喷雾干燥对蛋黄粉功能特性的影响

昂 媛 段 续,2 曹伟伟 任广跃,2 王 喆 李琳琳

(1. 河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471023；2. 粮食储藏安全河南省协同中心，河南 郑州 450001)

蛋黄是鸡蛋中带有胚盘的部分，又称卵黄。蛋黄中含有丰富的脂肪，包括中性脂肪、卵磷脂、胆固醇等，也含有丰富的钙、磷、铁等矿物质和维生素[1]。此外，蛋黄中还含有丰富的蛋白质，其中的卵黄抗体(Immunoglobulin of yolk, IgY)即卵黄免疫球蛋白，是一种高生物价的蛋白质，被广泛应用于医学和生物领域，可用于治疗和预防人类及动物疾病[2-4]。

蛋黄液中含有大量的水，将蛋黄液中的水分降至极低的水平不仅能抑制微生物的生长和减慢化学反应的速度，解决新鲜鸡蛋容易变质和破损的问题，脱水后还便于贮藏和运输，降低了销售成本[5-6]。蛋黄粉是以新鲜蛋黄为原料，采用干燥技术制备而成的粉制品，是卵黄抗体粉开发的重要形式，具有广泛的用途[7]。目前主要采用喷雾干燥和真空冷冻干燥来制备蛋黄粉，少部分采用真空干燥、托盘干燥和滚筒干燥[8]。刘静波等[9]制备了一种速溶蛋黄粉，当喷雾流量为17.37 mL/min，进料温度为35.65 ℃，进风温度为185.36 ℃时，速溶蛋黄粉溶解度为98.74 g/100 g，且颗粒结构较完整，稳定性较好，具有良好的复原性；王清平等[10]研究发现，经巴氏杀菌(65 ℃下灭菌5 min)后进行喷雾干燥(进风温度170 ℃，出口风温68～70 ℃)，此时对IgY活性的影响非常小，且蛋黄粉水分含量达标；程方圆[11]发现，喷雾干燥蛋黄粉的最佳工艺参数为进口风温180 ℃、蛋液质量浓度0.25 g/mL、进料流量7.4 g/min、抽气流量10 L/min。目前，有关喷雾干燥制备蛋黄粉的研究主要考察溶解度、出粉率、蛋白质含量和磷脂含量等指标，对IgY含量、表面疏水性、持油性及持水性、乳化能力及乳化稳定性等功能特性的研究较少。

研究拟以鲜鸡蛋为原料，采用喷雾干燥方法制备蛋黄粉，分析不同干燥参数对蛋黄粉中IgY抗体含量及其结构的影响；分析不同工艺条件对蛋黄粉溶解度和乳化性等功能特性的影响，以期为蛋黄粉在饲料领域、功能性食品及生物制药领域的开发应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

红壳鸡蛋：未受精，单个约60 g，市售；

ELISA试剂盒：中国上海钰博生物技术有限公司；

PBS(pH 7.4)、溴酚蓝(分析纯)：中国天津迪安化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

喷雾干燥机：YC-015实验型，上海雅程仪器设备有限公司；

电热恒温鼓风干燥箱：101-2型，北京科伟永兴仪器有限公司；

台式高速离心机：TG16-WS型，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；

紫外可见分光光度计：UV-2600型，龙尼柯(上海)仪器有限公司；

数显磁力加热搅拌器：HJ-6A型，常州普天仪器制造有限公司；

扫描电子显微镜：TM3030Plus型，日本日立高新技术公司；

电子天平：A.2003N型，上海佑科仪器仪表有限公司；

酶标仪：Multiskan FC型，赛默飞世尔仪器有限公司；

色差仪：Xrite color i5型，美国爱色丽公司。

1.3 试验方法

1.3.1 蛋黄预处理

红壳鸡蛋→洗净→打蛋、蛋清分离→加水搅拌(V蛋黄液∶V蒸馏水为1∶2)→喷雾干燥→出粉→冷却→包装

1.3.2 喷雾干燥单因素试验及组合试验 控制进料流量600 mL/h，调节进口风温为100，120，140，160，180 ℃进行单因素试验；控制进口风温140 ℃，调节进料流量为400，500，600，700，800 mL/h进行单因素试验。在单因素试验基础上按表1进行最优参数组合试验，以IgY含量和溶解度为指标。

