陳珂，劉麗莉，郝威銘，楊曉盼，李媛媛

(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(guó)家級(jí)教學(xué)示范中心(河南科技大學(xué))，河南 洛陽(yáng)，471023)

雞蛋清蛋白質(zhì)具有獨(dú)特的功能特性，例如發(fā)泡性、乳化性和凝膠特性。近年來(lái)，蛋粉因其貨架期長(zhǎng)、貯存成本低、運(yùn)輸成本低等優(yōu)點(diǎn)在烘焙、敷料和糖果產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。噴霧干燥由于干燥時(shí)間短，產(chǎn)品溫度相對(duì)較低[2]等優(yōu)勢(shì)，成為工業(yè)上制備蛋粉的常用方法。

目前，關(guān)于噴霧干燥加工蛋粉的研究受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的青睞。例如，SCHOLES等[3]基礎(chǔ)研究了不同干燥程序?qū)﹄u蛋功能的影響。KATO等[4]報(bào)道在干燥加熱狀態(tài)下樣品的孵育加熱時(shí)間的增加可以增強(qiáng)發(fā)泡力、發(fā)泡穩(wěn)定性、乳化性能和噴霧干燥蛋清粉末的凝膠強(qiáng)度。FRANKE等[5]發(fā)現(xiàn)隨著進(jìn)氣溫度的升高，蛋白質(zhì)溶解度和發(fā)泡功率降低。AYADI等[6]研究了適度噴霧干燥條件對(duì)干白和全蛋粉功能的影響。KOC等[7]發(fā)現(xiàn)噴霧干燥可以制備穩(wěn)定和功能性的粉末產(chǎn)品，噴霧干燥的蛋粉在處理和衛(wèi)生方面對(duì)食品工業(yè)具有重要意義。孫臨政等[8]研究了不同噴霧干燥流量、進(jìn)料溫度、進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)蛋清粉最終成品的溶解性和分散性的影響，并優(yōu)化了工藝參數(shù)，使得最終得到?jīng)_調(diào)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(duì)干燥后得到的全蛋粉的理化性質(zhì)和功能性質(zhì)進(jìn)行了對(duì)比。涂宗財(cái)?shù)萚10]利用動(dòng)態(tài)高壓均質(zhì)處理蛋清蛋白，發(fā)現(xiàn)乳清蛋白的結(jié)構(gòu)及其流變性和黏度在微射流作用下發(fā)生改變，蛋白粒徑減小，黏度增加。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于噴霧干燥制備蛋清粉的研究多集中于工藝優(yōu)化和功能特性方面，而針對(duì)不同噴霧干燥溫度對(duì)蛋清蛋白流變和結(jié)構(gòu)特性的影響研究卻鮮有報(bào)道，因此開(kāi)展該領(lǐng)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(duì)蛋清蛋白的流變特性、水分遷移、二級(jí)結(jié)構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)的影響，并從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化分析其作用機(jī)理，以期為指導(dǎo)和優(yōu)化噴霧干燥工業(yè)化生產(chǎn)制備高品質(zhì)蛋粉提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮雞蛋，河南省洛陽(yáng)市大張超市；KBr,分析純，上海強(qiáng)順化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

6000Y實(shí)驗(yàn)型噴霧干燥機(jī)，上海Bilon儀器有限公司；TF-FD-27S真空冷凍干燥機(jī)，上海田楓實(shí)業(yè)有限公司；DHR-1流變儀，美國(guó)TA公司；Spectrum 10傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)T-IR)儀，上海鉑金埃爾默儀器有限公司；NMI20-030H-I低場(chǎng)核磁共振(low field nuclear magnetic resonance,LF-NMR)分析與成像系統(tǒng)，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(guó)際有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)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(jīng)過(guò)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(jīng)過(guò)前處理的蛋清蛋白液放置于潔凈器皿，在干凈環(huán)境25 ℃自然發(fā)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(zhì)量濃度為290 g/L，進(jìn)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?zhèn)溆肹11]。

1.3.2 流變特性的測(cè)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(cè)試平臺(tái)上，然后下降平板，下降至剪切間隙為1 050 μm時(shí)刮邊，最后測(cè)量距離在1 000 μm以下開(kāi)始做實(shí)驗(yàn)，采用直徑40 mm平行板測(cè)量，每次測(cè)試均需更換樣品。

