喷雾冷冻干燥风量对蛋清蛋白特性及结构的影响

郝威铭,刘丽莉,李媛媛,杨晓盼,张孟军,史胜娟

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

0 引言

蛋清粉逐渐成为人们关注的热点，因其具有便于储藏、工业加工以及运输等优点，可解决鲜鸡蛋易腐烂、易污染及成本高的弊端。但是，蛋清粉物理性能和功能性能在加工过程中可能受到几个因素的影响，因此，探究干燥过程对蛋清粉品质的影响具有重要意义[1]。目前，已有研究分析了鲜蛋清的喷雾干燥、真空冷冻干燥等干燥方式。文献[2]研究了用不同干燥方式干燥后，全蛋粉的理化性质和功能性质。文献[3]研究了真空干燥对全蛋液功能特性影响。文献[4]探究了喷雾干燥条件对全蛋粉功能特性的影响。文献[5-6]研究了喷雾干燥入口温度、贮藏条件及贮存期对蛋白的物理和功能特性的影响。

文献[7]研究了喷雾冷冻干燥过程中真空压力和冷风风量对微胶囊的影响。文献[8]研究了喷雾冷冻干燥条件对葛仙米藻胆蛋白特性的影响。文献[9]利用喷雾冷冻技术提取花生蛋白浓缩物蛋白。在国内外的研究中，关于运用喷雾冷冻干燥(spray freeze drying，SFD)对蛋清粉结构以及功能特性影响的研究还鲜见报道。

本课题组前期对喷雾冷冻干燥和其他干燥方式的蛋清蛋白品质进行了比较[10]，发现：喷雾冷冻干燥能更好地保存蛋清粉的产品结构与质量，其参数的确定对于最终蛋清蛋白品质的影响尤为突出。因此，本文以影响喷雾冷冻干燥的冷风风量作为主要的影响因素，针对喷雾冷冻干燥过程中蛋清蛋白品质和结构特性进行了深入分析，以期为指导和优化喷雾冷冻干燥制备蛋清粉提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

鸡蛋，购于洛阳市丹尼斯超市；溴化钾(分析纯)，购于上海生物工程有限公司。

YC-3000型喷雾冷冻干燥机，上海雅程仪器设备有限公司；DHR-2型流变仪，美国沃特斯公司；H1650型高速离心机，湖南湘仪集团； V-1100型紫外分光光度计，上海美普达仪器有限公司；DSC1型差示扫描量热仪，瑞士METTLER-TOLEDO公司；VERTEX70型傅里叶变换红外光谱仪，德国 Bruker 公司；TM3030Plus型电子扫描显微镜，日本岛津公司。

1.2 方法

1.2.1 鸡蛋清蛋白的喷雾冷冻干燥处理

选取新鲜的鸡蛋分离出蛋清，并用搅拌器搅拌，然后进行喷雾冷冻干燥，设置真空压力为35 Pa，喷雾温度为-30 ℃，冷阱温度为-80 ℃，进料量15 mL/min，冷风风量分别为30 m3/min、35 m3/min、40 m3/min、45 m3/min和50 m3/min的条件下，喷雾冷冻干燥，过筛得到喷雾冷冻干燥蛋清粉。

1.2.2 蛋清粉的特性与结构的测定

(Ⅰ)起泡性和泡沫稳定性分析

根据文献[11]的试验方法，测定蛋清粉的起泡性和泡沫稳定性。

(Ⅱ)流变特性分析

将不同冷风风量条件下的蛋清粉配制成蛋清液，将蛋清液均匀涂抹于流变仪上(间隙为1 050 μm)，并在测试中使用平行板(直径40 mm)。在25 ℃温度下，设置剪切速率为0.01～1 000 s-1进行扫描，研究不同冷风风量对蛋清蛋白溶液表观黏度(ηa)的影响。在25 ℃下，设置动态频率扫描参数为1%，频率变化设置为0.1～300 rad/s，测定蛋清储能模量G′和损耗模量G″随频率的变化规律。

(Ⅲ)傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectrometer, FT-IR)分析

将溴化钾干燥后的蛋清粉与待测的蛋清粉按100∶10的质量比例充分混合，制成薄片，然后进行扫描(4 000～400 cm-1)，扫描的次数为32，分辨率为4 cm-1。

