噴霧干燥入口溫度對蛋清蛋白流變和結構特性的影響

陳珂，劉麗莉，郝威銘，楊曉盼，李媛媛

(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(河南科技大學)，河南 洛陽，471023)

雞蛋清蛋白質具有獨特的功能特性，例如發泡性、乳化性和凝膠特性。近年來，蛋粉因其貨架期長、貯存成本低、運輸成本低等優點在烘焙、敷料和糖果產品中得到了廣泛的應用[1]。噴霧干燥由于干燥時間短，產品溫度相對較低[2]等優勢，成為工業上制備蛋粉的常用方法。

目前，關于噴霧干燥加工蛋粉的研究受到了國內外學者的青睞。例如，SCHOLES等[3]基礎研究了不同干燥程序對雞蛋功能的影響。KATO等[4]報道在干燥加熱狀態下樣品的孵育加熱時間的增加可以增強發泡力、發泡穩定性、乳化性能和噴霧干燥蛋清粉末的凝膠強度。FRANKE等[5]發現隨著進氣溫度的升高，蛋白質溶解度和發泡功率降低。AYADI等[6]研究了適度噴霧干燥條件對干白和全蛋粉功能的影響。KOC等[7]發現噴霧干燥可以制備穩定和功能性的粉末產品，噴霧干燥的蛋粉在處理和衛生方面對食品工業具有重要意義。孫臨政等[8]研究了不同噴霧干燥流量、進料溫度、進風溫度對蛋清粉最終成品的溶解性和分散性的影響，并優化了工藝參數，使得最終得到沖調性良好的蛋清粉。沈青等[9]研究了采用噴霧干燥與真空冷凍干燥兩種干燥方式制備全蛋粉并對干燥后得到的全蛋粉的理化性質和功能性質進行了對比。涂宗財等[10]利用動態高壓均質處理蛋清蛋白，發現乳清蛋白的結構及其流變性和黏度在微射流作用下發生改變，蛋白粒徑減小，黏度增加。

目前國內外對于噴霧干燥制備蛋清粉的研究多集中于工藝優化和功能特性方面，而針對不同噴霧干燥溫度對蛋清蛋白流變和結構特性的影響研究卻鮮有報道，因此開展該領域的研究具有十分重要的理論意義。本研究的目的是探究噴霧干燥入口溫度對蛋清蛋白的流變特性、水分遷移、二級結構及微觀結構的影響，并從蛋白質結構變化分析其作用機理，以期為指導和優化噴霧干燥工業化生產制備高品質蛋粉提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮雞蛋，河南省洛陽市大張超市；KBr,分析純，上海強順化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

6000Y實驗型噴霧干燥機，上海Bilon儀器有限公司；TF-FD-27S真空冷凍干燥機，上海田楓實業有限公司；DHR-1流變儀，美國TA公司；Spectrum 10傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR)儀，上海鉑金埃爾默儀器有限公司；NMI20-030H-I低場核磁共振(low field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)分析與成像系統，上海紐邁電子科技有限公司；JSM-7500F掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)，富瑞博國際有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品的制備

噴霧干燥雞蛋清粉是由雞蛋清先經過巴氏殺菌、脫糖，然后再直接噴霧干燥而得。巴氏殺菌條件：60 ℃，殺菌4 min；脫糖處理：將經過前處理的蛋清蛋白液放置于潔凈器皿，在干凈環境25 ℃自然發酵48 h脫糖；噴霧干燥條件：入口溫度分別為140、160、180 ℃，蛋清液質量濃度為290 g/L，進料速度為466 mL/h，出口溫度為顯示值，非人為控制，干燥后在4 ℃保存備用[11]。

1.3.2 流變特性的測定

將蛋清粉配制成70 g/L的蛋清液，放置適量樣品于流變儀測試平臺上，然后下降平板，下降至剪切間隙為1 050 μm時刮邊，最后測量距離在1 000 μm以下開始做實驗，采用直徑40 mm平行板測量，每次測試均需更換樣品。

1.3.2.1 靜態流變測定

設置儀器平臺溫度為25 ℃，測量剪切速率從0.01～1 000 s-1逐步遞增，研究表觀黏度的變化。采用Herschel-Bulkley模型[12]對數據進行回歸擬合，計算方法如公式(1)所示：

σ/Pa=σ0+kγn

(1)

