陈 珂 刘丽莉 孟圆圆 代晓凝

(1. 河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471003；2. 河南科技大学食品加工与安全国家级教学示范中心，河南 洛阳 471003)

鸡蛋清粉作为鲜鸡蛋清的替代品，具有延长货架期、减轻重量、便于储藏等优点，可解决鲜鸡蛋成本高，易变质的缺点。鸡蛋清粉作为替代品，在各个领域得到了广泛应用。目前中国蛋粉的加工方法主要采用喷雾干燥法[1]，其优势主要体现在以下几个方面：干燥速度快，受热时间短，加工成的蛋粉复原性好；可实现自动化、机械化、连续化生产[2]。但据相关报道[3]，中国深加工的蛋品仅占鲜鸡蛋总重的2%，而发达国家加工蛋制品约占鲜鸡蛋总重的40%。其中对鲜鸡蛋深加工制品，广泛应用于食品、保健、美容等各个领域。

目前已有较多关于蛋粉干燥技术的研究。孙临政等[1]探讨了喷雾干燥条件对蛋清粉特性的影响。Lechevalier等[4]研究了蛋清粉在工业加工中对蛋白质结构和功能的影响，证明喷雾干燥是影响蛋清粉起泡特性的关键工艺。刘静波等[5]曾利用喷雾干燥技术制备速溶蛋黄粉，并对不同溶解程度的蛋黄粉进行特性研究。肖连冬等[6]研究了蛋白质起泡性和乳化性的影响因素。Iesel等[7]也曾研究过干热过程中水分含量对蛋清粉起泡性及理化性质的影响。

中国市场上的鸡蛋加工率较低，仍以鲜蛋消费为主，且蛋鸡养殖高度分散、分布极不均衡，加上运输时间长、贮藏加工条件差，致使鲜鸡蛋在贮藏和加工期间品质劣化速度较快。所以需要采用适用于工业化生产的喷雾干燥法的加工方式对鸡蛋清进行制备，以制备出功能性较好的蛋清粉，但目前针对喷雾干燥蛋清粉的相关文献研究[1, 7]多集中在干燥工艺条件的优化及干燥对某些单一蛋白功能特性的探讨，而且缺乏针对工业常用的喷雾干燥法制备的蛋清蛋白功能性质及其结构变化的深入分析。本研究拟利用喷雾干燥工艺制备成鸡蛋清蛋白粉，通过对鸡蛋清蛋白的理化和结构表征分析，以期从机理上进一步解释喷雾干燥工艺对鸡蛋清蛋白的结构和功能特性造成的影响，为鸡蛋清粉的生产加工提供理论依据。

1 材料与设备

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

新鲜鸡蛋：河南洛阳大商新玛特超市；

考马斯亮蓝G-250：分析纯，上海强顺化学试剂有限公司；

溴酚蓝、溴化钾：分析纯，上海一研生物有限公司；

三羟甲基氨基甲烷：分析纯，上海山浦化工有限公司。

1.1.2 仪器与设备

喷雾干燥机：YC-015型，上海雅程仪器设备有限公司；

真空冷冻干燥机：XY-FD-100F型，上海欣渝仪器有限公司；

台式高速离心机：H1650型，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；

超速冷冻离心机：H1650型，北京兴达恒信科技有限公司；

色差仪：CM-5型，深圳市三恩驰科技有限公司；

傅里叶红外光谱仪：VERTEX70型，德国Brucker公司；

扫描电镜：EM-30Plus型，韩国COXEM公司。

1.2 方法

1.2.1 蛋清粉的制作工艺

拣蛋→洗蛋→消毒(含有效氯1 100 mg/kg的漂白液浸泡8 min)→清水喷淋→吹干→打蛋→蛋清蛋黄分离→自然发酵→160目筛过滤→巴氏杀菌(45 ℃，30 min)→离心喷雾干燥→出粉(水分含量<5%)→包装

以真空冷冻干燥为对照组，具体制备方法如下：拣蛋→洗蛋→消毒(含有效氯1 100 mg/kg的漂白液浸泡8 min)→清水喷淋→吹干→打蛋→蛋清蛋黄分离(蛋清液质量浓度为20%)→自然发酵→160目筛过滤→预冻(-20 ℃，2 h)→冷冻干燥(压力15 MPa，温度-45 ℃，24 h)→出粉冷却(水分含量<5%)→包装

