蛋清粉微波真空冷凍干燥條件優(yōu)化及凝膠特性分析

劉麗莉，張孟軍，代曉凝，史勝娟，李媛媛

(河南科技大學(xué) a食品與生物工程學(xué)院，b食品加工與安全國家級教學(xué)示范中心，河南 洛陽 471023)

雞蛋清含有各類豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，是蛋白質(zhì)、氨基酸等成分生物價最高的食物來源。因此被作為食品加工領(lǐng)域的重要資源而廣泛應(yīng)用到食品工業(yè)中[1]。蛋清粉不僅很大程度地保留了鮮蛋清的營養(yǎng)成分及優(yōu)良特性，而且具有易保存、節(jié)約運輸成本、不易變質(zhì)等優(yōu)點[2]。凝膠性作為蛋清粉重要的功能特性，在蛋清粉的研究中占有舉足輕重的地位，工業(yè)上蛋清粉凝膠主要應(yīng)用于火腿腸、魚糜等制品的生產(chǎn)[3]。葉麗紅等[4]研究表明，蛋清粉能改善魚丸的凝膠特性，添加蛋清粉的魚丸結(jié)構(gòu)更加緊密；王希希等[5]和許亞彬等[6]對鰱魚魚糜凝膠特性的研究均表明，蛋清粉可明顯改善鰱魚魚糜的凝膠特性，且比蛋清液的改善效果更為顯著。目前，在實際生產(chǎn)過程中，蛋清粉凝膠雖然能滿足普通制品的需要，但對于某些特定的行業(yè)，其效果仍達(dá)不到理想程度，因此非常有必要進(jìn)一步研究制備具有更高品質(zhì)的高凝膠性蛋清粉。

有研究表明，蛋清粉凝膠特性主要受干燥方式的影響[3,7-8]。目前，已有很多關(guān)于蛋清粉干燥工藝的研究報道。Wang等[9]指出微波技術(shù)能誘導(dǎo)蛋清粉結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變并改善其功能特性。但微波干燥除其本身所具備的優(yōu)點外，容易導(dǎo)致樣品受熱不均勻的問題也較為嚴(yán)重，制備的產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證。Katekhong等[10]分析了噴霧干燥溫度對蛋清粉功能特性的影響；陳珂等[11]對噴霧干燥制備蛋清粉的工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，并對其功能特性及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。然而噴霧干燥由于其瞬時高溫會導(dǎo)致蛋清粉嚴(yán)重變性，進(jìn)而影響其凝膠特性。沈青等[12]采用真空冷凍及噴霧干燥方法對雞蛋全蛋粉進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，真空冷凍干燥制得的蛋清粉功能性質(zhì)較優(yōu)。但真空冷凍干燥的最大缺點是耗能大，這也是制約其在普通食品中廣泛應(yīng)用的主要原因。目前，將微波真空冷凍干燥(microwave vacuum freeze drying，MFD)技術(shù)應(yīng)用于雞蛋蛋清粉加工的研究尚不多見。MFD技術(shù)兼?zhèn)湮⒉ǜ稍锖驼婵绽鋬龈稍锏膬?yōu)點，二者聯(lián)合能有效緩解真空冷凍干燥耗能大的缺陷，且干燥速度快，能很大程度地保留食品的原有結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)成分[13]，在食品干燥領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛[14-15]。Zhou等[16]將冷凍干燥與微波真空干燥相結(jié)合應(yīng)用于鴨蛋蛋白的干燥，在得到品質(zhì)優(yōu)良的鴨蛋蛋白粉的基礎(chǔ)上，不僅提高了干燥效率而且能耗也顯著降低。朱彩平等[17]和湯夢情等[18]采用微波-真空冷凍技術(shù)分別對平菇和蘆筍進(jìn)行干燥，結(jié)果表明成品的營養(yǎng)成分保留較高，干燥產(chǎn)品品質(zhì)提高，這為其工業(yè)化深加工提供了理論依據(jù)。

