噴霧干燥對蛋黃粉功能特性的影響

昂 媛 段 續(xù),2 曹偉偉 任廣躍,2 王 喆 李琳琳

(1. 河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023；2. 糧食儲藏安全河南省協(xié)同中心，河南 鄭州 450001)

蛋黃是雞蛋中帶有胚盤的部分，又稱卵黃。蛋黃中含有豐富的脂肪，包括中性脂肪、卵磷脂、膽固醇等，也含有豐富的鈣、磷、鐵等礦物質和維生素[1]。此外，蛋黃中還含有豐富的蛋白質，其中的卵黃抗體(Immunoglobulin of yolk, IgY)即卵黃免疫球蛋白，是一種高生物價的蛋白質，被廣泛應用于醫(yī)學和生物領域，可用于治療和預防人類及動物疾病[2-4]。

蛋黃液中含有大量的水，將蛋黃液中的水分降至極低的水平不僅能抑制微生物的生長和減慢化學反應的速度，解決新鮮雞蛋容易變質和破損的問題，脫水后還便于貯藏和運輸，降低了銷售成本[5-6]。蛋黃粉是以新鮮蛋黃為原料，采用干燥技術制備而成的粉制品，是卵黃抗體粉開發(fā)的重要形式，具有廣泛的用途[7]。目前主要采用噴霧干燥和真空冷凍干燥來制備蛋黃粉，少部分采用真空干燥、托盤干燥和滾筒干燥[8]。劉靜波等[9]制備了一種速溶蛋黃粉，當噴霧流量為17.37 mL/min，進料溫度為35.65 ℃，進風溫度為185.36 ℃時，速溶蛋黃粉溶解度為98.74 g/100 g，且顆粒結構較完整，穩(wěn)定性較好，具有良好的復原性；王清平等[10]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)巴氏殺菌(65 ℃下滅菌5 min)后進行噴霧干燥(進風溫度170 ℃，出口風溫68～70 ℃)，此時對IgY活性的影響非常小，且蛋黃粉水分含量達標；程方圓[11]發(fā)現(xiàn)，噴霧干燥蛋黃粉的最佳工藝參數(shù)為進口風溫180 ℃、蛋液質量濃度0.25 g/mL、進料流量7.4 g/min、抽氣流量10 L/min。目前，有關噴霧干燥制備蛋黃粉的研究主要考察溶解度、出粉率、蛋白質含量和磷脂含量等指標，對IgY含量、表面疏水性、持油性及持水性、乳化能力及乳化穩(wěn)定性等功能特性的研究較少。

研究擬以鮮雞蛋為原料，采用噴霧干燥方法制備蛋黃粉，分析不同干燥參數(shù)對蛋黃粉中IgY抗體含量及其結構的影響；分析不同工藝條件對蛋黃粉溶解度和乳化性等功能特性的影響，以期為蛋黃粉在飼料領域、功能性食品及生物制藥領域的開發(fā)應用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅殼雞蛋：未受精，單個約60 g，市售；

ELISA試劑盒：中國上海鈺博生物技術有限公司；

PBS(pH 7.4)、溴酚藍(分析純)：中國天津迪安化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

噴霧干燥機：YC-015實驗型，上海雅程儀器設備有限公司；

電熱恒溫鼓風干燥箱：101-2型，北京科偉永興儀器有限公司；

臺式高速離心機：TG16-WS型，湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司；

紫外可見分光光度計：UV-2600型，龍尼柯(上海)儀器有限公司；

數(shù)顯磁力加熱攪拌器：HJ-6A型，常州普天儀器制造有限公司；

掃描電子顯微鏡：TM3030Plus型，日本日立高新技術公司；

電子天平：A.2003N型，上海佑科儀器儀表有限公司；

酶標儀：Multiskan FC型，賽默飛世爾儀器有限公司；

色差儀：Xrite color i5型，美國愛色麗公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 蛋黃預處理

紅殼雞蛋→洗凈→打蛋、蛋清分離→加水攪拌(V蛋黃液∶V蒸餾水為1∶2)→噴霧干燥→出粉→冷卻→包裝

1.3.2 噴霧干燥單因素試驗及組合試驗 控制進料流量600 mL/h，調(diào)節(jié)進口風溫為100，120，140，160，180 ℃進行單因素試驗；控制進口風溫140 ℃，調(diào)節(jié)進料流量為400，500，600，700，800 mL/h進行單因素試驗。在單因素試驗基礎上按表1進行最優(yōu)參數(shù)組合試驗，以IgY含量和溶解度為指標。

