基于差示扫描量热法研究喷雾干燥鸡蛋全粉热转变温度

赵金红，白 洁，张 清，张小飞，李玉美，袁 诺，刘松南，郭 宏*

（北京食品科学研究院，北京 100068）

我国是全球最大的鸡蛋生产国，鸡蛋占我国禽蛋产量85%以上。鸡蛋被认为是一种廉价且营养丰富的食物，它含有高质量的蛋白质、脂质、矿物质、碳水化合物和维生素，鸡蛋中很多成分都有生物活性[1-2]。鸡蛋已经广泛应用于烘焙食品、蛋黄酱、色拉调味料、糖果、冰淇淋和意大利面等很多方便食品中[3]，随着消费者对食品多样性的要求，目前经常将蛋粉、巴氏杀菌蛋液和冰蛋来代替带壳鲜蛋作为原材料再进行后续加工。这不仅解决了鲜蛋易碎、运输困难等问题，而且蛋液经过巴氏杀菌后安全性更高，能避免微生物的污染，并且使用方便[2,4-6]。其中，蛋液可以通过干燥脱水直接制成蛋粉或冷冻蛋液制成冰蛋，但是在蛋粉或者冰蛋加工过程中，容易形成非平衡无定形态，导致蛋粉和冰蛋加工时不稳定。因此，在加工过程中，需要保持蛋制品的品质以及营养成分的稳定性，避免物料从玻璃态向橡胶态的转变。对于蛋粉来说，应尽量避免高温加工，使蛋粉处于玻璃态；对于冰蛋而言，也应该将其冻藏在玻璃化转变温度以下，使其处于玻璃态。

传统方法常用水分活度（water activity，aw）来研究食品的稳定性，但由于在实际加工贮藏时，单独采用水分活度来衡量食品的稳定性有一定的局限[7-9]。因此，后来提出了玻璃化转变的概念，玻璃化转变温度（Tg）与食品的质地、微生物生长、化学反应和货架期都有很大关系[10]。玻璃态理论认为，当食品在玻璃化转变温度以下贮藏时，体系的分子扩散速率较小，因此食品在玻璃态下不容易发生化学反应，不易发生腐败变质[11]。此外，差示扫描量热仪（differential scanning calorimetry，DSC）能直接检测食品的热转变温度和发生转变时的焓变，其中，冻结温度可以用来间接计算有效分子质量、水分活度、结合水、自由水与非冻结水的含量、冰晶熔融焓变以及构建食品的状态图[10]。

目前，对碳水化合物类食品的玻璃化转变温度以及状态图的研究较多[8,12]，而对蛋白质-水体系的热转变研究相对较少，这可能是因为蛋白质类食品的玻璃化转变较难检测[10]。关于鸡蛋玻璃化转变的研究甚少，Rao Qinchun等[3]研究了鸡蛋蛋清的热转变；Koç等[13]研究了鸡蛋全粉的玻璃化转变温度，但文中只有数据而未展示DSC热流图，更未分析玻璃化转变台阶的鉴别，而这正是难点所在，并且两篇文章都没有研究含冻结水（较高水分含量）鸡蛋的热转变。因此，本实验的目的是研究含非冻结水（较低水分含量）鸡蛋全粉与含冻结水（较高水分含量）样品的热转变温度，其包括蛋白质变性温度（Td）、玻璃化转变温度（Tg）、冻结温度（TF）以及冻结终点温度（Tm'）（即最大冻结浓缩条件时对应的TF）；此外，还研究了鸡蛋全粉的吸附等温线，以期为蛋制品干燥加工或冷冻加工提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

鸡蛋全粉（巴氏杀菌全蛋液直接喷雾干燥制得）北京二商健力食品科技有限公司。

氯化锂、乙酸钾、六水合氯化镁（均为分析纯）国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

Q2000 DSC 美国TA公司；LRH-250F恒温试验箱深圳市澳德玛电子科技有限公司；电热鼓风干燥箱南京腾飞干燥设备有限公司；全自动凯氏定氮仪 丹麦FOSS公司；SX2-4-10箱式电阻炉 天津市中环实验电炉有限公司；HH8恒温水浴锅 环宇科学仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

