微波真空冷冻干燥功率对鸡蛋清水分迁移及凝胶微观结构的影响

史胜娟，刘丽莉，张孟军，郝威铭，李媛媛，杨晓盼

(河南科技大学 食品与生物工程学院,食品加工与安全国家级教学示范中心,河南 洛阳， 471023)

鸡蛋清中含有丰富的营养物质，鸡蛋中的氨基酸模式最符合人体内氨基酸模式，是人类优质蛋白质的来源。但由于鸡蛋的保质期较短，容易发生变质，会造成蛋白质的浪费。所以，通过一定的干燥方式对其进行处理，可以更好地保存，提高其食用价值。干燥方式在鸡蛋清的后加工过程中，对鸡蛋清粉功能特性的影响较大。因此采用适当的干燥方式对鸡蛋清进行干燥处理，开发出具有更高凝胶特性的鸡蛋清粉，对于拓展其应用领域具有非常重要的市场价值[1]。

近年来，微波真空冷冻干燥技术已引起了国内外食品研究人员的广泛关注[2-7]。微波真空冷冻干燥的原理是通过微波辐射使物料中的自由水和弱结合水以升华方式在真空中去除[8]。ZHOU等[9]采用冷冻干燥和微波真空干燥处理新鲜鸭蛋蛋白粉比单独使用冷冻干燥得到粉底颜色更好。汤梦情等[10]研究结果表明，微波干燥后再进行冷冻干燥可大大地提高芦笋的脱水率，但微波处理后再冷冻干燥处理的芦笋，其蛋白质和总糖的保留量低于真空冷冻干燥。任广跃等[11]研究发现，对怀山药采用微波处理，并结合真空冷冻干燥技术，可以得到的更高品质的干燥制品。AHMET等[12]发现苹果采用间歇式微波真空干燥技术干燥，得到的干制品中蛋白质、矿物质含量较高。但目前微波真空冷冻干燥技术在鸡蛋清粉干燥中未见报道。

低场核磁共振(low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR)技术是通过观察食品在不同工艺过程中氢质子的弛豫行为，研究样品中水分的分布状态和变化规律。目前有很多学者对低场核磁共振技术进行了研究[13-17]。隋思瑶等[18]以低场核磁共振技术为检测手段，研究了粳米在冻融过程中的水分变化规律，结果表明，大米在15 ℃时含有的自由水最少，此时的大米最适宜贮藏。冷冻大米能够进行长期贮藏，蒸煮前需解冻。HU等[19]研究了小麦单一籽粒水分结合类型的转化和水分迁移，并得出在干燥时，水分从胚乳转移到表皮。李定金等[20]利用低场核磁共振技术研究测定不同微波功率下微波真空干燥过程中的横向弛豫时间T2反演谱，得知微波功率的高低能够直接影响自由水的含量，并且过高的功率易导致物料表面出现焦化。吉琳琳等[21]发现偏最小二乘法和误差反向传播人工神经网络方法可以有效预测大米中水分含量及其活度。冯爱博等[22]研究了雷竹笋在不同贮藏条件下的水分变化规律，结果表明，自由水最先被除去，并且在25 ℃下雷竹笋失水速率最快。

物料在干燥过程中内部水分的变化规律是近年来研究的热点和难点[23]，采用微波真空冷冻干燥技术探究鸡蛋清干燥过程中内部水分迁移规律的文章未见报道。本文以鸡蛋清为研究对象，采用微波真空冷冻干燥技术并结合低场核磁共振技术探究鸡蛋清在不同微波功率条件下水分的迁移规律，并通过扫描电子显微镜观察鸡蛋清凝胶微观结构。以期能为干燥出更高品质的鸡蛋清提供相关的参考。

1 材料与方法

1.1 材料

新鲜鸡蛋，河南洛阳大张精品超市，选择个体完整，颜色均一，表面干净的鸡蛋作为原料；戊二醛(分析纯)，天津中信凯泰有限公司；叔丁醇(分析纯)，上海利博化工实业有限公司。

1.2 仪器与设备

微波真空冷冻干燥机，实验室自制；102-2型电热鼓风干燥箱，北京科伟永兴仪器；A.2003N型电子天平，上海佑科仪器仪表有限公司；NIMl20-015V-1-I型核磁共振成像分析仪，上海纽迈电子科技有限公司；Q200型差示扫描量热仪，瑞士Mettler-Toledo公司；TM3030Plus型电子扫描显微镜，日本岛津公司。