1.3.3 IgY含量測定 采用酶聯(lián)免疫分析試劑盒進行測定。

表1 組合試驗參數(shù)

1.3.4 溶解度測定 根據(jù)GB 5413.29—2010并稍作修改，按式(1)計算樣品溶解度。

(1)

式中：

X——樣品溶解度，g/100 g；

m——樣品質量，g；

m1——稱量皿質量，g；

m2——稱量皿和不溶物干燥后質量，g。

1.3.5 水分含量測定 根據(jù)GB 5009.3—2016中的直接干燥法。

1.3.6 出粉率測定 根據(jù)陳珂等[12]的方法并稍作修改，按式(2)計算出粉率。

(2)

式中：

c——樣品出粉率，%；

m1——干燥后粉末固形物質量，g；

m2——進料溶液中總固形物質量，g。

1.3.7 微觀結構表征 采用TM3030 Plus掃描電子顯微鏡進行測定，用鑷子將待測蛋黃粉均勻涂在粘有雙面膠的測量臺上，用鍍膜儀進行離子濺射噴金，將處理好的蛋黃粉在15 kV加速電壓下進行微觀結構表征[9]。

1.3.8 色差測定 采用色差儀測定干燥后樣品的L*(亮度)、a*(紅綠值)和b*(黃藍值)，每組樣品測定3次，取平均值。

1.3.9 傅里葉變換中遠紅外法(FT-IR) 將蛋黃粉樣品按質量比1∶100加入到研磨好的干燥溴化鉀中，在鎢光燈下研磨均勻，用便攜式壓片機壓成均勻透明的圓狀薄片，用傅里葉變換中遠紅外儀進行紅外光譜全波段掃描(4 000～400 cm-1)，掃描頻次64次，分辨率4 cm-1，每個樣品測定3次。

1.3.10 表面疏水性測定 根據(jù)Shen等[13]的方法并稍作修改。取1 mL溶解后的蛋黃粉液加入200 μL溴酚藍溶液(1 mg/mL)渦旋混勻，室溫下靜置10 min，作為樣品組。用1 mL去離子水代替1 mL溶解后的蛋黃粉溶液和200 μL溴酚藍溶液渦旋混勻，作為空白對照組。10 000 r/min 離心15 min，取上清液稀釋10倍，測定595 nm 處吸光值，按式(3)計算表面疏水性。

(3)

式中：

X——溴酚藍結合量，μg；

A0——空白組吸光度；

A1——樣品組吸光度。

(4)

式中：

ω——持水性或持油性，g/g；

m1——離心管和樣品的質量，g；

m2——離心后離心管和沉淀的質量，g。

1.3.12 乳化能力及乳化穩(wěn)定性測定 根據(jù)王家鑌等[15]的方法并稍作修改。取0.5 g蛋黃粉，加入10 mL水。移取1 mL蛋黃粉液和1 mL氯化鈉溶液，加入0.5 mL色拉油，加塞，渦旋3 min使其形成乳化液。3 000 r/min離心10 min，記錄乳化層體積。測定3次取平均值，并按式(5)計算乳化性。

(5)

式中：

W——乳化性，%；

V1——乳化層體積，mL；

V2——總體積，mL。

將上述乳化液于60 ℃水浴30 min，靜置，冷卻，3 000 r/min 離心10 min，記錄乳化層體積。測定3次取平均值，并按式(6)計算乳化穩(wěn)定性。

(6)

式中：

E——乳化穩(wěn)定性，%；

V1——乳化層體積，mL；

V2——總體積，mL。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Excel 2019、Origin 2018軟件進行試驗數(shù)據(jù)處理和分析，結果以平均值或平均值±標準差表示；使用IBM SPSS Statistics 26.0進行顯著性分析和相關性分析(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 蛋黃粉的IgY含量

由圖1可知，隨著進口風溫的升高，IgY含量逐漸降低；隨著進料流量的增加，IgY含量逐漸升高。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]。當進口風溫為140 ℃時，隨著進料流量的升高，IgY含量略有升高，但無顯著性變化(P>0.05)，與譚佩毅等[16]的結果一致，主要是因為進口風溫高、進料流量小時，蛋黃粉受熱面積大、時間長易產(chǎn)生焦糊現(xiàn)象，蛋白質變性增多，抗體損失嚴重，影響品質；而進口風溫低、進料速度快時，蛋黃粉的受熱時間短，蛋白質變性減少，對抗體含量的影響減小，但蒸發(fā)效果不徹底會導致蛋黃粉的出粉率較低。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)圖1 噴霧干燥參數(shù)對蛋黃粉IgY含量的影響