喷雾干燥鸡蛋全粉是由全蛋液先经过巴氏杀菌，然后再直接喷雾干燥而得。巴氏杀菌条件为65 ℃杀菌3 min；喷雾干燥条件为：进口温度165～175 ℃，出口温度65～85 ℃，压强1 MPa，喷雾干燥全粉没有添加麦芽糊精等大分子包材。

为了获得不同水分含量的样品，将5～7 mg喷雾干燥鸡蛋全粉置于DSC铝盘内（敞口），接着将其放在装有不同饱和盐溶液（aw为0.12～0.94）的密闭容器中，再置于温度（25±2）℃的恒温箱中平衡3 d[14]。对于aw为0.85和0.94的样品，为了避免水分活度较大导致微生物生长，将百里香酚放入密闭容器中。饱和盐溶液的aw见表1[11]。样品水分含量可以根据样品在平衡前后的质量差计算得到。为了得到aw大于0.94的样品，可将预先计算好的蒸馏水直接加入到装有鸡蛋全粉的称量瓶中，然后将称量瓶密封放入干燥器中，在4 ℃下平衡24 h[15]。

表1 25 ℃饱和盐溶液的水分活度Table 1 Water activity of saturated salt solutions at 25 ℃

1.3.2 喷雾干燥鸡蛋全粉品质的测定

水分含量的测定采用烘箱直接干燥法，在105 ℃下干燥24 h至恒质量[10]。蛋白质、脂肪和灰分质量分数分别按照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》[16]、GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》[17]和GB 5009.4—2016《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》[18]测定。

1.3.3 吸附等温线的模拟

水分活度和水分含量的关系（吸附等温线）利用GAB模型（公式（1））表达。

式中：Xm表示单分子层干基水分含量（干燥食品在贮藏过程中，能够保持其高品质的安全水分含量）/（g/g）；C、K表示热力学比例常数（方程参数）。GAB模型的参数利用Origin 8.6软件的非线性回归拟合得到，其中实验数据与模型的拟合精确度用决定系数R2表示[15]。

1.3.4 冻结曲线的模拟

冻结曲线反映鸡蛋冻结温度随固形物质量分数的变化，是由Clausius-Clapeyron方程模拟[14]，如方程（2）所示。

式中：ΔT表示冻结温度降低值（ΔT＝Tw-TF，Tw表示水的冻结温度/℃，TF表示样品的冻结温度/℃）；β表示水的冻结常数（1 860（kg·K）/（kg·mol））；λw表示水的有效分子质量；Xs表示固形物含量（值为1－Xw）；E表示水和固体的分子质量比（E＝λw/λs）；λs表示固体的有效分子质量；Xw表示湿基水分含量/（g/g）。

1.3.5 DSC测量鸡蛋的热转变温度

首先通过铟（熔点156.5℃，焓变ΔHm＝28.5 kJ/kg）和蒸馏水（熔点0 ℃，焓变ΔHm＝334 kJ/kg）来校正仪器的温度和热量。本仪器采用机械制冷方式降温，氮气流速为50 mL/min，使用密封铝盘对样品（5～8 mg）进行压样，空的铝盘作为参照。

1.3.5.1 含非冻结水样品热转变温度的测定

含非冻结水样品（较低的水分含量）指湿基水分含量为0.023～0.164 g/g（对应的aw为0.12～0.85）的样品。采用DSC单扫描程序测量含非冻结水样品的热转变温度：样品以10 ℃/min的速度从20 ℃降到－80 ℃，保持5 min，然后以5 ℃/min的速度升温至170 ℃[3]。

1.3.5.2 含冻结水样品热转变温度的测定

含冻结水样品（较高的水分含量）指湿基水分含量从0.22 g/g到0.64 g/g。对于含有冻结水的样品，采用初步扫描程序：样品从20 ℃以5 ℃/min的速度降到－85 ℃，保持10 min，然后再以5 ℃/min的速度从－85 ℃升到40 ℃[12]。初步得到鸡蛋的热流曲线后，找到玻璃化转变温度和冻结终点温度（Tm'）的位置。为了达到最大冻结浓缩条件，同时使得玻璃化转变的台阶增大，提高测量的准确性，可使用在（Tm'－1）℃时退火30 min的处理方法，退火程序为：样品从20 ℃以5 ℃/min的速度降到－85 ℃，再以5 ℃/min的速度升到（Tm'－1）℃，保持30 min；然后以5 ℃/min的速度从（Tm'－1）℃降到－85 ℃，再以5 ℃/min的速度升到40 ℃[11]。

