蛋清粉微波真空冷冻干燥条件优化及凝胶特性分析

刘丽莉，张孟军，代晓凝，史胜娟，李媛媛

(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)

鸡蛋清含有各类丰富的营养物质，是蛋白质、氨基酸等成分生物价最高的食物来源。因此被作为食品加工领域的重要资源而广泛应用到食品工业中[1]。蛋清粉不仅很大程度地保留了鲜蛋清的营养成分及优良特性，而且具有易保存、节约运输成本、不易变质等优点[2]。凝胶性作为蛋清粉重要的功能特性，在蛋清粉的研究中占有举足轻重的地位，工业上蛋清粉凝胶主要应用于火腿肠、鱼糜等制品的生产[3]。叶丽红等[4]研究表明，蛋清粉能改善鱼丸的凝胶特性，添加蛋清粉的鱼丸结构更加紧密；王希希等[5]和许亚彬等[6]对鲢鱼鱼糜凝胶特性的研究均表明，蛋清粉可明显改善鲢鱼鱼糜的凝胶特性，且比蛋清液的改善效果更为显著。目前，在实际生产过程中，蛋清粉凝胶虽然能满足普通制品的需要，但对于某些特定的行业，其效果仍达不到理想程度，因此非常有必要进一步研究制备具有更高品质的高凝胶性蛋清粉。

有研究表明，蛋清粉凝胶特性主要受干燥方式的影响[3,7-8]。目前，已有很多关于蛋清粉干燥工艺的研究报道。Wang等[9]指出微波技术能诱导蛋清粉结构发生转变并改善其功能特性。但微波干燥除其本身所具备的优点外，容易导致样品受热不均匀的问题也较为严重，制备的产品质量得不到保证。Katekhong等[10]分析了喷雾干燥温度对蛋清粉功能特性的影响；陈珂等[11]对喷雾干燥制备蛋清粉的工艺条件进行了优化，并对其功能特性及结构进行了分析。然而喷雾干燥由于其瞬时高温会导致蛋清粉严重变性，进而影响其凝胶特性。沈青等[12]采用真空冷冻及喷雾干燥方法对鸡蛋全蛋粉进行了研究，结果表明，真空冷冻干燥制得的蛋清粉功能性质较优。但真空冷冻干燥的最大缺点是耗能大，这也是制约其在普通食品中广泛应用的主要原因。目前，将微波真空冷冻干燥(microwave vacuum freeze drying，MFD)技术应用于鸡蛋蛋清粉加工的研究尚不多见。MFD技术兼备微波干燥和真空冷冻干燥的优点，二者联合能有效缓解真空冷冻干燥耗能大的缺陷，且干燥速度快，能很大程度地保留食品的原有结构和营养成分[13]，在食品干燥领域中的应用越来越广泛[14-15]。Zhou等[16]将冷冻干燥与微波真空干燥相结合应用于鸭蛋蛋白的干燥，在得到品质优良的鸭蛋蛋白粉的基础上，不仅提高了干燥效率而且能耗也显著降低。朱彩平等[17]和汤梦情等[18]采用微波-真空冷冻技术分别对平菇和芦笋进行干燥，结果表明成品的营养成分保留较高，干燥产品品质提高，这为其工业化深加工提供了理论依据。

目前，前人已经对蛋清粉的干燥方法进行了较多研究，但将MFD技术应用于鸡蛋蛋清粉的干燥，并对其干燥工艺进行优化以提升其凝胶特性的研究尚未见报道。故本研究以微波功率、真空度、装载量为影响因素，通过MFD技术制备蛋清粉，以凝胶硬度为指标，确定其最佳干燥工艺；并以喷雾干燥(spray drying，SD)和真空冷冻干燥(freeze drying，FD)为对照，对MFD蛋清粉的凝胶特性进行了分析，以期为有效提升蛋清粉的凝胶特性及有效避免因瞬时高温导致蛋清粉变性提供新方法，并为生产更高品质的高凝胶性蛋清粉提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鸡蛋购于洛阳市大张超市；叔丁醇(分析纯，AR级)，盛翔实验设备公司生产；KBr(分析纯，AR级)，天津市光复经济化工研究所生产。

1.2 仪器与设备

OM-1500型喷雾干燥机，上海顺仪实验设备公司；TF-FD-27S型真空冷冻干燥机，上海田枫实业公司；YHW-3S型微波真空冷冻干燥机，南京亚泰微波能研究所；SMS TA.XT Epress Enhanced型食品物性分析仪，英国SMS公司；CM-5型色差仪，深圳市三恩驰科技公司；VERTEX70型傅里叶红外光谱仪，德国 Bruker公司；EM-30Plus型电子扫描显微镜，日本岛津公司。

