莊晨俊，鐘宇

（上海交通大學 農(nóng)業(yè)與生物學院，上海200240）

靜電噴涂是近年來快速發(fā)展的新型噴涂技術，是一種利用高壓靜電場使物料微粒沿著電場線定向運動至被涂物表面，沉積成均勻牢固薄膜的噴涂方法[1]，一般而言，以被涂物作為陽極，接地；粉末物料或經(jīng)霧化的液態(tài)物料作陰極，接電源負高壓。相較于常規(guī)的涂膜方法如浸涂、刷涂與加壓噴涂，靜電噴涂能夠通過對物料加載電荷，使其與靶標間存在靜電吸引，從而減少物料損失、提高效率[2]，該技術也能使物料更細微均勻，改善涂層性能[3]，所以，靜電噴涂在涂料工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領域都有廣泛應用。1962年，法國Sames公司發(fā)明粉末靜電噴涂設備用于噴粉涂裝，到20世紀末，英國Nevos公司研究開發(fā)了可控的靜電涂敷系統(tǒng)用于粉狀顆粒狀調味品、增強劑等的涂敷。自此，靜電噴涂設備逐漸應用于食品添加劑、保鮮劑等物料噴涂應用上[4]，以改善涂料在產(chǎn)品表面的分布。然而，靜電噴涂在食品工業(yè)領域的理論研究尚處于起步階段，特別是關于物料性能對涂覆效率與涂膜性能影響以及該技術在不同食材上的實際應用效果方面鮮有系統(tǒng)和深入的研究報道。本文主要綜述了靜電噴涂技術基本理論、噴涂效果影響因素的研究狀況及該技術在食品工業(yè)中的應用進展。

1 靜電噴涂基本理論

靜電噴涂按物料性質不同可分固體粉末靜電噴涂及液體靜電噴涂[1]。固體粉末靜電噴涂應用相當廣泛，一般在200℃不發(fā)生變形的粉末微粒均可采用該方法。粉末靜電噴涂充電過程一般通過兩種機制來實現(xiàn)：電暈充電和摩擦充電。在電暈充電過程中，粉末顆粒通過離子區(qū)，得到帶電離子。隨后，帶電顆粒被運向靶向目標，依靠電荷差異而沉積。而摩擦充電是粉末通過特定材料（如聚四氟乙烯、金屬或其它粉末顆粒）的管道輸送，與管壁摩擦而充電[5]。而液體靜電噴涂原理與粉末靜電噴涂不同，在靜電場作用下，液體物料經(jīng)霧化后帶電。這一過程中，液體表面張力與粘滯阻力是霧化過程的主要阻力[1]。液體靜電噴涂可依據(jù)噴射模式及液滴分裂方式分為兩種基本類型[1]：滴液模式（即在離噴嘴出口一定距離時細碎液滴會收縮成球形液滴）與噴射模式（即液體被拉成細長噴射流，以平穩(wěn)或其它常規(guī)模式向外運動）。液體靜電噴涂中最重要的一種是錐體噴射模式。此模式下，液體噴嘴頂點曲面表現(xiàn)為常規(guī)軸對稱椎體，沿毛細管軸伸展[2]，如圖1。

圖1 椎體噴射模式液體靜電噴涂Fig.1 Jet mode liquid electrostatic spraying

該模式由于其形成的液體曲面與電場線分布均勻，霧化顆粒尺寸大小一致，故常被用作理論研究的基礎[1]。經(jīng)過理論分析和實驗結果證實，Delamora和Loscertales[4]提出一種椎體噴射模式中的液滴直徑公式：

式中：α為取決于噴涂條件與液體介電常數(shù)的一個常數(shù)；γl為液體電導率；ε0為指自由空間介電常數(shù)；εr為液體介電常數(shù)；Q為液體流速。

Ganan-Calvo等[6]得到另外一個靜電噴涂椎體噴射模式的液滴直徑公式：

式中：α 被假定為常數(shù) 2.9；ρl為液體密度；σl為液體表面張力。由該式可看出：液滴直徑隨液體流速下降或液體電導率及表面張力增加而降低。以上兩個等式均未考慮液體黏度，但實際上從曲面帶出高黏度液體需要更多能量，其液滴的產(chǎn)生頻率較低。

