噴霧干燥對(duì)蛋黃粉功能特性的影響

昂 媛 段 續(xù),2 曹偉偉 任廣躍,2 王 喆 李琳琳

(1. 河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；2. 糧食儲(chǔ)藏安全河南省協(xié)同中心，河南 鄭州 450001)

蛋黃是雞蛋中帶有胚盤的部分，又稱卵黃。蛋黃中含有豐富的脂肪，包括中性脂肪、卵磷脂、膽固醇等，也含有豐富的鈣、磷、鐵等礦物質(zhì)和維生素[1]。此外，蛋黃中還含有豐富的蛋白質(zhì)，其中的卵黃抗體(Immunoglobulin of yolk, IgY)即卵黃免疫球蛋白，是一種高生物價(jià)的蛋白質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和生物領(lǐng)域，可用于治療和預(yù)防人類及動(dòng)物疾病[2-4]。

蛋黃液中含有大量的水，將蛋黃液中的水分降至極低的水平不僅能抑制微生物的生長(zhǎng)和減慢化學(xué)反應(yīng)的速度，解決新鮮雞蛋容易變質(zhì)和破損的問題，脫水后還便于貯藏和運(yùn)輸，降低了銷售成本[5-6]。蛋黃粉是以新鮮蛋黃為原料，采用干燥技術(shù)制備而成的粉制品，是卵黃抗體粉開發(fā)的重要形式，具有廣泛的用途[7]。目前主要采用噴霧干燥和真空冷凍干燥來制備蛋黃粉，少部分采用真空干燥、托盤干燥和滾筒干燥[8]。劉靜波等[9]制備了一種速溶蛋黃粉，當(dāng)噴霧流量為17.37 mL/min，進(jìn)料溫度為35.65 ℃，進(jìn)風(fēng)溫度為185.36 ℃時(shí)，速溶蛋黃粉溶解度為98.74 g/100 g，且顆粒結(jié)構(gòu)較完整，穩(wěn)定性較好，具有良好的復(fù)原性；王清平等[10]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)巴氏殺菌(65 ℃下滅菌5 min)后進(jìn)行噴霧干燥(進(jìn)風(fēng)溫度170 ℃，出口風(fēng)溫68～70 ℃)，此時(shí)對(duì)IgY活性的影響非常小，且蛋黃粉水分含量達(dá)標(biāo)；程方圓[11]發(fā)現(xiàn)，噴霧干燥蛋黃粉的最佳工藝參數(shù)為進(jìn)口風(fēng)溫180 ℃、蛋液質(zhì)量濃度0.25 g/mL、進(jìn)料流量7.4 g/min、抽氣流量10 L/min。目前，有關(guān)噴霧干燥制備蛋黃粉的研究主要考察溶解度、出粉率、蛋白質(zhì)含量和磷脂含量等指標(biāo)，對(duì)IgY含量、表面疏水性、持油性及持水性、乳化能力及乳化穩(wěn)定性等功能特性的研究較少。

研究擬以鮮雞蛋為原料，采用噴霧干燥方法制備蛋黃粉，分析不同干燥參數(shù)對(duì)蛋黃粉中IgY抗體含量及其結(jié)構(gòu)的影響；分析不同工藝條件對(duì)蛋黃粉溶解度和乳化性等功能特性的影響，以期為蛋黃粉在飼料領(lǐng)域、功能性食品及生物制藥領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅殼雞蛋：未受精，單個(gè)約60 g，市售；

ELISA試劑盒：中國上海鈺博生物技術(shù)有限公司；

PBS(pH 7.4)、溴酚藍(lán)(分析純)：中國天津迪安化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

噴霧干燥機(jī)：YC-015實(shí)驗(yàn)型，上海雅程儀器設(shè)備有限公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：101-2型，北京科偉永興儀器有限公司；

臺(tái)式高速離心機(jī)：TG16-WS型，湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司；

紫外可見分光光度計(jì)：UV-2600型，龍尼柯(上海)儀器有限公司；

數(shù)顯磁力加熱攪拌器：HJ-6A型，常州普天儀器制造有限公司；

掃描電子顯微鏡：TM3030Plus型，日本日立高新技術(shù)公司；

電子天平：A.2003N型，上海佑科儀器儀表有限公司；

酶標(biāo)儀：Multiskan FC型，賽默飛世爾儀器有限公司；

色差儀：Xrite color i5型，美國愛色麗公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 蛋黃預(yù)處理