目前，前人已經(jīng)對蛋清粉的干燥方法進(jìn)行了較多研究，但將MFD技術(shù)應(yīng)用于雞蛋蛋清粉的干燥，并對其干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化以提升其凝膠特性的研究尚未見報道。故本研究以微波功率、真空度、裝載量為影響因素，通過MFD技術(shù)制備蛋清粉，以凝膠硬度為指標(biāo)，確定其最佳干燥工藝；并以噴霧干燥(spray drying，SD)和真空冷凍干燥(freeze drying，F(xiàn)D)為對照，對MFD蛋清粉的凝膠特性進(jìn)行了分析，以期為有效提升蛋清粉的凝膠特性及有效避免因瞬時高溫導(dǎo)致蛋清粉變性提供新方法，并為生產(chǎn)更高品質(zhì)的高凝膠性蛋清粉提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

雞蛋購于洛陽市大張超市；叔丁醇(分析純，AR級)，盛翔實驗設(shè)備公司生產(chǎn)；KBr(分析純，AR級)，天津市光復(fù)經(jīng)濟化工研究所生產(chǎn)。

1.2 儀器與設(shè)備

OM-1500型噴霧干燥機，上海順儀實驗設(shè)備公司；TF-FD-27S型真空冷凍干燥機，上海田楓實業(yè)公司；YHW-3S型微波真空冷凍干燥機，南京亞泰微波能研究所；SMS TA.XT Epress Enhanced型食品物性分析儀，英國SMS公司；CM-5型色差儀，深圳市三恩馳科技公司；VERTEX70型傅里葉紅外光譜儀，德國 Bruker公司；EM-30Plus型電子掃描顯微鏡，日本島津公司。

1.3 蛋清粉的制備

按照陳珂等[11]的方法對蛋清樣品進(jìn)行預(yù)處理并根據(jù)以下干燥方法制備蛋清粉。

1.3.1 真空冷凍干燥(FD)蛋清粉制備 預(yù)處理→預(yù)凍(-20 ℃，2 h)→真空冷凍干燥(壓力15 MPa，-60 ℃，24 h)→過篩→包裝。

1.3.2 噴霧干燥(SD)蛋清粉制備 預(yù)處理→噴霧干燥(進(jìn)風(fēng)溫度170 ℃，出風(fēng)溫度80 ℃)→過篩→包裝。

1.3.3 微波真空冷凍干燥(MFD)蛋清粉制備 預(yù)處理→平鋪于物料盤內(nèi)→-20 ℃預(yù)凍3 h→微波真空冷凍干燥(冷阱溫度降至-40 ℃后，啟動真空泵，待測樣品表面和中心溫度降至-15 ℃以下時，啟動微波系統(tǒng))→過篩→包裝。

1.4 MFD制備蛋清粉工藝條件的優(yōu)化

1.4.1 單因素試驗 (1)微波功率。固定真空度140 Pa，裝載量200 g，考察微波功率(300，400，500，600，700 W)對蛋清粉凝膠硬度的影響。(2)真空度。固定微波功率500 W，裝載量200 g，考察真空度(100，120，140，160，180 Pa)對蛋清粉凝膠硬度的影響。(3)裝載量。固定微波功率500 W，真空度140 Pa，考察裝載量(100，150，200，250，300 g)對蛋清粉凝膠硬度的影響。采用TPA模式(探頭P/0.5，測前5 mm/s，測中2 mm/s，測后2 mm/s，觸發(fā)力3 g)[19]測定凝膠硬度。

1.4.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗 根據(jù)單因素試驗結(jié)果，以微波功率、真空度、裝載量為影響因素，以凝膠硬度為響應(yīng)值，采用Box-Behnken 試驗設(shè)計，進(jìn)行三元二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗，確定MFD蛋清粉的最佳工藝參數(shù)。三元二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計的因素和水平編碼表如表1所示。

表1 MFD蛋清粉制備工藝的三元二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗的因素和水平編碼Table 1 Factor and coding of ternary quadratic universal rotating combination design for preparation of MFD egg white powder

1.5 蛋清粉凝膠特性分析

1.5.1 凝膠的制備及質(zhì)構(gòu)分析 將蛋清粉溶解于適量的蒸餾水中，制成質(zhì)量濃度為100 g/L的蛋清粉溶液，充分?jǐn)噭蚝?，?0 ℃的水浴鍋中加熱45 min后放置在冰箱中，于4 ℃條件下冷藏過夜。將制備好的蛋清粉凝膠取出后在室溫下放置20 min，采用TPA模式(探頭P/0.5，測前5 mm/s，測中2 mm/s，測后2 mm/s，觸發(fā)力3 g)[19]，對其凝膠硬度、黏結(jié)力、咀嚼性、回彈性進(jìn)行測定。