Barrero等[7]經(jīng)過研究得到椎體噴射模式中液體穩(wěn)定的最低流速公式：

在最低流速下，當液體電導率在10-3S/m時，液滴直徑達到1 μm。關于噴射電流大小，Delamora和Loscertales[4]提出以下電流公式：

Ga?án-Calvo等[6]在理論上確定了低電導率液體在椎體噴射模式下的電流公式：

對于導電液體的電流公式則為：

式（1）到式（5）已為眾多椎體噴射試驗所證實[1]。

2 靜電噴涂的影響因素

靜電噴涂技術作為一種新型技術，開始被廣泛應用到各個領域中。經(jīng)過試驗與實踐研究發(fā)現(xiàn)，靜電噴涂效果不僅受控制參數(shù)影響，還與物料性能緊密相關。

2.1 靜電噴涂效果受控制參數(shù)影響

2.1.1 施加電壓

施加電壓對靜電噴霧過程中物料的荷質比有極大影響。對于液體靜電噴涂，隨施加電壓上升，液滴荷質比一般呈先增后降的趨勢。荷質比增大時，液滴間排斥力上升，生成的涂層覆蓋更廣[8]。施加電壓對滴液模式、液滴數(shù)量與尺寸也會產(chǎn)生重大影響。研究表明施加15 kV電壓即可使液體巧克力形成錐體射流；而低于15 kV時，即使持續(xù)增加電壓，樣品還是以滴液模式為主，這主要歸因于外加電場不足以平衡液體表面張力[9]。Aykas和Barringer[10]發(fā)現(xiàn)，施加電壓從0 kV上升至40 kV時，大豆油液滴尺寸范圍呈下降趨勢。

2.1.2 流速

對于粉末樣品，流速越高，樣品沉積速度越快。對于液體樣品，通常來說，流速降低、液滴荷質比增加。當液體巧克力流速低于50 μL/min時，無法得到穩(wěn)定靜電噴射流；當流速為50 μL/min時，液滴平均粒徑為0.14 mm；而當流速達到 100 μL/min 和 200 μL/min 時，液滴平均粒徑分別約為0.18 mm和0.20 mm[11]。

2.1.3 靶標表面特性

涂膜效果與靶標表面性質直接相關，包括電阻率、形狀、粗糙度等。其中，最主要的是其電阻率。在靜電噴涂過程中，物料沉積是空氣中帶電顆粒與沉積顆粒反相電暈間的競爭結果。若靶標表面電阻率較低，則新帶電顆粒和靶標表面已沉積顆粒間不會有靜電相互作用，涂層效率更好。對于靶標形狀，錐形物質獲得的電流和荷質比最大，隨后分別是平面，圓筒形，橢圓形和球形物質。靶標粗糙度則會影響粉末顆粒與其表面之間的粘附力。靶標表面粗糙度減小，接觸面積增加，顆粒粘附力顯著上升[8]。

2.2 粉末物料性能對靜電噴涂效果影響

粉末物理性質包括粒徑、流動性、電阻率等，對涂層性能有很大影響，涂層性能包括遷移率、附著力、均勻度和靜電涂膜產(chǎn)品功能性等。

2.2.1 粒徑

對于小粒徑粉末顆粒，靜電力占主導地位；粒徑越小，顆粒荷質比越大，涂膜效果越好。而大粒徑顆粒在運動過程中，其受到的重力占主導地位，粒徑越大則沉降效果越優(yōu)。Yousuf和Barringer[12]經(jīng)過建模與試驗指出，氯化鈉顆粒尺寸從28 μm增至342 μm的過程中，粉末遷移率有所提高，而涂層均勻性下降。

2.2.2 粉末電阻

粉末電阻與顆粒攜帶或失去的電荷量有關。粉末電阻越高，其電荷衰變速率越低，靜電粘附越強。電阻大于1013Ωm的粉末屬于絕緣顆粒，其電荷衰變發(fā)生在幾分鐘至幾小時之間，所以充電絕緣顆粒有足夠的時間達到更遠的靶位。Huang和Barringer[3]報道，具有高電阻率的可可粉（1.15×1013Ωm）與中等電阻率的淀粉（2.56×1010Ωm）和低電阻率的氯化鈉粉末（7.31×105Ωm）相比，表現(xiàn)出更強的靜電附著能力。