紅殼雞蛋→洗凈→打蛋、蛋清分離→加水?dāng)嚢?V蛋黃液∶V蒸餾水為1∶2)→噴霧干燥→出粉→冷卻→包裝

1.3.2 噴霧干燥單因素試驗(yàn)及組合試驗(yàn) 控制進(jìn)料流量600 mL/h，調(diào)節(jié)進(jìn)口風(fēng)溫為100，120，140，160，180 ℃進(jìn)行單因素試驗(yàn)；控制進(jìn)口風(fēng)溫140 ℃，調(diào)節(jié)進(jìn)料流量為400，500，600，700，800 mL/h進(jìn)行單因素試驗(yàn)。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上按表1進(jìn)行最優(yōu)參數(shù)組合試驗(yàn)，以IgY含量和溶解度為指標(biāo)。

1.3.3 IgY含量測(cè)定 采用酶聯(lián)免疫分析試劑盒進(jìn)行測(cè)定。

表1 組合試驗(yàn)參數(shù)

1.3.4 溶解度測(cè)定 根據(jù)GB 5413.29—2010并稍作修改，按式(1)計(jì)算樣品溶解度。

(1)

式中：

X——樣品溶解度，g/100 g；

m——樣品質(zhì)量，g；

m1——稱量皿質(zhì)量，g；

m2——稱量皿和不溶物干燥后質(zhì)量，g。

1.3.5 水分含量測(cè)定 根據(jù)GB 5009.3—2016中的直接干燥法。

1.3.6 出粉率測(cè)定 根據(jù)陳珂等[12]的方法并稍作修改，按式(2)計(jì)算出粉率。

(2)

式中：

c——樣品出粉率，%；

m1——干燥后粉末固形物質(zhì)量，g；

m2——進(jìn)料溶液中總固形物質(zhì)量，g。

1.3.7 微觀結(jié)構(gòu)表征 采用TM3030 Plus掃描電子顯微鏡進(jìn)行測(cè)定，用鑷子將待測(cè)蛋黃粉均勻涂在粘有雙面膠的測(cè)量臺(tái)上，用鍍膜儀進(jìn)行離子濺射噴金，將處理好的蛋黃粉在15 kV加速電壓下進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征[9]。

1.3.8 色差測(cè)定 采用色差儀測(cè)定干燥后樣品的L*(亮度)、a*(紅綠值)和b*(黃藍(lán)值)，每組樣品測(cè)定3次，取平均值。

1.3.9 傅里葉變換中遠(yuǎn)紅外法(FT-IR) 將蛋黃粉樣品按質(zhì)量比1∶100加入到研磨好的干燥溴化鉀中，在鎢光燈下研磨均勻，用便攜式壓片機(jī)壓成均勻透明的圓狀薄片，用傅里葉變換中遠(yuǎn)紅外儀進(jìn)行紅外光譜全波段掃描(4 000～400 cm-1)，掃描頻次64次，分辨率4 cm-1，每個(gè)樣品測(cè)定3次。

1.3.10 表面疏水性測(cè)定 根據(jù)Shen等[13]的方法并稍作修改。取1 mL溶解后的蛋黃粉液加入200 μL溴酚藍(lán)溶液(1 mg/mL)渦旋混勻，室溫下靜置10 min，作為樣品組。用1 mL去離子水代替1 mL溶解后的蛋黃粉溶液和200 μL溴酚藍(lán)溶液渦旋混勻，作為空白對(duì)照組。10 000 r/min 離心15 min，取上清液稀釋10倍，測(cè)定595 nm 處吸光值，按式(3)計(jì)算表面疏水性。

(3)

式中：

X——溴酚藍(lán)結(jié)合量，μg；

A0——空白組吸光度；

A1——樣品組吸光度。

(4)

式中：

ω——持水性或持油性，g/g；

m1——離心管和樣品的質(zhì)量，g；

m2——離心后離心管和沉淀的質(zhì)量，g。

1.3.12 乳化能力及乳化穩(wěn)定性測(cè)定 根據(jù)王家鑌等[15]的方法并稍作修改。取0.5 g蛋黃粉，加入10 mL水。移取1 mL蛋黃粉液和1 mL氯化鈉溶液，加入0.5 mL色拉油，加塞，渦旋3 min使其形成乳化液。3 000 r/min離心10 min，記錄乳化層體積。測(cè)定3次取平均值，并按式(5)計(jì)算乳化性。

