噴霧冷凍干燥風(fēng)量對(duì)蛋清蛋白特性及結(jié)構(gòu)的影響

郝威銘,劉麗莉,李媛媛,楊曉盼,張孟軍,史勝娟

(河南科技大學(xué) a.食品與生物工程學(xué)院; b.食品加工與安全國(guó)家級(jí)教學(xué)示范中心,河南 洛陽(yáng) 471023)

0 引言

蛋清粉逐漸成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，因其具有便于儲(chǔ)藏、工業(yè)加工以及運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，可解決鮮雞蛋易腐爛、易污染及成本高的弊端。但是，蛋清粉物理性能和功能性能在加工過(guò)程中可能受到幾個(gè)因素的影響，因此，探究干燥過(guò)程對(duì)蛋清粉品質(zhì)的影響具有重要意義[1]。目前，已有研究分析了鮮蛋清的噴霧干燥、真空冷凍干燥等干燥方式。文獻(xiàn)[2]研究了用不同干燥方式干燥后，全蛋粉的理化性質(zhì)和功能性質(zhì)。文獻(xiàn)[3]研究了真空干燥對(duì)全蛋液功能特性影響。文獻(xiàn)[4]探究了噴霧干燥條件對(duì)全蛋粉功能特性的影響。文獻(xiàn)[5-6]研究了噴霧干燥入口溫度、貯藏條件及貯存期對(duì)蛋白的物理和功能特性的影響。

文獻(xiàn)[7]研究了噴霧冷凍干燥過(guò)程中真空壓力和冷風(fēng)風(fēng)量對(duì)微膠囊的影響。文獻(xiàn)[8]研究了噴霧冷凍干燥條件對(duì)葛仙米藻膽蛋白特性的影響。文獻(xiàn)[9]利用噴霧冷凍技術(shù)提取花生蛋白濃縮物蛋白。在國(guó)內(nèi)外的研究中，關(guān)于運(yùn)用噴霧冷凍干燥(spray freeze drying，SFD)對(duì)蛋清粉結(jié)構(gòu)以及功能特性影響的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。

本課題組前期對(duì)噴霧冷凍干燥和其他干燥方式的蛋清蛋白品質(zhì)進(jìn)行了比較[10]，發(fā)現(xiàn)：噴霧冷凍干燥能更好地保存蛋清粉的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與質(zhì)量，其參數(shù)的確定對(duì)于最終蛋清蛋白品質(zhì)的影響尤為突出。因此，本文以影響噴霧冷凍干燥的冷風(fēng)風(fēng)量作為主要的影響因素，針對(duì)噴霧冷凍干燥過(guò)程中蛋清蛋白品質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了深入分析，以期為指導(dǎo)和優(yōu)化噴霧冷凍干燥制備蛋清粉提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

雞蛋，購(gòu)于洛陽(yáng)市丹尼斯超市；溴化鉀(分析純)，購(gòu)于上海生物工程有限公司。

YC-3000型噴霧冷凍干燥機(jī)，上海雅程儀器設(shè)備有限公司；DHR-2型流變儀，美國(guó)沃特斯公司；H1650型高速離心機(jī)，湖南湘儀集團(tuán)； V-1100型紫外分光光度計(jì)，上海美普達(dá)儀器有限公司；DSC1型差示掃描量熱儀，瑞士METTLER-TOLEDO公司；VERTEX70型傅里葉變換紅外光譜儀，德國(guó) Bruker 公司；TM3030Plus型電子掃描顯微鏡，日本島津公司。

1.2 方法

1.2.1 雞蛋清蛋白的噴霧冷凍干燥處理

選取新鮮的雞蛋分離出蛋清，并用攪拌器攪拌，然后進(jìn)行噴霧冷凍干燥，設(shè)置真空壓力為35 Pa，噴霧溫度為-30 ℃，冷阱溫度為-80 ℃，進(jìn)料量15 mL/min，冷風(fēng)風(fēng)量分別為30 m3/min、35 m3/min、40 m3/min、45 m3/min和50 m3/min的條件下，噴霧冷凍干燥，過(guò)篩得到噴霧冷凍干燥蛋清粉。

1.2.2 蛋清粉的特性與結(jié)構(gòu)的測(cè)定

(Ⅰ)起泡性和泡沫穩(wěn)定性分析

根據(jù)文獻(xiàn)[11]的試驗(yàn)方法，測(cè)定蛋清粉的起泡性和泡沫穩(wěn)定性。

(Ⅱ)流變特性分析

將不同冷風(fēng)風(fēng)量條件下的蛋清粉配制成蛋清液，將蛋清液均勻涂抹于流變儀上(間隙為1 050 μm)，并在測(cè)試中使用平行板(直徑40 mm)。在25 ℃溫度下，設(shè)置剪切速率為0.01～1 000 s-1進(jìn)行掃描，研究不同冷風(fēng)風(fēng)量對(duì)蛋清蛋白溶液表觀黏度(ηa)的影響。在25 ℃下，設(shè)置動(dòng)態(tài)頻率掃描參數(shù)為1%，頻率變化設(shè)置為0.1～300 rad/s，測(cè)定蛋清儲(chǔ)能模量G′和損耗模量G″隨頻率的變化規(guī)律。