1.5.2 凝膠失水率分析 將制備的凝膠樣品切成大小均一的小塊，稱取其質(zhì)量(m0)，在10 000 r/min條件下離心10 min，取出吸干表面水分后再稱取其質(zhì)量(m1)。計算凝膠失水率。

1.5.3 色差分析 取不同干燥方式制備的蛋清粉凝膠樣品，用色差儀測定其明度(L*值)、紅度(a*值)和黃度(b*值)，用白色標(biāo)板進(jìn)行標(biāo)正，分析不同干燥方式對蛋清粉凝膠色澤的影響。每組樣品均做3次平行，結(jié)果取其平均值。

1.5.4 傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)分析 準(zhǔn)確稱量2 mg待測樣品與200 mg KBr粉末，混合均勻并壓成薄片，用FTIR儀進(jìn)行掃描，用Peak Fit v4.12軟件對掃描所得紅外光譜的酰胺Ⅰ帶進(jìn)行去卷積處理，再進(jìn)行二階導(dǎo)數(shù)擬合，分析不同干燥方式對蛋清粉蛋白二級結(jié)構(gòu)組成(α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角、無規(guī)則卷曲)的影響。

1.5.5 掃描電鏡(scanning electron microscopy，SEM)分析 按照參考文獻(xiàn)[3]的方法，每組樣品觀察5～10個區(qū)域。

1.6 數(shù)據(jù)處理

每次試驗均重復(fù)3次，采用Origin 9.0軟件和Design Expert 8.0.5軟件對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行做圖與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 MFD蛋清粉工藝條件的單因素試驗結(jié)果

MFD制備蛋清粉的單因素試驗結(jié)果見圖1～3。

圖1 微波功率對MFD蛋清粉凝膠硬度的影響Fig.1 Effect of microwave power on gel hardness of MFD egg white powder

由圖1可知，隨著微波功率的增加，凝膠硬度呈先升高后降低的趨勢，在微波功率為500 W時達(dá)到最大。其原因可能是微波功率超過一定限度后，蛋清表面因升溫過快而出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，使蛋清粉品質(zhì)下降。這與Valerie等[20]的研究結(jié)果相似。因此選定微波功率為500 W對蛋清進(jìn)行干燥處理。

由圖2可知，當(dāng)真空度<140 Pa時，凝膠硬度隨著真空度的增加而增大，當(dāng)真空度達(dá)到140 Pa時達(dá)到最大；之后蛋清粉凝膠硬度隨真空度的增加而降低，其原因可能是真空度過大，不利于水蒸氣的逸出，從而影響蛋清粉的凝膠硬度。因此選擇真空度為140 Pa對蛋清進(jìn)行干燥處理。

由圖3可知，隨著裝載量的增加，蛋清粉凝膠硬度呈先增長后緩慢下降趨勢，當(dāng)裝載量達(dá)到200 g時，蛋清粉的凝膠硬度達(dá)到最大。這是因為微波具有一定的穿透深度，裝載量過低時蛋清表面水分迅速揮發(fā)，會導(dǎo)致表面硬殼現(xiàn)象；而當(dāng)裝載量過大時，蛋清內(nèi)部會形成較大的溫度梯度，導(dǎo)致受熱不均勻，進(jìn)而影響蛋清粉的品質(zhì)。這與Li等[21]研究結(jié)果一致。因此選擇裝載量200 g對蛋清進(jìn)行干燥處理。

圖3 裝載量對MFD蛋清粉凝膠硬度的影響Fig.3 Effect of loading capacity on gel hardness of MFD egg white powder

2.2 MFD蛋清粉工藝條件的響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果

MFD制備蛋清粉工藝條件的優(yōu)化試驗方案及結(jié)果見表2。根據(jù)表2結(jié)果，計算各項回歸系數(shù)，擬合得到自變量微波功率(X1)、真空度(X2)、裝載量(X3)對蛋清粉凝膠硬度(Y)的二次回歸模型為：

表2 MFD制備蛋清粉工藝條件的三元二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗方案及結(jié)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制備蛋清粉工藝條件的方差分析及顯著性檢驗見表3。由表3可知，擬合的二次回歸模型的P<0.000 1，表明擬合模型極顯著；失擬項P=0.292 0>0.05，差異不顯著，說明此模型可以用于MFD蛋清粉凝膠硬度的理論預(yù)測。剔除該模型中不顯著項后的回歸方程為：

