史勝娟，劉麗莉，張孟軍，郝威銘，李媛媛，楊曉盼

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

雞蛋清中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，雞蛋中的氨基酸模式最符合人體內(nèi)氨基酸模式，是人類優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的來源。但由于雞蛋的保質(zhì)期較短，容易發(fā)生變質(zhì)，會(huì)造成蛋白質(zhì)的浪費(fèi)。所以，通過一定的干燥方式對其進(jìn)行處理，可以更好地保存，提高其食用價(jià)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(dāng)?shù)母稍锓绞綄﹄u蛋清進(jìn)行干燥處理，開發(fā)出具有更高凝膠特性的雞蛋清粉，對于拓展其應(yīng)用領(lǐng)域具有非常重要的市場價(jià)值[1]。

近年來，微波真空冷凍干燥技術(shù)已引起了國內(nèi)外食品研究人員的廣泛關(guān)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(jié)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(dú)使用冷凍干燥得到粉底顏色更好。湯夢情等[10]研究結(jié)果表明，微波干燥后再進(jìn)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(zhì)和總糖的保留量低于真空冷凍干燥。任廣躍等[11]研究發(fā)現(xiàn)，對懷山藥采用微波處理，并結(jié)合真空冷凍干燥技術(shù)，可以得到的更高品質(zhì)的干燥制品。AHMET等[12]發(fā)現(xiàn)蘋果采用間歇式微波真空干燥技術(shù)干燥，得到的干制品中蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)含量較高。但目前微波真空冷凍干燥技術(shù)在雞蛋清粉干燥中未見報(bào)道。

低場核磁共振(low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR)技術(shù)是通過觀察食品在不同工藝過程中氫質(zhì)子的弛豫行為，研究樣品中水分的分布狀態(tài)和變化規(guī)律。目前有很多學(xué)者對低場核磁共振技術(shù)進(jìn)行了研究[13-17]。隋思瑤等[18]以低場核磁共振技術(shù)為檢測手段，研究了粳米在凍融過程中的水分變化規(guī)律，結(jié)果表明，大米在15 ℃時(shí)含有的自由水最少，此時(shí)的大米最適宜貯藏。冷凍大米能夠進(jìn)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(jié)合類型的轉(zhuǎn)化和水分遷移，并得出在干燥時(shí)，水分從胚乳轉(zhuǎn)移到表皮。李定金等[20]利用低場核磁共振技術(shù)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(shí)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(dǎo)致物料表面出現(xiàn)焦化。吉琳琳等[21]發(fā)現(xiàn)偏最小二乘法和誤差反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可以有效預(yù)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(guī)律，結(jié)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(nèi)部水分的變化規(guī)律是近年來研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[23]，采用微波真空冷凍干燥技術(shù)探究雞蛋清干燥過程中內(nèi)部水分遷移規(guī)律的文章未見報(bào)道。本文以雞蛋清為研究對象，采用微波真空冷凍干燥技術(shù)并結(jié)合低場核磁共振技術(shù)探究雞蛋清在不同微波功率條件下水分的遷移規(guī)律，并通過掃描電子顯微鏡觀察雞蛋清凝膠微觀結(jié)構(gòu)。以期能為干燥出更高品質(zhì)的雞蛋清提供相關(guān)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(gè)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(shí)業(yè)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

微波真空冷凍干燥機(jī)，實(shí)驗(yàn)室自制；102-2型電熱鼓風(fēng)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(jī)自制，設(shè)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(yù)凍后備用。微波真空冷凍干燥之前，應(yīng)先降低干燥室內(nèi)的制冷溫度，待溫度降至-40 ℃后放入質(zhì)量約為200 g的物料。之后，開啟真空泵并將真空度設(shè)置為160 Pa。當(dāng)物料表面溫度和中心溫度降至-15 ℃以下啟動(dòng)微波系統(tǒng)，設(shè)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(zhì)量，待最終產(chǎn)品達(dá)到恒重0.12 g/g(濕基)后結(jié)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(jìn)行。在常壓下，將雞蛋清粉放入105 ℃恒溫干燥箱內(nèi)，待干燥物料質(zhì)量恒重時(shí)，結(jié)束干燥。每次實(shí)驗(yàn)取3次平行實(shí)驗(yàn)的平均值，水分含量、干燥速率、水分比(moisture ratio，MR)的計(jì)算分別如公式(1)、公式(2)、公式(3)所示：

(1)

式中：Xt為t時(shí)刻物料水分含量，g/g；mt為t時(shí)刻試樣的質(zhì)量，g；mg為試樣干燥后的質(zhì)量，g。

(2)

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

(3)

式中：Xt為物料t時(shí)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(yīng)用中常忽略不計(jì)，因此，物料MR的計(jì)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(zhì)子與弛豫時(shí)間有較好的相關(guān)性，氫質(zhì)子所處環(huán)境的變化會(huì)引起弛豫時(shí)間的變化，通過收集橫向弛豫時(shí)間T2信號，反演得到T2圖譜。參數(shù)設(shè)為：主頻21 MW，偏移頻率303.421 kW，采樣點(diǎn)數(shù)200 010，采樣頻率200.0 kW，采樣間隔時(shí)間300 ms，回波個(gè)數(shù)5 000，回波時(shí)間180 gs，累加次數(shù)128。