1.3 蛋清粉的制备

按照陈珂等[11]的方法对蛋清样品进行预处理并根据以下干燥方法制备蛋清粉。

1.3.1 真空冷冻干燥(FD)蛋清粉制备 预处理→预冻(-20 ℃，2 h)→真空冷冻干燥(压力15 MPa，-60 ℃，24 h)→过筛→包装。

1.3.2 喷雾干燥(SD)蛋清粉制备 预处理→喷雾干燥(进风温度170 ℃，出风温度80 ℃)→过筛→包装。

1.3.3 微波真空冷冻干燥(MFD)蛋清粉制备 预处理→平铺于物料盘内→-20 ℃预冻3 h→微波真空冷冻干燥(冷阱温度降至-40 ℃后，启动真空泵，待测样品表面和中心温度降至-15 ℃以下时，启动微波系统)→过筛→包装。

1.4 MFD制备蛋清粉工艺条件的优化

1.4.1 单因素试验 (1)微波功率。固定真空度140 Pa，装载量200 g，考察微波功率(300，400，500，600，700 W)对蛋清粉凝胶硬度的影响。(2)真空度。固定微波功率500 W，装载量200 g，考察真空度(100，120，140，160，180 Pa)对蛋清粉凝胶硬度的影响。(3)装载量。固定微波功率500 W，真空度140 Pa，考察装载量(100，150，200，250，300 g)对蛋清粉凝胶硬度的影响。采用TPA模式(探头P/0.5，测前5 mm/s，测中2 mm/s，测后2 mm/s，触发力3 g)[19]测定凝胶硬度。

1.4.2 响应面优化试验 根据单因素试验结果，以微波功率、真空度、装载量为影响因素，以凝胶硬度为响应值，采用Box-Behnken 试验设计，进行三元二次通用旋转组合设计试验，确定MFD蛋清粉的最佳工艺参数。三元二次通用旋转组合设计的因素和水平编码表如表1所示。

表1 MFD蛋清粉制备工艺的三元二次通用旋转组合设计试验的因素和水平编码Table 1 Factor and coding of ternary quadratic universal rotating combination design for preparation of MFD egg white powder

1.5 蛋清粉凝胶特性分析

1.5.1 凝胶的制备及质构分析 将蛋清粉溶解于适量的蒸馏水中，制成质量浓度为100 g/L的蛋清粉溶液，充分搅匀后，在80 ℃的水浴锅中加热45 min后放置在冰箱中，于4 ℃条件下冷藏过夜。将制备好的蛋清粉凝胶取出后在室温下放置20 min，采用TPA模式(探头P/0.5，测前5 mm/s，测中2 mm/s，测后2 mm/s，触发力3 g)[19]，对其凝胶硬度、黏结力、咀嚼性、回弹性进行测定。

1.5.2 凝胶失水率分析 将制备的凝胶样品切成大小均一的小块，称取其质量(m0)，在10 000 r/min条件下离心10 min，取出吸干表面水分后再称取其质量(m1)。计算凝胶失水率。

1.5.3 色差分析 取不同干燥方式制备的蛋清粉凝胶样品，用色差仪测定其明度(L*值)、红度(a*值)和黄度(b*值)，用白色标板进行标正，分析不同干燥方式对蛋清粉凝胶色泽的影响。每组样品均做3次平行，结果取其平均值。

1.5.4 傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)分析 准确称量2 mg待测样品与200 mg KBr粉末，混合均匀并压成薄片，用FTIR仪进行扫描，用Peak Fit v4.12软件对扫描所得红外光谱的酰胺Ⅰ带进行去卷积处理，再进行二阶导数拟合，分析不同干燥方式对蛋清粉蛋白二级结构组成(α-螺旋、β-折叠、β-转角、无规则卷曲)的影响。

1.5.5 扫描电镜(scanning electron microscopy，SEM)分析 按照参考文献[3]的方法，每组样品观察5～10个区域。

1.6 数据处理

每次试验均重复3次，采用Origin 9.0软件和Design Expert 8.0.5软件对得到的数据进行做图与分析。

2 结果与分析

2.1 MFD蛋清粉工艺条件的单因素试验结果

MFD制备蛋清粉的单因素试验结果见图1～3。

图1 微波功率对MFD蛋清粉凝胶硬度的影响Fig.1 Effect of microwave power on gel hardness of MFD egg white powder

由图1可知，随着微波功率的增加，凝胶硬度呈先升高后降低的趋势，在微波功率为500 W时达到最大。其原因可能是微波功率超过一定限度后，蛋清表面因升温过快而出现硬化现象，使蛋清粉品质下降。这与Valerie等[20]的研究结果相似。因此选定微波功率为500 W对蛋清进行干燥处理。

