陳 珂 劉麗莉 孟圓圓 代曉凝

(1. 河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2. 河南科技大學(xué)食品加工與安全國家級教學(xué)示范中心，河南 洛陽 471003)

雞蛋清粉作為鮮雞蛋清的替代品，具有延長貨架期、減輕重量、便于儲藏等優(yōu)點，可解決鮮雞蛋成本高，易變質(zhì)的缺點。雞蛋清粉作為替代品，在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前中國蛋粉的加工方法主要采用噴霧干燥法[1]，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：干燥速度快，受熱時間短，加工成的蛋粉復(fù)原性好；可實現(xiàn)自動化、機械化、連續(xù)化生產(chǎn)[2]。但據(jù)相關(guān)報道[3]，中國深加工的蛋品僅占鮮雞蛋總重的2%，而發(fā)達國家加工蛋制品約占鮮雞蛋總重的40%。其中對鮮雞蛋深加工制品，廣泛應(yīng)用于食品、保健、美容等各個領(lǐng)域。

目前已有較多關(guān)于蛋粉干燥技術(shù)的研究。孫臨政等[1]探討了噴霧干燥條件對蛋清粉特性的影響。Lechevalier等[4]研究了蛋清粉在工業(yè)加工中對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的影響，證明噴霧干燥是影響蛋清粉起泡特性的關(guān)鍵工藝。劉靜波等[5]曾利用噴霧干燥技術(shù)制備速溶蛋黃粉，并對不同溶解程度的蛋黃粉進行特性研究。肖連冬等[6]研究了蛋白質(zhì)起泡性和乳化性的影響因素。Iesel等[7]也曾研究過干熱過程中水分含量對蛋清粉起泡性及理化性質(zhì)的影響。

中國市場上的雞蛋加工率較低，仍以鮮蛋消費為主，且蛋雞養(yǎng)殖高度分散、分布極不均衡，加上運輸時間長、貯藏加工條件差，致使鮮雞蛋在貯藏和加工期間品質(zhì)劣化速度較快。所以需要采用適用于工業(yè)化生產(chǎn)的噴霧干燥法的加工方式對雞蛋清進行制備，以制備出功能性較好的蛋清粉，但目前針對噴霧干燥蛋清粉的相關(guān)文獻研究[1, 7]多集中在干燥工藝條件的優(yōu)化及干燥對某些單一蛋白功能特性的探討，而且缺乏針對工業(yè)常用的噴霧干燥法制備的蛋清蛋白功能性質(zhì)及其結(jié)構(gòu)變化的深入分析。本研究擬利用噴霧干燥工藝制備成雞蛋清蛋白粉，通過對雞蛋清蛋白的理化和結(jié)構(gòu)表征分析，以期從機理上進一步解釋噴霧干燥工藝對雞蛋清蛋白的結(jié)構(gòu)和功能特性造成的影響，為雞蛋清粉的生產(chǎn)加工提供理論依據(jù)。

1 材料與設(shè)備

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

新鮮雞蛋：河南洛陽大商新瑪特超市；

考馬斯亮藍G-250：分析純，上海強順化學(xué)試劑有限公司；

溴酚藍、溴化鉀：分析純，上海一研生物有限公司；

三羥甲基氨基甲烷：分析純，上海山浦化工有限公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

噴霧干燥機：YC-015型，上海雅程儀器設(shè)備有限公司；

真空冷凍干燥機：XY-FD-100F型，上海欣渝儀器有限公司；

臺式高速離心機：H1650型，湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司；

超速冷凍離心機：H1650型，北京興達恒信科技有限公司；

色差儀：CM-5型，深圳市三恩馳科技有限公司；

傅里葉紅外光譜儀：VERTEX70型，德國Brucker公司；

掃描電鏡：EM-30Plus型，韓國COXEM公司。

1.2 方法

1.2.1 蛋清粉的制作工藝

揀蛋→洗蛋→消毒(含有效氯1 100 mg/kg的漂白液浸泡8 min)→清水噴淋→吹干→打蛋→蛋清蛋黃分離→自然發(fā)酵→160目篩過濾→巴氏殺菌(45 ℃，30 min)→離心噴霧干燥→出粉(水分含量<5%)→包裝