1.3.3 IgY含量测定 采用酶联免疫分析试剂盒进行测定。

表1 组合试验参数

1.3.4 溶解度测定 根据GB 5413.29—2010并稍作修改，按式(1)计算样品溶解度。

(1)

式中：

X——样品溶解度，g/100 g；

m——样品质量，g；

m1——称量皿质量，g；

m2——称量皿和不溶物干燥后质量，g。

1.3.5 水分含量测定 根据GB 5009.3—2016中的直接干燥法。

1.3.6 出粉率测定 根据陈珂等[12]的方法并稍作修改，按式(2)计算出粉率。

(2)

式中：

c——样品出粉率，%；

m1——干燥后粉末固形物质量，g；

m2——进料溶液中总固形物质量，g。

1.3.7 微观结构表征 采用TM3030 Plus扫描电子显微镜进行测定，用镊子将待测蛋黄粉均匀涂在粘有双面胶的测量台上，用镀膜仪进行离子溅射喷金，将处理好的蛋黄粉在15 kV加速电压下进行微观结构表征[9]。

1.3.8 色差测定 采用色差仪测定干燥后样品的L*(亮度)、a*(红绿值)和b*(黄蓝值)，每组样品测定3次，取平均值。

1.3.9 傅里叶变换中远红外法(FT-IR) 将蛋黄粉样品按质量比1∶100加入到研磨好的干燥溴化钾中，在钨光灯下研磨均匀，用便携式压片机压成均匀透明的圆状薄片，用傅里叶变换中远红外仪进行红外光谱全波段扫描(4 000～400 cm-1)，扫描频次64次，分辨率4 cm-1，每个样品测定3次。

1.3.10 表面疏水性测定 根据Shen等[13]的方法并稍作修改。取1 mL溶解后的蛋黄粉液加入200 μL溴酚蓝溶液(1 mg/mL)涡旋混匀，室温下静置10 min，作为样品组。用1 mL去离子水代替1 mL溶解后的蛋黄粉溶液和200 μL溴酚蓝溶液涡旋混匀，作为空白对照组。10 000 r/min 离心15 min，取上清液稀释10倍，测定595 nm 处吸光值，按式(3)计算表面疏水性。

(3)

式中：

X——溴酚蓝结合量，μg；

A0——空白组吸光度；

A1——样品组吸光度。

(4)

式中：

ω——持水性或持油性，g/g；

m1——离心管和样品的质量，g；

m2——离心后离心管和沉淀的质量，g。

1.3.12 乳化能力及乳化稳定性测定 根据王家镔等[15]的方法并稍作修改。取0.5 g蛋黄粉，加入10 mL水。移取1 mL蛋黄粉液和1 mL氯化钠溶液，加入0.5 mL色拉油，加塞，涡旋3 min使其形成乳化液。3 000 r/min离心10 min，记录乳化层体积。测定3次取平均值，并按式(5)计算乳化性。

(5)

式中：

W——乳化性，%；

V1——乳化层体积，mL；

V2——总体积，mL。

将上述乳化液于60 ℃水浴30 min，静置，冷却，3 000 r/min 离心10 min，记录乳化层体积。测定3次取平均值，并按式(6)计算乳化稳定性。

(6)

式中：

E——乳化稳定性，%；

V1——乳化层体积，mL；

V2——总体积，mL。

1.4 数据处理与分析

使用Excel 2019、Origin 2018软件进行试验数据处理和分析，结果以平均值或平均值±标准差表示；使用IBM SPSS Statistics 26.0进行显著性分析和相关性分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 蛋黄粉的IgY含量

由图1可知，随着进口风温的升高，IgY含量逐渐降低；随着进料流量的增加，IgY含量逐渐升高。在120 ℃、700 mL/h下，IgY含量最高[(18.51±0.24) mg/g]；在160 ℃、500 mL/h下，IgY含量最低[(13.82±0.46) mg/g]。当进口风温为140 ℃时，随着进料流量的升高，IgY含量略有升高，但无显著性变化(P>0.05)，与谭佩毅等[16]的结果一致，主要是因为进口风温高、进料流量小时，蛋黄粉受热面积大、时间长易产生焦糊现象，蛋白质变性增多，抗体损失严重，影响品质；而进口风温低、进料速度快时，蛋黄粉的受热时间短，蛋白质变性减少，对抗体含量的影响减小，但蒸发效果不彻底会导致蛋黄粉的出粉率较低。