1.3 方法

1.3.1 鸡蛋清微波真空冷冻干燥

本次研究所用的微波真空冷冻干燥机自制，设备原理参照段柳柳等[24]研究。用水洗净鲜鸡蛋表面，控干水分后打蛋分离出鸡蛋清。将纯蛋清放入冰箱冷冻室预冻后备用。微波真空冷冻干燥之前，应先降低干燥室内的制冷温度，待温度降至-40 ℃后放入质量约为200 g的物料。之后，开启真空泵并将真空度设置为160 Pa。当物料表面温度和中心温度降至-15 ℃以下启动微波系统，设置微波功率为300、400、500、600 W。干燥中每隔0.5 h测1次物料质量，待最终产品达到恒重0.12 g/g(湿基)后结束干燥。

1.3.2 水分含量、干燥速率与水分比的测定

鸡蛋清水分含量的测定参考GB 5009.3—2016方法进行。在常压下，将鸡蛋清粉放入105 ℃恒温干燥箱内，待干燥物料质量恒重时，结束干燥。每次实验取3次平行实验的平均值，水分含量、干燥速率、水分比(moisture ratio，MR)的计算分别如公式(1)、公式(2)、公式(3)所示：

(1)

式中：Xt为t时刻物料水分含量，g/g；mt为t时刻试样的质量，g；mg为试样干燥后的质量，g。

(2)

式中：DR为干燥速率,g/(g·min)；Xt为t时刻物料水分含量,g/g；Δt为干燥时间，min。

(3)

式中：Xt为物料t时刻的水分含量,g/g；X0为物料初始湿基水分含量,g/g；Xe为物料干燥平衡湿基水分含量,g/g。

由于Xe相对于Xt和Xe很小，通常在工程应用中常忽略不计，因此，物料MR的计算可以简化为公式(4)：

(4)

1.3.3 低场核磁共振分析

样品中的氢质子与弛豫时间有较好的相关性，氢质子所处环境的变化会引起弛豫时间的变化，通过收集横向弛豫时间T2信号，反演得到T2图谱。参数设为：主频21 MW，偏移频率303.421 kW，采样点数200 010，采样频率200.0 kW，采样间隔时间300 ms，回波个数5 000，回波时间180 gs，累加次数128。

LF-NMR技术通过研究横向弛豫时间T2的变化来研究样品中水分的状态及其迁移规律。在鸡蛋清干燥过程中，通过弛豫时间可将水分可分为3种形态，其分别对应T2反演谱图中的3个波峰，不同形态水分的相对含量用每个峰的积分面积表示。3个波峰T2的范围记为T21(0．01～1.00 ms)、T22(1～10 ms)、T23(10～1 000 ms)。

1.3.4 差示扫描量热分析法测定蛋清热力学特性

差示扫描热量(differential scanning calormetry，DSC)分析：称取6～8 mg蛋清粉样品于坩锅中，以空坩锅作为对照，测试参数：氮气流速设定20 mL/min，升温速率设定10 ℃/min，并在20～150 ℃温度范围内扫描得到曲线。

1.3.5 不同微波功率条件下鸡蛋清凝胶微观结构

扫描电子显微镜：将凝胶切成薄片状，用戊二醛(2.5%)固定5 h以上，并用pH 7.4的磷酸缓冲液洗涤3次，单次15 min。然后用体积分数60%(2次)、70%、80%(2次)、90%、100%乙醇梯度脱水，单次15 min。样品用叔丁醇浸泡置换乙醇，采用真空冷冻干燥对凝胶样品进行干燥处理。喷金后，用扫描电镜观察凝胶样品。

1.4 数据处理

试验所涉及到的测定结果均做3次重复，试验数据利用Origin 8.5软件作图，用SPSS软件进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 干燥过程中鸡蛋清内部水分迁移分析

2.1.1 鸡蛋清不同微波功率条件下T2反演谱随干燥时间的变化

在干燥过程中，3种状态水分的弛豫时间T2由大到小为T23>T22>T21；T2对应的峰面积分别记为A23、A22、A21。可根据T2驰豫时间的长短，判断水分的分布状态。弛豫时间越长，说明水分的自由度越大，峰面积越大，流动性越大，越容易被脱除；相反，弛豫时间越短，说明水分的自由度越小，峰面积越小，动力学活性越小，不易被脱除。根据横向弛豫时间T2的变化可以得出T23为自由水、T22为弱结合水、T21为结合水。