以真空冷凍干燥為對照組，具體制備方法如下：揀蛋→洗蛋→消毒(含有效氯1 100 mg/kg的漂白液浸泡8 min)→清水噴淋→吹干→打蛋→蛋清蛋黃分離(蛋清液質(zhì)量濃度為20%)→自然發(fā)酵→160目篩過濾→預(yù)凍(-20 ℃，2 h)→冷凍干燥(壓力15 MPa，溫度-45 ℃，24 h)→出粉冷卻(水分含量<5%)→包裝

1.2.2 雞蛋清噴霧干燥優(yōu)化工藝

(1) 脫糖時間：固定進料液速度450 mL/h，蛋清液質(zhì)量濃度25%，進口溫度170 ℃，出口溫度75 ℃，考察脫糖時間(0，12，24，36，48，60，72 h)對干燥工藝出粉率的影響。

(2) 進料液速度：固定脫糖時間72 h，蛋清液質(zhì)量濃度25%，進口溫度170 ℃，出口溫度75 ℃，考察噴霧流量(250，300，350，400，450，500，550 mL/h)對干燥工藝出粉率的影響。

(3) 蛋清液質(zhì)量濃度：固定脫糖時間72 h，進料液速度450 mL/h，進口溫度170 ℃，出口溫度75 ℃，考察蛋清液質(zhì)量濃度(5%，10%，15%，20%，25%，30%，35%)對干燥工藝出粉率的影響。

(4) 進口溫度：固定脫糖時間72 h，進料液速度450 mL/h，蛋清液質(zhì)量濃度25%，出口溫度75 ℃，考察進口溫度(155，160，165，170，175，180，185 ℃)對干燥工藝出粉率的影響。

(5) 出口溫度：固定脫糖時間72 h，進料液速度450 mL/h，蛋清液質(zhì)量濃度25%，進口溫度170 ℃，考察出風(fēng)溫度(65，70，75，80，85，90，95 ℃)對干燥工藝出粉率的影響。

1.2.3 蛋清蛋白粉出粉率的響應(yīng)面優(yōu)化試驗 根據(jù)單因素試驗結(jié)果，以脫糖時間、進料液速度、蛋清液質(zhì)量濃度，進口溫度，出口溫度作為自變量，利用Design-Expert 8.0.5軟件，以出粉率為響應(yīng)值，進行五元二次通用旋轉(zhuǎn)設(shè)計組合試驗，確定最佳的干燥工藝條件。

1.2.4 出粉率(Powder yield rate, PYR)的計算

(1)

式中：

PYR——蛋清粉出粉率，%；

m1——干燥前雞蛋清液質(zhì)量，g；

m2——干燥后雞蛋清質(zhì)量，g。

1.2.5 水分含量測定 按GB/T 5009.3—2010的直接干燥法執(zhí)行。

1.2.6 雞蛋清蛋白的功能特性測定

(1) 溶解度的測定：采用考馬斯亮藍法，使用每毫升蛋清蛋白粉中存在的可溶性蛋白質(zhì)含量表示。以牛血清蛋白為標(biāo)準(zhǔn)蛋白，在595 nm波長處測得吸光值，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，測定蛋白含量。

將不同噴霧干燥工藝條件得到的蛋清蛋白粉溶于蒸餾水中，配制成1 mg/mL的蛋白溶液，在常溫下攪拌20 min 后，6 000 r/min離心15 min，取上清液[8]，利用繪制出的標(biāo)準(zhǔn)曲線計算蛋白濃度。蛋白質(zhì)溶解度按式(2)計算：

(2)

式中：

c——蛋白質(zhì)溶解度，%；

m——溶解的蛋白質(zhì)量，g；

m0——總蛋白量，g。

(2) 乳化性(EAI)的測定：參照趙功玲等[9]的方法并作適當(dāng)修改，稱取一定量的樣品，與2.0 mL大豆色拉油混合，9 500 r/min均質(zhì)1 min，形成乳化液后，立即從試管底部吸取60 μL乳化液，加入到4.6 mL 2 mg/mL的SDS溶液中(pH 7.3)，快速搖勻并在500 nm處測定吸光度(A0)。乳化性(EAI)按式(3)計算：