(Ⅲ)傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectrometer, FT-IR)分析

將溴化鉀干燥后的蛋清粉與待測(cè)的蛋清粉按100∶10的質(zhì)量比例充分混合，制成薄片，然后進(jìn)行掃描(4 000～400 cm-1)，掃描的次數(shù)為32，分辨率為4 cm-1。

(Ⅳ)差示掃描量熱(differential scanning calorimeter, DSC)分析

稱取8.0 mg蛋清粉于鋁坩堝中，在20～150 ℃進(jìn)行掃描，升溫速率為10 ℃/min，氮?dú)饬魉贋?0 mL/min。

(Ⅴ)掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)分析

將待測(cè)蛋清粉撒在導(dǎo)電雙面膠上進(jìn)行觀察，選取最佳放大倍數(shù)(×1 000)觀察樣品，最后選擇有代表性的區(qū)域進(jìn)行觀察拍攝。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

每組試驗(yàn)重復(fù)3次，采用SPSS軟件進(jìn)行分析，使用Origin 9.0軟件繪圖。

圖1 噴霧冷凍干燥對(duì)蛋清粉起泡性和泡沫穩(wěn)定性的影響

2 結(jié)果與分析

2.1 冷風(fēng)風(fēng)量對(duì)蛋清粉起泡性和泡沫穩(wěn)定性的影響

圖1為噴霧冷凍干燥對(duì)蛋清粉起泡性和泡沫穩(wěn)定性的影響。圖1中，圖柱上方不同大小寫(xiě)字母，分別表示不同冷風(fēng)風(fēng)量時(shí)起泡性和泡沫穩(wěn)定性差異顯著(P<0.05)。由圖1可知：干燥過(guò)程中蛋清粉的起泡性隨著冷風(fēng)風(fēng)量的增加先上升后下降，大小順序依次為35 m3/min>40 m3/min>45 m3/min>50 m3/min>30 m3/min (P<0.05)，且在35 m3/min時(shí)起泡性最高，為64.3%。由于在噴霧的過(guò)程中，蛋清粉不能與冷風(fēng)充分接觸，導(dǎo)致霧滴分散不夠均勻，因此采用適當(dāng)?shù)睦滹L(fēng)風(fēng)量能使蛋清蛋白變得更加分散，折疊蛋白能更好地打開(kāi)，蛋清粉在攪打時(shí)能更快地吸附至空氣-水界面[12]。泡沫穩(wěn)定性隨著冷風(fēng)風(fēng)量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，大小順序依次為35 m3/min>40 m3/min>30 m3/min>45 m3/min>50 m3/min (P<0.05)，且在35 m3/min時(shí)泡沫穩(wěn)定性最高，為64.3%。這是由于不溶解的蛋白質(zhì)能增加其表面黏度，在氣泡周圍形成厚黏性層，使泡沫不易破碎，增大泡沫的穩(wěn)定性，當(dāng)冷風(fēng)風(fēng)量過(guò)大時(shí)，蛋清粉比風(fēng)量小時(shí)會(huì)更分散，泡沫穩(wěn)定性更差。

2.2 冷風(fēng)風(fēng)量對(duì)流變特性的影響

2.2.1 靜態(tài)流動(dòng)掃描

不同冷風(fēng)風(fēng)量對(duì)蛋清蛋白溶液表觀黏度(ηa)的影響見(jiàn)圖2。由圖2可知：隨著剪切速率的增大，不同冷風(fēng)風(fēng)量時(shí)的蛋清蛋白溶液表觀黏度逐漸降低，表現(xiàn)出一種剪切變稀的假塑性流動(dòng)特征。主要是由于分子取向和蛋白大分子鏈中的局部取向逐漸一致，此外觸變效應(yīng)及分子鏈之間出現(xiàn)斷裂也將會(huì)引起假塑性流動(dòng)現(xiàn)象[13]。在剪切速率小于1 s-1時(shí)，冷風(fēng)風(fēng)量35 m3/min的表觀黏度最高；隨著剪切速率的增大，當(dāng)剪切速率大于1 s-1，冷風(fēng)風(fēng)量為50 m3/min時(shí)，其表觀黏度最高。可能是因?yàn)殡S著冷風(fēng)風(fēng)量的增加，蛋清蛋白中大分子物質(zhì)蛋白黏度增大，蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更細(xì)密，分子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)較慢，分子之間的碰撞速率降低，不利于流動(dòng)，導(dǎo)致其表觀黏度也較大。

