全蛋液超聲真空干燥的干燥特性及其品質(zhì)研究

侯亞玲，朱文學,2*，孫國峰，白喜婷,2，馬怡童

1(河南科技大學 食品與生物工程學院，河南 洛陽，471023) 2(農(nóng)產(chǎn)品干燥技術(shù)與裝備河南省工程技術(shù)研究中心，河南 洛陽，471023)

雞蛋含有人體所需多種營養(yǎng)物質(zhì)，且廉價易得[1]。受外界環(huán)境影響，雞蛋容易發(fā)生腐敗變質(zhì)，不宜長途運輸，這使得雞蛋加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到了限制。為滿足蛋制品加工的需求，常常將雞蛋進行干燥處理，但全蛋液是一種黏稠的食品物料，加工中存在干燥不徹底、營養(yǎng)成分損失嚴重等問題。真空干燥采用低氧低溫的干燥方式，對雞蛋進行干燥處理可降低蛋粉干燥過程中營養(yǎng)成分的損失，但存在干燥時間長、能耗較高等缺陷。因此，對雞蛋進行干燥處理可嘗試超聲處理聯(lián)合真空干燥技術(shù)以縮短真空干燥時間[2]。

超聲波應用于食品干燥時，可降低水分擴散阻力，縮短干燥時間。當超聲波作用于液體物料時，物料受到超聲波的輻射，內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，物料內(nèi)部擴散阻力降低，有利于水分的遷移。另一方面，超聲在物料內(nèi)部傳播時，有空化氣泡的產(chǎn)生，當空化氣泡閉合或破裂時，會在局部產(chǎn)生很大的壓強，使得物料內(nèi)部壓力和溫度發(fā)生變化，且存在部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能，從而進一步增強傳質(zhì)傳熱[3-6]。近些年，超聲波技術(shù)已廣泛應用于干燥領(lǐng)域中[7-11]，包括干燥前對物料進行超聲波預處理，以及超聲處理聯(lián)合各種干燥技術(shù)。有研究表明超聲可改善食品物料的功能特性及加工特性等[12-13]。

目前，關(guān)于超聲聯(lián)合真空干燥技術(shù)的研究越來越多[14-16]，但關(guān)于全蛋液等黏稠類物料干燥特性及干燥品質(zhì)的研究較少。因此，本文以全蛋液為研究對象，將真空干燥與超聲結(jié)合起來，進行全蛋液超聲真空干燥特性及干燥品質(zhì)的研究，以期為全蛋液干燥方式提供新的思路與理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮雞蛋，購于河南省洛陽市大張超市，并貯藏于2～4 ℃的冰箱中。在105 ℃條件下干燥測得蛋液樣品的初始干基含水率為3.27 g/g。

樣品制備與預處理：新鮮雞蛋經(jīng)過清洗、消毒、打蛋、攪拌、巴士殺菌處理后，均勻撒在反應器內(nèi)，每次試驗用量為50 g。

考馬斯亮藍，上海強順化學試劑有限公司；牛血清蛋白，上海藍季生物；十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate, SDS)，分析純，天津市北辰方正試劑廠。試驗所用其他試劑均為分析純，所用水均為超純水。

1.2 儀器與設(shè)備

KMD-M1型超聲波發(fā)生器，深圳科美達超聲波設(shè)備有限公司；TD-50002型電子天平，余姚市金諾天平儀器有限公司；DZF-6050型真空干燥箱, 上海一恒科學儀器有限公司；AD500S-H型均質(zhì)機，上海昂尼儀器儀表有限公司；GHRH-20型鼓風干燥箱，廣東省農(nóng)業(yè)機械研究所；L550型低速大容量離心機，湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司；T6新世紀紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限公司；UV-2600紫外可見分光光度計，島津儀器有限公司；Xrite Color i5型色差計，美國愛色麗公司；京制00000246型電子天平，賽多利斯科學儀器有限公司。