(Ⅳ)差示扫描量热(differential scanning calorimeter, DSC)分析

称取8.0 mg蛋清粉于铝坩埚中，在20～150 ℃进行扫描，升温速率为10 ℃/min，氮气流速为20 mL/min。

(Ⅴ)扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)分析

将待测蛋清粉撒在导电双面胶上进行观察，选取最佳放大倍数(×1 000)观察样品，最后选择有代表性的区域进行观察拍摄。

1.2.3 数据处理

每组试验重复3次，采用SPSS软件进行分析，使用Origin 9.0软件绘图。

图1 喷雾冷冻干燥对蛋清粉起泡性和泡沫稳定性的影响

2 结果与分析

2.1 冷风风量对蛋清粉起泡性和泡沫稳定性的影响

图1为喷雾冷冻干燥对蛋清粉起泡性和泡沫稳定性的影响。图1中，图柱上方不同大小写字母，分别表示不同冷风风量时起泡性和泡沫稳定性差异显著(P<0.05)。由图1可知：干燥过程中蛋清粉的起泡性随着冷风风量的增加先上升后下降，大小顺序依次为35 m3/min>40 m3/min>45 m3/min>50 m3/min>30 m3/min (P<0.05)，且在35 m3/min时起泡性最高，为64.3%。由于在喷雾的过程中，蛋清粉不能与冷风充分接触，导致雾滴分散不够均匀，因此采用适当的冷风风量能使蛋清蛋白变得更加分散，折叠蛋白能更好地打开，蛋清粉在搅打时能更快地吸附至空气-水界面[12]。泡沫稳定性随着冷风风量的增加呈现先上升后下降的趋势，大小顺序依次为35 m3/min>40 m3/min>30 m3/min>45 m3/min>50 m3/min (P<0.05)，且在35 m3/min时泡沫稳定性最高，为64.3%。这是由于不溶解的蛋白质能增加其表面黏度，在气泡周围形成厚黏性层，使泡沫不易破碎，增大泡沫的稳定性，当冷风风量过大时，蛋清粉比风量小时会更分散，泡沫稳定性更差。

2.2 冷风风量对流变特性的影响

2.2.1 静态流动扫描

不同冷风风量对蛋清蛋白溶液表观黏度(ηa)的影响见图2。由图2可知：随着剪切速率的增大，不同冷风风量时的蛋清蛋白溶液表观黏度逐渐降低，表现出一种剪切变稀的假塑性流动特征。主要是由于分子取向和蛋白大分子链中的局部取向逐渐一致，此外触变效应及分子链之间出现断裂也将会引起假塑性流动现象[13]。在剪切速率小于1 s-1时，冷风风量35 m3/min的表观黏度最高；随着剪切速率的增大，当剪切速率大于1 s-1，冷风风量为50 m3/min时，其表观黏度最高。可能是因为随着冷风风量的增加，蛋清蛋白中大分子物质蛋白黏度增大，蛋白网络结构更细密，分子间的相对运动较慢，分子之间的碰撞速率降低，不利于流动，导致其表观黏度也较大。

图3为不同冷风风量对蛋清蛋白溶液剪切应力的影响。由图3可知：随着剪切速率的增大，不同冷风风量制备的蛋清蛋白溶液剪切应力增大，表现出具有假塑性流体的特征。在30～40 m3/min时，其剪切应力随冷风风量的升高而升高，在40～45 m3/min时，其剪切应力随冷风风量的升高而降低；在45～50 m3/min时，其剪切应力随冷风风量的升高而升高，主要是因为随着剪切速率的增大，冷风风量的不同导致物体中大分子更易发生碰撞从而缠结，分子之间的交联结构[14]发生改变，导致其中的大分子物质发生变形或解体，从而使剪切力也随之增大。

图2 不同冷风风量对蛋清蛋白溶液表观黏度(ηa)的影响 图3 不同冷风风量对蛋清蛋白溶液剪切应力的影响

不同冷风风量对蛋清蛋白溶液流变特性参数的影响见表1。由表1可知：不同冷风风量制备的蛋清蛋白溶液的决定系数R2均大于0.99，说明该曲线与Herrschel-Bulkey模型有很好的相关性，模型精度较高。流变特性指数n代表流体假塑性程度，偏离1的程度越大，表明体系越容易剪切变稀，即假塑性程度越大。所测的样品中n均小于1，屈服应力σ>0 Pa，说明该体系呈现有屈服值[15]的剪切变稀非牛顿流体特性。黏度系数k反映体系中的黏稠度。在30～35 m3/min，随着冷风风量的增加，屈服应力σ骤增，黏度系数k骤增，流变特性指数n增大，体系表观黏度增大。

表1 不同冷风风量对蛋清蛋白溶液流变特性参数的影响

在35～40 m3/min，随着冷风风量的增加，屈服应力σ骤降，黏度系数k骤降，流变特性指数n减小，蛋清蛋白的流体行为增强，不易剪切。在40～50 m3/min，随着冷风风量的增加，屈服应力σ上升，黏度系数k减小，流变特性指数n增大，表观黏度进一步减小，蛋清蛋白的牛顿流体行为增强，易于剪切。