(3)

式中：

EAI——乳化性，cm2/mg；

D——稀釋倍數(shù)；

m——蛋清粉蛋白質(zhì)量，mg；

Φ——油相所占的體積分數(shù)，0.056 6。

(3) 起泡性(FAI)和泡沫穩(wěn)定性(FSI)的測定：參照趙功玲等[9]的方法，準(zhǔn)確稱取1.0 g/100 mL樣品待測液，在室溫下調(diào)至pH為7.0，然后在9 000 r/min攪拌2 min，再快速移至500 mL 量筒中，記下泡沫總體積V0，靜置30 min，記錄泡沫總體積V30。按式(4)、(5)計算蛋清粉的起泡性和泡沫穩(wěn)定性。

(4)

(5)

式中：

FAI——起泡性，%；

FSI——泡沫穩(wěn)定性，%；

V0——均質(zhì)結(jié)束時泡沫總體積，mL；

V30——靜置30 min后泡沫總體積，mL。

(4) 色澤的測定：利用色差儀測定。在測定前先將樣品暴露在空氣中幾分鐘，同時將機器預(yù)熱，等到樣品色差穩(wěn)定后，進行黑白板標(biāo)正。測定時將被測樣品放在測試臺上，并保證鏡頭被待測樣全部覆蓋，每個樣品測定3次，取平均值。

1.2.7 雞蛋清蛋白的結(jié)構(gòu)表征

(1) 傅里葉變換紅外(FT-IR)分析：準(zhǔn)確稱取2 mg的干燥待測樣品粉末和200 mg干燥溴化鉀粉末，將其混合放置樣品槽中壓制成薄片，然后以溴化鉀為背景，在500～4 000 cm-1波長的紅外光譜儀進行掃描[10]。

(2) 掃描電鏡：取微量待測樣，用導(dǎo)電銀膠粘到掃描電鏡樣品臺上，然后將樣品臺放入噴金儀中進行噴金，最后觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)[11]。

1.2.8 數(shù)據(jù)分析 每個樣品重復(fù)3次試驗，采用Design-Expert 8.0.5軟件進行響應(yīng)面試驗設(shè)計及方差分析，Origin 8.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 考馬斯亮藍標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

利用Origin 8.5繪制的考馬斯亮藍標(biāo)準(zhǔn)曲線，見圖1。

圖1 考馬斯亮藍標(biāo)準(zhǔn)曲線Figure 1 The standard curve of coomassie blue

由圖1可知，考馬斯亮藍標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程為y=0.063 6+0.002 8x，R2=0.995 8。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線可計算出樣品蛋白質(zhì)含量，該方程線性較好，可用于下一步試驗。

2.2 單因素試驗

噴霧干燥條件對蛋清蛋白粉出粉率的影響見圖2。

由圖2(a)可知，隨著脫糖時間的延長，出粉率先上升后下降；在48 h時，出粉率達到最大值。原因是新鮮雞蛋清脫糖前較為黏稠，難以通過篩網(wǎng)，易堵塞噴頭，而且不易形成霧滴，從而不易干燥成型[12]。所以，脫糖時間選定為48 h。

由圖2(b)可知，當(dāng)進料液速度<400 mL/h時，蛋清蛋白粉出粉率隨進料液速度的增加呈增加趨勢，而進料液速度>400 mL/h時，蛋白粉的出粉率隨進料液速度的增加呈減小趨勢。這是因為在一定壓力下，進料液速度過大，物料不完全干燥，致使出現(xiàn)粘壁現(xiàn)象；同時由于漩渦負壓的作用，使料液受熱凝固未形成霧狀，從而堵塞噴嘴[13]。因此，進料液速度選擇400 mL/h。