1.2.2 鸡蛋清喷雾干燥优化工艺

(1) 脱糖时间：固定进料液速度450 mL/h，蛋清液质量浓度25%，进口温度170 ℃，出口温度75 ℃，考察脱糖时间(0，12，24，36，48，60，72 h)对干燥工艺出粉率的影响。

(2) 进料液速度：固定脱糖时间72 h，蛋清液质量浓度25%，进口温度170 ℃，出口温度75 ℃，考察喷雾流量(250，300，350，400，450，500，550 mL/h)对干燥工艺出粉率的影响。

(3) 蛋清液质量浓度：固定脱糖时间72 h，进料液速度450 mL/h，进口温度170 ℃，出口温度75 ℃，考察蛋清液质量浓度(5%，10%，15%，20%，25%，30%，35%)对干燥工艺出粉率的影响。

(4) 进口温度：固定脱糖时间72 h，进料液速度450 mL/h，蛋清液质量浓度25%，出口温度75 ℃，考察进口温度(155，160，165，170，175，180，185 ℃)对干燥工艺出粉率的影响。

(5) 出口温度：固定脱糖时间72 h，进料液速度450 mL/h，蛋清液质量浓度25%，进口温度170 ℃，考察出风温度(65，70，75，80，85，90，95 ℃)对干燥工艺出粉率的影响。

1.2.3 蛋清蛋白粉出粉率的响应面优化试验 根据单因素试验结果，以脱糖时间、进料液速度、蛋清液质量浓度，进口温度，出口温度作为自变量，利用Design-Expert 8.0.5软件，以出粉率为响应值，进行五元二次通用旋转设计组合试验，确定最佳的干燥工艺条件。

1.2.4 出粉率(Powder yield rate, PYR)的计算

(1)

式中：

PYR——蛋清粉出粉率，%；

m1——干燥前鸡蛋清液质量，g；

m2——干燥后鸡蛋清质量，g。

1.2.5 水分含量测定 按GB/T 5009.3—2010的直接干燥法执行。

1.2.6 鸡蛋清蛋白的功能特性测定

(1) 溶解度的测定：采用考马斯亮蓝法，使用每毫升蛋清蛋白粉中存在的可溶性蛋白质含量表示。以牛血清蛋白为标准蛋白，在595 nm波长处测得吸光值，绘制标准曲线，测定蛋白含量。

将不同喷雾干燥工艺条件得到的蛋清蛋白粉溶于蒸馏水中，配制成1 mg/mL的蛋白溶液，在常温下搅拌20 min 后，6 000 r/min离心15 min，取上清液[8]，利用绘制出的标准曲线计算蛋白浓度。蛋白质溶解度按式(2)计算：

(2)

式中：

c——蛋白质溶解度，%；

m——溶解的蛋白质量，g；

m0——总蛋白量，g。

(2) 乳化性(EAI)的测定：参照赵功玲等[9]的方法并作适当修改，称取一定量的样品，与2.0 mL大豆色拉油混合，9 500 r/min均质1 min，形成乳化液后，立即从试管底部吸取60 μL乳化液，加入到4.6 mL 2 mg/mL的SDS溶液中(pH 7.3)，快速摇匀并在500 nm处测定吸光度(A0)。乳化性(EAI)按式(3)计算：

(3)

式中：

EAI——乳化性，cm2/mg；

D——稀释倍数；

m——蛋清粉蛋白质量，mg；

Φ——油相所占的体积分数，0.056 6。

(3) 起泡性(FAI)和泡沫稳定性(FSI)的测定：参照赵功玲等[9]的方法，准确称取1.0 g/100 mL样品待测液，在室温下调至pH为7.0，然后在9 000 r/min搅拌2 min，再快速移至500 mL 量筒中，记下泡沫总体积V0，静置30 min，记录泡沫总体积V30。按式(4)、(5)计算蛋清粉的起泡性和泡沫稳定性。

(4)

(5)

式中：

FAI——起泡性，%；

FSI——泡沫稳定性，%；

V0——均质结束时泡沫总体积，mL；

V30——静置30 min后泡沫总体积，mL。

(4) 色泽的测定：利用色差仪测定。在测定前先将样品暴露在空气中几分钟，同时将机器预热，等到样品色差稳定后，进行黑白板标正。测定时将被测样品放在测试台上，并保证镜头被待测样全部覆盖，每个样品测定3次，取平均值。

