微波真空冷凍干燥功率對雞蛋清水分遷移及凝膠微觀結構的影響

史勝娟，劉麗莉，張孟軍，郝威銘，李媛媛，楊曉盼

(河南科技大學 食品與生物工程學院,食品加工與安全國家級教學示范中心,河南 洛陽， 471023)

雞蛋清中含有豐富的營養物質，雞蛋中的氨基酸模式最符合人體內氨基酸模式，是人類優質蛋白質的來源。但由于雞蛋的保質期較短，容易發生變質，會造成蛋白質的浪費。所以，通過一定的干燥方式對其進行處理，可以更好地保存，提高其食用價值。干燥方式在雞蛋清的后加工過程中，對雞蛋清粉功能特性的影響較大。因此采用適當的干燥方式對雞蛋清進行干燥處理，開發出具有更高凝膠特性的雞蛋清粉，對于拓展其應用領域具有非常重要的市場價值[1]。

近年來，微波真空冷凍干燥技術已引起了國內外食品研究人員的廣泛關注[2-7]。微波真空冷凍干燥的原理是通過微波輻射使物料中的自由水和弱結合水以升華方式在真空中去除[8]。ZHOU等[9]采用冷凍干燥和微波真空干燥處理新鮮鴨蛋蛋白粉比單獨使用冷凍干燥得到粉底顏色更好。湯夢情等[10]研究結果表明，微波干燥后再進行冷凍干燥可大大地提高蘆筍的脫水率，但微波處理后再冷凍干燥處理的蘆筍，其蛋白質和總糖的保留量低于真空冷凍干燥。任廣躍等[11]研究發現，對懷山藥采用微波處理，并結合真空冷凍干燥技術，可以得到的更高品質的干燥制品。AHMET等[12]發現蘋果采用間歇式微波真空干燥技術干燥，得到的干制品中蛋白質、礦物質含量較高。但目前微波真空冷凍干燥技術在雞蛋清粉干燥中未見報道。

低場核磁共振(low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR)技術是通過觀察食品在不同工藝過程中氫質子的弛豫行為，研究樣品中水分的分布狀態和變化規律。目前有很多學者對低場核磁共振技術進行了研究[13-17]。隋思瑤等[18]以低場核磁共振技術為檢測手段，研究了粳米在凍融過程中的水分變化規律，結果表明，大米在15 ℃時含有的自由水最少，此時的大米最適宜貯藏。冷凍大米能夠進行長期貯藏，蒸煮前需解凍。HU等[19]研究了小麥單一籽粒水分結合類型的轉化和水分遷移，并得出在干燥時，水分從胚乳轉移到表皮。李定金等[20]利用低場核磁共振技術研究測定不同微波功率下微波真空干燥過程中的橫向弛豫時間T2反演譜，得知微波功率的高低能夠直接影響自由水的含量，并且過高的功率易導致物料表面出現焦化。吉琳琳等[21]發現偏最小二乘法和誤差反向傳播人工神經網絡方法可以有效預測大米中水分含量及其活度。馮愛博等[22]研究了雷竹筍在不同貯藏條件下的水分變化規律，結果表明，自由水最先被除去，并且在25 ℃下雷竹筍失水速率最快。

物料在干燥過程中內部水分的變化規律是近年來研究的熱點和難點[23]，采用微波真空冷凍干燥技術探究雞蛋清干燥過程中內部水分遷移規律的文章未見報道。本文以雞蛋清為研究對象，采用微波真空冷凍干燥技術并結合低場核磁共振技術探究雞蛋清在不同微波功率條件下水分的遷移規律，并通過掃描電子顯微鏡觀察雞蛋清凝膠微觀結構。以期能為干燥出更高品質的雞蛋清提供相關的參考。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮雞蛋，河南洛陽大張精品超市，選擇個體完整，顏色均一，表面干凈的雞蛋作為原料；戊二醛(分析純)，天津中信凱泰有限公司；叔丁醇(分析純)，上海利博化工實業有限公司。

1.2 儀器與設備

微波真空冷凍干燥機，實驗室自制；102-2型電熱鼓風干燥箱，北京科偉永興儀器；A.2003N型電子天平，上海佑科儀器儀表有限公司；NIMl20-015V-1-I型核磁共振成像分析儀，上海紐邁電子科技有限公司；Q200型差示掃描量熱儀，瑞士Mettler-Toledo公司；TM3030Plus型電子掃描顯微鏡，日本島津公司。