2.2 理化特性

由表2可知，蛋黃粉的溶解性在不同噴霧干燥參數(shù)下發(fā)生了顯著性變化。隨著進口風溫和進料流量的逐漸升高，蛋黃粉的溶解度呈先快速增加后下降的趨勢，在120 ℃、500 mL/h下，溶解度為(43.19±0.74)%；在140 ℃、160 mL/h下，溶解度達最大值(62.02±0.56)%，與120 ℃、500 mL/h時相比提高了18.83%。這可能是當進口風溫過低、進料流量過快時，蛋黃粉受熱不充分，噴霧干燥不徹底，部分半干顆粒含水率較高，易結塊難溶解；當溫度升高時，高溫會在一定程度上誘導蛋白質變性，一定程度上增加其溶解性；當進口風溫過高、進料流量過小時，蛋黃粉長時間暴露于高溫下，更多的蛋白質展開，疏水性基團暴露，從而降低蛋黃粉的溶解性[17]。

由表2可知，隨著進口風溫的升高，蛋黃粉的水分含量顯著降低；隨著進料流量的增大，蛋黃粉的水分含量顯著升高。所有參數(shù)下蛋黃粉水分含量均<5.5%，不利于微生物生長，延長了蛋黃粉的貯藏時間。在160 ℃、600 mL/h下，出粉率最高(72.63±0.42)%，是因為進料流量過小會導致蛋黃粉受熱時間長，蛋白質變性使料液黏稠，而進料流量過快則會導致蛋黃粉干燥不徹底，含水率高而結塊，兩種情況均會使蛋黃粉粘壁而降低出粉率。

2.3 微觀結構

由圖2可知，噴霧干燥得到的蛋黃粉粉體為球狀，表面整體結構完整，可觀察到球形蛋黃粉顆粒。120 ℃下，蛋黃粉顆粒大小不均勻，表面出現(xiàn)較大的團聚體，相互堆積緊密結合，導致蛋黃粉易結塊溶解度低；140 ℃下，蛋黃粉顆粒分布均勻且粉體間具有大小適中的孔隙，對水具有較好的容納能力，因此具有良好的溶解度和分散性[18]；160 ℃下，由于溫度過高，部分不可溶性顆粒溶出，使蛋黃粉溶解度下降。部分顆粒表面凹陷呈類紅細胞狀，可能是由于噴霧干燥瞬時溫度高，顆粒水分迅速蒸發(fā)而導致蛋黃粉內(nèi)部結構受損，為噴霧干燥常見的問題。王家鑌等[15]發(fā)現(xiàn)，冷凍干燥得到的蛋黃粉粉體為不規(guī)則塊狀，表面粗糙，大小分布不均勻且分子間孔隙較大，而噴霧干燥蛋黃粉顆粒分布均勻，為球體狀，顆粒之間空隙大小適中，與試驗結果相同。

表2 噴霧干燥參數(shù)對蛋黃粉理化特性的影響?

圖2 不同噴霧干燥參數(shù)下蛋黃粉的掃描電鏡圖Figure 2 SEM images of egg yolk powder under different spray drying parameters

2.4 色差分析

由表3可知，隨著進口風溫的升高，L*值呈上升趨勢，說明進口風溫的升高顯著提高了蛋黃粉的亮度，a*值和b*值呈下降趨勢，表明蛋黃粉的顏色變淺；隨著進料流量的增加，L*值呈下降趨勢，是因為進料流量高導致水分分布不均勻，蛋黃粉局部焦糊顏色變暗，a*值和b*值呈先上升后下降趨勢，說明蛋黃粉的顏色由深變淺[19]。

表3 不同噴霧干燥參數(shù)下蛋黃粉的色澤?