1.4 数据分析与处理

所有指标重复测定3 次，采用Excel 2007软件处理数据，结果采用平均值±标准差表示。采用Origin 8.6软件对实验数据进行作图和非线性回归分析。

2 结果与分析

2.1 鸡蛋吸附等温线

喷雾干燥鸡蛋全粉的颜色为黄色，其水分、蛋白质、脂肪、灰分质量分数分别为4.69%、43.3%、34.0%、2.01%。图1为喷雾干燥鸡蛋全粉在25 ℃的吸附等温线。鸡蛋全粉的吸附等温线与蛋白质类食品的吸附等温线形状相似，呈现典型的II形曲线（S型），这与Lai[19]、Koç[13]和Rao Qinchun[3]等的实验结果一致。平衡干基水分含量随着aw增大而增大，在aw较低时，鸡蛋全粉的平衡干基水分含量变化较小；但当aw大于0.44后，样品的干基水分含量快速增加。

图1 GAB模型模拟喷雾干燥鸡蛋全粉的吸附等温线（25 ℃）Fig. 1 Water adsorption isotherm of spraying-dried whole egg powder determined by GAB model (25℃)

鸡蛋全粉的吸附等温线采用GAB模型非线性拟合，拟合后的各参数以及R2见表2。R2越大，表明GAB模型对实验数据拟合越好。食品处于单分子层干基水分含量或单分子层水分活度时最稳定[7]。本研究中，鸡蛋全粉的初始干基水分含量为0.049 g/g，接近其Xm（0.043 g/g）。Xm对蛋制品中脂肪氧化、酶活性、非酶褐变、风味保持以及产品的结构有直接影响[13]。当平衡干基水分含量为0.043 g/g时，其在25 ℃下对应的aw为0.31（图1）。与本团队研究的喷雾干燥鸡蛋蛋清粉相比，在相同的aw下喷雾干燥鸡蛋全粉的平衡干基水分含量较小，这是因为全粉中的脂质含量较高，而脂质的吸水性较低[20]。

表2 吸附实验数据的GAB模型拟合Table 2 GAB fitting of experimental data on water adsorption

2.2 含有非冻结水样品的热转变

aw为0.12～0.85的样品（含有非冻结水的样品）的热转变在DSC热流图中的位置见图2，峰1、峰2为蛋白质热变性峰，峰值的温度即为蛋白质热变性温度（Td）。当鸡蛋水分含量较低时，冻结过程中没有冰晶熔融峰出现，此时的样品称为含非冻结水的样品[15]。当鸡蛋湿基水分含量小于0.164 g/g（aw小于0.85）时，发现样品所有的热流图在冻结过程中没有熔融峰出现，表明没有冰晶形成。一般可用是否出现熔融峰来判断样品是含有非冻结水还是冻结水[21]。

图2 含有非冻结水鸡蛋的DSC热流图Fig. 2 DSC thermogram of whole egg containing unfrozen water

图3 aw＝0.12鸡蛋全粉的DSC热流图的热转变温度Fig. 3 DSC thermogram to determine thermal transition temperature of whole egg powder with aw of 0.12

图3 为喷雾干燥全粉在aw为0.12时（湿基水分含量0.023 g/g），两个蛋白质变性温度测量的示意图。从图2、3可以看出，DSC只能检测出蛋白质的变性温度，而未检测到玻璃化转变的台阶。根据相关研究[22-23]报道，卵转铁蛋白和卵白蛋白在水中的变性温度分别为61.0 ℃和84.0 ℃，由此可以判断图2、3中第1个峰和第2个峰分别是卵转铁蛋白和卵白蛋白的变性峰。在图2中第1个峰的位置，虽然很像玻璃化转变的“台阶”，而事实上这是卵转铁蛋白变性峰的位置，图3中aw为0.12时样品蛋白变性温度Td1为69.2 ℃。蛋清中的蛋白质主要有卵白蛋白、卵转铁蛋白、卵类黏蛋白、卵黏蛋白、溶菌酶及球蛋白等[4]，Donovan等[22]报道蛋清蛋白质的DSC热流图中出现的两个主要峰分别为卵转铁蛋白变性峰和卵白蛋白变性峰，两者之间有个小峰是溶菌酶的变性峰，而其他蛋白质的变性峰未出现在DSC热流图中，这是因为其被卵白蛋白较大的变性峰所覆盖。在本研究中，DSC热流图未出现溶菌酶的变性小峰。