圖2 干燥條件對雞蛋清蛋白粉出粉率的影響

Figure 2 Effect of drying conditions on the flour extraction rate of egg white protein powder

由圖2(c)可知，蛋清蛋白粉出粉率隨著進料液濃度的增加，呈先上升后下降的趨勢；當(dāng)進料液濃度為15%時，蛋清蛋白粉出粉率出現(xiàn)最大值。原因可能是隨著進料液濃度的增加，所得產(chǎn)品水分含量適宜，顆粒狀態(tài)逐漸變得均勻而細膩，呈均勻粉末狀。因此，進料液濃度選定為15%。

由圖2(d)可知，隨著進口溫度的升高，出粉率先上升后下降；在175 ℃時，出粉率達到最大值。原因是受熱過高，蛋清液得到充分干燥，含水量低，顆粒變細，從而易干燥成型[1]。所以，溫度選定為175 ℃。

由圖2(e)可知，隨著出口溫度的升高，出粉率先上升后下降；在70 ℃時，出粉率達到最大值。這是因為物料與熱空氣接觸后，易出現(xiàn)粘壁和焦糊現(xiàn)象，嚴重影響蛋清粉品質(zhì)；同時由于溫度過高還會使雞蛋清蛋白質(zhì)二次變性[13]。因此，出口溫度選定為70 ℃。

2.3 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗

在單因素試驗基礎(chǔ)上，采用五元二次通用旋轉(zhuǎn)試驗對蛋清粉出粉率進行響應(yīng)面優(yōu)化，其試驗設(shè)計方案及結(jié)果見表1、2。

表1五元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗因素與水平

Table 1 Factors and levels used in second-ordel rotation combination experimental design

水平X1脫糖時間/hX2 進料液速度/(mL·h-1)X3 蛋清液質(zhì)量濃度/%X4 進口溫度/℃X5 出口溫度/℃-2123501514045-1244002015050036450251605514850030170602605503518065

對表2中出粉率的試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到出粉率的回歸方程為：

(6)

該出粉率模型在α=0.05的顯著水平下剔除不顯著水平后的回歸方程為：

(7)

表2五元二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗設(shè)計方案及結(jié)果

Table 2 Second-order rotation combination experimental design with experimental results

試驗號X1X2X3X4X5出粉率/%11111114.922111-1-115.93311-11-115.16411-1-1115.9151-111-114.7461-11-1116.5271-1-11116.2781-1-1-1-114.539-1111-115.0110-111-1116.4011-11-11115.1412-11-1-1-114.6813-1-111115.1114-1-11-1-114.7215-1-1-11-114.4516-1-1-1-1114.5817-2000014.70182000015.41190-200015.25200200015.692100-20014.36220020014.9523000-2015.74240002014.83250000-215.33260000216.32270000016.22280000016.30290000016.24300000016.57310000016.12320000016.56

2.3.1 方差分析和顯著性檢驗 由表3可知，Y1回歸模型的R2=96.34，P<0.000 1，差異極顯著，失擬項P=0.230 2>0.05，差異不顯著，說明Y1模型的擬合度較高；因此這個回歸模型可以較好地反映自變量與2個響應(yīng)值之間的變化關(guān)系。

2.3.2 雙因素交互效應(yīng)分析 由圖3可知，進口溫度與進料液速度對出粉率的交互影響，等高線顯示為橢圓形，響應(yīng)面顯示為拋物線形，說明進口溫度與進料液速度的交互作用對出粉率影響極顯著。這與表3中顯著性分析結(jié)果一致。由等高線的變化趨勢可看出，當(dāng)進料液速度低于455.5～461.0 mL/h 某固定值、進口溫度低于156～164 ℃某固定值時，隨著進料液速度與進口溫度的增加，出粉率增加；當(dāng)進料液速度高于455.5～461.0 mL/h某固定值、進口溫度高于156～164 ℃某固定值時，隨著進料液速度與進口溫度的增加，出粉率減小；當(dāng)進料液速度為455 mL/h、進口溫度為164 ℃ 時，出粉率為16.12%。

