真空冷冻干燥对不同酶解条件的脱糖蛋清液流变学特性的影响.pdf

Food and Fermentation Science&Food and Fermentation Science&TechnologyTechnology收稿日期：2023-02-27基金项目：甘肃农业大学大学生创新创业训练计划项目（202209055）作者简介：宿楠雪（2001-），女，本科生。*通信作者：赵保堂（1985-），男，博士，副教授。研究方向：农产品加工。引用格式：宿楠雪，丁玉，李莹，等.真空冷冻干燥对不同酶解条件的脱糖蛋清液流变学特性的影响 J.食品与发酵科技，2023，59（4）：71-77.真空冷冻干燥对不同酶解条件的脱糖蛋清液流变学特性的影响宿楠雪，丁玉，李莹，刘欣蕾，白杰，琚晶晶，赵保堂*（甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃兰州 730070）摘要：以鸡蛋蛋清为原料，通过葡萄糖氧化酶进行脱糖，采用真空冷冻干燥脱糖鸡蛋清，并研究鸡蛋清在不同酶解条件（酶解时间、酶解温度、酶添加量和鸡蛋蛋清液pH）下的流变学特性变化规律。结果表明，真空冷冻干燥后的蛋清粉溶液呈典型“非牛顿流体”特征，流变特性服从Herschel-Bulkley模型。酶解处理条件为pH 6.0、时间3.0h、温度25、酶添加量2.4U/g，脱糖蛋清的真空冷冻干燥后的黏弹性较大，凝胶强度提高。关键词：真空冷冻干燥；脱葡萄糖；蛋清粉；流变中图分类号：TS253.1文献标识码：A文章编号：1674-506X（2023）04-0071-0007Effect of Vacuum Freeze-drying on Rheological Propertiesof Desugared Egg White Liquid under DifferentEnzymatic Hydrolysis ConditionsSU Nanxue，DING Yu，LI Ying，LIU Xinlei，BAI Jie，JU Jingjing，ZHAO Baotang*（College of Food Science and Engineering，Gansu Agricultural University，lanzhou gansu 730070，China）Abstract：In this study，egg white was used as raw material to desugared by glucose oxidase，and vacuumfreeze-drying was used to desugared egg white.The rheological properties of egg white under different enzymatichydrolysis conditions（enzymatic hydrolysis time，temperature，enzyme dosage and egg white pH）were studied.Theresultsshowedthattheeggwhitepowdersolutionaftervacuumfreeze-dryingshowedtypical“non-Newtonian fluid”characteristics，and the rheological properties obeyed the Herschel-Bulkley model.When theenzymatic hydrolysis conditions were pH 6.0，time 3.0 h，temperature 25，enzyme addition amount 2.4 U/g，the viscoelasticity of the desugared egg white after vacuum freeze-drying was larger，the gel strength wasimproved.Keywords：vacuum freeze-drying；deglucose；egg white powder；rheologydoi：10.3969/j.issn.1674-506X.2023.04-011蛋品是我国对外贸易的传统大宗出口商品，在对外贸易中占有重要的位置，在国际上享有盛誉1。蛋清粉是一种优质蛋白资源，随着食品工业的迅速发展，蛋清粉的应用领域不断扩大，对专用功能性蛋清粉的要求也更为严格2。蛋清粉是一种干蛋制品，可通过加水的方法还原为鸡蛋液，是新鲜鸡蛋最为理想的替代品3，且蛋粉具有使用方便、易贮藏、运输费较低等优点，被广泛应用于食品行业。