LF-NMR技術(shù)通過研究橫向弛豫時(shí)間T2的變化來研究樣品中水分的狀態(tài)及其遷移規(guī)律。在雞蛋清干燥過程中，通過弛豫時(shí)間可將水分可分為3種形態(tài)，其分別對應(yīng)T2反演譜圖中的3個(gè)波峰，不同形態(tài)水分的相對含量用每個(gè)峰的積分面積表示。3個(gè)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(xué)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?zhàn)鳛閷φ眨瑴y試參數(shù)：氮?dú)饬魉僭O(shè)定20 mL/min，升溫速率設(shè)定10 ℃/min，并在20～150 ℃溫度范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)

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?jǐn)?shù)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(jìn)行干燥處理。噴金后，用掃描電鏡觀察凝膠樣品。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所涉及到的測定結(jié)果均做3次重復(fù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Origin 8.5軟件作圖，用SPSS軟件進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥過程中雞蛋清內(nèi)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(shí)間的變化

在干燥過程中，3種狀態(tài)水分的弛豫時(shí)間T2由大到小為T23>T22>T21；T2對應(yīng)的峰面積分別記為A23、A22、A21?？筛鶕?jù)T2馳豫時(shí)間的長短，判斷水分的分布狀態(tài)。弛豫時(shí)間越長，說明水分的自由度越大，峰面積越大，流動(dòng)性越大，越容易被脫除；相反，弛豫時(shí)間越短，說明水分的自由度越小，峰面積越小，動(dòng)力學(xué)活性越小，不易被脫除。根據(jù)橫向弛豫時(shí)間T2的變化可以得出T23為自由水、T22為弱結(jié)合水、T21為結(jié)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，自由度高的水分在干燥一段時(shí)間后會(huì)向自由度低的水分轉(zhuǎn)化，曲線整體向左移動(dòng)，峰面積不斷減小，即該狀態(tài)下的水分含量也隨之不斷減少。

圖1中A23遠(yuǎn)大于A21，這說明雞蛋清中的水主要以自由水的形態(tài)存在，結(jié)合水占比較小。隨著干燥的進(jìn)行，在微波功率作用下A23向左移動(dòng)并呈現(xiàn)一直下降的趨勢，這是因?yàn)楦稍镩_始后流動(dòng)性最大的自由水最先被除去，導(dǎo)致其峰面積減小。之后隨著干燥的進(jìn)行，物料吸收較多的輻射能，弱結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水逐漸流失，導(dǎo)致A22峰面積也逐漸減小。雞蛋清中結(jié)合水含量較少，在干燥過程中隨著弱結(jié)合水的轉(zhuǎn)化A21峰值會(huì)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(tài)的影響

自由水分是指在物料內(nèi)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(shí)間的延長自由水峰面積呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

自由水在干燥初期90 min內(nèi)下變化不大，下降較為緩慢，這與朱文學(xué)等[23]研究發(fā)現(xiàn)一致，這是可能是因?yàn)楦稍锴捌谖锪媳砻嫠职l(fā)生汽化，此時(shí)干燥為降速階段，內(nèi)部水分向外擴(kuò)散的速度小于表面汽化的速度。物料內(nèi)部自由水需要一段時(shí)間才能擴(kuò)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?yàn)殡u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(shí)間的延長微波輻射穿透物料時(shí)，物料表面大量的自由水被迅速除去。微波功率為300 W時(shí)，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?dāng)U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(shí)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(shí)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(jié)合水分狀態(tài)的影響

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

圖3 不同微波功率條件下弱結(jié)合水峰面積隨時(shí)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(jié)合水的峰面積呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢。出現(xiàn)增大的原因，一方面可能是因?yàn)槲⒉ǜ哳l振動(dòng)作用能破壞蛋白質(zhì)分子的二硫鍵，阻止蛋白質(zhì)分子聚集，從而提高蛋白質(zhì)的分散性[26]，進(jìn)而使得蛋白質(zhì)幫助束縛水分子自由流動(dòng)，使得部分自由水向其轉(zhuǎn)化；另一方面，物料中部分結(jié)合水與底物的結(jié)合狀態(tài)不穩(wěn)定，流動(dòng)性相對較大，受傳質(zhì)推動(dòng)力的影響，而轉(zhuǎn)變?yōu)槿踅Y(jié)合水，導(dǎo)致弱結(jié)合水的峰面積增加。減小的原因可能是隨著干燥的進(jìn)行，物料中的不易流動(dòng)水由物料內(nèi)部向表面擴(kuò)散，變成自由水流失。微波功率與弱結(jié)合水上升的速率成正相關(guān)。這可能是因?yàn)殡S著物料吸收的輻射能越來越多，促使自由水向弱結(jié)合水轉(zhuǎn)化。微波功率為600 W時(shí)，90 min時(shí)達(dá)到弱結(jié)合水峰面積最大值，120 min時(shí)峰面積下降較大，而功率為300 W時(shí)，120 min時(shí)弱結(jié)合水峰面積才達(dá)到最大值。有關(guān)研究表明微波功率與干燥時(shí)間相關(guān)性較強(qiáng)[27]。