由图2可知，当真空度<140 Pa时，凝胶硬度随着真空度的增加而增大，当真空度达到140 Pa时达到最大；之后蛋清粉凝胶硬度随真空度的增加而降低，其原因可能是真空度过大，不利于水蒸气的逸出，从而影响蛋清粉的凝胶硬度。因此选择真空度为140 Pa对蛋清进行干燥处理。

由图3可知，随着装载量的增加，蛋清粉凝胶硬度呈先增长后缓慢下降趋势，当装载量达到200 g时，蛋清粉的凝胶硬度达到最大。这是因为微波具有一定的穿透深度，装载量过低时蛋清表面水分迅速挥发，会导致表面硬壳现象；而当装载量过大时，蛋清内部会形成较大的温度梯度，导致受热不均匀，进而影响蛋清粉的品质。这与Li等[21]研究结果一致。因此选择装载量200 g对蛋清进行干燥处理。

图3 装载量对MFD蛋清粉凝胶硬度的影响Fig.3 Effect of loading capacity on gel hardness of MFD egg white powder

2.2 MFD蛋清粉工艺条件的响应面优化试验结果

MFD制备蛋清粉工艺条件的优化试验方案及结果见表2。根据表2结果，计算各项回归系数，拟合得到自变量微波功率(X1)、真空度(X2)、装载量(X3)对蛋清粉凝胶硬度(Y)的二次回归模型为：

表2 MFD制备蛋清粉工艺条件的三元二次通用旋转组合设计试验方案及结果Table 2 Test scheme and results of ternary quadratic universal rotation combination design for preparation of egg white powder with MFD

R2=0.978 6。

MFD制备蛋清粉工艺条件的方差分析及显著性检验见表3。由表3可知，拟合的二次回归模型的P<0.000 1，表明拟合模型极显著；失拟项P=0.292 0>0.05，差异不显著，说明此模型可以用于MFD蛋清粉凝胶硬度的理论预测。剔除该模型中不显著项后的回归方程为：

表3 MFD制备蛋清粉工艺条件的方差分析及显著性检验Table 3 Analysis of variance and significance test of processing conditions of egg white powder prepared by MFD

2.3 最佳干燥工艺条件的确定与验证

将表2和表3中的结果采用Design Expert 8.0.5软件及回归方程分析，得到的MFD制备蛋清粉的最佳工艺条件为：微波功率503.5 W、真空度151.2 Pa、装载量195.2 g，此条件下蛋清粉凝胶硬度的预测值为399.172 g。为进一步检验回归模型预测的蛋清干燥工艺的准确性和可靠性，对优化后的干燥工艺进行了3次验证试验，在最佳干燥条件(由于设备原因，验证试验实际选取的微波功率为503 W、真空度为150 Pa、装载量为195.2 g)下，测得干燥后蛋清粉的凝胶硬度为(393.159±5.230) g，与预测值的相对误差为1.51%，说明利用优化的MFD蛋清粉工艺的预测模型，可以较好地预测蛋清粉的凝胶硬度，应用价值较高。

2.4 不同干燥方法制备的蛋清粉凝胶特性对比

2.4.1 蛋清粉凝胶的质构及失水率 以SD和FD蛋清粉为对照组，比较不同干燥方法制备蛋清粉凝胶的质构及失水率，结果见表4。

表4 不同干燥方法制备的蛋清粉凝胶的质构及失水率对比Table 4 Comparison of texture and water loss rate of egg white powder gel prepared by different drying methods

蛋清粉凝胶硬度指凝胶形变到一定程度时所出现的最大力，是蛋清粉凝胶特性的重要指标之一。由表4可知，3种方法制备的蛋清粉凝胶硬度之间存在显著差异(P<0.05)，其中MFD蛋清粉的凝胶硬度较FD蛋清粉高16.24%，但是较SD蛋清粉低19.82%。出现此现象的原因可能是，微波的辐射作用使干燥室内部温度逐渐上升，蛋清蛋白受温度影响逐渐变性展开，使包埋在内部的巯基基团暴露出来，导致分子间和分子内的相互作用增强，蛋清粉的凝胶硬度提高。这与Liu等[22]的研究结果一致。但是在一定温度范围内，干燥温度越高越有利于蛋清蛋白的进一步展开，进而形成更加规则的蛋白质网络结构[23]。MFD蛋清粉的凝胶黏结力、回弹性和咀嚼性相比其他蛋清粉样品大。结合前文分析发现，凝胶的黏结力、回弹性和咀嚼性不仅受干燥条件的影响，而且受干燥方法的显著影响。3种方法制备蛋清粉凝胶的失水率由小到大依次表现为SD