由表3可知，随着aw（0.23～0.75）和湿基水分含量（0.032～0.104 g/g）的增加，卵转铁蛋白的变性温度（Td1）从72.3 ℃降低到54.6 ℃，这与文献[3]报道的卵转铁蛋白在溶液状态中的变性温度接近。在aw为0.85时，卵转铁蛋白的变性峰未检测到。与卵白蛋白相比，卵转铁蛋白的焓变（△Hd1）小很多。随aw（0.23～0.85）增加，卵白蛋白的变性温度（Td2）从111.6 ℃降低到91.0 ℃，与卵转铁蛋白变性温度变化趋势相似。本研究中Td2也与文献[3]报道的卵白蛋白在溶液状态中的变性温度值接近。

表3 含有非冻结水鸡蛋的热转变温度Table 3 Thermal transition properties of whole egg containing unfrozen water

在本研究中，未能检测到全粉（含非冻结水样品）的玻璃化转变温度，首先是因为蛋白类食品自身的玻璃化转变就不容易检测，由于其热熔差（ΔCp）较小，导致在DSC曲线上玻璃化转变的台阶较小，从而不容易看出[3,10]；其次可能是因为全蛋中含有脂质，成分复杂，使得鸡蛋蛋白质的玻璃化转变台阶被覆盖。即使本团队采用了调制式DSC检测，由于信号较弱，也未检测到（数据未列出）。Sablani等[10]研究无鳔石首鱼的玻璃化转变时也曾经指出，对于复杂的食品体系，采用热分析手段找到清晰的玻璃化转变是非常困难的，因为其他的变化会干扰玻璃化转变的鉴别，或结构的复杂性也会影响到玻璃化转变的判断。

2.3 含有冻结水样品的热转变

图4 含有冻结水鸡蛋的典型DSC热流图（湿基水分含量0.22 g/g）Fig. 4 Typical DSC thermogram of whole egg containing freezable water (0.22 g/g wet basis)

从图4可以看出，鸡蛋冻结温度TF（冰晶熔融过程吸热峰最大斜率处）为－14.5 ℃，冻结终点温度为Tm'（冰晶熔融吸热曲线切线与基线左边的交点）为－20.0 ℃，冰晶熔融焓变ΔHm为13.6 J/g。图5是图4中玻璃化转变的局部放大图，玻璃化转变的初始点（Tgi）、中点（Tgm）和终点（Tge）温度分别为－46.3、－43.1 ℃和－40.6 ℃。如表4所示，随着湿基固形物含量（Xs）从0.36 g/g增加到0.78 g/g，TF值由－0.71 ℃下降到－14.5 ℃，这与Rahman[21]、赵金红[15]、Shi Qilong[24]等的实验结果相似。

图5 含有冻结水鸡蛋的DSC热流图的玻璃化转变温度（湿基水分含量0.22 g/g）Fig. 5 DSC thermogram for glass transition temperature determination of whole egg containing freezable water (0.22 g/g wet basis)

表4 含有冻结水鸡蛋的热转变温度Table 4 Thermal transition temperatures of whole egg containing freezable water

图6 含有冻结水鸡蛋的典型DSC热流图（湿基水分含量0.34 g/g）Fig. 6 Typical DSC thermogram of whole egg containing freezable water (0.34 g/g wet basis)