試驗采用的超聲真空干燥裝置，其具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)見文獻[17]。

1.3 試驗方法

全蛋液超聲真空干燥試驗方案如表1所示。在超聲波頻率為28 kHz，真空度為-0.09 MPa的條件下，選取干燥溫度、超聲聲能密度、超聲作用時間為試驗因素，根據(jù)表1所列參數(shù)數(shù)值，分別進行單因素試驗。在干燥過程中，每20 min將容器取出稱其質(zhì)量，直至前后2次質(zhì)量讀數(shù)基本不變時干燥試驗結(jié)束。每組試驗重復3次。試驗采用超聲聯(lián)合真空干燥的方法，即超聲處理與真空干燥技術(shù)同時進行。

表1 全蛋液超聲真空干燥試驗方案Table 1 Whole egg liquid ultrasonic vacuum dryingtest scheme

1.4 水份比的測定

干燥過程中的水份比(MR)采用公式(1)計算：

(1)

式中：ωt，t時刻物料的干基水份質(zhì)量分數(shù)，g/g；ω0，物料的初始干基水份質(zhì)量分數(shù)，g/g；ωe，物料的平衡干基水份質(zhì)量分數(shù)，g/g。

實際上ωe數(shù)值小，與ωt和ω0相比可忽略不計，因此可將公式(1)簡化為公式(2)：

(2)

1.5 干燥品質(zhì)測定

1.5.1 蛋粉可溶性蛋白質(zhì)保存率

采用考馬斯亮藍法測定干燥前全蛋液與干燥后蛋粉的可溶性蛋白質(zhì)含量[18]?？扇苄缘鞍踪|(zhì)保存率計算如公式(3)所示：

(3)

1.5.2 穩(wěn)定系數(shù)

配制質(zhì)量分數(shù)1%的蛋粉溶液，經(jīng)離心(3 000 r/min，20 min)后取上清液，測定其在260～280 nm波長范圍內(nèi)的最大吸收峰下的吸光度A1。該吸光度值與樣品未離心時在260～280 nm波長范圍內(nèi)的最大吸收峰下的吸光度值A(chǔ)2的比值被定義為穩(wěn)定系數(shù)R[19]，選取蒸餾水為對照，穩(wěn)定系數(shù)由公式(4)計算得到。

(4)

1.5.3 溶解度

根據(jù)文獻[20]計算全蛋粉的溶解度。

1.5.4 起泡性及泡沫穩(wěn)定性

用蒸餾水配制100 mL質(zhì)量分數(shù)為5%的蛋粉溶液于燒杯中，記錄初始高度為H0，采用均質(zhì)機在10 000 r/min下轉(zhuǎn)速攪打2 min，讀取起泡后高度H1，將泡沫靜置30 min后讀取高度H2[21]。起泡性及泡沫穩(wěn)定性按公式(5)、(6)計算：

(5)

(6)

1.5.5 乳化性及乳化穩(wěn)定性

取30 mL質(zhì)量分數(shù)為1%的蛋粉水溶液于燒杯中，加入10 mL大豆油混合，在10 000 r/min下均質(zhì)1 min后分別取0 min與10 min時樣品的底層乳狀液1 mL，分散于100 mL質(zhì)量分數(shù)為0.1%的SDS溶液中，選擇質(zhì)量分數(shù)0.1%的SDS溶液為對照，測定樣品溶液在500 nm波長處的吸光度值[22]。乳化性和乳化穩(wěn)定性的計算如公式(7)、(8)所示：

(7)

(8)

式中：A0，0 min時的吸光度值；DF，稀釋倍數(shù)，100；ρ，蛋粉溶液質(zhì)量濃度，g/mL；φ，比色池光徑，0.01 m；θ，油相質(zhì)量分數(shù)，1/4；A10，10 min時的吸光度值。