2.2.3 粉末流動性

粉末流動性反映粉末在特定情況下的流動行為，取決于粉末組成成分、顆粒形狀與尺寸的差異。根據(jù)流動性可將粉末分為自由流動粉末、凝聚粉末與非流動粉末。在靜電噴涂過程中，自由流動粉末涂層最為均一，遷移率也最高[8]。

2.3 液體性能與靜電噴涂效果關系

在液體靜電噴涂系統(tǒng)中，液體經(jīng)由表面靜電充電分散成直徑在0.1 μm～1 000 μm之間的細小液滴，液體的電阻率、黏度和表面張力均會影響其分散效果。

2.3.1 液體電阻率

液體靜電噴涂中，液體電阻率對涂覆效果影響最大，在椎體噴射模式中，電阻率上升，液滴尺寸變大、涂層覆蓋率下降。液體電阻率保持105Ωm～108Ωm之間即可實現(xiàn)良好的霧化效果[13]。

液體電阻率受其種類、黏度、表面張力的影響。黏度升高會導致離子遷移率下降，故可通過降低黏度使溶液電阻率下降。Gorty等[9]通過改變巧克力樣品成分來確定其對電阻率和黏度的影響。他們指出，樣品表觀黏度和電阻率都隨脂肪含量的降低和卵磷脂的加入而增加。電阻率增加會使液滴尺寸增加，涂層覆蓋率下降。在35 kV電壓下，樣品黏度增加，液滴尺寸也相應增長，而涂層覆蓋率呈下降趨勢。

2.3.2 黏度

黏度對靜電噴涂的影響主要是其對電荷濃度產(chǎn)生的效應：黏度增加，電荷載流子遷移率降低，電荷擴散速度下降。液體動態(tài)黏度增加會導致霧化延遲，液滴尺寸增加[14]；在噴射流體分裂成液滴的過程中，液體黏度的提高會引起二次液滴尺寸增加[15]。

2.3.3 表面張力

為形成穩(wěn)定錐體射流，施加電勢產(chǎn)生的電場力必須能克服表面張力。表面張力越高，所需電勢也越大，這就增加了放電的可能性。經(jīng)測量，地下水表面張力較貯水池中的水高約2.65%，因此能形成更小液滴且獲得更多電荷量[15]。而對于高導電性液體（電導率大于1.3×10-3S/m），表面張力并不會影響液滴尺寸。

3 靜電噴涂在食品工業(yè)中的應用與前景

據(jù)統(tǒng)計，目前的食品工業(yè)中，80%的膨化食品、50%以上的巧克力制品與全部農(nóng)產(chǎn)品均需要通過表面涂敷處理來達到保鮮效果[16]。然而，傳統(tǒng)涂敷工藝（主要為浸涂、加壓噴涂等）缺點明顯，如加工質量與工藝參數(shù)不可控、原料浪費、環(huán)境污染嚴重從而導致成本增加。研究表明，與傳統(tǒng)粉末噴涂技術相比，粉末靜電噴涂技術主要優(yōu)點在減少涂層材料損失（68%），減少粉塵形成（根據(jù)顆粒尺寸降低，范圍在40%至84%間）[17]，降低運營成本，但其存在涂層色差大、附著力差等缺點。液體靜電噴涂對此有明顯改善，利用靜電噴涂液體時，靜電在均勻細化液滴及提高液滴在產(chǎn)品上的吸附性、均勻性等方面有明顯改善。早期液體靜電噴涂主要應用于油脂類原料，水溶性液體易出現(xiàn)靜電擊穿等現(xiàn)象。近年來，隨噴涂設備不斷改進，靜電噴涂水溶性物料安全性大幅提高。

