatado, com mais proteína e menos gordura, teve maior compacidade e índice de Carr (CI) mais alto, associado a baixa fluidez. Além disso, absorveu mais umidade devido ao maior teor de proteína e lactose e apresentou partículas menores, melhorando a solubilidade e umectação. A atividade de água e a higroscopicidade foram influenciadas pelos níveis de lactose e proteína. A estabilidade da espuma aumentou com maior teor de proteína, enquanto o alto teor de gordura no leite integral reduziu a formação de espuma. Os métodos de evaporação e secagem também influenciaram a densidade do pó. O evaporador de tacho aberto e o spray dryer produziram partículas mais densas e com melhor fluidez, mas aumentaram a umidade residual, o que pode reduzir a estabilidade e promover o escurecimento. As altas temperaturas aumentaram o Índice de Escurecimento (BI), mudando a cor para tons avermelhados e amarelados devido à reação de Maillard. Em contrapartida, o evaporador rotativo e o liofilizador, com temperaturas mais baixas e sistemas de vácuo, minimizaram danos térmicos, preservando melhor a cor e a estabilidade. A liofilização resultou em pós mais porosos e higroscópicos. Esses resultados oferecem insights valiosos para otimizar a produção de leite em pó, equilibrando custo, eficiência e qualidade. Palavras-chave: spray dryer; liofilizador; embalagem; fluidez; estabilidade; formação de espuma.