Lait 82 (2002) 475-484
DOI: 10.1051/lait:2002025

Importance of glass transition and water activity to spray drying and stability of dairy powders

Yrjö H. Roos

Department of Food Science, Food Technology and Nutrition, University College, Cork, Ireland

Abstract
Spray-drying is a rapid dehydration method allowing production of high quality dairy powders. In dehydration and subsequent powder handling and storage, however, both chemical and physical changes, such as caking, lactose crystallisation, and nonenzymatic browning, may impair powder characteristics and result in loss of powder quality. Many of these changes are related to the physical state of lactose, as rapid removal of water in spray drying results in the formation of low-moisture, amorphous, noncrystalline structures of lactose and other milk components. The amorphous components may exist as solid-like glasses or highly supercooled, viscous liquids. The formation of amorphous, glassy lactose during spray drying allows production of a free-flowing powder. High temperatures or residual water contents at the later stages of the drying process, however, may cause stickiness, caking, browning, and adhesion of the powder particles to the processing equipment. The glass transition of amorphous lactose occurs in the vicinity of room temperature at a water content of about 6.8 g (g 100) ^-1 of lactose corresponding to an equilibrium relative humidity of 37% and 0.37 a (water activity). At higher water contents, as the glass transition of amorphous lactose is well below storage temperature, dairy powders become sticky and the amorphous lactose may exhibit time-dependent crystallisation. Crystallisation of amorphous lactose may also release sorbed water from the amorphous material, which enhances other deteriorative changes, such as the nonenzymatic browning reaction. Amorphous lactose in dairy powders encapsulates milk fat, which, as a result of lactose crystallisation, is released and becomes susceptible for rapid oxidation. The glass transition and water activity are, therefore, important factors controlling processability, handling properties and stability of dairy powders.

Résumé
Importance de la transition vitreuse et de l'activité de l'eau pour le séchage par atomisation et la stabilité des poudres de lait. Le séchage par atomisation est une méthode de déshydratation rapide permettant la production de poudres de lait de première qualité. Cependant, au cours de la déshydratation puis de la manipulation et du stockage ultérieurs de la poudre, des changements à la fois chimiques et physiques tels que l'agglomération, la cristallisation du lactose et le brunissement non enzymatique, peuvent cependant altérer les caractéristiques de reconstitution et entraîner une perte de qualité de la poudre. Plusieurs de ces changements ont trait à l'état physique du lactose, puisque le retrait rapide d'eau au cours du séchage par atomisation conduit à la formation de lactose et des autres composants du lait à faible teneur en eau, amorphe, aux structures non cristallines. Les composants amorphes peuvent exister sous forme de verre très solide ou de liquides hautement sous-refroidis et visqueux. La formation de lactose amorphe vitreux au cours du séchage par atomisation permet la production d'une poudre très fluide. Des températures élevées ou des teneurs en eau résiduelle aux derniers stades du procédé de séchage, peuvent cependant provoquer le collage, l'agglomération, le brunissement et l'adhésion des particules de poudre à l'équipement de séchage. La transition vitreuse du lactose amorphe a lieu à température proche de la température ambiante, à une teneur en eau d'environ 6,8 g (100 g) ^-1 correspondant à un équilibre entre l'humidité relative de 37 % et une a (activité de l'eau) de 0,37. À des teneurs en eau plus élevées, puisque la température de transition vitreuse du lactose est bien en dessous de la température de stockage, les poudres de lait deviennent collantes et une cristallisation du lactose amorphe dépendant du temps peut se produire. La cristallisation du lactose amorphe peut aussi larguer l'eau adsorbée du matériel amorphe, ce qui entraîne d'autres changements détériorants tels que la réaction de brunissement non enzymatique. Le lactose amorphe dans les poudres de lait encapsule la matière grasse lactique, qui, en raison de la cristallisation du lactose, est libérée et peut rapidement s'oxyder. La transition vitreuse et l'activité de l'eau sont donc des facteurs importants de contrôle de la fabrication, des propriétés de manutention et de stabilité des poudres de lait.

Key words: Glass transition / dairy powder / spray drying / stability / water

Mots clés : Transition vitreuse / poudre de lait / séchage par atomisation / stabilité de la poudre / eau

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