表3 MFD制備蛋清粉工藝條件的方差分析及顯著性檢驗Table 3 Analysis of variance and significance test of processing conditions of egg white powder prepared by MFD

2.3 最佳干燥工藝條件的確定與驗證

將表2和表3中的結(jié)果采用Design Expert 8.0.5軟件及回歸方程分析，得到的MFD制備蛋清粉的最佳工藝條件為：微波功率503.5 W、真空度151.2 Pa、裝載量195.2 g，此條件下蛋清粉凝膠硬度的預(yù)測值為399.172 g。為進(jìn)一步檢驗回歸模型預(yù)測的蛋清干燥工藝的準(zhǔn)確性和可靠性，對優(yōu)化后的干燥工藝進(jìn)行了3次驗證試驗，在最佳干燥條件(由于設(shè)備原因，驗證試驗實際選取的微波功率為503 W、真空度為150 Pa、裝載量為195.2 g)下，測得干燥后蛋清粉的凝膠硬度為(393.159±5.230) g，與預(yù)測值的相對誤差為1.51%，說明利用優(yōu)化的MFD蛋清粉工藝的預(yù)測模型，可以較好地預(yù)測蛋清粉的凝膠硬度，應(yīng)用價值較高。

2.4 不同干燥方法制備的蛋清粉凝膠特性對比

2.4.1 蛋清粉凝膠的質(zhì)構(gòu)及失水率 以SD和FD蛋清粉為對照組，比較不同干燥方法制備蛋清粉凝膠的質(zhì)構(gòu)及失水率，結(jié)果見表4。

表4 不同干燥方法制備的蛋清粉凝膠的質(zhì)構(gòu)及失水率對比Table 4 Comparison of texture and water loss rate of egg white powder gel prepared by different drying methods

蛋清粉凝膠硬度指凝膠形變到一定程度時所出現(xiàn)的最大力，是蛋清粉凝膠特性的重要指標(biāo)之一。由表4可知，3種方法制備的蛋清粉凝膠硬度之間存在顯著差異(P<0.05)，其中MFD蛋清粉的凝膠硬度較FD蛋清粉高16.24%，但是較SD蛋清粉低19.82%。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是，微波的輻射作用使干燥室內(nèi)部溫度逐漸上升，蛋清蛋白受溫度影響逐漸變性展開，使包埋在內(nèi)部的巰基基團(tuán)暴露出來，導(dǎo)致分子間和分子內(nèi)的相互作用增強，蛋清粉的凝膠硬度提高。這與Liu等[22]的研究結(jié)果一致。但是在一定溫度范圍內(nèi)，干燥溫度越高越有利于蛋清蛋白的進(jìn)一步展開，進(jìn)而形成更加規(guī)則的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[23]。MFD蛋清粉的凝膠黏結(jié)力、回彈性和咀嚼性相比其他蛋清粉樣品大。結(jié)合前文分析發(fā)現(xiàn)，凝膠的黏結(jié)力、回彈性和咀嚼性不僅受干燥條件的影響，而且受干燥方法的顯著影響。3種方法制備蛋清粉凝膠的失水率由小到大依次表現(xiàn)為SD

2.4.2 蛋清粉凝膠色差 不同干燥方法制備

蛋清粉凝膠色澤的對比結(jié)果見表5。

表5 不同干燥方法制備蛋清粉凝膠色澤的對比Table 5 Color comparison of egg white powder gel prepared by different drying methods

表5顯示，3種凝膠的色差存在一定差異。其中FD、MFD蛋清粉凝膠的L*值(明度)均顯著大于SD蛋清粉(P<0.05)，a*值(紅度)和b*值(黃度)均顯著小于SD蛋清粉，而前兩者在色澤上無顯著差異。相比于SD蛋清粉凝膠，F(xiàn)D和MFD蛋清粉凝膠的顏色更白，更易被消費者所接受。原因可能是由于干燥方法的不同，蛋清粉的顆粒形態(tài)、大小及表面結(jié)構(gòu)存在差異。不同干燥方法溫度差異較大，導(dǎo)致蛋白質(zhì)發(fā)生褐變的程度不同，且不同干燥方法制備蛋清粉的水分含量存在差異，使得樣品在干燥過程中發(fā)生了不同程度的美拉德反應(yīng)。王玉堃等[24]的研究表明，在美拉德反應(yīng)過程中，較高的相對濕度對美拉德反應(yīng)具有促進(jìn)作用，且干燥溫度越高，美拉德反應(yīng)速率越快。這與本研究結(jié)果一致。