宿楠雪等：真空冷冻干燥对不同酶解条件的脱糖蛋清液流变学特性的影响2023年第4期若直接对蛋液进行干燥，在干燥贮藏期间，葡萄糖中的羰基会与蛋白质中的氨基发生美拉德反应，导致产品发生褐变，造成营养损失，极大地限制了禽蛋加工4。因此，在蛋粉的加工过程中，需要除去游离的葡萄糖，从而避免上述反应的发生以及此类危害的出现。脱糖蛋粉干燥方法主要有热风干燥、真空冷冻干燥、微波干燥、喷雾干燥和红外干燥。根据胥伟等5的研究，真空冷冻干燥不易使蛋白质变性，能较好地保留鲜蛋黄的营养价值，所得产品具有色泽鲜亮、易消化吸收等优点。干燥后所得蛋粉流动性、乳化活性、乳化稳定性均优于其他干燥方法。真空冷冻干燥是指将含水物料冷冻成固体，在低温低压条件下利用水的升华性能，使物料低温脱水而达到干燥目的的一种干燥方法6。综上，本文在前期实验基础上，运用真空冷冻干燥法对不同酶解条件下脱糖蛋清液进行了干燥处理，并对干燥后的蛋清粉进行复溶，研究干燥前后蛋清流变学特性。1材料与方法1.1材料与试剂新鲜鸡蛋，市售；葡萄糖氧化酶（240 U/mg），上海源叶生物技术有限责任公司；盐酸、过氧化氢、柠檬酸，均为国产分析纯。1.2仪器与设备TS-20H恒温摇床，上海天呈实验仪器制造有限公司；HH-58S电热恒温水浴锅，北京科伟永兴仪器有限公司；FE-28酸度计，梅特勒-托利多（上海）仪器有限公司；HR-1流变仪，美国TA仪器公司；SCIENTZ-10ND冷冻干燥机，宁波新芝生物科技股份有限公司。1.3实验方法1.3.1鸡蛋蛋清液真空冷冻干燥粉的制备根据前期实验得到蛋清液脱糖的工艺流程制备鸡蛋蛋清液7：新鲜鸡蛋杀菌晾干分离蛋清调节蛋清pH至5.5加热至酶解温度30 加入葡萄糖氧化酶恒温酶解2.5 h加入蛋清液体积0.3%的H2O2终止反应（70水浴）。在制备脱糖蛋清液后，根据刘静波等8真空冷冻干燥研究方法并进行修改，在温度80 下预冻8 h，物料层厚度4 mm，冷阱温度60，干燥室压力10 Pa，干燥时间48 h条件下制备真空冷冻干燥蛋清粉。1.3.2不同酶解条件的真空冷冻干燥脱糖蛋清粉的制备CK组：按照前期实验得到的结果7制作脱糖蛋清粉作为空白对照，未经干燥处理，备用。处理组：在前期实验得到的结果7基础上，单一改变pH（5.0、5.5、6.0）、酶解时间（2.0、2.5、3.0h）、酶解温度（25、30、35）、葡萄糖氧化酶添加量（1.2、2.4、3.6 U/g），制作脱糖蛋清粉，样品经真空冷冻干燥后，备用。1.3.3真空冷冻干燥脱糖蛋清液流变学特性研究真空冷冻干燥脱糖蛋清粉，复溶后得真空冷冻干燥的鸡蛋清液，参考霍一凡等 7 方法并稍作修改：采用直径为40mm平板；频率扫描范围为0.125Hz；采用Herschel-Bulkley模型对样品流体特性进行拟合。1.4数据分析利用Origin 2019进行作图和数据分析。2结果与分析2.1真空冷冻干燥对不同pH的脱糖蛋清液流变学特性的影响2.1.1流动扫描利用Herschel-Bulkley模型对样品的流动曲线进行拟合，模型方程如公式（1）所示。0n（1）式中：剪切应力，Pa；稠度系数，Pasn；剪切速率，s-1；n流体行为指数9；0屈服应力，Pa。通过Herschel-Bulkley模型对不同酶解条件下脱糖蛋清粉溶液流变特性曲线进行拟合，拟合参数及结果见表 1。流变特性指数 n 的大小反映了脱糖蛋清液剪切变稀的难易程度，即假塑性程度的大小10，脱糖后的溶液均呈现为典型的假塑性流体（n1）11。由图1所示，当剪切速率在0.0090.039 s-1范围时，表观黏度随剪切速率增加而增大，这可能是由于初始施加剪切速率，内部非弹性碰撞导致体系黏度升高。当剪切速率大于0.039 s-1时，表观黏度呈现随剪切速率的升高而降低，具有明显的剪切变稀特点，体系呈现出假塑性流体的特征（n1）12（见表1）。这主要是因为剪切速率增大，导致蛋白质分子链断裂的较多，凝胶结构被破坏，黏度明显下降，有利于脱糖蛋清粉溶液流动13。在相同剪切72第59卷（总第236期）宿楠雪等：真空冷冻干燥对不同酶解条件的脱糖蛋清液流变学特性的影响速率条件下，pH 5.0时脱糖蛋清粉溶液的表观黏度最低，这是因为pH 5.0时接近蛋白质等电点，体系中游离的正、负离子相等，净电荷为零，蛋白质沉淀率最大；pH 6.0时偏离蛋白质等电点，体系表观黏度最高。冷冻干燥后的脱糖蛋清粉溶液表观黏度远大于冷冻干燥前，这是因为冷冻干燥蛋清液溶质是水，水在低温（80）状态下，迅速地形成冰晶体，分子之间的作用力，如静电作用、共价键作用、疏水作用等更易导致蛋白质聚合14-16。如表1所示，随着干燥后的脱糖蛋清粉溶液pH的增大，溶液的流变特性指数（n）减小，表明溶液的非牛顿流体行为增强，牛顿流体行为减弱。稠度系数（）呈明显的上升趋势，表现为增稠能力提高17。