1.3.2.1 靜態(tài)流變測(cè)定

設(shè)置儀器平臺(tái)溫度為25 ℃，測(cè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，計(jì)算方法如公式(1)所示：

σ/Pa=σ0+kγn

(1)

式中：σ，剪切應(yīng)力，Pa；γ，剪切速率，s-1；σ0，屈服應(yīng)力，Pa；k，稠度系數(shù)，Pa/sn；n，流動(dòng)特性指數(shù)。

1.3.2.2 動(dòng)態(tài)黏彈性測(cè)定

設(shè)置儀器平臺(tái)溫度為25 ℃，掃描應(yīng)變1%，測(cè)定頻率為0.1～100 rad/s儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)的變化[13]。

1.3.3 LF-NMR分析

試驗(yàn)中應(yīng)用低場(chǎng)核磁共振分析儀，測(cè)定條件：溫度(32±0.05)℃，將稱(chēng)量(1.0±0.005) g樣品放入LF-NMR專(zhuān)用玻璃管中，隨后打開(kāi)低場(chǎng)核磁共振分析軟件，對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行信號(hào)采集。并且采用多脈沖回波序列測(cè)定樣品的弛豫時(shí)間T2，重復(fù)測(cè)定3次以補(bǔ)充數(shù)據(jù)[14]。

1.3.4 FT-IR分析

將干燥的KBr與待測(cè)蛋清粉按質(zhì)量比100∶10充分混合，然后用瑪瑙研磨至細(xì)粉末狀后置于專(zhuān)用壓片機(jī)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(duì)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(shù)為32。通過(guò)采用OMNIC軟件對(duì)酰胺I帶進(jìn)行基線校正，平滑處理，再采用PEAK FIT軟件，在二階導(dǎo)數(shù)基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行擬合處理，從而可以確定各子峰與其對(duì)應(yīng)的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元之間的關(guān)系，最后根據(jù)峰面積再計(jì)算各二級(jí)結(jié)構(gòu)組分的相對(duì)百分含量[15]。

1.3.5 SEM分析

將蛋清粉及對(duì)照樣分布載物臺(tái)的導(dǎo)電雙面膠上，然后置于SEM中觀察，選取最佳放大倍數(shù)觀察樣品的，最后選擇有代表性的區(qū)域進(jìn)行觀察拍攝。

1.4 數(shù)據(jù)處理

每個(gè)樣品重復(fù)3次試驗(yàn)，并進(jìn)行誤差分析。采用Origin 9.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)流動(dòng)掃描分析

2.1.1 表觀黏度分析

不同干燥入口溫度對(duì)蛋清蛋白的靜態(tài)流動(dòng)掃描的影響，如圖1所示。

圖1 不同干燥溫度對(duì)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(xiàn)出剪切變稀的非牛頓流體假塑性流動(dòng)特征，這是由于剪切速率較低時(shí)，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(shí)，表觀黏度隨著剪切速率的增大而急劇下降，表現(xiàn)出剪切變稀的流體特征，這是因?yàn)榱魉賵?chǎng)中，蛋清蛋白液形成的絮體變性。在剪切速率>1 s-1時(shí)，表觀黏度基本保持穩(wěn)定。平穩(wěn)時(shí)，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(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致蛋清蛋白鏈狀大分子在液體中懸浮時(shí)發(fā)生凝結(jié)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(dòng)[16]，從而表現(xiàn)出表觀黏度大；而160 ℃分子鏈斷裂，使得平均分子質(zhì)量最小，從而導(dǎo)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(tài)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(tài)流變曲線

表1 不同干燥溫度蛋清蛋白粉靜態(tài)剪切曲線的擬合結(jié)果

圖2是不同干燥溫度蛋清蛋白粉的靜態(tài)剪切流變曲線，各曲線對(duì)Herrschel-Bulkey模型的擬合結(jié)果見(jiàn)表1。可知，不同干燥溫度蛋清蛋白粉的剪切應(yīng)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(yīng)力逐漸減小，主要因?yàn)殡S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(dǎo)致纏繞在一起的大分子物質(zhì)發(fā)生變形或解體，從而剪切應(yīng)力也隨之降低。

根據(jù)Herrschel-Bulkey對(duì)流變數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示所有的曲線R2>0.99，說(shuō)明不同干燥溫度蛋清蛋白粉對(duì)Herrschel-Bulkey模型具有很好的相關(guān)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(shù)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(xiàn)出的假塑性最強(qiáng)，這與穩(wěn)態(tài)表觀黏度曲線的變化趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)。剪切稀化的現(xiàn)象對(duì)食品加工過(guò)程有重要影響，在物料體系中通過(guò)設(shè)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(jìn)物料輸送和優(yōu)化工藝條件，使能量消耗減少，能夠更加易于產(chǎn)品加工。