由图1可知，在干燥过程中，最先流失的是自由水，随微波功率的增大，发现自由水流失的速率也随之变快。通过比较T2弛豫曲线的峰面积可以发现，自由度高的水分在干燥一段时间后会向自由度低的水分转化，曲线整体向左移动，峰面积不断减小，即该状态下的水分含量也随之不断减少。

图1中A23远大于A21，这说明鸡蛋清中的水主要以自由水的形态存在，结合水占比较小。随着干燥的进行，在微波功率作用下A23向左移动并呈现一直下降的趋势，这是因为干燥开始后流动性最大的自由水最先被除去，导致其峰面积减小。之后随着干燥的进行，物料吸收较多的辐射能，弱结合水转化为自由水逐渐流失，导致A22峰面积也逐渐减小。鸡蛋清中结合水含量较少，在干燥过程中随着弱结合水的转化A21峰值会略有升高，但其峰面积仍最小。

2.1.2 微波功率对自由水分状态的影响

自由水分是指在物料内部受束缚力最小的水分，这部分水在物料干燥过程中最容易流失。由图2可以看出，在不同微波干燥功率条件下，随干燥时间的延长自由水峰面积呈现逐渐减小的趋势。

自由水在干燥初期90 min内下变化不大，下降较为缓慢，这与朱文学等[23]研究发现一致，这是可能是因为干燥前期物料表面水分发生汽化，此时干燥为降速阶段，内部水分向外扩散的速度小于表面汽化的速度。物料内部自由水需要一段时间才能扩散到表面，因此水分流失速度有所减慢[25]。但在90～180 min，自由水的脱除速率明显升高，这是因为鸡蛋清中水分含量较高，约为89.45%，且自由水所占比例较大，随着干燥时间的延长微波辐射穿透物料时，物料表面大量的自由水被迅速除去。微波功率为300 W时，自由水峰面积下降的较为平缓，这是由于微波功率较小，自由水扩散到表面的速率较为缓慢所致。

a-300 W；b-400 W；c-500 W；d-600 W图1 不同微波功率条件下T2反演谱随干燥时间的变化Fig.1 Variation in inverted T2 spectra of flavored yam chips with drying time at different microwave power

图2 不同微波功率条件下自由水峰面积随时间的变化曲线Fig.2 Curve of free water peak area with time under different microwave power conditions

2.1.3 微波功率对弱结合水分状态的影响

弱结合水是指物料组织内流动性较自由水弱、较结合水强的水分，在干燥过程中，弱结合水在大部分自由水脱除后开始流失。微波功率对弱结合水分状态的影响如图3所示。

图3 不同微波功率条件下弱结合水峰面积随时间的变化曲线Fig.3 Curve of immobilized water peak area with time under different microwave power conditions

由图3可知，弱结合水的峰面积呈现先增加后减小的变化趋势。出现增大的原因，一方面可能是因为微波高频振动作用能破坏蛋白质分子的二硫键，阻止蛋白质分子聚集，从而提高蛋白质的分散性[26]，进而使得蛋白质帮助束缚水分子自由流动，使得部分自由水向其转化；另一方面，物料中部分结合水与底物的结合状态不稳定，流动性相对较大，受传质推动力的影响，而转变为弱结合水，导致弱结合水的峰面积增加。减小的原因可能是随着干燥的进行，物料中的不易流动水由物料内部向表面扩散，变成自由水流失。微波功率与弱结合水上升的速率成正相关。这可能是因为随着物料吸收的辐射能越来越多，促使自由水向弱结合水转化。微波功率为600 W时，90 min时达到弱结合水峰面积最大值，120 min时峰面积下降较大，而功率为300 W时，120 min时弱结合水峰面积才达到最大值。有关研究表明微波功率与干燥时间相关性较强[27]。

2.1.4 微波功率对结合水分状态的影响

结合水主要是指物化结合的水分及机械结合的毛细管水分，水分活度小于1。结合水分中的吸附结合水多是胶体质点和其周围介质的界面上所吸住的水分。因胶体具有很大的表面，故胶体结构的吸附能力很强，结合水所受的束缚力较大，因此结合水在干燥过程中较难流失。图4为不同微波功率条件下结合水峰面积随时间的变化曲线。

图4 不同微波功率条件下结合水峰面积随时间的变化曲线Fig.4 Curve of bound water peak area with time under different microwave power conditions