2.4.3 FTIR分析 不同干燥方法制備蛋清粉蛋白二級結(jié)構(gòu)組成的對比如表6所示。

表6 不同干燥方法制備蛋清粉蛋白二級結(jié)構(gòu)組成的對比Table 6 Comparison of secondary structure composition of egg white powder protein prepared by different drying methods

酰胺Ⅰ帶對于蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的研究最有價值，與氫鍵作用力緊密相關(guān)。α-螺旋是蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)中的主要有序結(jié)構(gòu)，通過分子內(nèi)氫鍵維持[19]。表6表明，干燥方法對蛋清粉蛋白二級結(jié)構(gòu)有顯著影響。MFD蛋清粉的α-螺旋結(jié)構(gòu)比例較FD蛋清粉降低了40.67%，較SD蛋清粉提高了23.19%，與凝膠硬度的表現(xiàn)相反。這是因為不同的干燥方法對α-螺旋結(jié)構(gòu)氫鍵的破壞程度不同，溫度越高，越有利于維持α-螺旋結(jié)構(gòu)氫鍵的斷裂、分子展開、巰基基團(tuán)暴露，進(jìn)而影響其凝膠硬度。此外，SD蛋清粉中β-轉(zhuǎn)角含量最大，其原因可能是干燥溫度較高，氫鍵斷裂導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子的空間構(gòu)象發(fā)生了改變，β-折疊或無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)向β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變所致。胥偉等[25]與張秋會等[26]的研究發(fā)現(xiàn)，蛋白凝膠特性主要受分子柔性及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的影響，其中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中α-螺旋與β-折疊含量之比對凝膠品質(zhì)具有重要影響，其比例越低，凝膠性能越理想。由表6可以看出，蛋清粉蛋白二級結(jié)構(gòu)中α-螺旋與β-折疊含量之比從小到大表現(xiàn)為MFD

2.4.4 SEM分析 凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對蛋清粉凝膠的持水性以及凝膠硬度有顯著影響，用掃描電鏡觀察對比3種干燥方法制備蛋清粉凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，3種干燥方式制備的蛋清粉凝膠均能形成整齊有序的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，3種凝膠樣品的孔徑從小到大依次為SD

圖4 不同干燥方法制備蛋清粉凝膠三維網(wǎng)絡(luò)微觀結(jié)構(gòu)的對比(×5 000)Fig.4 Comparison of three-dimensional network microstructure of egg white powder gel prepared by different drying methods(×5 000)

3 結(jié) 論

本試驗對MFD技術(shù)制備蛋清粉的工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，并通過凝膠質(zhì)構(gòu)及失水率、色差、FTIR、SEM分析對比研究了MFD、SD和FD 3種干燥方法對所制備蛋清粉凝膠特性的影響。結(jié)果表明，MFD蛋清粉的凝膠硬度較FD蛋清粉提高了16.24%，較SD蛋清粉降低了19.82%，其凝膠黏結(jié)力、回彈性和咀嚼性均較其他2種蛋清粉樣品大。對3種干燥方式制備蛋清粉樣品凝膠色差及微觀結(jié)構(gòu)的分析可知，利用MFD技術(shù)制備蛋清粉，既能有效促進(jìn)蛋清粉蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)中剛性結(jié)構(gòu)的減少和柔性結(jié)構(gòu)的增加，改善蛋清粉凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而明顯改善其凝膠特性，又能有效緩解噴霧干燥導(dǎo)致的蛋清粉變性，使其能保留良好的色澤。Zhou等[16]的研究也表明，真空冷凍聯(lián)合微波干燥不僅可以縮短鴨蛋蛋白粉的干燥時間，降低能耗，而且能保持鴨蛋蛋白粉良好的產(chǎn)品質(zhì)量。因此將MFD技術(shù)應(yīng)用于蛋清粉的加工，將為更高質(zhì)量的高凝膠性蛋清粉的生產(chǎn)提供參考，但關(guān)于MFD干燥過程對蛋清粉質(zhì)量及結(jié)構(gòu)的影響機理，還需進(jìn)一步深入研究。