2.4.2 蛋清粉凝胶色差 不同干燥方法制备

蛋清粉凝胶色泽的对比结果见表5。

表5 不同干燥方法制备蛋清粉凝胶色泽的对比Table 5 Color comparison of egg white powder gel prepared by different drying methods

表5显示，3种凝胶的色差存在一定差异。其中FD、MFD蛋清粉凝胶的L*值(明度)均显著大于SD蛋清粉(P<0.05)，a*值(红度)和b*值(黄度)均显著小于SD蛋清粉，而前两者在色泽上无显著差异。相比于SD蛋清粉凝胶，FD和MFD蛋清粉凝胶的颜色更白，更易被消费者所接受。原因可能是由于干燥方法的不同，蛋清粉的颗粒形态、大小及表面结构存在差异。不同干燥方法温度差异较大，导致蛋白质发生褐变的程度不同，且不同干燥方法制备蛋清粉的水分含量存在差异，使得样品在干燥过程中发生了不同程度的美拉德反应。王玉堃等[24]的研究表明，在美拉德反应过程中，较高的相对湿度对美拉德反应具有促进作用，且干燥温度越高，美拉德反应速率越快。这与本研究结果一致。

2.4.3 FTIR分析 不同干燥方法制备蛋清粉蛋白二级结构组成的对比如表6所示。

表6 不同干燥方法制备蛋清粉蛋白二级结构组成的对比Table 6 Comparison of secondary structure composition of egg white powder protein prepared by different drying methods

酰胺Ⅰ带对于蛋白质二级结构的研究最有价值，与氢键作用力紧密相关。α-螺旋是蛋白质二级结构中的主要有序结构，通过分子内氢键维持[19]。表6表明，干燥方法对蛋清粉蛋白二级结构有显著影响。MFD蛋清粉的α-螺旋结构比例较FD蛋清粉降低了40.67%，较SD蛋清粉提高了23.19%，与凝胶硬度的表现相反。这是因为不同的干燥方法对α-螺旋结构氢键的破坏程度不同，温度越高，越有利于维持α-螺旋结构氢键的断裂、分子展开、巯基基团暴露，进而影响其凝胶硬度。此外，SD蛋清粉中β-转角含量最大，其原因可能是干燥温度较高，氢键断裂导致蛋白质分子的空间构象发生了改变，β-折叠或无规则卷曲结构向β-转角结构转变所致。胥伟等[25]与张秋会等[26]的研究发现，蛋白凝胶特性主要受分子柔性及蛋白质结构变化的影响，其中蛋白质结构中α-螺旋与β-折叠含量之比对凝胶品质具有重要影响，其比例越低，凝胶性能越理想。由表6可以看出，蛋清粉蛋白二级结构中α-螺旋与β-折叠含量之比从小到大表现为MFD

2.4.4 SEM分析 凝胶网络结构对蛋清粉凝胶的持水性以及凝胶硬度有显著影响，用扫描电镜观察对比3种干燥方法制备蛋清粉凝胶的三维网络结构，结果如图4所示。由图4可以看出，3种干燥方式制备的蛋清粉凝胶均能形成整齐有序的多孔网络结构，3种凝胶样品的孔径从小到大依次为SD

图4 不同干燥方法制备蛋清粉凝胶三维网络微观结构的对比(×5 000)Fig.4 Comparison of three-dimensional network microstructure of egg white powder gel prepared by different drying methods(×5 000)

3 结 论

本试验对MFD技术制备蛋清粉的工艺条件进行了优化，并通过凝胶质构及失水率、色差、FTIR、SEM分析对比研究了MFD、SD和FD 3种干燥方法对所制备蛋清粉凝胶特性的影响。结果表明，MFD蛋清粉的凝胶硬度较FD蛋清粉提高了16.24%，较SD蛋清粉降低了19.82%，其凝胶黏结力、回弹性和咀嚼性均较其他2种蛋清粉样品大。对3种干燥方式制备蛋清粉样品凝胶色差及微观结构的分析可知，利用MFD技术制备蛋清粉，既能有效促进蛋清粉蛋白质二级结构中刚性结构的减少和柔性结构的增加，改善蛋清粉凝胶的三维网络结构，进而明显改善其凝胶特性，又能有效缓解喷雾干燥导致的蛋清粉变性，使其能保留良好的色泽。Zhou等[16]的研究也表明，真空冷冻联合微波干燥不仅可以缩短鸭蛋蛋白粉的干燥时间，降低能耗，而且能保持鸭蛋蛋白粉良好的产品质量。因此将MFD技术应用于蛋清粉的加工，将为更高质量的高凝胶性蛋清粉的生产提供参考，但关于MFD干燥过程对蛋清粉质量及结构的影响机理，还需进一步深入研究。