表3 出粉率的方差分析表Table 3 Analysis of variance for the flour extraction rate

由圖4可知，蛋清液質(zhì)量濃度與進口溫度的響應(yīng)面呈拋物線形且比較陡峭，等高線呈明顯的橢圓形，說明蛋清液質(zhì)量濃度與進口溫度對出粉率有極顯著的交互作用。由等高線的變化趨勢可看出，當(dāng)?shù)扒逡嘿|(zhì)量濃度低于24.5%～26.5%某固定值、進口溫度低于156～164 ℃某固定值時，隨著蛋清液質(zhì)量濃度與進口溫度的增加，出粉率增加；當(dāng)?shù)扒逡嘿|(zhì)量濃度高于24.5%～26.5%某固定值、進口溫度高于156～164 ℃某固定值時，隨著蛋清液質(zhì)量濃度與進口溫度的增加，出粉率減小。

圖3 進料液速度與進口溫度交互作用對出粉率的影響

Figure 3 Effect of interaction between feed fluid speed and inlet temperature on flour extraction rate

2.4 利用回歸方程確定最佳作用參數(shù)和模型驗證

經(jīng)五元二次正交旋轉(zhuǎn)試驗及響應(yīng)面優(yōu)化法，采用Design Expert 8.0軟件和回歸方程分析得到噴霧干燥蛋清蛋白粉的最佳工藝為：脫糖時間31.55 h、進料液速度465.75 mL/h、蛋清液質(zhì)量濃度29.11%、進口溫度140 ℃、出口溫度65 ℃，此時出粉率為16.79%。為了提高噴霧干燥制備蛋清蛋白粉試驗的操作性和驗證模型的準(zhǔn)確性，把預(yù)測的最優(yōu)工藝條件修改為：脫糖時間32 h、進料液速度466 mL/h、蛋清液質(zhì)量濃度29%、進口溫度140 ℃、出口溫度65 ℃。在此條件下做3次重復(fù)驗證實驗，實際測得出粉率為(16.17±0.12)%；同時測定其水分含量為(4.43±0.03)%。出粉率的實際值與預(yù)測值相差0.62%，說明出粉率的模型方程與實際結(jié)果擬合度良好，證明響應(yīng)面優(yōu)化噴霧干燥蛋清蛋白粉的工藝條件是可行的。

2.5 干燥對雞蛋清蛋白功能特性的影響

2.5.1 干燥對雞蛋清蛋白溶解度、乳化性、起泡性、泡沫穩(wěn)定性和水分含量的影響 由表4可以看出，噴霧干燥制備雞蛋清蛋白的溶解度和乳化性分別為(90.98±0.02)%、(37.34±0.01) cm2/mg，而真空冷凍干燥蛋白的溶解度和乳化性分別為(91.13±0.03)%和(37.66±0.05) cm2/mg，2種干燥方式比較表明，二者變化不顯著(P>0.05)；噴霧干燥制備的雞蛋清蛋白的起泡性、泡沫穩(wěn)定性和水分含量與真空冷凍干燥蛋白的相比也沒有發(fā)生顯著性變化(P>0.05)。綜合分析表明，與真空冷凍干燥方式相比較，噴霧干燥優(yōu)化工藝制備的雞蛋清蛋白粉的功能特性沒有發(fā)生顯著變化。

圖4 蛋清液質(zhì)量濃度與進口溫度交互作用對出粉率的影響

Figure 4 Effect of interaction between egg white liquor mass concentration and inlet temperature on flour extraction rate

2.5.2 干燥對色差值的影響 由表5可以看出，噴霧干燥蛋白相對于真空冷凍干燥蛋白，色澤發(fā)生了明顯變化。從L*值可以看出，噴霧干燥蛋白的明度較高，真空冷凍干燥蛋白色澤較暗。這可能因為不同的干燥方式對產(chǎn)品的形態(tài)、顆粒大小、表面結(jié)構(gòu)、美拉德反應(yīng)的影響不同。從a*值可以看出，噴霧干燥蛋白較真空冷凍干燥蛋白較紅。從b*值可以看出，真空冷凍干燥蛋白較噴霧干燥蛋白較黃。

