Original article

The influence of stirring speed, temperature and solid concentration on the rehydration time of micellar casein powder

搅拌速度温度和固形物浓度对酪蛋白粉再水化作用的影响

Influence de la vitesse d’agitation, de la température et de la concentration sur le temps de réhydratation de la caséine micellaire

¹ INRA, UMR1253, F-35042 Rennes, France
² AGROCAMPUS OUEST, UMR1253, F-35042 Rennes, France
³ INRA, UPR638, F-59651 Villeneuve d’Ascq, France
⁴ Laboratoire de Génie des procédés, HEI, F-59046 Lille, France

^* Corresponding author (通讯作者): romain.jeantet@agrocampus-ouest.fr

Received: 30 March 2009
Revised: 24 July 2009
Accepted: 22 September 2009

Abstract

Rehydration is an essential quality attribute of dairy powders. Before industrial use, most powders are generally dissolved in mechanically stirred tanks in order to obtain a homogeneous solution as quickly as possible. The purpose of the present study was to investigate the effect of stirring conditions on the rehydration properties of a micellar casein powder. The powder particle size distribution was initially monitored during rehydration process under various conditions: hydrodynamic (400–1000 rpm), temperature (26–30 °C) and solid concentration (4.8–12% [w/w]) conditions. Then, the time required to achieve a predetermined rehydration value was determined. Finally, rehydration times were correlated to hydrodynamic conditions using a process relationship obtained from experimental data and dimensional analysis. The results showed that increasing temperature and/or agitation resulted in decreasing the rehydration time and analysis of the data enabled their respective influences to be compared. For example, increasing the temperature by only 4 °C has the same influence on rehydration time as doubling the stirring speed. Therefore, it could be concluded that temperature has a major effect on rehydration behaviour. The process relationship suggested that for the mixing system investigated, under isothermal conditions and for the range of flow conditions and suspensions studied, the number of revolutions required to achieve a desired degree of rehydration is independent of the impeller rotational speed. However, increasing the solid concentration from 4.8% to 12% significantly increased the number of revolutions required. These results are consistent with the hydrodynamic theory that higher stirring speeds are required at higher solid concentrations in freshly suspended powders.

摘要

再水化能力是乳粉最基本的质量特性。过去，在工业生产中为了获得均匀的溶液通常采用机械搅拌的方法将乳粉快速溶解。本文目的是研究搅拌条件对酪蛋白胶束粉再水化性质的影响。在流体力（400～1000 rpm）、温度（26～30 °C）和固形物浓度（4.8～12%，w/w）变化的条件下，最初检测了再水化过程中粉末粒度的分布；其次，测定了达到预定水化值所需要的时间；最后，根据测定的实验数据和因次分析确定了再水化时间与流体动力学条件之间的相关性。基于数据分析和试验结果的比较，温度和搅拌速度的提高使得再水化时间降低。例如，温度仅增加4 °C与搅拌速度加倍对再水化作用产生的影响相同。因此，温度是影响再水化作用的主要因素。这种过程的相关性表明，对于在等温条件下的混合体系和流动条件的范围及所研究的悬浊液而言，达到理想的再水化程度达到所需要的转数与叶轮的转数无关。然而，固形物浓度从4.8%增加到12%，搅拌转数显著地增加。这些实验结果与高固形物浓度需要高转速的流体动力学理论相一致。

Résumé

L’aptitude à la réhydratation est une propriété essentielle des poudres laitières car la plupart d’entre elles sont réhydratées avant usage. Cette opération est généralement effectuée en cuve agitée afin d’obtenir une solution homogène aussi vite que possible. L’objectif de cette étude était de déterminer l’influence de la vitesse d’agitation sur le temps de réhydratation d’une poudre de caséine micellaire. L’évolution de la distribution de taille des particules a été mesurée en fonction du temps au cours d’essais de réhydratation sous différentes conditions d’agitation (400 à 1000 tour·min⁻¹), de température (26 à 30 °C) et de concentration solide/liquide (4,8 à 12 % (p/p)). À partir des évolutions obtenues pour chacune des conditions expérimentales, un temps de réhydratation nécessaire pour atteindre un degré donné de réhydratation a ensuite été déterminé. Enfin, les temps de réhydratation mesurés ont été corrélés aux conditions hydrodynamiques par une relation de procédé découlant des données expérimentales et d’une analyse dimensionnelle. Les résultats obtenus permettent de comparer les effets respectifs d’une augmentation de la température et/ou de l’agitation sur le temps de réhydratation : une augmentation de seulement 4 °C (26 à 30 °C) se traduit par la même diminution du temps de réhydratation qu’un doublement de la vitesse d’agitation (400 à 800 tour·min⁻¹). On peut ainsi conclure à un effet prépondérant de la température sur le processus de réhydratation. La relation de procédé obtenue montre que, pour le mélangeur utilisé, en conditions isothermes et sur les gammes de vitesse d’agitation et de concentration testées, le nombre de révolutions nécessaire pour atteindre un degré de réhydratation donné est indépendant de la vitesse d’agitation. Cependant, ce nombre augmente significativement avec la concentration de la solution lorsque la concentration augmente de 4,8 à 12 %. Ces résultats sont en accord avec la théorie hydrodynamique, la vitesse minimale de mise en suspension des particules croissant avec la concentration.