1.5.6 色差

采用色差計來測定干燥后蛋粉的色澤明亮度L*，綠紅值a*和藍黃值b*[23]，測定時選擇3個不同的角度測量，計算3次讀數(shù)的平均值，每組試驗重復3次。

1.6 數(shù)據(jù)處理

本文采用Excel 2010軟件、PASW Statistics 18.0軟件及Origin 8.5軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 全蛋液超聲真空干燥特性

2.1.1 溫度對全蛋液超聲真空干燥特性的影響

選擇超聲波頻率28 kHz，真空度-0.09 MPa，超聲聲能密度2.0 W/g，超聲作用時間3 h，對干燥溫度進行單因素試驗。全蛋液在不同干燥溫度下水份變化如圖1所示。干燥溫度越高，水份比下降速度越快，干燥所需時間越短。和30 ℃時的干燥時間相比，當干燥溫度分別為40、50、60、70、80 ℃時，干燥時間分別縮短了17%、25%、33%、42%、50%。這是由于干燥介質(zhì)溫度越高，物料內(nèi)部與外部環(huán)境溫度梯度越大，傳熱傳質(zhì)推動力越強，物料吸收外界的熱量越多，越有利于干燥過程進行。另一方面，隨著干燥溫度的升高，樣品內(nèi)部水分子運動加快，水分擴散速率加快，所以干燥過程加快[24]。但溫度過高會影響產(chǎn)品品質(zhì)，因此選擇50 ℃進行后續(xù)試驗。

圖1 溫度對全蛋液超聲真空干燥特性的影響Fig.1 Effect of temperature on drying characteristicsof whole egg liquid during ultrasonic vacuum drying

2.1.2 超聲聲能密度對全蛋液超聲真空干燥特性的影響

選擇超聲波頻率28 kHz，真空度-0.09 MPa，干燥溫度50 ℃，超聲作用時間3 h，對超聲聲能密度進行單因素試驗。全蛋液在不同超聲聲能密度下水份變化如圖2所示。未加超聲時，真空干燥所需時間為400 min；當超聲聲能密度為0.4 W/g時，干燥時間降低至280 min，干燥時間縮短了30%。從圖2可以看出，加入超聲時，時間與水份比曲線趨勢明顯變陡。由此可見，真空干燥引入超聲可明顯縮短物料干燥時間。這是因為超聲波產(chǎn)生的高頻振動可使樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，全蛋液的內(nèi)部孔隙率增大，水分擴散阻力降低，利于物料內(nèi)部水分流動[25]。同時，超聲可破壞樣品中大分子物質(zhì)之間的結(jié)合，降低樣品黏度，提高樣品內(nèi)部水分的流動性，加快水分的蒸發(fā)。此外，隨著超聲聲能密度的增大，超聲真空干燥所需時間越來越短，水份比下降速度越來越快。這是因為，隨著超聲聲能密度的增大，分子之間振動加劇，超聲所產(chǎn)生的空化作用、機械效應和熱效應等都得到了增強，物料內(nèi)部的能量逐漸增多，產(chǎn)生了更多的微細孔道，水分子流動性增加，水分的蒸發(fā)速率增加。而且隨著超聲聲能密度的增大，更多的聲能轉(zhuǎn)化為了熱能，傳質(zhì)傳熱效率進一步得到了提高，進而縮短了物料干燥時間[26]。

圖2 超聲聲能密度對全蛋液超聲真空干燥特性的影響Fig.2 Effect of ultrasonic energy density on dryingcharacteristics of whole egg liquid duringultrasonic vacuum drying