2.5 二級結構分析

由表4可知，不同噴霧干燥參數(shù)下，蛋白質α-螺旋和無規(guī)則卷曲含量變化明顯，β-折疊及β-轉角含量無明顯變化。這是因為高溫使蛋白分子相鄰肽鏈之間的氫鍵受到破壞，蛋白質分子內(nèi)α-螺旋結構隨之展開并形成松散的無規(guī)則卷曲結構[23]。結合圖1可知，抗體含量的變化與蛋黃粉二級結構的變化密切相關，隨著進口風溫的升高，蛋白質中α-螺旋結構展開，IgY含量逐漸下降，說明抗體含量的變化與蛋白質二級結構中α-螺旋含量有關。結合表5可知，無規(guī)則卷曲含量越小，α-螺旋含量越高，表面疏水性越低；無規(guī)則卷曲含量越高，α-螺旋含量越小，表面疏水性越高[24]?？贵w含量變化與無規(guī)則卷曲含量變化呈負相關(相關系數(shù)為-0.93)，與α-螺旋含量變化呈正相關(相關系數(shù)為0.93)；表面疏水性變化與無規(guī)則卷曲含量變化呈正相關(相關系數(shù)為0.78)，與α-螺旋含量變化呈負相關(相關系數(shù)為-0.75)；抗體含量和表面疏水性與β-折疊和β-轉角含量變化均無明顯線性關系。

表4 不同噴霧干燥參數(shù)下蛋白質的二級結構變化

2.6 功能特性分析

2.6.1 表面疏水性 由表6可知，表面疏水性隨進口風溫的增加呈上升趨勢，可能是因為120 ℃時，蛋黃粉分子間表面脂蛋白聚集，部分疏水基團被包裹在蛋白內(nèi)部導致表面疏水性低[25]，隨著進口風溫的升高，蛋白質變性，結構發(fā)生改變，維持蛋白質空間構象的作用力逐漸減弱，蛋白質緩慢展開，分子內(nèi)部的疏水性氨基酸殘基暴露，這些疏水性基團暴露在蛋白質表面，顯著增加了蛋黃粉的表面疏水性，說明熱處理過程中蛋白表面疏水性的變化開始為隨溫度的升高逐漸增大，當疏水性殘基完全暴露于極性環(huán)境后，表面疏水性變化不再顯著，與Benjakul等[26]的結果一致。

表5 相關性分析

2.6.2 持水性及持油性 由表6可知，在140 ℃、500 mL/h 時，持水性和持油性均最高，分別為(3.87±0.01)，(3.19±0.03) g/g。這是因為受熱溫度高、受熱時間長會使蛋白質分子解聚形成較小顆粒的亞基粒子，這些亞基粒子在一定程度上延伸，暴露出蛋白質內(nèi)部的極性基團，增強了蛋白質分子的表面電荷分布，改變了蛋白分子表面的持水/持油性，增加了蛋白質分子的粒徑和促進了油滴的聚集。

2.6.3 乳化能力及乳化穩(wěn)定性 由表6可知，隨著進口風溫和進料流量的增大，蛋黃粉的乳化性和乳化穩(wěn)定性均呈上升趨勢。這可能是由于120 ℃時，蛋白質亞基以聚集形式存在于界面上，蛋白質堆積導致乳化性及乳化穩(wěn)定性低，而進口風溫升高至160 ℃時，蛋白質變性結構發(fā)生明顯變化，蛋白質展開露出巰基和疏水基團，促進乳液中油滴形成凝膠網(wǎng)狀結構，從而提高了蛋黃粉的乳化能力和乳化穩(wěn)定性[27]。Kiosseoglou[28]認為，除蛋白質本身性質外，蛋白質排列變?yōu)闊o序狀態(tài)時可以更有效地參與油水界面膜的形成，有利于蛋白質乳化活力的提高，與試驗結果一致。

表6 噴霧干燥參數(shù)對蛋黃粉功能特性的影響?

3 結論

蛋黃粉的卵黃抗體含量隨進口風溫的升高呈下降趨勢，表明高溫使蛋白質變性，抗體含量損失嚴重，噴霧干燥蛋黃粉的最佳參數(shù)為進口風溫140 ℃、進料流量600 mL/h。該條件下，蛋黃粉的卵黃抗體含量為17.71 mg/g，溶解度為61.97%，出粉率為36.46%，水分含量為3.8%，且粉體結構完整，可觀察到球形蛋白質分子聚合物，分布均勻且孔隙間距適中，同時表現(xiàn)出良好的表面疏水性、持水性及持油性和乳化能力及乳化穩(wěn)定性等功能特性，說明通過改變噴霧干燥參數(shù)，能夠在保證蛋黃粉抗體含量的同時，使蛋黃粉保持良好的理化性質和功能特性，切實提高了噴霧干燥蛋黃粉的品質。此外，添加熱保護劑可以對蛋黃粉中活性物質進行保護，從而提高活性IgY的保留量，維持蛋黃粉中蛋白質的結構穩(wěn)定。后續(xù)將進一步研究添加不同熱保護劑對噴霧干燥蛋黃粉抗體含量、結構和功能特性的影響。