2.2 動(dòng)態(tài)頻率掃描分析

不同干燥入口溫度對(duì)蛋清蛋白的動(dòng)態(tài)流動(dòng)掃描的影響，如圖3所示。

a-儲(chǔ)能模量；b-損耗模量

在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，3種不同干燥溫度蛋清蛋白粉的儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)隨角頻率均成規(guī)律性的逐漸增加，3個(gè)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(xiàn)出黏彈性固體的性質(zhì)[17]。

在頻率增大的過(guò)程中，3個(gè)樣品在0.836 2～20 Hz的低頻率范圍內(nèi)，G′和G″急劇上升，達(dá)到20 Hz后上升的趨勢(shì)變慢。在頻率增大的過(guò)程中，3個(gè)樣品的G′、G″的變化基本趨向一致。這與KANG等[18]研究結(jié)果一致。說(shuō)明此弱凝膠體系在低頻條件下體現(xiàn)出較好的彈性體性質(zhì)，進(jìn)一步驗(yàn)證干燥溫度影響弱凝膠結(jié)構(gòu)的強(qiáng)韌度。在20～78.53 Hz的高頻區(qū)隨著頻率增加，G′出現(xiàn)陡增趨勢(shì)，表明高頻區(qū)各樣品結(jié)構(gòu)容易被破壞，產(chǎn)生切流變行為。在高頻區(qū)G′的穩(wěn)定性大?。?60 ℃>140 ℃>180 ℃，這是由干燥溫度引起蛋白質(zhì)聚集、交聯(lián)，使黏性膠體轉(zhuǎn)變?yōu)橛袕椥缘哪z網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所致。

2.3 LF-NMR分析

不同干燥入口溫度對(duì)蛋清蛋白弛豫時(shí)間的影響，如圖4、表2所示。

圖4 蛋清蛋白粉橫向弛豫時(shí)間T2變化的三維瀑布圖

表2 不同干燥溫度對(duì)蛋清蛋白弛豫時(shí)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(gè)峰，代表樣品中水分的不同存在狀態(tài)，T21(0.01～5 ms)表示結(jié)合水，其是指與蛋白分子內(nèi)部緊密結(jié)合的水質(zhì)子；T22(5～20 ms)表示吸附水，其是指與蛋白分子表面結(jié)合的水質(zhì)子；T23(20～1 000 ms)表示自由水，其是指蛋白質(zhì)分子周?chē)挠坞x水質(zhì)子。另外，隨著干燥溫度的增加，信號(hào)幅值不斷降低，水分逐漸被脫除。說(shuō)明干燥溫度能為蛋清蛋白的水質(zhì)子提供能量，減弱與蛋白分子內(nèi)部結(jié)合緊密的水分的吸附力，從而提高水分的遷移能力。觀察結(jié)合水、自由水的水分狀態(tài)分布可以發(fā)現(xiàn)，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(guò)程中隨著水分不斷散失，蛋清蛋白內(nèi)部自由水?dāng)?shù)量不斷減少，自由水在蛋清蛋白內(nèi)部流動(dòng)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(jié)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(gè)溫度下都高，T21峰比例增加意味著結(jié)合水的比例增加，這可能是由于總體上水分質(zhì)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(kāi)始逐漸減少，一部分吸附水向外遷移為與蛋白質(zhì)大分子緊密結(jié)合的結(jié)合水[19]，導(dǎo)致結(jié)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(jìn)行，高自由度水分向低自由度水分的遷移轉(zhuǎn)化速率加快[20]。

干燥溫度對(duì)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(gè)溫度下都低，可能是因?yàn)楫?dāng)干燥溫度升高時(shí)，自由水含量在起始位置仍未變化，甚至由于不可移動(dòng)水的轉(zhuǎn)化還有一些增加。隨著干燥的持續(xù)進(jìn)行，不可移動(dòng)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(fā)散失所致。說(shuō)明提高干燥溫度使干燥介質(zhì)產(chǎn)生了更多熱能，提高自由水的內(nèi)能及流動(dòng)性，從而加快自由水的遷移與脫除，這與王雪媛等[21]研究結(jié)果相一致。通過(guò)干燥過(guò)程中各組分水比例的變化，可以看出不同干燥溫度對(duì)蛋清蛋白內(nèi)部水分遷移的影響不同。