2.1.3 超聲作用時間對全蛋液超聲真空干燥特性的影響

選擇超聲波頻率28 kHz，真空度-0.09 MPa，干燥溫度50 ℃，超聲聲能密度2.0 W/g，對超聲作用時間進行單因素試驗。全蛋液在不同超聲時間下水份變化如圖3所示。未加超聲時，真空干燥所需時間為400 min；當引入超聲波作用時，超聲時間為0.5、1.0 h時所對應的超聲真空干燥時間分別為360和330 min，干燥時間縮短了10%和18%。此時超聲作用效果不明顯。這是因為，超聲對物料作用時間太短，超聲所產(chǎn)生的機械效應、空化效應等效果太弱，對真空干燥強化不明顯。隨著作用時間的增加，超聲對真空干燥的影響越來越大，超聲1.5、2.0、2.5 h與無超聲時相比,干燥時間分別縮短了33%、48%、55%。當超聲作用時間達到2.5 h時，干燥所需時間最短，但繼續(xù)增加超聲時間，干燥速率增加不明顯，這主要是因為隨著干燥的進行，物料中的水分大量蒸發(fā)，樣品的含水率下降，超聲波在樣品中傳播受到的阻抗增大，導致超聲的衰減系數(shù)增大，超聲對真空干燥的作用效果變?nèi)鮗27]。

圖3 超聲作用時間對全蛋液超聲真空干燥特性的影響Fig.3 Effect of ultrasonic time on drying characteristicsof whole egg liquid during ultrasonic vacuum drying

2.2 不同干燥條件下蛋粉干燥品質(zhì)試驗結(jié)果

2.2.1 干燥條件對蛋粉可溶性蛋白質(zhì)保存率的影響

如圖4所示，隨著干燥溫度的升高，蛋粉可溶性蛋白質(zhì)保存率先升高后降低；干燥溫度為50 ℃時的蛋白質(zhì)保存率最高，達到95%。試驗結(jié)果表明，干燥溫度為50 ℃時，蛋粉可溶性蛋白質(zhì)損失最少；而干燥溫度為80 ℃時，可溶性蛋白質(zhì)保存率最低，僅為64%，可溶性蛋白質(zhì)損失最多。因此，超聲真空干燥蛋粉的干燥溫度最好≤50 ℃。

圖4 不同條件下全蛋粉可溶性蛋白質(zhì)保存率Fig.4 The preservation rate of soluble protein of wholeegg powder under different conditions

當干燥溫度為50 ℃時，未經(jīng)超聲處理的蛋粉可溶性蛋白質(zhì)保存率為71%；隨著超聲聲能密度的增大，蛋粉可溶性蛋白質(zhì)保存率呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，其值最高可達到95%，與未經(jīng)超聲處理得到的蛋粉測量值相比提高了35%。蛋粉可溶性蛋白質(zhì)保存率隨超聲作用時間的增加而升高，當超聲作用時間達到2.5 h之后，蛋粉可溶性蛋白質(zhì)保存率數(shù)值基本不變。蛋粉可溶性蛋白質(zhì)保存率的升高是由于在超聲處理過程中，蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生了變化，蛋白質(zhì)表面電荷性質(zhì)發(fā)生了改變，蛋白質(zhì)與水分子之間的相互作用也得到了強化，這使得原本不溶的蛋白質(zhì)變成可溶性蛋白，可溶性蛋白質(zhì)含量增加[18]。因此，超聲作用可有效減少真空干燥蛋粉可溶性蛋白質(zhì)的損失，提高可溶性蛋白質(zhì)保存率。

2.2.2 干燥條件對蛋粉穩(wěn)定系數(shù)的影響

如圖5所示，隨著干燥溫度的升高，蛋粉穩(wěn)定系數(shù)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在干燥溫度為50 ℃時達到最大，蛋粉穩(wěn)定系數(shù)為93%；蛋粉穩(wěn)定系數(shù)在干燥溫度為80 ℃時最小為85%。這是因為，在干燥過程中，溫度過高會導致蛋白質(zhì)變性，蛋白質(zhì)等大分子之間相互粘結(jié)，使得蛋粉顆粒增大，在水中的分散系數(shù)下降，穩(wěn)定性降低。因此，干燥溫度應≤50 ℃。

圖5 不同條件下全蛋粉穩(wěn)定系數(shù)Fig.5 The stability coefficient of whole egg powder underdifferent conditions