溶液的非牛顿流体行为增强，屈服应力增大，稠度系数相应增大，表观黏度增大，不易剪切，与溶液流变曲线的变化趋势相符合18。冷冻干燥后的脱糖蛋清液的屈服应力呈现增大趋势，是因为冷冻干燥有助于脱糖蛋清液体系大分子链的形成，形成更为紧密稳定的三维结构19。由相关系数可见，拟合曲线与实测曲线很接近，拟合体系流变性程度高20，表明干燥前后脱糖蛋清粉溶液的流变学特性符合Herschel-Bulkley模型21。2.1.2振荡频率储能模量是由于弹性形变而储存在物质内部的能量，每一循环均得以恢复，与具有弹性属性的分子有关，损耗模量是由于每次正弦黏性形变而耗散或损失的能量，其与黏性分子有关20。如图2a和图2b所示，pH 6.0时，在相同频率条件下，冷冻干燥表1不同pH下脱糖蛋清粉溶液Herschel-Bulkley模型拟合参数Tab.1Herschel-Bulkley model fitting parameters fordesugared egg white powder at different pH样品种类CKpH 5.0pH 5.5pH 6.00-0.0540.0420.2040.0470.5880.0970.6890.4280.3300.0440.0430.0060.2660.0253.0480.520n0.3650.0200.8620.0190.6790.0140.2730.025R20.97810.99650.99770.9578图1不同pH下脱糖蛋清粉溶液的黏度-剪切速率曲线图Fig.1Viscosity-shear rate curves of desugared eggwhite powder at different pH valuesCKpH 5.0pH 5.5pH 6.00.0010.010.11101001000 10000剪切速率/（1/s）0.010.1110100黏度/（Pas）图2不同pH对真空冷冻干燥前后脱糖蛋清粉溶液黏弹性研究Fig.2Viscoelasticity of desugared egg white powder beforeand after vacuum freeze-drying at different pH0.1110频率/Hz1E-51E-40.001储能模量/Pa0.010.1110100aCKpH 5.0pH 5.5pH 6.00.1110频率/Hz损耗角正切0.1110100cCKpH 5.0pH 5.5pH 6.00.1110损耗模量/Pa0.010.1110bCKpH 5.0pH 5.5pH 6.0频率/Hz注：a.储能模量；b.损耗模量；c.损耗角正切；下同。732023年第4期的脱糖蛋清粉溶液储能模量和损耗模量均高于CK组，这是因为冷冻干燥使蛋白质聚合，同时体系偏离蛋白质等电点，减少蛋白质的沉淀，使得体系黏性和弹性更强。损耗角正切（tan）是储能模量和损耗模量的比值，体现凝胶的总体黏弹性特征，tan1突出固体弹性性质，tan1，突出液体黏性行为22。如图2c所示，pH 6.0的脱糖蛋清粉溶液在频率超过0.4 Hz时，在相同频率条件下，损耗角正切值高于其他组，该处理组蛋清粉溶液黏性最大。2.2真空冷冻干燥对不同酶解时间的脱糖蛋清液流变学特性的影响2.2.1流动扫描如图3和表2所示，当剪切速率在0.0090.039s-1范围时，表观黏度随剪切速率增加而增大，是由于初始增加剪切速率，内部非弹性碰撞导致体系黏度升高；当剪切速率高于0.039s-1时具有明显的剪切变稀特点，体系呈现出假塑性流体的特征（n1）9。酶解时间为3.0 h时，体系表观黏度最大，说明经葡萄糖氧化酶处理，脱糖的同时也能改善蛋白粉的凝胶性能23。如表2所示，随着干燥后的脱糖蛋清粉溶液酶解时间的增大，溶液的流变特性指数减小，非牛顿流体行为增强，屈服应力增大，黏稠系数相应增大，表观黏度增大，与溶液流变曲线的变化趋势相符合15。2.2.2振荡频率如图4a所示，酶解时间为3.0h时，在相同频率条件下，干燥后的脱糖蛋清粉溶液储能模量最大。储能模量表示溶液受到剪切力后，由于溶液形变而储存的能量，反映溶液形变后恢复的能力，储能模量大，溶液形变后恢复原状的能力强，反映溶液弹性的性质24。