1.2.7 鸡蛋清蛋白的结构表征

(1) 傅里叶变换红外(FT-IR)分析：准确称取2 mg的干燥待测样品粉末和200 mg干燥溴化钾粉末，将其混合放置样品槽中压制成薄片，然后以溴化钾为背景，在500～4 000 cm-1波长的红外光谱仪进行扫描[10]。

(2) 扫描电镜：取微量待测样，用导电银胶粘到扫描电镜样品台上，然后将样品台放入喷金仪中进行喷金，最后观察样品的微观结构[11]。

1.2.8 数据分析 每个样品重复3次试验，采用Design-Expert 8.0.5软件进行响应面试验设计及方差分析，Origin 8.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 考马斯亮蓝标准曲线的绘制

利用Origin 8.5绘制的考马斯亮蓝标准曲线，见图1。

图1 考马斯亮蓝标准曲线Figure 1 The standard curve of coomassie blue

由图1可知，考马斯亮蓝标准曲线的回归方程为y=0.063 6+0.002 8x，R2=0.995 8。根据标准曲线可计算出样品蛋白质含量，该方程线性较好，可用于下一步试验。

2.2 单因素试验

喷雾干燥条件对蛋清蛋白粉出粉率的影响见图2。

由图2(a)可知，随着脱糖时间的延长，出粉率先上升后下降；在48 h时，出粉率达到最大值。原因是新鲜鸡蛋清脱糖前较为黏稠，难以通过筛网，易堵塞喷头，而且不易形成雾滴，从而不易干燥成型[12]。所以，脱糖时间选定为48 h。

由图2(b)可知，当进料液速度<400 mL/h时，蛋清蛋白粉出粉率随进料液速度的增加呈增加趋势，而进料液速度>400 mL/h时，蛋白粉的出粉率随进料液速度的增加呈减小趋势。这是因为在一定压力下，进料液速度过大，物料不完全干燥，致使出现粘壁现象；同时由于漩涡负压的作用，使料液受热凝固未形成雾状，从而堵塞喷嘴[13]。因此，进料液速度选择400 mL/h。

图2 干燥条件对鸡蛋清蛋白粉出粉率的影响

Figure 2 Effect of drying conditions on the flour extraction rate of egg white protein powder

由图2(c)可知，蛋清蛋白粉出粉率随着进料液浓度的增加，呈先上升后下降的趋势；当进料液浓度为15%时，蛋清蛋白粉出粉率出现最大值。原因可能是随着进料液浓度的增加，所得产品水分含量适宜，颗粒状态逐渐变得均匀而细腻，呈均匀粉末状。因此，进料液浓度选定为15%。

由图2(d)可知，随着进口温度的升高，出粉率先上升后下降；在175 ℃时，出粉率达到最大值。原因是受热过高，蛋清液得到充分干燥，含水量低，颗粒变细，从而易干燥成型[1]。所以，温度选定为175 ℃。

由图2(e)可知，随着出口温度的升高，出粉率先上升后下降；在70 ℃时，出粉率达到最大值。这是因为物料与热空气接触后，易出现粘壁和焦糊现象，严重影响蛋清粉品质；同时由于温度过高还会使鸡蛋清蛋白质二次变性[13]。因此，出口温度选定为70 ℃。

2.3 二次回归正交旋转试验

在单因素试验基础上，采用五元二次通用旋转试验对蛋清粉出粉率进行响应面优化，其试验设计方案及结果见表1、2。

表1五元二次正交旋转组合设计试验因素与水平

Table 1 Factors and levels used in second-ordel rotation combination experimental design

水平X1脱糖时间/hX2 进料液速度/(mL·h-1)X3 蛋清液质量浓度/%X4 进口温度/℃X5 出口温度/℃-2123501514045-1244002015050036450251605514850030170602605503518065

对表2中出粉率的试验数据进行多元回归拟合，得到出粉率的回归方程为：

(6)

该出粉率模型在α=0.05的显著水平下剔除不显著水平后的回归方程为：

(7)

表2五元二次通用旋转组合试验设计方案及结果

Table 2 Second-order rotation combination experimental design with experimental results