隨著超聲聲能密度的增加，蛋粉的穩(wěn)定系數(shù)逐漸增加，當聲能密度為2.0 W/g時，蛋粉穩(wěn)定系數(shù)最大為93%。隨著超聲作用時間的增加，蛋粉穩(wěn)定系數(shù)逐漸升高，在1.5 h之后逐漸趨于穩(wěn)定，最高達到94%，明顯高于無超聲作用時的85%,因此超聲作用可有效提高真空干燥蛋粉的穩(wěn)定系數(shù)。這是因為超聲波的機械效應可以產(chǎn)生強大的剪切力，使得蛋粉顆粒粒徑變小。同時超聲所產(chǎn)生的空化效應可以形成湍流，從而增加了樣品中分子之間的碰撞，使得樣品中的大分子多聚體分散成小分子[28]，因此蛋粉可以更好地分散在溶液中，其穩(wěn)定性得到了增強。

2.2.3 干燥條件對蛋粉溶解度的影響

如圖6所示，隨著干燥溫度的升高，全蛋粉的溶解度逐漸升高，在50 ℃時達到最大為98%；當干燥溫度>50 ℃時，溶解度逐漸降低，當干燥溫度為80 ℃時，蛋粉溶解度最低為94%。這是因為當干燥溫度過高時，蛋粉顆粒會出現(xiàn)結(jié)塊堆積現(xiàn)象，使得蛋粉顆粒在溶劑中的分散性變差，溶解度變低。

圖6 不同條件下全蛋粉溶解度Fig.6 The solubility of whole egg powder under differentconditions

當干燥溫度為50 ℃，無超聲作用時，蛋粉的溶解度為92%；引入超聲后，隨著超聲聲能密度及超聲作用時間的增加，蛋粉的溶解度逐漸升高，這是因為超聲所產(chǎn)生的空化效應和機械效應可使得蛋粉顆粒變小，暴露更多的親水基團，樣品與水分子之間的交互作用得到增強，從而樣品更容易分散在水中[29-30]，因此超聲作用可有效提高真空干燥蛋粉的溶解度。但當超聲聲能密度和超聲作用時間分別達到1.6 W/g和2 h時，繼續(xù)增加超聲聲能密度及超聲作用時間，蛋粉的溶解度變化不明顯，原因可能是產(chǎn)生的超聲能量不足以將原有的小分子進一步打碎。

2.2.4 干燥條件對蛋粉起泡性及泡沫穩(wěn)定性的影響

如圖7所示，隨著干燥溫度的升高，蛋粉溶液起泡性及泡沫穩(wěn)定性升高，當干燥溫度達到50 ℃時數(shù)值達到最大，分別為52%和88%；繼續(xù)增加干燥溫度，蛋粉溶液的起泡性及泡沫穩(wěn)定性均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。這是因為干燥溫度過高，樣品中蛋白質(zhì)變性導致蛋粉顆粒的運動黏度降低，使得形成的液膜穩(wěn)定性降低，因此泡沫更容易破裂，其起泡性及泡沫穩(wěn)定性均降低[31]。隨著超聲聲能密度及超聲作用時間的增加，蛋粉的起泡性呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，分別在聲能密度為1.2 W/g及超聲作用2 h時達到最大，數(shù)值分別為56%和58%，與未經(jīng)超聲處理的樣品(40%)相比，分別提高了41%和46%。泡沫穩(wěn)定性隨著超聲聲能密度的增加而逐漸升高；但是隨著超聲作用時間的增加，樣品溶液的泡沫穩(wěn)定性先升高后降低。起泡性及泡沫穩(wěn)定性的增強是因為超聲波作用減小了蛋粉中蛋白質(zhì)等大分子膠束的粒徑，改變了其表面疏水性，使其有更大的表面活性，同時蛋白質(zhì)分子發(fā)生適度的伸展，從而形成更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和氣-液界面膜，使其起泡性及泡沫穩(wěn)定性增強；而過強的超聲打破了蛋白質(zhì)分子形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)及界面膜，產(chǎn)生的泡沫容易發(fā)生破裂，因此樣品溶液的起泡性及泡沫穩(wěn)定性下降[32]。

a-干燥溫度;b-聲能密度;c-超聲作用時間圖7 不同條件對全蛋粉起泡性及泡沫穩(wěn)定性的影響Fig.7 Effects of different conditions on the foaming ability and foam stability of whole egg powder