字母不同表示差异显著(P<0.05)图1 喷雾干燥参数对蛋黄粉IgY含量的影响

2.2 理化特性

由表2可知，蛋黄粉的溶解性在不同喷雾干燥参数下发生了显著性变化。随着进口风温和进料流量的逐渐升高，蛋黄粉的溶解度呈先快速增加后下降的趋势，在120 ℃、500 mL/h下，溶解度为(43.19±0.74)%；在140 ℃、160 mL/h下，溶解度达最大值(62.02±0.56)%，与120 ℃、500 mL/h时相比提高了18.83%。这可能是当进口风温过低、进料流量过快时，蛋黄粉受热不充分，喷雾干燥不彻底，部分半干颗粒含水率较高，易结块难溶解；当温度升高时，高温会在一定程度上诱导蛋白质变性，一定程度上增加其溶解性；当进口风温过高、进料流量过小时，蛋黄粉长时间暴露于高温下，更多的蛋白质展开，疏水性基团暴露，从而降低蛋黄粉的溶解性[17]。

由表2可知，随着进口风温的升高，蛋黄粉的水分含量显著降低；随着进料流量的增大，蛋黄粉的水分含量显著升高。所有参数下蛋黄粉水分含量均<5.5%，不利于微生物生长，延长了蛋黄粉的贮藏时间。在160 ℃、600 mL/h下，出粉率最高(72.63±0.42)%，是因为进料流量过小会导致蛋黄粉受热时间长，蛋白质变性使料液黏稠，而进料流量过快则会导致蛋黄粉干燥不彻底，含水率高而结块，两种情况均会使蛋黄粉粘壁而降低出粉率。

2.3 微观结构

由图2可知，喷雾干燥得到的蛋黄粉粉体为球状，表面整体结构完整，可观察到球形蛋黄粉颗粒。120 ℃下，蛋黄粉颗粒大小不均匀，表面出现较大的团聚体，相互堆积紧密结合，导致蛋黄粉易结块溶解度低；140 ℃下，蛋黄粉颗粒分布均匀且粉体间具有大小适中的孔隙，对水具有较好的容纳能力，因此具有良好的溶解度和分散性[18]；160 ℃下，由于温度过高，部分不可溶性颗粒溶出，使蛋黄粉溶解度下降。部分颗粒表面凹陷呈类红细胞状，可能是由于喷雾干燥瞬时温度高，颗粒水分迅速蒸发而导致蛋黄粉内部结构受损，为喷雾干燥常见的问题。王家镔等[15]发现，冷冻干燥得到的蛋黄粉粉体为不规则块状，表面粗糙，大小分布不均匀且分子间孔隙较大，而喷雾干燥蛋黄粉颗粒分布均匀，为球体状，颗粒之间空隙大小适中，与试验结果相同。

表2 喷雾干燥参数对蛋黄粉理化特性的影响†

图2 不同喷雾干燥参数下蛋黄粉的扫描电镜图Figure 2 SEM images of egg yolk powder under different spray drying parameters

2.4 色差分析

由表3可知，随着进口风温的升高，L*值呈上升趋势，说明进口风温的升高显著提高了蛋黄粉的亮度，a*值和b*值呈下降趋势，表明蛋黄粉的颜色变浅；随着进料流量的增加，L*值呈下降趋势，是因为进料流量高导致水分分布不均匀，蛋黄粉局部焦糊颜色变暗，a*值和b*值呈先上升后下降趋势，说明蛋黄粉的颜色由深变浅[19]。

