鸡蛋牛奶布丁在凝胶过程中的动态流变特性

熊秀芳，李星恕*，靳红玲，郭康权

（西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100）

摘 要：为研究鸡蛋牛奶布丁在凝固过程中凝胶的形成及质量，对鸡蛋牛奶布丁在凝固过程中的动态流变特性进行研究。结果表明：在凝固温度分别为75、80、85 ℃时进行动态时间扫描，得出鸡蛋牛奶布丁的凝胶过程是一个连续一级反应；当凝固温度为75 ℃时，得到的鸡蛋牛奶布丁强度最好、质构最均匀。通过动态温度扫描得出鸡蛋牛奶布丁的凝固过程可以分为诱导阶段（65～71.5 ℃）、加速阶段（71.5～88 ℃）和稳定阶段（＞88 ℃）。

关键词：鸡蛋牛奶布丁；凝胶；凝固；流变特性；连续一级反应

Dynamic Rheological Properties of Egg Milk Pudding during Gelation Process

XIONG Xiu-fang, LI Xing-shu*, JIN Hong-ling, GUO Kang-quan

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

Abstract: The formation process and quality of egg milk pudding were explored by studying dynamic rheological properties during the solidification process. The dynamic time scanning was conducted at 75, 80, and 85 ℃, respectively. It was found that the gelation process was a consecutive first-order reaction; at 75 ℃, the strength and structure of the pudding were the best. Through the dynamic temperature scanning, the solidification process could be divided into three phases: induction (65–71.5 ℃), acceleration (71.5–88 ℃) and stabilization (higher than 88 ℃).

Key words: egg milk pudding; gelation; coagulation; rheological properties; consecutive first-order reaction

中图分类号：TS214.2 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2014）15-0072-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201415015

随着人们生活水平的提高，鸡蛋和牛奶的营养价值越来越受到人们的重视。鸡蛋是人们最常食用的蛋品，因其所含的营养成分全面且丰富被称为“人类理想的营养库”[1-2]。牛奶含有除膳食纤维外人体所需要的全部营养物质，是惟一的全营养食物，其营养价值之高，是其他食物无法比拟的[3-4]。作为饭后甜点和零食的鸡蛋牛奶布丁是深受老人、妇女和儿童们喜爱的食品，如何利用现代食品高新技术，将鸡蛋、牛奶等加工成老年专用食品、少儿专用营养食品、早餐速食食品、休闲食品等多品种、多口味产品，是未来蛋品企业的发展方向。

目前制作鸡蛋牛奶布丁普遍采用蒸的方法，其生产过程就是形成凝胶的过程。影响鸡蛋牛奶布丁热凝胶的因素很多，对其凝胶机理缺乏深入研究，在工业生产中工艺参数模糊，凝固程度主要依靠操作者经验判断，不能满足现代化生产的需求，因此急需对鸡蛋牛奶布丁生产过程中的凝胶机理进行研究。

一般测定食品的化学成分和组织结构是一个比较复杂的过程，有时甚至是不可能的，但是这些组织结构和化学成分的变化常常在食品的物性上表现出来，食品物性的测量相对容易，因此可以通过测量食品的物性来分析其内部组织结构和化学成分及其变化[5]。

食品流变学常常被用于食品结构、感官评价、质量控制和工厂设计四方面的研究和开发[6]。鸡蛋牛奶布丁在凝固过程中凝胶网络结构的形成可以通过测定流变特性来分析研究，通过对鸡蛋牛奶布丁在加热凝固过程中流变特性的研究，可以了解凝固进程及凝固过程中凝胶的强度，控制其在加工过程中不同阶段的质量，为工艺及设备的设计提供有关数据。因此对鸡蛋牛奶布丁在凝固过程中的流变特性进行研究，无论对科学研究还是生产实践，都有极其重要的意义。