在鸡蛋含冻结水所有样品中，只有当湿基水分含量为0.22 g/g（aw＝0.94）时才检测到玻璃化转变温度，而当湿基水分含量大于0.22 g/g时未检测到玻璃化转变的台阶，只有熔融峰出现，本实验仅列了湿基水分含量为0.34 g/g时的典型热流图（图6）。当水分含量较大时，未能检测到玻璃化转变的台阶，这可能是因为蛋白质类食品ΔCp值较小，导致台阶较小，从而不容易检测到玻璃化转变[3,10]；另一方面是因为含冻结水样品水分含量较高，不容易形成最大冻结浓缩，影响玻璃化转变的检测[25]；同时还受DSC仪器本身灵敏度的限制[12]。目前，对于水分含量较高的食品（冷冻食品），可以通过状态图的方法间接得到其特征玻璃化转变温度（Tg'）[12,21,25]。而由于本研究中对于含非冻结水鸡蛋全蛋粉未检测到玻璃化转变温度，不能进行玻璃化曲线的拟合，从而不能构建状态图。然而，对于含非冻结水的鸡蛋蛋清粉，能够检测到玻璃化转变，目前本团队正在研究鸡蛋蛋清的玻璃化转变温度。

2.4 非冻结水水分含量的计算与冻结曲线的模拟

图7 鸡蛋的冰晶熔融焓与湿基水分含量的关系Fig. 7 Plot of the enthalpy of ice melting as a function of water content in whole egg

升温过程中鸡蛋冰晶的熔融焓是由其峰面积测得，焓值随着固形物含量从0.36 g/g增加到0.78 g/g而逐渐减小，对冰晶的熔融焓与湿基水分含量作图，可以得到非冻结水湿基水分含量。如图7所示，喷雾干燥鸡蛋的冰晶熔融焓（ΔHm）与湿基水分含量（Xw）呈线性关系，拟合后的方程为：ΔHm＝341.5Xw－59.91。当ΔHm为0时，非冻结水的湿基水分含量为0.18 g/g。目前，蛋白质类食品中已有文献报道的包括鲍鱼[26]、无鳔石首鱼[10]、金枪鱼[27]、南美白对虾[24]、大西洋鳕鱼[28]和冻干竹荚鱼[29]，其非冻结水的湿基水分含量分别为0.320、0.312、0.390、0.262、0.244 g/g和0.214 g/g。非冻结水表示即使在非常低的温度时，仍旧有一部分水不能冻结，保持未冻结状态，包括未结晶的自由水和结合水[7,30]。

图8 鸡蛋冻结温度与湿基固形物含量之间的关系Fig. 8 Plot of freezing point as a function of solid content in whole egg

图8 是鸡蛋的冻结曲线，其经Clausius-Clapeyron方程拟合后得到模型参数E＝0.032，再通过E值计算得到鸡蛋全粉中总固形物的有效分子质量为562.5。根据文献报道，蛋白质类食品中无鳔石首鱼[10]、金枪鱼[27]和南美白对虾[24]的E值分别为0.0275、0.033和0.065，与本研究的结果接近。已知非冻结水的湿基水分含量为0.18 g/g，再结合冻结曲线方程（2），可以得到非冻结水对应的冻结终点温度Tm'为－14.6 ℃。鸡蛋含冻结水的热转变数据，对于全蛋液的冷冻加工或冻藏稳定性能提供理论依据。

3 结 论

喷雾干燥鸡蛋全粉在25 ℃的吸附等温线采用GAB模型拟合，其吸附等温线呈典型的II形曲线（S型），平衡干基水分含量随着水分活度的增大而增大；单分子层干基水分含量为0.043 g/g，该值可以作为鸡蛋全粉贮藏稳定性的标准。

采用DSC检测了喷雾干燥鸡蛋全粉含非冻结水样品以及含冻结水样品的热转变温度。对于含非冻结水样品（较低水分含量），检测到卵转铁蛋白和卵白蛋白的变性温度，二者都随湿基水分含量的增大而减小，然而未能检测到玻璃化转变的台阶。对于含冻结水样品（较高水分含量），只有在湿基水分含量为0.22 g/g时，才能检测到玻璃化转变的台阶，其初始玻璃化转变温度为－46.3 ℃。当固形物含量从0.36 g/g增加到0.78 g/g时，冻结温度由－0.71 ℃降低到－14.5 ℃。通过冰晶熔融焓得到鸡蛋的非冻结水的湿基水分含量为0.18 g/g，再由Clausius-Clapeyron方程得到其对应的冻结终点温度Tm'值为－14.6 ℃。这些热转变温度和吸附等温线的结果能为蛋粉和蛋液的加工贮藏提供最优的加工条件和数据支持。下一步可研究鸡蛋蛋清的玻璃化转变温度。