1.3 方法

1.3.1 雞蛋清微波真空冷凍干燥

本次研究所用的微波真空冷凍干燥機自制，設備原理參照段柳柳等[24]研究。用水洗凈鮮雞蛋表面，控干水分后打蛋分離出雞蛋清。將純蛋清放入冰箱冷凍室預凍后備用。微波真空冷凍干燥之前，應先降低干燥室內的制冷溫度，待溫度降至-40 ℃后放入質量約為200 g的物料。之后，開啟真空泵并將真空度設置為160 Pa。當物料表面溫度和中心溫度降至-15 ℃以下啟動微波系統，設置微波功率為300、400、500、600 W。干燥中每隔0.5 h測1次物料質量，待最終產品達到恒重0.12 g/g(濕基)后結束干燥。

1.3.2 水分含量、干燥速率與水分比的測定

雞蛋清水分含量的測定參考GB 5009.3—2016方法進行。在常壓下，將雞蛋清粉放入105 ℃恒溫干燥箱內，待干燥物料質量恒重時，結束干燥。每次實驗取3次平行實驗的平均值，水分含量、干燥速率、水分比(moisture ratio，MR)的計算分別如公式(1)、公式(2)、公式(3)所示：

(1)

式中：Xt為t時刻物料水分含量，g/g；mt為t時刻試樣的質量，g；mg為試樣干燥后的質量，g。

(2)

式中：DR為干燥速率,g/(g·min)；Xt為t時刻物料水分含量,g/g；Δt為干燥時間，min。

(3)

式中：Xt為物料t時刻的水分含量,g/g；X0為物料初始濕基水分含量,g/g；Xe為物料干燥平衡濕基水分含量,g/g。

由于Xe相對于Xt和Xe很小，通常在工程應用中常忽略不計，因此，物料MR的計算可以簡化為公式(4)：

(4)

1.3.3 低場核磁共振分析

樣品中的氫質子與弛豫時間有較好的相關性，氫質子所處環境的變化會引起弛豫時間的變化，通過收集橫向弛豫時間T2信號，反演得到T2圖譜。參數設為：主頻21 MW，偏移頻率303.421 kW，采樣點數200 010，采樣頻率200.0 kW，采樣間隔時間300 ms，回波個數5 000，回波時間180 gs，累加次數128。

LF-NMR技術通過研究橫向弛豫時間T2的變化來研究樣品中水分的狀態及其遷移規律。在雞蛋清干燥過程中，通過弛豫時間可將水分可分為3種形態，其分別對應T2反演譜圖中的3個波峰，不同形態水分的相對含量用每個峰的積分面積表示。3個波峰T2的范圍記為T21(0．01～1.00 ms)、T22(1～10 ms)、T23(10～1 000 ms)。

1.3.4 差示掃描量熱分析法測定蛋清熱力學特性

差示掃描熱量(differential scanning calormetry，DSC)分析：稱取6～8 mg蛋清粉樣品于坩鍋中，以空坩鍋作為對照，測試參數：氮氣流速設定20 mL/min，升溫速率設定10 ℃/min，并在20～150 ℃溫度范圍內掃描得到曲線。

1.3.5 不同微波功率條件下雞蛋清凝膠微觀結構

掃描電子顯微鏡：將凝膠切成薄片狀，用戊二醛(2.5%)固定5 h以上，并用pH 7.4的磷酸緩沖液洗滌3次，單次15 min。然后用體積分數60%(2次)、70%、80%(2次)、90%、100%乙醇梯度脫水，單次15 min。樣品用叔丁醇浸泡置換乙醇，采用真空冷凍干燥對凝膠樣品進行干燥處理。噴金后，用掃描電鏡觀察凝膠樣品。

1.4 數據處理

試驗所涉及到的測定結果均做3次重復，試驗數據利用Origin 8.5軟件作圖，用SPSS軟件進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 干燥過程中雞蛋清內部水分遷移分析

2.1.1 雞蛋清不同微波功率條件下T2反演譜隨干燥時間的變化

在干燥過程中，3種狀態水分的弛豫時間T2由大到小為T23>T22>T21；T2對應的峰面積分別記為A23、A22、A21。可根據T2馳豫時間的長短，判斷水分的分布狀態。弛豫時間越長，說明水分的自由度越大，峰面積越大，流動性越大，越容易被脫除；相反，弛豫時間越短，說明水分的自由度越小，峰面積越小，動力學活性越小，不易被脫除。根據橫向弛豫時間T2的變化可以得出T23為自由水、T22為弱結合水、T21為結合水。