由图4可以看出，随干燥时间的延长，结合水峰面积呈现出先增大后减小的变化走向，这是因为鸡蛋清经微波照射后结构变得较为疏松，增加了结合水的结合能力[28]，使得部分弱结合水向其转化，导致结合水的峰面积增大。微波功率为600 W时，结合水峰面积下降速率较快，这可能是较大的辐射能穿透物料内部，破坏了胶体物质释放部分结合水，部分结合水进而转化为弱结合水被除去。

2.2 不同微波功率对蛋清粉热力学特性的影响

DSC常用于蛋白质热变性过程的热力学研究，其特征参数包括蛋清蛋白质变性时的起始温度(T0)、峰值温度(Tp)、结束温度(Tc)和热焓(ΔH)。DSC测定的变性温度(T0、Tp、Tc)反映了蛋清蛋白质变性的动态变化过程。热焓值(ΔH)代表疏水作用和蛋白质结构紧密性程度，数值越低蛋白质结构展开的越彻底，结果见表1。由表可知，不同条件下的微波功率对蛋清粉蛋白质热力学特性影响显著。不同微波功率辐照蛋清蛋白质，T0值相差不大，表明其热敏性程度相近，基本在20 ℃蛋清蛋白质开始变性。微波功率为400 W时样品的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 ℃，且差异均显著(P<0.05)。微波功率为400 W、500 W时，它们的ΔH值较低，这说明此功率下的蛋白质受热吸收能量，氢键断裂，蛋白质分子展开的更为彻底，因此这两个功率下的凝胶结构孔道增加，连通性增强。微波功率为300和600 W时，它们的Tp较高，这说明在此微波功率下，蛋清粉蛋白质结构被部分破坏，埋藏在内部的疏水基团在此过程中部分外露，蛋白质亚基组分解离之后又重新折叠形成具有更高Tp的更稳定热聚集体，且疏水性氨基酸所占比例越高蛋白质的稳定性也就越好，因此其蛋清蛋白质的最终变性温度Tc值也较高。

表1 微波功率对蛋清粉热变性的影响Table 1 influence of microwave power on thermal denaturation of egg white protein

2.3 不同微波功率对鸡蛋清凝胶微观结构的影响

利用扫描电子显微镜观察不同微波功率条件下鸡蛋清凝胶组织结构的变化，如图5所示。

a-300 W；b-400 W；c-500 W；d-600 W图5 不同微波功率条件下鸡蛋清凝胶结构的扫描电子显微镜图Fig.5 Scanning electron microscopy of gel structure of egg white at different microwave power

由图5可知，当微波功率为300 W时，鸡蛋清凝胶结构较为紧密，孔道较少，而且连通性不强。当微波功率为400和500 W时，因为更多的辐射能穿透物料，使得鸡蛋清凝胶孔道增加，连通性增强。当微波功率为600 W时，鸡蛋清粉凝胶结构疏松，颗粒大小均匀，这是由于微波的机械效应，使得鸡蛋清表面受到破坏，细胞破裂，微波辐射能均匀的分布于物料的各个部分，从而使其更均匀[29]。同时，干燥产品质地疏松，利于粉碎及后期加工[30]。

3 结论

本研究采用微波真空冷冻干燥技术结合低场核磁共振技术共同探究不同微波功率条件下鸡蛋清水分在干燥过程中的迁移规律。利用扫描电子显微镜观察不同微波功率下鸡蛋清凝胶组织结构的变化。结果表明：

(1)微波功率条件下干燥鸡蛋清，不同状态的水分之间会存在转化现象，流动性强的水向流动性弱的方向转化，且流动性强的水在干燥时最先被除去。研究发现提高微波功率，会增大自由水流失的速率，由此可见增大微波功率能够提高干燥速率，促进鸡蛋清中水分的迁移。

(2)经DSC测定，微波功率为300和600 W，热焓值较高，这可能因为较低的功率、长时间辐照或较高的功率，短时间辐照都会加速蛋白质变性的速度。

(3)利用扫描电子显微镜观察不同微波功率下鸡蛋清凝胶结构的变化，当微波功率较低时，鸡蛋清凝胶的结构较紧密，孔隙率较低。随着微波功率的增加，其孔道的数量也逐渐增多，并且孔径变大，结构相对疏松，利于后期的加工。本研究得出的相关数据和干燥变化规律，为微波真空冷冻干燥鸡蛋清工艺优化提供参考。