(5)

式中：

W——乳化性，%；

V1——乳化層體積，mL；

V2——總體積，mL。

將上述乳化液于60 ℃水浴30 min，靜置，冷卻，3 000 r/min 離心10 min，記錄乳化層體積。測(cè)定3次取平均值，并按式(6)計(jì)算乳化穩(wěn)定性。

(6)

式中：

E——乳化穩(wěn)定性，%；

V1——乳化層體積，mL；

V2——總體積，mL。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Excel 2019、Origin 2018軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析，結(jié)果以平均值或平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示；使用IBM SPSS Statistics 26.0進(jìn)行顯著性分析和相關(guān)性分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 蛋黃粉的IgY含量

由圖1可知，隨著進(jìn)口風(fēng)溫的升高，IgY含量逐漸降低；隨著進(jìn)料流量的增加，IgY含量逐漸升高。在120 ℃、700 mL/h下，IgY含量最高[(18.51±0.24) mg/g]；在160 ℃、500 mL/h下，IgY含量最低[(13.82±0.46) mg/g]。當(dāng)進(jìn)口風(fēng)溫為140 ℃時(shí)，隨著進(jìn)料流量的升高，IgY含量略有升高，但無顯著性變化(P>0.05)，與譚佩毅等[16]的結(jié)果一致，主要是因?yàn)檫M(jìn)口風(fēng)溫高、進(jìn)料流量小時(shí)，蛋黃粉受熱面積大、時(shí)間長(zhǎng)易產(chǎn)生焦糊現(xiàn)象，蛋白質(zhì)變性增多，抗體損失嚴(yán)重，影響品質(zhì)；而進(jìn)口風(fēng)溫低、進(jìn)料速度快時(shí)，蛋黃粉的受熱時(shí)間短，蛋白質(zhì)變性減少，對(duì)抗體含量的影響減小，但蒸發(fā)效果不徹底會(huì)導(dǎo)致蛋黃粉的出粉率較低。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)圖1 噴霧干燥參數(shù)對(duì)蛋黃粉IgY含量的影響

2.2 理化特性

由表2可知，蛋黃粉的溶解性在不同噴霧干燥參數(shù)下發(fā)生了顯著性變化。隨著進(jìn)口風(fēng)溫和進(jìn)料流量的逐漸升高，蛋黃粉的溶解度呈先快速增加后下降的趨勢(shì)，在120 ℃、500 mL/h下，溶解度為(43.19±0.74)%；在140 ℃、160 mL/h下，溶解度達(dá)最大值(62.02±0.56)%，與120 ℃、500 mL/h時(shí)相比提高了18.83%。這可能是當(dāng)進(jìn)口風(fēng)溫過低、進(jìn)料流量過快時(shí)，蛋黃粉受熱不充分，噴霧干燥不徹底，部分半干顆粒含水率較高，易結(jié)塊難溶解；當(dāng)溫度升高時(shí)，高溫會(huì)在一定程度上誘導(dǎo)蛋白質(zhì)變性，一定程度上增加其溶解性；當(dāng)進(jìn)口風(fēng)溫過高、進(jìn)料流量過小時(shí)，蛋黃粉長(zhǎng)時(shí)間暴露于高溫下，更多的蛋白質(zhì)展開，疏水性基團(tuán)暴露，從而降低蛋黃粉的溶解性[17]。

由表2可知，隨著進(jìn)口風(fēng)溫的升高，蛋黃粉的水分含量顯著降低；隨著進(jìn)料流量的增大，蛋黃粉的水分含量顯著升高。所有參數(shù)下蛋黃粉水分含量均<5.5%，不利于微生物生長(zhǎng)，延長(zhǎng)了蛋黃粉的貯藏時(shí)間。在160 ℃、600 mL/h下，出粉率最高(72.63±0.42)%，是因?yàn)檫M(jìn)料流量過小會(huì)導(dǎo)致蛋黃粉受熱時(shí)間長(zhǎng)，蛋白質(zhì)變性使料液黏稠，而進(jìn)料流量過快則會(huì)導(dǎo)致蛋黃粉干燥不徹底，含水率高而結(jié)塊，兩種情況均會(huì)使蛋黃粉粘壁而降低出粉率。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