由圖1可知，在干燥過程中，最先流失的是自由水，隨微波功率的增大，發現自由水流失的速率也隨之變快。通過比較T2弛豫曲線的峰面積可以發現，自由度高的水分在干燥一段時間后會向自由度低的水分轉化，曲線整體向左移動，峰面積不斷減小，即該狀態下的水分含量也隨之不斷減少。

圖1中A23遠大于A21，這說明雞蛋清中的水主要以自由水的形態存在，結合水占比較小。隨著干燥的進行，在微波功率作用下A23向左移動并呈現一直下降的趨勢，這是因為干燥開始后流動性最大的自由水最先被除去，導致其峰面積減小。之后隨著干燥的進行，物料吸收較多的輻射能，弱結合水轉化為自由水逐漸流失，導致A22峰面積也逐漸減小。雞蛋清中結合水含量較少，在干燥過程中隨著弱結合水的轉化A21峰值會略有升高，但其峰面積仍最小。

2.1.2 微波功率對自由水分狀態的影響

自由水分是指在物料內部受束縛力最小的水分，這部分水在物料干燥過程中最容易流失。由圖2可以看出，在不同微波干燥功率條件下，隨干燥時間的延長自由水峰面積呈現逐漸減小的趨勢。

自由水在干燥初期90 min內下變化不大，下降較為緩慢，這與朱文學等[23]研究發現一致，這是可能是因為干燥前期物料表面水分發生汽化，此時干燥為降速階段，內部水分向外擴散的速度小于表面汽化的速度。物料內部自由水需要一段時間才能擴散到表面，因此水分流失速度有所減慢[25]。但在90～180 min，自由水的脫除速率明顯升高，這是因為雞蛋清中水分含量較高，約為89.45%，且自由水所占比例較大，隨著干燥時間的延長微波輻射穿透物料時，物料表面大量的自由水被迅速除去。微波功率為300 W時，自由水峰面積下降的較為平緩，這是由于微波功率較小，自由水擴散到表面的速率較為緩慢所致。

a-300 W；b-400 W；c-500 W；d-600 W圖1 不同微波功率條件下T2反演譜隨干燥時間的變化Fig.1 Variation in inverted T2 spectra of flavored yam chips with drying time at different microwave power

圖2 不同微波功率條件下自由水峰面積隨時間的變化曲線Fig.2 Curve of free water peak area with time under different microwave power conditions

2.1.3 微波功率對弱結合水分狀態的影響

弱結合水是指物料組織內流動性較自由水弱、較結合水強的水分，在干燥過程中，弱結合水在大部分自由水脫除后開始流失。微波功率對弱結合水分狀態的影響如圖3所示。

圖3 不同微波功率條件下弱結合水峰面積隨時間的變化曲線Fig.3 Curve of immobilized water peak area with time under different microwave power conditions

由圖3可知，弱結合水的峰面積呈現先增加后減小的變化趨勢。出現增大的原因，一方面可能是因為微波高頻振動作用能破壞蛋白質分子的二硫鍵，阻止蛋白質分子聚集，從而提高蛋白質的分散性[26]，進而使得蛋白質幫助束縛水分子自由流動，使得部分自由水向其轉化；另一方面，物料中部分結合水與底物的結合狀態不穩定，流動性相對較大，受傳質推動力的影響，而轉變為弱結合水，導致弱結合水的峰面積增加。減小的原因可能是隨著干燥的進行，物料中的不易流動水由物料內部向表面擴散，變成自由水流失。微波功率與弱結合水上升的速率成正相關。這可能是因為隨著物料吸收的輻射能越來越多，促使自由水向弱結合水轉化。微波功率為600 W時，90 min時達到弱結合水峰面積最大值，120 min時峰面積下降較大，而功率為300 W時，120 min時弱結合水峰面積才達到最大值。有關研究表明微波功率與干燥時間相關性較強[27]。

2.1.4 微波功率對結合水分狀態的影響

結合水主要是指物化結合的水分及機械結合的毛細管水分，水分活度小于1。結合水分中的吸附結合水多是膠體質點和其周圍介質的界面上所吸住的水分。因膠體具有很大的表面，故膠體結構的吸附能力很強，結合水所受的束縛力較大，因此結合水在干燥過程中較難流失。圖4為不同微波功率條件下結合水峰面積隨時間的變化曲線。

圖4 不同微波功率條件下結合水峰面積隨時間的變化曲線Fig.4 Curve of bound water peak area with time under different microwave power conditions