2.1.4 微波功率對結(jié)合水分狀態(tài)的影響

結(jié)合水主要是指物化結(jié)合的水分及機(jī)械結(jié)合的毛細(xì)管水分，水分活度小于1。結(jié)合水分中的吸附結(jié)合水多是膠體質(zhì)點(diǎn)和其周圍介質(zhì)的界面上所吸住的水分。因膠體具有很大的表面，故膠體結(jié)構(gòu)的吸附能力很強(qiáng)，結(jié)合水所受的束縛力較大，因此結(jié)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(jié)合水峰面積隨時(shí)間的變化曲線。

圖4 不同微波功率條件下結(jié)合水峰面積隨時(shí)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(shí)間的延長，結(jié)合水峰面積呈現(xiàn)出先增大后減小的變化走向，這是因?yàn)殡u蛋清經(jīng)微波照射后結(jié)構(gòu)變得較為疏松，增加了結(jié)合水的結(jié)合能力[28]，使得部分弱結(jié)合水向其轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致結(jié)合水的峰面積增大。微波功率為600 W時(shí)，結(jié)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(nèi)部，破壞了膠體物質(zhì)釋放部分結(jié)合水，部分結(jié)合水進(jìn)而轉(zhuǎn)化為弱結(jié)合水被除去。

2.2 不同微波功率對蛋清粉熱力學(xué)特性的影響

DSC常用于蛋白質(zhì)熱變性過程的熱力學(xué)研究，其特征參數(shù)包括蛋清蛋白質(zhì)變性時(shí)的起始溫度(T0)、峰值溫度(Tp)、結(jié)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(zhì)變性的動(dòng)態(tài)變化過程。熱焓值(ΔH)代表疏水作用和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)緊密性程度，數(shù)值越低蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)展開的越徹底，結(jié)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(zhì)熱力學(xué)特性影響顯著。不同微波功率輻照蛋清蛋白質(zhì)，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(zhì)開始變性。微波功率為400 W時(shí)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(shí)，它們的ΔH值較低，這說明此功率下的蛋白質(zhì)受熱吸收能量，氫鍵斷裂，蛋白質(zhì)分子展開的更為徹底，因此這兩個(gè)功率下的凝膠結(jié)構(gòu)孔道增加，連通性增強(qiáng)。微波功率為300和600 W時(shí)，它們的Tp較高，這說明在此微波功率下，蛋清粉蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)被部分破壞，埋藏在內(nèi)部的疏水基團(tuán)在此過程中部分外露，蛋白質(zhì)亞基組分解離之后又重新折疊形成具有更高Tp的更穩(wěn)定熱聚集體，且疏水性氨基酸所占比例越高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性也就越好，因此其蛋清蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dāng)微波功率為300 W時(shí)，雞蛋清凝膠結(jié)構(gòu)較為緊密，孔道較少，而且連通性不強(qiáng)。當(dāng)微波功率為400和500 W時(shí)，因?yàn)楦嗟妮椛淠艽┩肝锪?，使得雞蛋清凝膠孔道增加，連通性增強(qiáng)。當(dāng)微波功率為600 W時(shí)，雞蛋清粉凝膠結(jié)構(gòu)疏松，顆粒大小均勻，這是由于微波的機(jī)械效應(yīng)，使得雞蛋清表面受到破壞，細(xì)胞破裂，微波輻射能均勻的分布于物料的各個(gè)部分，從而使其更均勻[29]。同時(shí)，干燥產(chǎn)品質(zhì)地疏松，利于粉碎及后期加工[30]。

3 結(jié)論

本研究采用微波真空冷凍干燥技術(shù)結(jié)合低場核磁共振技術(shù)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(guī)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(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果表明：

(1)微波功率條件下干燥雞蛋清，不同狀態(tài)的水分之間會(huì)存在轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，流動(dòng)性強(qiáng)的水向流動(dòng)性弱的方向轉(zhuǎn)化，且流動(dòng)性強(qiáng)的水在干燥時(shí)最先被除去。研究發(fā)現(xiàn)提高微波功率，會(huì)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(jìn)雞蛋清中水分的遷移。

(2)經(jīng)DSC測定，微波功率為300和600 W，熱焓值較高，這可能因?yàn)檩^低的功率、長時(shí)間輻照或較高的功率，短時(shí)間輻照都會(huì)加速蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)的變化，當(dāng)微波功率較低時(shí)，雞蛋清凝膠的結(jié)構(gòu)較緊密，孔隙率較低。隨著微波功率的增加，其孔道的數(shù)量也逐漸增多，并且孔徑變大，結(jié)構(gòu)相對疏松，利于后期的加工。本研究得出的相關(guān)數(shù)據(jù)和干燥變化規(guī)律，為微波真空冷凍干燥雞蛋清工藝優(yōu)化提供參考。