圖3為不同冷風(fēng)風(fēng)量對(duì)蛋清蛋白溶液剪切應(yīng)力的影響。由圖3可知：隨著剪切速率的增大，不同冷風(fēng)風(fēng)量制備的蛋清蛋白溶液剪切應(yīng)力增大，表現(xiàn)出具有假塑性流體的特征。在30～40 m3/min時(shí)，其剪切應(yīng)力隨冷風(fēng)風(fēng)量的升高而升高，在40～45 m3/min時(shí)，其剪切應(yīng)力隨冷風(fēng)風(fēng)量的升高而降低；在45～50 m3/min時(shí)，其剪切應(yīng)力隨冷風(fēng)風(fēng)量的升高而升高，主要是因?yàn)殡S著剪切速率的增大，冷風(fēng)風(fēng)量的不同導(dǎo)致物體中大分子更易發(fā)生碰撞從而纏結(jié)，分子之間的交聯(lián)結(jié)構(gòu)[14]發(fā)生改變，導(dǎo)致其中的大分子物質(zhì)發(fā)生變形或解體，從而使剪切力也隨之增大。

圖2 不同冷風(fēng)風(fēng)量對(duì)蛋清蛋白溶液表觀黏度(ηa)的影響 圖3 不同冷風(fēng)風(fēng)量對(duì)蛋清蛋白溶液剪切應(yīng)力的影響

不同冷風(fēng)風(fēng)量對(duì)蛋清蛋白溶液流變特性參數(shù)的影響見(jiàn)表1。由表1可知：不同冷風(fēng)風(fēng)量制備的蛋清蛋白溶液的決定系數(shù)R2均大于0.99，說(shuō)明該曲線與Herrschel-Bulkey模型有很好的相關(guān)性，模型精度較高。流變特性指數(shù)n代表流體假塑性程度，偏離1的程度越大，表明體系越容易剪切變稀，即假塑性程度越大。所測(cè)的樣品中n均小于1，屈服應(yīng)力σ>0 Pa，說(shuō)明該體系呈現(xiàn)有屈服值[15]的剪切變稀非牛頓流體特性。黏度系數(shù)k反映體系中的黏稠度。在30～35 m3/min，隨著冷風(fēng)風(fēng)量的增加，屈服應(yīng)力σ驟增，黏度系數(shù)k驟增，流變特性指數(shù)n增大，體系表觀黏度增大。

表1 不同冷風(fēng)風(fēng)量對(duì)蛋清蛋白溶液流變特性參數(shù)的影響

在35～40 m3/min，隨著冷風(fēng)風(fēng)量的增加，屈服應(yīng)力σ驟降，黏度系數(shù)k驟降，流變特性指數(shù)n減小，蛋清蛋白的流體行為增強(qiáng)，不易剪切。在40～50 m3/min，隨著冷風(fēng)風(fēng)量的增加，屈服應(yīng)力σ上升，黏度系數(shù)k減小，流變特性指數(shù)n增大，表觀黏度進(jìn)一步減小，蛋清蛋白的牛頓流體行為增強(qiáng)，易于剪切。

2.2.2 動(dòng)態(tài)頻率掃描

圖4為蛋清粉儲(chǔ)能模量G′和損耗模量G″隨頻率變化關(guān)系。不同冷風(fēng)風(fēng)量干燥的蛋清粉黏彈性可以用儲(chǔ)能模量G′和損失模量G″來(lái)表征，G′表示彈性大小，G″反映了體系黏性大小。如圖4a所示，冷風(fēng)風(fēng)量為40 m3/min、45 m3/min、50 m3/min蛋清粉的G′隨頻率的增加而提升，且G′均高于G″，G′、G″對(duì)頻率的依賴性較弱，表現(xiàn)出具有良好的彈性，能形成較強(qiáng)的凝膠體系[16]。冷風(fēng)風(fēng)量為35 m3/min、55 m3/min的蛋清粉G′值開(kāi)始時(shí)幾乎無(wú)變動(dòng)，隨著頻率的增大，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。如圖4b所示，風(fēng)量為40 m3/min蛋清粉的G″隨頻率的增加先降低后增加，其余風(fēng)量時(shí)，G″均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。