说明酶解时间3.0h时，脱糖蛋清粉溶图3不同时间下脱糖蛋清粉溶液的黏度-剪切速率曲线图Fig.3Viscosity-shear rate curves of desugared eggwhite powder at different timesCK2.0h2.5h3.0h0.0010.010.11101001000 10000剪切速率/（1/s）0.010.1110黏度/（Pas）图4不同时间对真空冷冻干燥前后脱糖蛋清粉黏弹性研究Fig.4Viscoelasticity study of desugared egg white powder beforeand after vacuum freeze-drying at different time100a1010.10.01储能模量/Pa0.0011E-41E-50.1110频率/HzCK2.0h2.5h3.0hb1010.10.01损耗模量/Pa0.1110频率/HzCK2.0h2.5h3.0h100c1010.1损耗角正切0.1110频率/HzCK2.0h2.5h3.0h表2不同酶解时间下脱糖蛋清粉溶液Herschel-Bulkley模型拟合参数Tab.2Herschel-Bulkley model fitting parameters fordesugared egg white powder at different enzymolysis time样品种类CK2.0h2.5h3.0h00.0540.0420.2430.0770.3400.1230.3790.2180.3300.0440.3240.0290.3400.0670.4870.128n0.3650.0200.6510.0130.5640.0300.5450.040R20.97810.99610.97550.953974第59卷（总第236期）宿楠雪等：真空冷冻干燥对不同酶解条件的脱糖蛋清液流变学特性的影响液的弹性较大。如图4b所示，酶解时间为3.0h时，在相同频率条件下，干燥后的脱糖蛋清粉溶液损耗模量最大。损耗模量表示溶液在受到剪切力时，体系为了抵抗形变阻力而损耗的能量，损耗模量大，溶液抵抗流动的能力强25，反映黏性的性质。说明酶解时间3.0h时，脱糖蛋清粉溶液的黏性较大。如图4c所示，酶解时间3.0h时，干燥后的脱糖蛋清粉溶液损耗角正切值（tan）随频率的增大而减小。在相同频率条件下，酶解时间3.0h的tan最大，体系黏性最大，弹性最小。说明酶解时间3.0h时体系具有更好的黏弹性。2.3真空冷冻干燥对不同酶解温度的脱糖蛋清液流变学特性的影响2.3.1流动扫描如图5所示，体系在低剪切速率下具有较高的表观黏度，随后表观黏度随剪切速率的增加而急速降低，表现为典型的剪切稀化行为，体系呈现出假塑性流体的特征（n1）9。同时，在相同剪切速率条件下，脱糖处理的蛋清粉溶液的表观黏度均高于CK组。温度由25 升高到35 时，体系表观黏度逐渐降低。这是由于蛋白质-蛋白质和蛋白质-水之间的氢键随温度升高而断裂，导致体系黏度降低。如表3所示，随着干燥后的脱糖蛋清粉溶液酶解温度的增大，溶液的流变特性指数增大，溶液的非牛顿流体行为减弱。稠度系数呈明显的下降趋势，屈服应力减小，表观黏度减小，与溶液流变曲线的变化趋势相符合15。2.3.2振荡频率如图6a和6b所示，在相同频率条件下，25下图5不同温度下脱糖蛋清粉溶液的黏度-剪切速率曲线图Fig.5Viscosity-shear rate curves of desugared eggwhite powder at different temperaturesCK2530350.0010.010.11101001000 10000剪切速率/（1/s）0.010.1110100黏度/（Pas）图6不同温度对真空冷冻干燥前后脱糖蛋清粉溶液黏弹性研究Fig.6Viscoelasticity of desugared egg white powder before andafter vacuum freeze-drying at different temperaturesCK2530350.1110频率/Hz储能模量/Pa1E-51E-40.0010.010.1110100aCK2530350.1110频率/Hz损耗模量/Pa0.010.1110bCK2530350.1110频率/Hz损耗角正切0.1110100c表3不同酶解温度下脱糖蛋清粉溶液Herschel-Bulkley模型拟合参数Tab.3Herschel-Bulkley model fitting parametersfor desugared egg white powder at differentenzymolysis temperature样品种类CK25303500.0540.0420.6430.0770.5210.5420.3760.0730.3300.0440.3240.0290.2360.5870.0190.006n0.3650.0200.6510.0130.7530.0350.9680.043R20.97810.99610.93540.9816752023年第4期体系的储能模量和损耗模量较大。因为酶解温度为25时，蛋白质-蛋白质和蛋白质-水之间的氢键断裂较少，蛋清粉溶液的黏弹性较大。