3.1 靜電噴涂在改善食品感官中的應用

靜電噴涂在食品工業(yè)中的典型應用包括在食品表面噴涂物料以防止水分及風味物質損失，或直接噴涂調味料與著色劑來改善產(chǎn)品的風味口感以及外觀形貌。Ratanatriwong等[18]通過比色法對靜電噴涂與傳統(tǒng)噴涂方式進行比較，得到的靜電噴涂薯片產(chǎn)品比傳統(tǒng)噴涂產(chǎn)品著色更加均勻 （在0 kV和25 kV下分別噴涂鹽、醋、烤肉粉等調味料），靜電涂層的粒徑達到 19 μm～165 μm，涂料轉移效率提高20%。利用葡萄糖對炸薯條進行靜電噴涂能產(chǎn)生更豐富的色彩（增強褐變反應）、更均勻的質地，且產(chǎn)生更少的霉菌[19]。利用500 mg/kg的抗壞血酸靜電噴涂的肉類相較于非靜電噴涂不易變色[20]。感官評價試驗結果表明，相對于傳統(tǒng)噴涂，消費者更偏愛靜電噴涂調味料（燒烤味、酸奶油味或洋蔥味）的炸薯片產(chǎn)品[18]。

3.2 靜電噴涂在微膠囊技術上的應用

微膠囊技術是通過使用薄膜材料來包封易反應、敏感性或揮發(fā)性液體或固體的一種保護技術。靜電噴涂微膠囊薄膜具有技術簡單、成本較低等優(yōu)點[21]。Zhang Y等[22]將海藻酸鈉（1.5%）和明膠（1%）混合物用靜電噴涂法包埋嗜酸乳桿菌，得到當嗜酸乳桿菌與海藻酸鈉與明膠混合物比例為1∶2時包埋率最高，達到96.3%。同樣的，Zhang W等[23]利用靜電噴涂將活細胞包封于藻酸鈉微膠囊中，發(fā)現(xiàn)細胞在藻酸鈉微膠囊中能夠生存。Paximada等[24]則將親水與親脂兩種不同兒茶素通過電噴霧包埋于乳液（包含細菌纖維素和蛋白質）的水相或油相中，并對乳液穩(wěn)定性、液滴尺寸及黏度等理化性質進行了評估，結果表明，電噴霧與超聲均質結合可使親脂兒茶素的包埋率達到97%，可見電噴霧技術在微膠囊包埋中大有所為。

3.3 靜電噴涂在食品保鮮上的應用

由于靜電噴涂對原料的節(jié)約與涂覆效果的優(yōu)良，常通過涂覆保鮮劑、抗菌劑、可食性薄膜等用于食品保鮮應用，改善產(chǎn)品貯藏性。

Amefia等[19]對奶酪產(chǎn)品噴涂抗真菌粉末發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品功能得以改善、貨架期得以延長。Lyons等[25]采用空氣助動感應充電靜電噴涂法 （air-assisted，inductioncharged electrostatic spraying，AAIC）將抗菌素液體應用于接種病原體的食品表面進行食品安全評估。結果表明，AAIC法沉積的活性物質質量是相同條件下未充電噴涂法沉積質量的6.1倍、是常規(guī)水壓噴霧沉積量的29.0倍。相較于常規(guī)氣助噴霧和水壓噴霧，AAIC法能顯著降低沙門氏菌菌落總數(shù)。Massey等[26]采用靜電噴涂方法將有機酸和植物提取物溶液作為抗菌劑噴灑至鮮切哈密瓜（接種大腸桿菌）上，發(fā)現(xiàn)靜電噴涂能更有效抑制病原菌生長。Kerr等[27]向杯裝蛋糕靜電噴涂5%山梨酸鉀抗菌溶液，對涂層效果進行研究結果表明，靜電噴涂可使山梨酸鉀涂層在蛋糕上的覆蓋均勻性和附著性提高，并能更好得限制微生物增殖。Nam等[20]在牛肉餡餅表面靜電噴涂抗壞血酸層，結果顯示該涂層可以有效防止脂肪氧化。噴涂的抗壞血酸在500 mg/kg時也可有效降低2-硫代巴比土酸活性物質和乙醛、庚醛等與脂質氧化有關的揮發(fā)性醛含量。