式中：σ，剪切應力，Pa；γ，剪切速率，s-1；σ0，屈服應力，Pa；k，稠度系數，Pa/sn；n，流動特性指數。

1.3.2.2 動態黏彈性測定

設置儀器平臺溫度為25 ℃，掃描應變1%，測定頻率為0.1～100 rad/s儲能模量(G′)和損耗模量(G″)的變化[13]。

1.3.3 LF-NMR分析

試驗中應用低場核磁共振分析儀，測定條件：溫度(32±0.05)℃，將稱量(1.0±0.005) g樣品放入LF-NMR專用玻璃管中，隨后打開低場核磁共振分析軟件，對每個樣品進行信號采集。并且采用多脈沖回波序列測定樣品的弛豫時間T2，重復測定3次以補充數據[14]。

1.3.4 FT-IR分析

將干燥的KBr與待測蛋清粉按質量比100∶10充分混合，然后用瑪瑙研磨至細粉末狀后置于專用壓片機中，在60～70 N壓力下保持1 min，壓制成均勻的圓形透明薄片，空白對照為單純KBr壓片。然后使用儀器做全波段掃描(4 000～400 cm-1)，分辨率為4 cm-1，掃描次數為32。通過采用OMNIC軟件對酰胺I帶進行基線校正，平滑處理，再采用PEAK FIT軟件，在二階導數基礎上對其進行擬合處理，從而可以確定各子峰與其對應的二級結構單元之間的關系，最后根據峰面積再計算各二級結構組分的相對百分含量[15]。

1.3.5 SEM分析

將蛋清粉及對照樣分布載物臺的導電雙面膠上，然后置于SEM中觀察，選取最佳放大倍數觀察樣品的，最后選擇有代表性的區域進行觀察拍攝。

1.4 數據處理

每個樣品重復3次試驗，并進行誤差分析。采用Origin 9.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 靜態流動掃描分析

2.1.1 表觀黏度分析

不同干燥入口溫度對蛋清蛋白的靜態流動掃描的影響，如圖1所示。

圖1 不同干燥溫度對蛋清蛋白溶液表觀黏度的影響

由圖1可知，不同干燥溫度制備蛋清蛋白的表觀黏度都隨著剪切速率的增加而降低，表現出剪切變稀的非牛頓流體假塑性流動特征，這是由于剪切速率較低時，蛋清蛋白分子取向混亂，隨著剪切速率的增大，分子取向逐漸一致，表觀黏度降低。在剪切速率<1 s-1時，表觀黏度隨著剪切速率的增大而急劇下降，表現出剪切變稀的流體特征，這是因為流速場中，蛋清蛋白液形成的絮體變性。在剪切速率>1 s-1時，表觀黏度基本保持穩定。平穩時，表觀黏度由高到低分別為：140 ℃>180 ℃>160 ℃，在不同的干燥溫度中，140 ℃蛋清蛋白粉的表觀黏度最高，160 ℃蛋清蛋白粉的表觀黏度最低，這可能是由于140 ℃分子之間運動加劇，導致蛋清蛋白鏈狀大分子在液體中懸浮時發生凝結和纏繞，分子取向不一，增加固形物與流體之間的阻力，不利于流動[16]，從而表現出表觀黏度大；而160 ℃分子鏈斷裂，使得平均分子質量最小，從而導致蛋清蛋白粉表觀黏度低。

2.1.2 流變模型分析

不同干燥溫度蛋清蛋白粉靜態流變的變化曲線如圖2、表1所示。

圖2 不同干燥溫度蛋清蛋白粉靜態流變曲線

表1 不同干燥溫度蛋清蛋白粉靜態剪切曲線的擬合結果

圖2是不同干燥溫度蛋清蛋白粉的靜態剪切流變曲線，各曲線對Herrschel-Bulkey模型的擬合結果見表1。可知，不同干燥溫度蛋清蛋白粉的剪切應力隨剪切速率的的增加而增加，隨著噴霧干燥入口溫度的上升，體系所需的剪切應力逐漸減小，主要因為隨著剪切速率的增大，蛋清蛋白溶液的流速加快，速度梯度隨之變大，導致纏繞在一起的大分子物質發生變形或解體，從而剪切應力也隨之降低。

根據Herrschel-Bulkey對流變數據點進行擬合，結果顯示所有的曲線R2>0.99，說明不同干燥溫度蛋清蛋白粉對Herrschel-Bulkey模型具有很好的相關性，擬合精度較高，模型較好。由表1可知，所有樣品的流體指數n<1，表明樣品均呈假塑性流體，具有剪切變稀性。在不同干燥溫度中，140 ℃蛋清蛋白粉的n值最小，流體表現出的假塑性最強，這與穩態表觀黏度曲線的變化趨勢相對應。剪切稀化的現象對食品加工過程有重要影響，在物料體系中通過設置不同的噴霧干燥溫度，改善其流變性能，適宜于高剪切速率下加工，改進物料輸送和優化工藝條件，使能量消耗減少，能夠更加易于產品加工。