如图6c所示，酶解温度为25时，干燥后脱糖蛋清粉溶液损耗角正切值在较低频率内（15.84 Hz）随着频率增加，损耗角正切值缓慢降低，在频率较高（15.84 Hz）时随着频率增加，损耗角正切值急剧升高，说明体系在低频率时黏弹性较好，在高频率下结构不稳定，更容易被破坏26。2.4真空冷冻干燥对不同酶添加量的脱糖蛋清液流变学特性的影响2.4.1流动扫描如图7所示，当剪切速率大于0.25s-1时，在相同剪切速率条件下，酶添加量2.4U/g的脱糖蛋清粉溶液的表观黏度最大。此条件下，鸡蛋蛋清液的脱糖率最高7，随着脱糖率的增大，体系的黏度和凝胶强度均有所提高27。如表4所示，在酶添加量2.4 U/g时，冷冻干燥后的脱糖蛋清粉溶液的流变特性指数最小，表明溶液的非牛顿流体行为较强，牛顿流体行为较弱；此条件下稠度系数最大，表明其增稠能力较强。2.4.2振荡频率如图8a和8b所示，体系的储能模量和损耗模量随频率的增加而提升，储能模量、损耗模量对频率的依赖性较弱，表现出具有良好的弹性，能形成较强的凝胶体系17。酶添加量为2.4U/g时，体系的储能模量较大。是因为酶添加量为2.4U/g时，体系具有弹性属性的分子数增多，蛋清粉弹性变好20。如表4不同酶添加量下脱糖蛋清粉溶液Herschel-Bulkley模型拟合参数Tab.4Herschel-Bulkley model fitting parametersfor desugared egg white powder at differentenzyme addition levels样品种类CK1.2U/g2.4U/g3.6U/g00.0540.0420.4870.0510.2430.0770.0450.0140.3300.0440.0330.0050.3240.0290.0480.001n0.3650.0200.9350.0210.6510.0130.9240.004R20.97810.99540.99610.9998图7不同酶添加量下脱糖蛋清粉溶液的黏度-剪切速率和剪切应力-剪切速率曲线图Fig.7Viscosity-shear rate and shear stress-strain shear rate curvesof desugared egg white powder with different enzyme addition levelsCK1.2U/g2.4U/g3.6U/g0.0010.010.11101001000 10000剪切速率/（1/s）0.010.1110黏度/（Pas）图8不同酶添加量对真空冷冻干燥前后脱糖蛋清粉黏弹性研究Fig.8Viscoelasticity of desugared egg white powder before andafter vacuum freeze-drying with different enzyme addition levels0.1110频率/Hz损耗角正切0.1110cCK1.2U/g2.4U/g3.6U/g1000.1110频率/Hz损耗模量/Pa0.010.1110bCK1.2U/g2.4U/g3.6U/g0.1110频率/Hz储能模量/Pa1E-51E-40.0010.010.1110100aCK1.2U/g2.4U/g3.6U/g76第59卷（总第236期）宿楠雪等：真空冷冻干燥对不同酶解条件的脱糖蛋清液流变学特性的影响图8c所示，酶添加量为2.4 U/g时，干燥后的脱糖蛋清粉溶液损耗角正切值在较低频率内（0.16 Hz）随着频率增加，损耗角正切值缓慢降低，在频率较高（15.85 Hz）时随着频率增加，损耗角正切值急剧升高，说明体系在低频率时黏弹性较好，在高频率下结构不稳定，更容易被破坏24。3结论本文通过研究真空冷冻干燥对不同酶解条件下脱糖蛋清粉溶液流变学特性的影响，得出真空冷冻干燥后的脱糖蛋清粉溶液具有明显的剪切变稀特点，为假塑性流体（n1）9。pH 6.0时，蛋清粉溶液的黏弹性较大，溶液的非牛顿流体行为增强；酶解时间为3.0 h时，蛋清粉溶液体系黏性最大，弹性最小，具有更好的黏弹性；酶解温度为25时，蛋清粉溶液的凝胶强度增加；葡萄糖氧化酶添加量为2.4U/g时，蛋清粉溶液具有良好的弹性，形成较强的凝胶体系。参考文献1 王菊侠，晁芳芳，杨玲引，等.干蛋粉在国内外食品中的开发与应用 J.西部粮油科技，2002（5）：39-42.2 马爽，静波，王二雷.蛋粉加工及应用的研究现状分析 J.食品工业科技，2011，32（2）：393-397400.3 沈青，赵英，迟玉杰，等.真空冷冻与喷雾干燥对鸡蛋全蛋粉理化性质及超微结构的影响 J.现代食品科技，2015，31（1）：147-152.4 汪师帅.蛋粉脱糖技术研究进展 J.食品安全导刊，2016（30）：122-123.5 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