2.2.5 干燥條件對蛋粉乳化性及乳化穩(wěn)定性的影響

如圖8所示，隨著干燥溫度的升高，蛋粉乳化性對應曲線趨勢表現(xiàn)為先增加后降低，而蛋粉乳化穩(wěn)定性一直降低。蛋粉乳化性及乳化穩(wěn)定性隨著超聲聲能密度及超聲作用時間的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。蛋粉乳化性分別在聲能密度為1.2 W/g和超聲時間為1.5 h時達到最大，分別為590 m2/g和577 m2/g；蛋粉乳化穩(wěn)定性在聲能密度為1.2 W/g和超聲時間為1 h時達到最大，分別為43和65 min。試驗結(jié)果表明，適度的超聲有助于提高蛋粉溶液的乳化性及乳化穩(wěn)定性，這是因為超聲產(chǎn)生的空化效應及機械效應可使蛋白質(zhì)等大分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，產(chǎn)生空穴，蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)變得更加疏松無序，同時蛋白質(zhì)疏水基團的暴露，使得蛋白質(zhì)分子更易吸附于油-水界面，但是過高的超聲會產(chǎn)生強烈的機械性斷鍵作用，使溶液體系中不溶性分子增多，導致小分子聚集，表面疏水性降低，則乳化性及乳化穩(wěn)定性下降[33-34]。

a-干燥溫度;b-聲能密度;c-超聲作用時間圖8 不同條件對全蛋粉乳化性及乳化穩(wěn)定性的影響Fig.8 Effects of different conditions on the emulsification and emulsification stability of whole egg powder

2.2.6 干燥條件對蛋粉色差的影響

如表2所示,隨著超聲作用時間及聲能密度的增加，蛋粉的L*值稍有增加，但是蛋粉的L*值隨著干燥溫度的升高而降低，蛋粉的a*值和b*值隨著超聲作用時間、聲能密度和干燥溫度的升高而升高。試驗結(jié)果表明，隨著超聲作用時間及聲能密度的增加，蛋粉色澤越來越明亮，但逐漸變紅變黃；隨著干燥溫度的升高，蛋粉色澤越來越暗，顏色逐漸變紅變黃。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是因為樣品中的蛋白質(zhì)與糖類物質(zhì)發(fā)生美拉德反應，且隨著干燥溫度的升高，美拉德反應越來越嚴重，產(chǎn)品顏色逐漸變暗紅[35]。

表2 不同條件下的色差值Table 2 The color values under different conditions

注：同列肩標不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

3 結(jié)論

全蛋液超聲真空干燥結(jié)果表明，隨著干燥溫度、超聲聲能密度及超聲時間的增加，全蛋液真空干燥時間縮短，干燥速率增加。

蛋粉干燥品質(zhì)研究結(jié)果表明，乳化穩(wěn)定性隨著干燥溫度的升高而降低。其他性質(zhì)均隨著干燥溫度的升高而表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。隨著超聲聲能密度及超聲作用時間的增加，蛋粉可溶性蛋白保存率、穩(wěn)定系數(shù)、溶解度、泡沫穩(wěn)定性逐漸升高，而起泡性、乳化性及乳化穩(wěn)定性則先升高后降低。試驗所得最佳干燥溫度為50 ℃，最佳超聲波聲能密度為1.2～1.6 W/g，最佳超聲作用時間為2～2.5 h。