表4 干燥對蛋清蛋白的溶解度、乳化性、起泡性、泡沫穩(wěn)定性和水分含量的影響Table 4 Effect of drying on the solubility, emulsifying, foaming, foam stability and moisture content of egg white protein

表5 干燥對雞蛋清蛋白色澤的影響?Table 5 The effect of drying on the white egg of the egg

? 不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.6 不同方式干燥雞蛋清蛋白的結(jié)構(gòu)表征

2.6.1 傅里葉紅外光譜分析 對干燥后的雞蛋清蛋白粉進行傅里葉紅外光譜分析，結(jié)果見圖5。

圖5 紅外光譜圖分析Figure 5 Analysis of fourier transform infrared spectrometer

由圖5可知，冷凍干燥和噴霧干燥分別制備的蛋清蛋白粉紅外圖譜存在一定的差異性。蛋白質(zhì)在紅外區(qū)有若干特征吸收帶，酰胺Ⅰ帶(1 700～1 600 cm-1)對于研究蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)最有價值[14]，二者擁有類似的蛋白主要吸收峰，其中，真空冷凍干燥蛋白和噴霧干燥蛋白分別在3 291.89，3 294.33 cm-1出現(xiàn)強寬峰，主要由O—H伸縮振動引起的，說明可能存在著締合狀態(tài)下的氫鍵[15]。1 700～1 600 cm-1為酰胺Ⅰ帶，二者在酰胺Ⅰ帶處均出現(xiàn)了特征吸收，真空冷凍干燥蛋白在此波數(shù)范圍內(nèi)的峰，位于1 654.80 cm-1處，噴霧干燥蛋白紅移至1 653.83 cm-1處，酰胺I帶產(chǎn)生C═O伸縮振蕩特征吸收峰[16]。這可能是噴霧干燥使雞蛋清蛋白的氫鍵減弱，螺旋度減少[17]，影響C═O的伸縮振蕩，從而使酰胺Ⅰ帶處的峰發(fā)生位移。

2.6.2 掃描電鏡(SEM)分析 對干燥后的雞蛋清蛋白粉進行SEM測定分析，結(jié)果見圖6。

由圖6中可知，蛋清蛋白經(jīng)過不同方式干燥之后，其微觀結(jié)構(gòu)存在較大差異，噴霧干燥蛋白的表面形態(tài)明顯不同于真空冷凍干燥蛋白，噴霧干燥蛋白表面呈現(xiàn)大小不一、顆粒較小、外形完整不規(guī)則的球形；可能是與熱空氣接觸，擴散率和表面張力變化趨勢不同[18]。而真空冷凍干燥蛋白表面呈現(xiàn)光滑的片層結(jié)構(gòu)[19]，主要是在低溫狀態(tài)下，迅速形成冰晶體，分子之間的作用力更容易導(dǎo)致溶質(zhì)聚合[20]。

圖6 不同方式干燥雞蛋清蛋白的SEM圖Figure 6 Scanning electron micrographs of different drying methods

3 結(jié)論

通過試驗確定了雞蛋清蛋白粉的最佳噴霧干燥條件，并針對其功能特性與結(jié)構(gòu)進行了分析。結(jié)果表明，噴霧干燥的蛋清蛋白粉與真空冷凍干燥相比，其功能特性變化并不顯著(P>0.05)，且保持了很好的色澤品質(zhì)，而這些變化與其結(jié)構(gòu)密切聯(lián)系。為了更加深入地了解噴霧干燥后雞蛋清蛋白粉相關(guān)功能性質(zhì)變化的機理，采用FT-IR和SEM測定了干燥后的雞蛋清蛋白粉結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明噴霧干燥后的蛋清蛋白的二級結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，表面呈現(xiàn)褶皺的不規(guī)則球型。表明噴霧干燥工藝對雞蛋清蛋白的結(jié)構(gòu)和功能特性造成一定的影響。系統(tǒng)全面研究噴霧干燥雞蛋清蛋白粉的功能性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，還有待進一步的深入探討。