试验号X1X2X3X4X5出粉率/%11111114.922111-1-115.93311-11-115.16411-1-1115.9151-111-114.7461-11-1116.5271-1-11116.2781-1-1-1-114.539-1111-115.0110-111-1116.4011-11-11115.1412-11-1-1-114.6813-1-111115.1114-1-11-1-114.7215-1-1-11-114.4516-1-1-1-1114.5817-2000014.70182000015.41190-200015.25200200015.692100-20014.36220020014.9523000-2015.74240002014.83250000-215.33260000216.32270000016.22280000016.30290000016.24300000016.57310000016.12320000016.56

2.3.1 方差分析和显著性检验 由表3可知，Y1回归模型的R2=96.34，P<0.000 1，差异极显著，失拟项P=0.230 2>0.05，差异不显著，说明Y1模型的拟合度较高；因此这个回归模型可以较好地反映自变量与2个响应值之间的变化关系。

2.3.2 双因素交互效应分析 由图3可知，进口温度与进料液速度对出粉率的交互影响，等高线显示为椭圆形，响应面显示为抛物线形，说明进口温度与进料液速度的交互作用对出粉率影响极显著。这与表3中显著性分析结果一致。由等高线的变化趋势可看出，当进料液速度低于455.5～461.0 mL/h 某固定值、进口温度低于156～164 ℃某固定值时，随着进料液速度与进口温度的增加，出粉率增加；当进料液速度高于455.5～461.0 mL/h某固定值、进口温度高于156～164 ℃某固定值时，随着进料液速度与进口温度的增加，出粉率减小；当进料液速度为455 mL/h、进口温度为164 ℃ 时，出粉率为16.12%。

表3 出粉率的方差分析表Table 3 Analysis of variance for the flour extraction rate

由图4可知，蛋清液质量浓度与进口温度的响应面呈抛物线形且比较陡峭，等高线呈明显的椭圆形，说明蛋清液质量浓度与进口温度对出粉率有极显著的交互作用。由等高线的变化趋势可看出，当蛋清液质量浓度低于24.5%～26.5%某固定值、进口温度低于156～164 ℃某固定值时，随着蛋清液质量浓度与进口温度的增加，出粉率增加；当蛋清液质量浓度高于24.5%～26.5%某固定值、进口温度高于156～164 ℃某固定值时，随着蛋清液质量浓度与进口温度的增加，出粉率减小。

图3 进料液速度与进口温度交互作用对出粉率的影响

Figure 3 Effect of interaction between feed fluid speed and inlet temperature on flour extraction rate

2.4 利用回归方程确定最佳作用参数和模型验证

经五元二次正交旋转试验及响应面优化法，采用Design Expert 8.0软件和回归方程分析得到喷雾干燥蛋清蛋白粉的最佳工艺为：脱糖时间31.55 h、进料液速度465.75 mL/h、蛋清液质量浓度29.11%、进口温度140 ℃、出口温度65 ℃，此时出粉率为16.79%。为了提高喷雾干燥制备蛋清蛋白粉试验的操作性和验证模型的准确性，把预测的最优工艺条件修改为：脱糖时间32 h、进料液速度466 mL/h、蛋清液质量浓度29%、进口温度140 ℃、出口温度65 ℃。在此条件下做3次重复验证实验，实际测得出粉率为(16.17±0.12)%；同时测定其水分含量为(4.43±0.03)%。出粉率的实际值与预测值相差0.62%，说明出粉率的模型方程与实际结果拟合度良好，证明响应面优化喷雾干燥蛋清蛋白粉的工艺条件是可行的。

2.5 干燥对鸡蛋清蛋白功能特性的影响

2.5.1 干燥对鸡蛋清蛋白溶解度、乳化性、起泡性、泡沫稳定性和水分含量的影响 由表4可以看出，喷雾干燥制备鸡蛋清蛋白的溶解度和乳化性分别为(90.98±0.02)%、(37.34±0.01) cm2/mg，而真空冷冻干燥蛋白的溶解度和乳化性分别为(91.13±0.03)%和(37.66±0.05) cm2/mg，2种干燥方式比较表明，二者变化不显著(P>0.05)；喷雾干燥制备的鸡蛋清蛋白的起泡性、泡沫稳定性和水分含量与真空冷冻干燥蛋白的相比也没有发生显著性变化(P>0.05)。综合分析表明，与真空冷冻干燥方式相比较，喷雾干燥优化工艺制备的鸡蛋清蛋白粉的功能特性没有发生显著变化。