由圖4可以看出，隨干燥時間的延長，結合水峰面積呈現出先增大后減小的變化走向，這是因為雞蛋清經微波照射后結構變得較為疏松，增加了結合水的結合能力[28]，使得部分弱結合水向其轉化，導致結合水的峰面積增大。微波功率為600 W時，結合水峰面積下降速率較快，這可能是較大的輻射能穿透物料內部，破壞了膠體物質釋放部分結合水，部分結合水進而轉化為弱結合水被除去。

2.2 不同微波功率對蛋清粉熱力學特性的影響

DSC常用于蛋白質熱變性過程的熱力學研究，其特征參數包括蛋清蛋白質變性時的起始溫度(T0)、峰值溫度(Tp)、結束溫度(Tc)和熱焓(ΔH)。DSC測定的變性溫度(T0、Tp、Tc)反映了蛋清蛋白質變性的動態變化過程。熱焓值(ΔH)代表疏水作用和蛋白質結構緊密性程度，數值越低蛋白質結構展開的越徹底，結果見表1。由表可知，不同條件下的微波功率對蛋清粉蛋白質熱力學特性影響顯著。不同微波功率輻照蛋清蛋白質，T0值相差不大，表明其熱敏性程度相近，基本在20 ℃蛋清蛋白質開始變性。微波功率為400 W時樣品的ΔH值比300 W的低31.24 J/g，而Tp值又比300 W的高4.27 ℃；500 W的ΔH值比600 W的低24.60 J/g，而Tp值又比600 W的高8.20 ℃，且差異均顯著(P<0.05)。微波功率為400 W、500 W時，它們的ΔH值較低，這說明此功率下的蛋白質受熱吸收能量，氫鍵斷裂，蛋白質分子展開的更為徹底，因此這兩個功率下的凝膠結構孔道增加，連通性增強。微波功率為300和600 W時，它們的Tp較高，這說明在此微波功率下，蛋清粉蛋白質結構被部分破壞，埋藏在內部的疏水基團在此過程中部分外露，蛋白質亞基組分解離之后又重新折疊形成具有更高Tp的更穩定熱聚集體，且疏水性氨基酸所占比例越高蛋白質的穩定性也就越好，因此其蛋清蛋白質的最終變性溫度Tc值也較高。

表1 微波功率對蛋清粉熱變性的影響Table 1 influence of microwave power on thermal denaturation of egg white protein

2.3 不同微波功率對雞蛋清凝膠微觀結構的影響

利用掃描電子顯微鏡觀察不同微波功率條件下雞蛋清凝膠組織結構的變化，如圖5所示。

a-300 W；b-400 W；c-500 W；d-600 W圖5 不同微波功率條件下雞蛋清凝膠結構的掃描電子顯微鏡圖Fig.5 Scanning electron microscopy of gel structure of egg white at different microwave power

由圖5可知，當微波功率為300 W時，雞蛋清凝膠結構較為緊密，孔道較少，而且連通性不強。當微波功率為400和500 W時，因為更多的輻射能穿透物料，使得雞蛋清凝膠孔道增加，連通性增強。當微波功率為600 W時，雞蛋清粉凝膠結構疏松，顆粒大小均勻，這是由于微波的機械效應，使得雞蛋清表面受到破壞，細胞破裂，微波輻射能均勻的分布于物料的各個部分，從而使其更均勻[29]。同時，干燥產品質地疏松，利于粉碎及后期加工[30]。

3 結論

本研究采用微波真空冷凍干燥技術結合低場核磁共振技術共同探究不同微波功率條件下雞蛋清水分在干燥過程中的遷移規律。利用掃描電子顯微鏡觀察不同微波功率下雞蛋清凝膠組織結構的變化。結果表明：

(1)微波功率條件下干燥雞蛋清，不同狀態的水分之間會存在轉化現象，流動性強的水向流動性弱的方向轉化，且流動性強的水在干燥時最先被除去。研究發現提高微波功率，會增大自由水流失的速率，由此可見增大微波功率能夠提高干燥速率，促進雞蛋清中水分的遷移。

(2)經DSC測定，微波功率為300和600 W，熱焓值較高，這可能因為較低的功率、長時間輻照或較高的功率，短時間輻照都會加速蛋白質變性的速度。

(3)利用掃描電子顯微鏡觀察不同微波功率下雞蛋清凝膠結構的變化，當微波功率較低時，雞蛋清凝膠的結構較緊密，孔隙率較低。隨著微波功率的增加，其孔道的數量也逐漸增多，并且孔徑變大，結構相對疏松，利于后期的加工。本研究得出的相關數據和干燥變化規律，為微波真空冷凍干燥雞蛋清工藝優化提供參考。