此外，3個(gè)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(dǎo)致的。

2.4 FT-IR分析

利用傅里葉紅外光譜儀對(duì)不同干燥溫度制備的蛋清蛋白進(jìn)行全波段掃描，結(jié)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(jí)結(jié)構(gòu)含量(紅外光譜)

結(jié)合表3可知，蛋清蛋白粉的二級(jí)結(jié)構(gòu)以β-折疊和β-轉(zhuǎn)角為主，隨著噴霧干燥溫度的升高蛋清蛋白粉二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，β-折疊和β-轉(zhuǎn)角呈上升趨勢(shì)，干燥溫度在160 ℃時(shí)升到最高27.38%和30.12%，主要因?yàn)棣?折疊結(jié)構(gòu)含量增加與卵轉(zhuǎn)鐵蛋白熱變性有關(guān)，所以當(dāng)?shù)扒宓鞍字械穆艳D(zhuǎn)鐵蛋白發(fā)生了熱變性并促進(jìn)分子間的聚集時(shí)，β-折疊和β-轉(zhuǎn)角含量增加；干燥溫度在180 ℃時(shí)有所下降，可能是隨著溫度繼續(xù)升高，卵轉(zhuǎn)鐵蛋白進(jìn)一步形成更大的熱聚合物，導(dǎo)致內(nèi)部疏水基團(tuán)暴露，表面疏水作用力增強(qiáng)[24]，樣品結(jié)構(gòu)形成熱聚集體，分子間的β-折疊結(jié)構(gòu)易轉(zhuǎn)變?yōu)棣?轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)。α-螺旋呈下降趨勢(shì)，干燥溫度在180 ℃時(shí)達(dá)到最低值17.62%。可能是因?yàn)殡S著干燥溫度的升高，蛋清蛋白的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，其熱變性導(dǎo)致α-螺旋中的氫鍵斷裂，發(fā)生解螺旋現(xiàn)象，從而導(dǎo)致α-螺旋結(jié)構(gòu)比例降低[26]。無(wú)規(guī)卷曲呈上升趨勢(shì)，干燥溫度在160 ℃時(shí)升到最高21.97%，結(jié)果表明蛋清蛋白部分有序結(jié)構(gòu)逐漸向無(wú)規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，蛋白變性明顯，其結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性增強(qiáng)[27]。干燥溫度在180 ℃時(shí)，無(wú)規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)比例反而下降，其原因可能是構(gòu)象改變、轉(zhuǎn)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(jié)合狀態(tài)和水分分布。

2.5 SEM分析

對(duì)不同干燥溫度制備的蛋清蛋白粉進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果見(jiàn)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(xiàn)完整的球狀圓形外部結(jié)構(gòu)，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(xiàn)許多孔隙，略微凹凸不平，但仍然保持完整的顆粒結(jié)構(gòu)；當(dāng)干燥溫度達(dá)到180 ℃時(shí)(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(guò)程中水分脫除速度、剪切力等致使蛋白質(zhì)分子間的氫鍵和范德華力發(fā)生斷裂，破壞蛋白質(zhì)分子之間的交聯(lián)。毛瑩等[28]研究噴霧干燥粉末出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)特征可能與樣品的水分含量、操作溫度、進(jìn)料速率有關(guān)，與我們的研究結(jié)果相一致。有研究指出，蛋清蛋白的微觀結(jié)構(gòu)與其持水性關(guān)系密切，多孔洞球狀結(jié)構(gòu)更易于溶解。

3 結(jié)論

針對(duì)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(jié)構(gòu)特性的研究，發(fā)現(xiàn)蛋清蛋白溶液經(jīng)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(yīng)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(qū)G′的穩(wěn)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(guò)程中水分不斷散失，蛋清蛋白粉內(nèi)部自由水?dāng)?shù)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(fā)生紅移，三者的α-螺旋結(jié)構(gòu)、β-折疊結(jié)構(gòu)和β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)含量均呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢(shì)，蛋清蛋白粉由顆粒完整的球狀結(jié)構(gòu)逐漸變?yōu)槎嗫紫镀茡p狀形態(tài)。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)干燥溫度，可制備出不同特性的高品質(zhì)蛋清粉，對(duì)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。