由圖2可知，噴霧干燥得到的蛋黃粉粉體為球狀，表面整體結(jié)構(gòu)完整，可觀察到球形蛋黃粉顆粒。120 ℃下，蛋黃粉顆粒大小不均勻，表面出現(xiàn)較大的團(tuán)聚體，相互堆積緊密結(jié)合，導(dǎo)致蛋黃粉易結(jié)塊溶解度低；140 ℃下，蛋黃粉顆粒分布均勻且粉體間具有大小適中的孔隙，對(duì)水具有較好的容納能力，因此具有良好的溶解度和分散性[18]；160 ℃下，由于溫度過高，部分不可溶性顆粒溶出，使蛋黃粉溶解度下降。部分顆粒表面凹陷呈類紅細(xì)胞狀，可能是由于噴霧干燥瞬時(shí)溫度高，顆粒水分迅速蒸發(fā)而導(dǎo)致蛋黃粉內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損，為噴霧干燥常見的問題。王家鑌等[15]發(fā)現(xiàn)，冷凍干燥得到的蛋黃粉粉體為不規(guī)則塊狀，表面粗糙，大小分布不均勻且分子間孔隙較大，而噴霧干燥蛋黃粉顆粒分布均勻，為球體狀，顆粒之間空隙大小適中，與試驗(yàn)結(jié)果相同。

表2 噴霧干燥參數(shù)對(duì)蛋黃粉理化特性的影響?

圖2 不同噴霧干燥參數(shù)下蛋黃粉的掃描電鏡圖Figure 2 SEM images of egg yolk powder under different spray drying parameters

2.4 色差分析

由表3可知，隨著進(jìn)口風(fēng)溫的升高，L*值呈上升趨勢(shì)，說明進(jìn)口風(fēng)溫的升高顯著提高了蛋黃粉的亮度，a*值和b*值呈下降趨勢(shì)，表明蛋黃粉的顏色變淺；隨著進(jìn)料流量的增加，L*值呈下降趨勢(shì)，是因?yàn)檫M(jìn)料流量高導(dǎo)致水分分布不均勻，蛋黃粉局部焦糊顏色變暗，a*值和b*值呈先上升后下降趨勢(shì)，說明蛋黃粉的顏色由深變淺[19]。

表3 不同噴霧干燥參數(shù)下蛋黃粉的色澤?

2.5 二級(jí)結(jié)構(gòu)分析

由表4可知，不同噴霧干燥參數(shù)下，蛋白質(zhì)α-螺旋和無規(guī)則卷曲含量變化明顯，β-折疊及β-轉(zhuǎn)角含量無明顯變化。這是因?yàn)楦邷厥沟鞍追肿酉噜忞逆溨g的氫鍵受到破壞，蛋白質(zhì)分子內(nèi)α-螺旋結(jié)構(gòu)隨之展開并形成松散的無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)[23]。結(jié)合圖1可知，抗體含量的變化與蛋黃粉二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化密切相關(guān)，隨著進(jìn)口風(fēng)溫的升高，蛋白質(zhì)中α-螺旋結(jié)構(gòu)展開，IgY含量逐漸下降，說明抗體含量的變化與蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)中α-螺旋含量有關(guān)。結(jié)合表5可知，無規(guī)則卷曲含量越小，α-螺旋含量越高，表面疏水性越低；無規(guī)則卷曲含量越高，α-螺旋含量越小，表面疏水性越高[24]。抗體含量變化與無規(guī)則卷曲含量變化呈負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為-0.93)，與α-螺旋含量變化呈正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.93)；表面疏水性變化與無規(guī)則卷曲含量變化呈正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.78)，與α-螺旋含量變化呈負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為-0.75)；抗體含量和表面疏水性與β-折疊和β-轉(zhuǎn)角含量變化均無明顯線性關(guān)系。