隨著可食性膜愈加廣泛地應用于果蔬保鮮以維持果蔬良好品質，靜電噴涂技術用于可食性膜的涂覆上也愈來愈常見。Peretto等[28]分別以靜電噴涂與常規(guī)噴涂法在新鮮草莓上涂覆海藻酸膜，常溫貯藏13天后對3組（空白組、靜電噴涂組與常規(guī)噴涂組）草莓的品質進行比較，指出靜電噴涂組相對于另外兩組能更好保持草莓的色澤、硬度與重量。Poverenov等[29]在鮮切甜瓜上靜電涂覆了海藻酸鈉和殼聚糖雙層膜并測定了雙層膜的抗菌能力與膜液粘附性，結果表明該方法成本低廉、操作簡易、涂覆效果良好且能夠有效保持鮮切甜瓜的食品安全與品質。

袁洪印等[30]選擇直徑在2 cm～10 cm的鐵板圓筒作為食品模擬物，以1%羧甲基纖維素鈉或海藻酸鈉溶液作為保鮮劑對鐵板圓筒進行靜電噴涂，并得到了兩種保鮮劑的完全涂覆范圍。經(jīng)過模擬試驗之后，袁洪印等[16]進而選用1%羧甲基纖維素鈉或海藻酸鈉溶液對果蔬表面（番茄和黃瓜）進行靜電涂敷保鮮試驗，結果表明，未涂敷的對照組樣品失水嚴重，色澤變化大，而靜電涂敷組品質保持良好。Zhong等[31]比較了浸涂和噴涂（傳統(tǒng)或靜電）方式對涂膜馬蘇里拉奶酪在冷藏期間外觀形貌及貯藏品質變化的影響，指出靜電噴涂法的成膜厚度較另外兩種方法的厚度更薄，但保鮮效果上3種方法并無顯著差異。由此可以推斷，利用靜電噴涂方式涂布保鮮膜液，不僅能提高噴涂效率、降低成本，還能有效避免浸涂法帶來的膜液污染等問題，為涂膜保鮮的工業(yè)化推廣開辟新的道路。

此外，科研工作者也對粉末靜電噴涂設備及工藝進行了研究。Biehl和Barringer[32]在轉鼓設備上配備可電暈充電的粉末噴涂機。在轉鼓中，粉末經(jīng)振動漏斗被連續(xù)分散，并通過電暈絲充電，該方法已被成功運用于對爆米花產(chǎn)品涂覆白糖與淀粉顆粒生產(chǎn)線上。除電暈充電設備，Barringer和Sumonsiri[8]對靜電噴涂生產(chǎn)線也進行了嘗試。其將傳送帶系統(tǒng)（由氣動噴涂器與滾筒組成）成功運用到對面包產(chǎn)品靜電噴涂可可粉和玉米淀粉上，其中，靜電場由涂層室內的電極或充電槍末端產(chǎn)生。

3.4 前景

靜電噴涂已經(jīng)有50多年的發(fā)展歷史，相較于現(xiàn)有其它噴涂技術，靜電噴涂有其獨特優(yōu)點。它開始逐步應用于各個工業(yè)領域中，在食品工業(yè)的包裝、保鮮等方向將大有作為。而液體靜電噴涂相對于粉末噴涂更有利于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質，在噴涂領域具有更好的應用前景。但由于靜電噴涂正處在發(fā)展時期，存在著一些缺點，今后應將靜電噴涂的研究重點集中在以下幾個方面：（1）研究和改善設備機械，保證設備成本與工業(yè)連續(xù)化程度；（2）通過研究建立合適的數(shù)學模型，分析靜電場對噴涂各個方面的影響，回歸出數(shù)學公式，完善靜電噴涂霧化機理的研究，進而通過理論得到霧化參數(shù)包括液體霧化粒子的粒徑等；（3）對于食品工業(yè)，研究食品涂膜保鮮中靜電噴涂的應用效果。

4 總結

靜電噴涂是一種新型的高效噴涂手段，利用其對食品進行涂膜保鮮具有良好的應用前景。深入研究各種成膜配方對靜電噴涂霧化效果的影響，闡述靜電噴涂成膜機理，明確膜結構與其功能特性之間的關系，考察靜電噴涂對實際食品的涂覆及保鮮效果是非常必要的，這將對改善食品營養(yǎng)功能、提高產(chǎn)品質量安全、推廣涂膜保鮮工業(yè)化應用具有重大意義。

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