动态流变实验对凝胶温度、凝胶时间、凝胶结构的形成等相转变问题的研究非常适用，能直接反映凝固过程中凝胶的形成及质量，且对凝胶结构的形式及软化均没有影响，是一种非破坏的实验方法[6-8]。鸡蛋牛奶布丁在加热凝固过程中凝胶的形成速率及凝固程度可以通过动态流变学方法进行检测，通过检测鸡蛋牛奶布丁凝胶过程中弹性模量（G’）的变化，比较G’随时间的变化来监测凝胶速率，这是一种最常用的监测凝胶形成速率的方法，这种方法假设G’值代表了鸡蛋牛奶体系的弹性性质或固体性质，可直接反映出鸡蛋牛奶体系的强度[9]。因此对鸡蛋牛奶布丁凝胶过程可以用动态流变实验进行研究。

1 材料与方法

1.1 材料

鲜鸡蛋 陕西杨凌好又多超市；袋装纯牛奶 西安
银桥乳业集团；细白糖 广西宝地商贸有限公司。

1.2 仪器与设备

采用美国TA公司生产的AR1000流变仪（图1），在平行板模式下进行实验，平行板选直径为40 mm的平行板。流变仪的下平板珀尔贴、上平板转子均连接加热系统，可对物料进行加热，这种结构适宜于需要高温测量的物料。h为平行板之间的间距，边缘是自由边界，与空气接触。可以忽略自由边界的应力和压力对轴向应力和扭矩的影响[10]。

图 1 AR-1000ex流变仪及其平行板示意图

Fig.1 AR-1000ex rheometer with sample platform

1.3 方法

1.3.1 样品制备

将鸡蛋打碎并搅拌均匀，量取蛋液55 g；加入牛奶120 mL，将牛奶蛋液混合物搅拌均匀，用120 目滤网过滤，配制蛋奶混合液150 mL；加入15 g细白糖，搅拌均匀，过滤后放入6 ℃冰箱备用。

1.3.2 实验步骤

首先将珀尔贴加热到需要温度，再将待测试样加在珀尔贴中间，调节上平板位置至1 000 μm处，刮掉平板周围压出的多余试样，在样品的裸露部分添加一层硅化油（防止高温时水分的蒸发），然后进行实验。

1.3.3 动态应变扫描

为了确保动态时间扫描和动态温度扫描均在线性黏弹性范围内，先做动态应变扫描实验，确定线性黏弹性范围。

鸡蛋牛奶布丁在凝胶过程中，温度直接影响凝胶的形成速率及品质，因此本实验对不同凝固温度时鸡蛋牛奶布丁凝胶的形成过程进行研究。动态应变实验时频率为0.5 Hz，应变范围为1%～200%，分别在70、75、80、85 ℃凝固温度下做动态应变实验[11-17]。

1.3.4 动态时间扫描

根据动态应变扫描实验结果，为保证实验在线性黏弹性范围内，频率取0.5 Hz，在凝固温度分别为75、80、85 ℃时，做动态时间扫描实验。

1.3.5 动态温度扫描

根据动态应变实验结果，在线性黏弹性范围内，给鸡蛋牛奶混合试样施加频率为0.5 Hz的正弦形变，在40～95 ℃区间进行等变率温度扫描，扫描方向为温度递增方向。

2 结果与分析

2.1 确定线性黏弹性范围

图 2 频率为0.5 Hz时的应变扫描曲线

Fig.2 Strain scanning at frequency 0.5 Hz at different temperatures

由图2可知，温度越高，线性黏弹性范围越宽。蛋白的凝胶温度是62～64 ℃，蛋黄的凝胶温度是68～71.5 ℃[18]，当凝固温度为70 ℃时，蛋白发生凝胶反应，而蛋黄可能只有很少或没有发生凝胶反应，此时鸡蛋牛奶布丁凝胶主要是蛋白凝胶。随着凝固温度的升高，超过蛋黄的凝胶温度，蛋黄开始发生凝胶反应，此时鸡蛋牛奶布丁凝胶是蛋黄凝胶和蛋白凝胶的混合体系，黏弹性范围增大。这说明蛋黄蛋白凝胶混合体系的线性黏弹性范围大于蛋白的线性黏弹性范围。