图4 蛋清液质量浓度与进口温度交互作用对出粉率的影响

Figure 4 Effect of interaction between egg white liquor mass concentration and inlet temperature on flour extraction rate

2.5.2 干燥对色差值的影响 由表5可以看出，喷雾干燥蛋白相对于真空冷冻干燥蛋白，色泽发生了明显变化。从L*值可以看出，喷雾干燥蛋白的明度较高，真空冷冻干燥蛋白色泽较暗。这可能因为不同的干燥方式对产品的形态、颗粒大小、表面结构、美拉德反应的影响不同。从a*值可以看出，喷雾干燥蛋白较真空冷冻干燥蛋白较红。从b*值可以看出，真空冷冻干燥蛋白较喷雾干燥蛋白较黄。

表4 干燥对蛋清蛋白的溶解度、乳化性、起泡性、泡沫稳定性和水分含量的影响Table 4 Effect of drying on the solubility, emulsifying, foaming, foam stability and moisture content of egg white protein

表5 干燥对鸡蛋清蛋白色泽的影响†Table 5 The effect of drying on the white egg of the egg

† 不同字母表示差异显著(P<0.05)。

2.6 不同方式干燥鸡蛋清蛋白的结构表征

2.6.1 傅里叶红外光谱分析 对干燥后的鸡蛋清蛋白粉进行傅里叶红外光谱分析，结果见图5。

图5 红外光谱图分析Figure 5 Analysis of fourier transform infrared spectrometer

由图5可知，冷冻干燥和喷雾干燥分别制备的蛋清蛋白粉红外图谱存在一定的差异性。蛋白质在红外区有若干特征吸收带，酰胺Ⅰ带(1 700～1 600 cm-1)对于研究蛋白质二级结构最有价值[14]，二者拥有类似的蛋白主要吸收峰，其中，真空冷冻干燥蛋白和喷雾干燥蛋白分别在3 291.89，3 294.33 cm-1出现强宽峰，主要由O—H伸缩振动引起的，说明可能存在着缔合状态下的氢键[15]。1 700～1 600 cm-1为酰胺Ⅰ带，二者在酰胺Ⅰ带处均出现了特征吸收，真空冷冻干燥蛋白在此波数范围内的峰，位于1 654.80 cm-1处，喷雾干燥蛋白红移至1 653.83 cm-1处，酰胺I带产生C═O伸缩振荡特征吸收峰[16]。这可能是喷雾干燥使鸡蛋清蛋白的氢键减弱，螺旋度减少[17]，影响C═O的伸缩振荡，从而使酰胺Ⅰ带处的峰发生位移。

2.6.2 扫描电镜(SEM)分析 对干燥后的鸡蛋清蛋白粉进行SEM测定分析，结果见图6。

由图6中可知，蛋清蛋白经过不同方式干燥之后，其微观结构存在较大差异，喷雾干燥蛋白的表面形态明显不同于真空冷冻干燥蛋白，喷雾干燥蛋白表面呈现大小不一、颗粒较小、外形完整不规则的球形；可能是与热空气接触，扩散率和表面张力变化趋势不同[18]。而真空冷冻干燥蛋白表面呈现光滑的片层结构[19]，主要是在低温状态下，迅速形成冰晶体，分子之间的作用力更容易导致溶质聚合[20]。

图6 不同方式干燥鸡蛋清蛋白的SEM图Figure 6 Scanning electron micrographs of different drying methods

3 结论

通过试验确定了鸡蛋清蛋白粉的最佳喷雾干燥条件，并针对其功能特性与结构进行了分析。结果表明，喷雾干燥的蛋清蛋白粉与真空冷冻干燥相比，其功能特性变化并不显著(P>0.05)，且保持了很好的色泽品质，而这些变化与其结构密切联系。为了更加深入地了解喷雾干燥后鸡蛋清蛋白粉相关功能性质变化的机理，采用FT-IR和SEM测定了干燥后的鸡蛋清蛋白粉结构，结果表明喷雾干燥后的蛋清蛋白的二级结构发生明显变化，表面呈现褶皱的不规则球型。表明喷雾干燥工艺对鸡蛋清蛋白的结构和功能特性造成一定的影响。系统全面研究喷雾干燥鸡蛋清蛋白粉的功能性质与结构的相关性，还有待进一步的深入探讨。