表3 不同喷雾干燥参数下蛋黄粉的色泽†

2.5 二级结构分析

由表4可知，不同喷雾干燥参数下，蛋白质α-螺旋和无规则卷曲含量变化明显，β-折叠及β-转角含量无明显变化。这是因为高温使蛋白分子相邻肽链之间的氢键受到破坏，蛋白质分子内α-螺旋结构随之展开并形成松散的无规则卷曲结构[23]。结合图1可知，抗体含量的变化与蛋黄粉二级结构的变化密切相关，随着进口风温的升高，蛋白质中α-螺旋结构展开，IgY含量逐渐下降，说明抗体含量的变化与蛋白质二级结构中α-螺旋含量有关。结合表5可知，无规则卷曲含量越小，α-螺旋含量越高，表面疏水性越低；无规则卷曲含量越高，α-螺旋含量越小，表面疏水性越高[24]。抗体含量变化与无规则卷曲含量变化呈负相关(相关系数为-0.93)，与α-螺旋含量变化呈正相关(相关系数为0.93)；表面疏水性变化与无规则卷曲含量变化呈正相关(相关系数为0.78)，与α-螺旋含量变化呈负相关(相关系数为-0.75)；抗体含量和表面疏水性与β-折叠和β-转角含量变化均无明显线性关系。

表4 不同喷雾干燥参数下蛋白质的二级结构变化

2.6 功能特性分析

2.6.1 表面疏水性 由表6可知，表面疏水性随进口风温的增加呈上升趋势，可能是因为120 ℃时，蛋黄粉分子间表面脂蛋白聚集，部分疏水基团被包裹在蛋白内部导致表面疏水性低[25]，随着进口风温的升高，蛋白质变性，结构发生改变，维持蛋白质空间构象的作用力逐渐减弱，蛋白质缓慢展开，分子内部的疏水性氨基酸残基暴露，这些疏水性基团暴露在蛋白质表面，显著增加了蛋黄粉的表面疏水性，说明热处理过程中蛋白表面疏水性的变化开始为随温度的升高逐渐增大，当疏水性残基完全暴露于极性环境后，表面疏水性变化不再显著，与Benjakul等[26]的结果一致。

表5 相关性分析

2.6.2 持水性及持油性 由表6可知，在140 ℃、500 mL/h 时，持水性和持油性均最高，分别为(3.87±0.01)，(3.19±0.03) g/g。这是因为受热温度高、受热时间长会使蛋白质分子解聚形成较小颗粒的亚基粒子，这些亚基粒子在一定程度上延伸，暴露出蛋白质内部的极性基团，增强了蛋白质分子的表面电荷分布，改变了蛋白分子表面的持水/持油性，增加了蛋白质分子的粒径和促进了油滴的聚集。

2.6.3 乳化能力及乳化稳定性 由表6可知，随着进口风温和进料流量的增大，蛋黄粉的乳化性和乳化稳定性均呈上升趋势。这可能是由于120 ℃时，蛋白质亚基以聚集形式存在于界面上，蛋白质堆积导致乳化性及乳化稳定性低，而进口风温升高至160 ℃时，蛋白质变性结构发生明显变化，蛋白质展开露出巯基和疏水基团，促进乳液中油滴形成凝胶网状结构，从而提高了蛋黄粉的乳化能力和乳化稳定性[27]。Kiosseoglou[28]认为，除蛋白质本身性质外，蛋白质排列变为无序状态时可以更有效地参与油水界面膜的形成，有利于蛋白质乳化活力的提高，与试验结果一致。

表6 喷雾干燥参数对蛋黄粉功能特性的影响†

3 结论

蛋黄粉的卵黄抗体含量随进口风温的升高呈下降趋势，表明高温使蛋白质变性，抗体含量损失严重，喷雾干燥蛋黄粉的最佳参数为进口风温140 ℃、进料流量600 mL/h。该条件下，蛋黄粉的卵黄抗体含量为17.71 mg/g，溶解度为61.97%，出粉率为36.46%，水分含量为3.8%，且粉体结构完整，可观察到球形蛋白质分子聚合物，分布均匀且孔隙间距适中，同时表现出良好的表面疏水性、持水性及持油性和乳化能力及乳化稳定性等功能特性，说明通过改变喷雾干燥参数，能够在保证蛋黄粉抗体含量的同时，使蛋黄粉保持良好的理化性质和功能特性，切实提高了喷雾干燥蛋黄粉的品质。此外，添加热保护剂可以对蛋黄粉中活性物质进行保护，从而提高活性IgY的保留量，维持蛋黄粉中蛋白质的结构稳定。后续将进一步研究添加不同热保护剂对喷雾干燥蛋黄粉抗体含量、结构和功能特性的影响。