表4 不同噴霧干燥參數(shù)下蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)變化

2.6 功能特性分析

2.6.1 表面疏水性 由表6可知，表面疏水性隨進(jìn)口風(fēng)溫的增加呈上升趨勢(shì)，可能是因?yàn)?20 ℃時(shí)，蛋黃粉分子間表面脂蛋白聚集，部分疏水基團(tuán)被包裹在蛋白內(nèi)部導(dǎo)致表面疏水性低[25]，隨著進(jìn)口風(fēng)溫的升高，蛋白質(zhì)變性，結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，維持蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的作用力逐漸減弱，蛋白質(zhì)緩慢展開，分子內(nèi)部的疏水性氨基酸殘基暴露，這些疏水性基團(tuán)暴露在蛋白質(zhì)表面，顯著增加了蛋黃粉的表面疏水性，說明熱處理過程中蛋白表面疏水性的變化開始為隨溫度的升高逐漸增大，當(dāng)疏水性殘基完全暴露于極性環(huán)境后，表面疏水性變化不再顯著，與Benjakul等[26]的結(jié)果一致。

表5 相關(guān)性分析

2.6.2 持水性及持油性 由表6可知，在140 ℃、500 mL/h 時(shí)，持水性和持油性均最高，分別為(3.87±0.01)，(3.19±0.03) g/g。這是因?yàn)槭軣釡囟雀摺⑹軣釙r(shí)間長(zhǎng)會(huì)使蛋白質(zhì)分子解聚形成較小顆粒的亞基粒子，這些亞基粒子在一定程度上延伸，暴露出蛋白質(zhì)內(nèi)部的極性基團(tuán)，增強(qiáng)了蛋白質(zhì)分子的表面電荷分布，改變了蛋白分子表面的持水/持油性，增加了蛋白質(zhì)分子的粒徑和促進(jìn)了油滴的聚集。

2.6.3 乳化能力及乳化穩(wěn)定性 由表6可知，隨著進(jìn)口風(fēng)溫和進(jìn)料流量的增大，蛋黃粉的乳化性和乳化穩(wěn)定性均呈上升趨勢(shì)。這可能是由于120 ℃時(shí)，蛋白質(zhì)亞基以聚集形式存在于界面上，蛋白質(zhì)堆積導(dǎo)致乳化性及乳化穩(wěn)定性低，而進(jìn)口風(fēng)溫升高至160 ℃時(shí)，蛋白質(zhì)變性結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，蛋白質(zhì)展開露出巰基和疏水基團(tuán)，促進(jìn)乳液中油滴形成凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高了蛋黃粉的乳化能力和乳化穩(wěn)定性[27]。Kiosseoglou[28]認(rèn)為，除蛋白質(zhì)本身性質(zhì)外，蛋白質(zhì)排列變?yōu)闊o序狀態(tài)時(shí)可以更有效地參與油水界面膜的形成，有利于蛋白質(zhì)乳化活力的提高，與試驗(yàn)結(jié)果一致。

表6 噴霧干燥參數(shù)對(duì)蛋黃粉功能特性的影響?

3 結(jié)論

蛋黃粉的卵黃抗體含量隨進(jìn)口風(fēng)溫的升高呈下降趨勢(shì)，表明高溫使蛋白質(zhì)變性，抗體含量損失嚴(yán)重，噴霧干燥蛋黃粉的最佳參數(shù)為進(jìn)口風(fēng)溫140 ℃、進(jìn)料流量600 mL/h。該條件下，蛋黃粉的卵黃抗體含量為17.71 mg/g，溶解度為61.97%，出粉率為36.46%，水分含量為3.8%，且粉體結(jié)構(gòu)完整，可觀察到球形蛋白質(zhì)分子聚合物，分布均勻且孔隙間距適中，同時(shí)表現(xiàn)出良好的表面疏水性、持水性及持油性和乳化能力及乳化穩(wěn)定性等功能特性，說明通過改變噴霧干燥參數(shù)，能夠在保證蛋黃粉抗體含量的同時(shí)，使蛋黃粉保持良好的理化性質(zhì)和功能特性，切實(shí)提高了噴霧干燥蛋黃粉的品質(zhì)。此外，添加熱保護(hù)劑可以對(duì)蛋黃粉中活性物質(zhì)進(jìn)行保護(hù)，從而提高活性IgY的保留量，維持蛋黃粉中蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。后續(xù)將進(jìn)一步研究添加不同熱保護(hù)劑對(duì)噴霧干燥蛋黃粉抗體含量、結(jié)構(gòu)和功能特性的影響。