2.2.2 动态频率扫描

图4为蛋清粉储能模量G′和损耗模量G″随频率变化关系。不同冷风风量干燥的蛋清粉黏弹性可以用储能模量G′和损失模量G″来表征，G′表示弹性大小，G″反映了体系黏性大小。如图4a所示，冷风风量为40 m3/min、45 m3/min、50 m3/min蛋清粉的G′随频率的增加而提升，且G′均高于G″，G′、G″对频率的依赖性较弱，表现出具有良好的弹性，能形成较强的凝胶体系[16]。冷风风量为35 m3/min、55 m3/min的蛋清粉G′值开始时几乎无变动，随着频率的增大，呈现下降趋势。如图4b所示，风量为40 m3/min蛋清粉的G″随频率的增加先降低后增加，其余风量时，G″均呈现逐渐增加的趋势。

(a) 储能模量G′

(b) 损耗模量G″

2.3 傅里叶变换红外光谱分析

图5 蛋清粉傅里叶变换红外光谱图

蛋白质的聚集和展开通常是由蛋白质的构象和结构变化引起的。因此，FT-IR被用于观察蛋清粉的二级构象变化，特别是酰胺I带(1 600～1 700 cm-1)，该带对与特征性分裂效应相关的氢键和偶联反应敏感。表2为蛋清粉酰胺I带二级结构组成比例。由表2可知：冷风风量为40 m3/min以上时，酰胺I带的二级结构组成比例基本保持不变。而35 m3/min时α-螺旋含量最低，可能是因为液滴在下落的过程中，由于碰撞等原因导致氢键断裂，从而使其比例降低。35 m3/min时蛋清蛋白的有序结构向无规卷曲结构转变，其结构的随机性增强。冷风风量为35 m3/min时，β-折叠含量最低，为25.85%，β-转角含量最高，为41.13%。增大冷风风量，β-折叠和β-转角变化趋势不明显，可能是因为雾化时，水分升华，溶液各部分都得到浓缩，其中的盐饱和进行沉淀，导致了溶液的pH值发生改变，使其中的蛋白质分子变性，β-折叠的多肽链发生180°的反转，形成了β-转角结构。

表2 蛋清粉酰胺I带二级结构组成比例

表3 干燥后蛋清粉的热变性温度及热焓值

2.4 差示扫描量热分析

应用DSC法测定冷风风量对蛋清粉的影响，干燥后蛋清粉的热变性温度及热焓值见表3。由表3可知：不同冷风风量制备的蛋清粉的峰值温度大小依次为45 m3/min>40 m3/min>50 m3/min>35 m3/min>30 m3/min，呈现先上升后下降的趋势。其峰值温度越高，表示蛋清蛋白的变形温度越高，其蛋白结构就越稳定。热焓值大小顺序为35 m3/min>30 m3/min>40 m3/min>45 m3/min>50 m3/min，呈现先上升后下降的趋势，热稳定性在45 m3/min最大，为70.59℃。而其热焓值的降低，表示蛋白内部结构的展开更容易改善蛋白的特性。这与文献[18]的研究结果相似，表明采用合适的冷风风量能更好地控制蛋清蛋白的热变性温度，提高蛋清蛋白的热稳定性[19]。

2.5 扫描电镜分析

图6为不同冷风风量制备的蛋清粉的SEM图。由图6a～图6e可知：不同冷风风量下的蛋清粉微观结构差异不大，表面均呈现完整的球状结构，且颗粒间具有相互连通的孔隙[20]。

这是因为雾化过程中，微小的液滴被瞬间冻结，在喷雾塔中飘落的过程中，其中的水分在被瞬间冻干形成冰晶并由于升华的作用被移除，而在此过程中会导致颗粒内部留下微小的互通孔道，这些孔形结构的存在极大地增加了颗粒的比表面积，能大大提高蛋清粉的起泡性[21]。

3 结论

(1)冷风风量的不同，对蛋清粉的起泡和流变特性具有显著影响。冷风风量为35 m3/min时，制备的蛋清粉的起泡性最高，为64.3%，泡沫稳定性最高，为64.6%。不同冷风风量制备的蛋清蛋白溶液均为非牛顿假塑性流体。储能模量G′>损失模量G″，冷风风量50 m3/min的储能模量G′最大。

(2)不同冷风风量制备的蛋清粉在酰胺Ⅰ带向低波数方向分别红移，其大小为35 m3/min>30 m3/min>40 m3/min>45 m3/min。其峰值温度大小依次为45 m3/min>40 m3/min>50 m3/min>35 m3/min>30 m3/min，热焓值大小依次为35 m3/min>30 m3/min>40 m3/min>45 m3/min>50 m3/min。所有冷风风量制备的蛋清粉均为完整的球状、空隙网络结构，从而有助于提高蛋清粉的起泡性。