2.2 動態頻率掃描分析

不同干燥入口溫度對蛋清蛋白的動態流動掃描的影響，如圖3所示。

a-儲能模量；b-損耗模量

在整個頻率范圍內，3種不同干燥溫度蛋清蛋白粉的儲能模量(G′)和損耗模量(G″)隨角頻率均成規律性的逐漸增加，3個樣品的G′均高于G″，這表明所有樣品的彈性大于黏性，即樣品中彈性成分更突出，表現出黏彈性固體的性質[17]。

在頻率增大的過程中，3個樣品在0.836 2～20 Hz的低頻率范圍內，G′和G″急劇上升，達到20 Hz后上升的趨勢變慢。在頻率增大的過程中，3個樣品的G′、G″的變化基本趨向一致。這與KANG等[18]研究結果一致。說明此弱凝膠體系在低頻條件下體現出較好的彈性體性質，進一步驗證干燥溫度影響弱凝膠結構的強韌度。在20～78.53 Hz的高頻區隨著頻率增加，G′出現陡增趨勢，表明高頻區各樣品結構容易被破壞，產生切流變行為。在高頻區G′的穩定性大小：160 ℃>140 ℃>180 ℃，這是由干燥溫度引起蛋白質聚集、交聯，使黏性膠體轉變為有彈性的凝膠網絡結構所致。

2.3 LF-NMR分析

不同干燥入口溫度對蛋清蛋白弛豫時間的影響，如圖4、表2所示。

圖4 蛋清蛋白粉橫向弛豫時間T2變化的三維瀑布圖

表2 不同干燥溫度對蛋清蛋白弛豫時間(T2)值變化的影響

如圖4所示，3種不同干燥入口溫度下制備蛋清蛋白粉的圖譜上均有3個峰，代表樣品中水分的不同存在狀態，T21(0.01～5 ms)表示結合水，其是指與蛋白分子內部緊密結合的水質子；T22(5～20 ms)表示吸附水，其是指與蛋白分子表面結合的水質子；T23(20～1 000 ms)表示自由水，其是指蛋白質分子周圍的游離水質子。另外，隨著干燥溫度的增加，信號幅值不斷降低，水分逐漸被脫除。說明干燥溫度能為蛋清蛋白的水質子提供能量，減弱與蛋白分子內部結合緊密的水分的吸附力，從而提高水分的遷移能力。觀察結合水、自由水的水分狀態分布可以發現，隨著干燥溫度的不斷提高，自由水逐漸減少，且波峰逐漸往左偏移，表明蛋清蛋白在干燥過程中隨著水分不斷散失，蛋清蛋白內部自由水數量不斷減少，自由水在蛋清蛋白內部流動性減弱，可遷移性降低。

由表2可知，在3種干燥溫度條件下，結合水(T21)和吸附水(T22)峰比例顯著增加(P<0.05)，在180 ℃下T21和T22峰比例比其他2個溫度下都高，T21峰比例增加意味著結合水的比例增加，這可能是由于總體上水分質量的減少引起的，也可理解為隨著干燥溫度的升高，自由水被脫除后，吸附水開始逐漸減少，一部分吸附水向外遷移為與蛋白質大分子緊密結合的結合水[19]，導致結合水比例增大。此外，T22峰比例升高意味著吸附水比例的增大幅度較明顯，隨著脫水的進行，高自由度水分向低自由度水分的遷移轉化速率加快[20]。

干燥溫度對自由水(T23)峰比例有顯著影響。自由水(T23)峰比例顯著降低(P<0.05)，在180 ℃下T23峰比例比其他2個溫度下都低，可能是因為當干燥溫度升高時，自由水含量在起始位置仍未變化，甚至由于不可移動水的轉化還有一些增加。隨著干燥的持續進行，不可移動水的含量大大減少，自由水含量也大大降低，這是由于水分受熱蒸發散失所致。說明提高干燥溫度使干燥介質產生了更多熱能，提高自由水的內能及流動性，從而加快自由水的遷移與脫除，這與王雪媛等[21]研究結果相一致。通過干燥過程中各組分水比例的變化，可以看出不同干燥溫度對蛋清蛋白內部水分遷移的影響不同。

此外，3個樣品的T2峰面積總和存在顯著差異(P<0.05)，可能是干燥損失、干燥溫度及干燥后處理樣品等因素所導致的。

2.4 FT-IR分析

利用傅里葉紅外光譜儀對不同干燥溫度制備的蛋清蛋白進行全波段掃描，結果如圖5、表3所示。

圖5 不同干燥溫度條件下蛋清蛋白FT-IR譜圖

表3 蛋清蛋白粉的二級結構含量(紅外光譜)