(a) 儲(chǔ)能模量G′

(b) 損耗模量G″

2.3 傅里葉變換紅外光譜分析

圖5 蛋清粉傅里葉變換紅外光譜圖

蛋白質(zhì)的聚集和展開(kāi)通常是由蛋白質(zhì)的構(gòu)象和結(jié)構(gòu)變化引起的。因此，F(xiàn)T-IR被用于觀察蛋清粉的二級(jí)構(gòu)象變化，特別是酰胺I帶(1 600～1 700 cm-1)，該帶對(duì)與特征性分裂效應(yīng)相關(guān)的氫鍵和偶聯(lián)反應(yīng)敏感。表2為蛋清粉酰胺I帶二級(jí)結(jié)構(gòu)組成比例。由表2可知：冷風(fēng)風(fēng)量為40 m3/min以上時(shí)，酰胺I帶的二級(jí)結(jié)構(gòu)組成比例基本保持不變。而35 m3/min時(shí)α-螺旋含量最低，可能是因?yàn)橐旱卧谙侣涞倪^(guò)程中，由于碰撞等原因?qū)е職滏I斷裂，從而使其比例降低。35 m3/min時(shí)蛋清蛋白的有序結(jié)構(gòu)向無(wú)規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，其結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性增強(qiáng)。冷風(fēng)風(fēng)量為35 m3/min時(shí)，β-折疊含量最低，為25.85%，β-轉(zhuǎn)角含量最高，為41.13%。增大冷風(fēng)風(fēng)量，β-折疊和β-轉(zhuǎn)角變化趨勢(shì)不明顯，可能是因?yàn)殪F化時(shí)，水分升華，溶液各部分都得到濃縮，其中的鹽飽和進(jìn)行沉淀，導(dǎo)致了溶液的pH值發(fā)生改變，使其中的蛋白質(zhì)分子變性，β-折疊的多肽鏈發(fā)生180°的反轉(zhuǎn)，形成了β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)。

表2 蛋清粉酰胺I帶二級(jí)結(jié)構(gòu)組成比例

表3 干燥后蛋清粉的熱變性溫度及熱焓值

2.4 差示掃描量熱分析

應(yīng)用DSC法測(cè)定冷風(fēng)風(fēng)量對(duì)蛋清粉的影響，干燥后蛋清粉的熱變性溫度及熱焓值見(jiàn)表3。由表3可知：不同冷風(fēng)風(fēng)量制備的蛋清粉的峰值溫度大小依次為45 m3/min>40 m3/min>50 m3/min>35 m3/min>30 m3/min，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。其峰值溫度越高，表示蛋清蛋白的變形溫度越高，其蛋白結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定。熱焓值大小順序?yàn)?5 m3/min>30 m3/min>40 m3/min>45 m3/min>50 m3/min，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，熱穩(wěn)定性在45 m3/min最大，為70.59℃。而其熱焓值的降低，表示蛋白內(nèi)部結(jié)構(gòu)的展開(kāi)更容易改善蛋白的特性。這與文獻(xiàn)[18]的研究結(jié)果相似，表明采用合適的冷風(fēng)風(fēng)量能更好地控制蛋清蛋白的熱變性溫度，提高蛋清蛋白的熱穩(wěn)定性[19]。

2.5 掃描電鏡分析

圖6為不同冷風(fēng)風(fēng)量制備的蛋清粉的SEM圖。由圖6a～圖6e可知：不同冷風(fēng)風(fēng)量下的蛋清粉微觀結(jié)構(gòu)差異不大，表面均呈現(xiàn)完整的球狀結(jié)構(gòu)，且顆粒間具有相互連通的孔隙[20]。

這是因?yàn)殪F化過(guò)程中，微小的液滴被瞬間凍結(jié)，在噴霧塔中飄落的過(guò)程中，其中的水分在被瞬間凍干形成冰晶并由于升華的作用被移除，而在此過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致顆粒內(nèi)部留下微小的互通孔道，這些孔形結(jié)構(gòu)的存在極大地增加了顆粒的比表面積，能大大提高蛋清粉的起泡性[21]。

3 結(jié)論

(1)冷風(fēng)風(fēng)量的不同，對(duì)蛋清粉的起泡和流變特性具有顯著影響。冷風(fēng)風(fēng)量為35 m3/min時(shí)，制備的蛋清粉的起泡性最高，為64.3%，泡沫穩(wěn)定性最高，為64.6%。不同冷風(fēng)風(fēng)量制備的蛋清蛋白溶液均為非牛頓假塑性流體。儲(chǔ)能模量G′>損失模量G″，冷風(fēng)風(fēng)量50 m3/min的儲(chǔ)能模量G′最大。

(2)不同冷風(fēng)風(fēng)量制備的蛋清粉在酰胺Ⅰ帶向低波數(shù)方向分別紅移，其大小為35 m3/min>30 m3/min>40 m3/min>45 m3/min。其峰值溫度大小依次為45 m3/min>40 m3/min>50 m3/min>35 m3/min>30 m3/min，熱焓值大小依次為35 m3/min>30 m3/min>40 m3/min>45 m3/min>50 m3/min。所有冷風(fēng)風(fēng)量制備的蛋清粉均為完整的球狀、空隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而有助于提高蛋清粉的起泡性。