結合表3可知，蛋清蛋白粉的二級結構以β-折疊和β-轉角為主，隨著噴霧干燥溫度的升高蛋清蛋白粉二級結構發生變化，β-折疊和β-轉角呈上升趨勢，干燥溫度在160 ℃時升到最高27.38%和30.12%，主要因為β-折疊結構含量增加與卵轉鐵蛋白熱變性有關，所以當蛋清蛋白中的卵轉鐵蛋白發生了熱變性并促進分子間的聚集時，β-折疊和β-轉角含量增加；干燥溫度在180 ℃時有所下降，可能是隨著溫度繼續升高，卵轉鐵蛋白進一步形成更大的熱聚合物，導致內部疏水基團暴露，表面疏水作用力增強[24]，樣品結構形成熱聚集體，分子間的β-折疊結構易轉變為β-轉角結構。α-螺旋呈下降趨勢，干燥溫度在180 ℃時達到最低值17.62%。可能是因為隨著干燥溫度的升高，蛋清蛋白的結構穩定性降低，其熱變性導致α-螺旋中的氫鍵斷裂，發生解螺旋現象，從而導致α-螺旋結構比例降低[26]。無規卷曲呈上升趨勢，干燥溫度在160 ℃時升到最高21.97%，結果表明蛋清蛋白部分有序結構逐漸向無規卷曲結構轉化，蛋白變性明顯，其結構的隨機性增強[27]。干燥溫度在180 ℃時，無規卷曲結構比例反而下降，其原因可能是構象改變、轉化等所致。T2峰面積總和存在顯著差異(P<0.05)，噴霧干燥溫度可以降低蛋清蛋白粉的水分含量，隨著噴霧干燥溫度升高，能夠明顯提高干燥效率，改變蛋清蛋白中水的結合狀態和水分分布。

2.5 SEM分析

對不同干燥溫度制備的蛋清蛋白粉進行掃描電鏡分析，結果見圖6。

a-140 ℃;b-160 ℃;c-180 ℃

由圖6可知，干燥溫度140 ℃下處理的蛋清蛋白的表面顆粒(圖6-a)呈現完整的球狀圓形外部結構，孔徑處圓滑凹陷，而將干燥溫度提高到160 ℃后(圖6-b)，蛋清蛋白的表面出現許多孔隙，略微凹凸不平，但仍然保持完整的顆粒結構；當干燥溫度達到180 ℃時(圖6-c)，蛋清蛋白表面完整性遭到破壞，邊界不明顯，呈破損狀。這些微觀形貌的變化可能是由于噴霧干燥過程中水分脫除速度、剪切力等致使蛋白質分子間的氫鍵和范德華力發生斷裂，破壞蛋白質分子之間的交聯。毛瑩等[28]研究噴霧干燥粉末出現的結構特征可能與樣品的水分含量、操作溫度、進料速率有關，與我們的研究結果相一致。有研究指出，蛋清蛋白的微觀結構與其持水性關系密切，多孔洞球狀結構更易于溶解。

3 結論

針對不同噴霧干燥入口溫度(140、160、180 ℃)制備的雞蛋清蛋白流變和結構特性的研究，發現蛋清蛋白溶液經干燥溫度處理后可使表觀黏度下降，且表觀黏度隨噴霧干燥溫度的增加而降低，表觀黏度由高到低分別為：140 ℃>180 ℃>160 ℃，不同干燥溫度蛋清蛋白溶液的剪切應力隨剪切速率的的增加而增加，噴霧干燥溫度越高，G′和G″越小，在高頻區G′的穩定性大小：160 ℃>140 ℃>180 ℃。隨著干燥溫度的逐漸升高，蛋清蛋白粉在干燥過程中水分不斷散失，蛋清蛋白粉內部自由水數量不斷減少，尤其是180 ℃蛋清蛋白粉的弛豫峰譜最為顯著；隨著噴霧入口溫度升高，蛋清蛋白的紅外圖譜發生紅移，三者的α-螺旋結構、β-折疊結構和β-轉角結構含量均呈現先增加后減少的變化趨勢，蛋清蛋白粉由顆粒完整的球狀結構逐漸變為多孔隙破損狀形態。因此，通過調節干燥溫度，可制備出不同特性的高品質蛋清粉，對比3種不同蛋清粉樣品可知，160 ℃蛋清蛋白粉的作用效果更加明顯，可以更有效地改善蛋清蛋白的流變特性。