对于全蛋液，只有温度大于蛋黄的凝胶温度，蛋液才能全部凝胶。本实验为了研究鸡蛋牛奶布丁的凝胶过程，因此选择75、80、85 ℃为研究温度。

2.2 弹性模量（G’）和黏性模量（G”）与扫描时间的关系

2.2.1 弹性模量随时间的变化

由图3可知，随着凝固时间的增加，各凝固温度下弹性模量G’均增加，即在动态扫描时间范围内，随着凝固过程的进行，鸡蛋牛奶布丁体系的弹性增加。在80、85 ℃温度下，弹性模量G’变化曲线比较相似，在1000 s后G’快速增加是由于水分的蒸发导致边缘干涸引起。凝固温度为75 ℃的动态时间扫描曲线与 80、85 ℃两个温度的曲线不同。扫描时间在600 s以内时，75 ℃的G’最小，但随着扫描时间的增长，G’一直增加，最后超过80、85 ℃的G’。这说明在75 ℃凝固温度下，凝固初期凝胶的形成速率比80、85 ℃的小，后期凝胶的形成速率比80、85 ℃的大。与 80、85 ℃相比，当凝固温度为75 ℃时，得到的牛奶布丁质构最均匀。结合鸡蛋蛋黄的凝胶温度，在凝固温度分别为 75、80、85 ℃时， 75 ℃能形成最佳质量的牛奶布丁。这是因为鸡蛋牛奶布丁加热凝固的过程就是蛋白质变性的过程。蛋白质变性是蛋白质分子内部的结构破坏，蛋白质分子由有序的卷曲的结构变为无序的伸展状态，处于分子内部的疏水基团在分子表面大量暴露，而在分子表面的亲水基团则相对减少，蛋白质颗粒不能与水相溶，失去水膜，引起分子间相互碰撞聚集沉淀。鸡蛋牛奶布丁凝固温度为80、85 ℃时，分子之间碰撞剧烈，凝胶网络形成速率快，卷曲的蛋白质分子不能很好的伸展，致使内部的疏水基团不能充分暴露在分子的表面，因此影响鸡蛋牛奶布丁的质构[19-23]。但是当凝固温度为75 ℃时，2 000 s以后凝固才结束，当凝固温度为80、85 ℃时，1 000 s左右凝固就结束了。因此选择最佳的凝固温度时要综合考虑凝固时间。

图 3 G’随时间变化的扫描曲线

Fig.3 G’-time curves

2.2.2 黏性模量随时间的变化

图 4 G”随时间扫描曲线

Fig.4 G”-time curve

由图4可知，在75 ℃条件下，G”增加最多，且变化比较均匀。

综合G’随时间的变化的分析，在75、80、85 ℃凝固温度下，当凝固温度为75 ℃时，得到的鸡蛋牛奶布丁的强度最高，且质构最均匀。

2.2.3 损耗角正切（tan δ）随时间的变化

图 5 tan δ随时间扫描曲线

Fig.5 tan δ-time curve at 75, 80 and 85 ℃

由图5可知，75 ℃条件下，凝固时间在600 s以内时，损耗角正切tanδ一直不变，保持定值。tanδ为G”与G’的比值，tanδ保持定值，这说明G’和G”增加幅度相同，变化均匀。当凝固时间超过600 s，损耗角正切突然减小，说明在这个时候G’增加的幅度加快，而G”增加的幅度减慢，鸡蛋牛奶布丁在向固态转化，鸡蛋牛奶布丁在这个时候开始表现出固体的性质，因此这个时间称为鸡蛋牛奶布丁的凝固时间[24]。综合以上分析，制作鸡蛋牛奶布丁的凝固温度保持在75 ℃，得到的凝胶的质构均匀。

2.3 G’的连续一级反应拟合

图 6 G’随时间的变化

Fig.6 Temporal variation of G’

图 7 G”随时间的变化

Fig.7 Temporal variation of G”

由图6、7可知，不同凝固温度下鸡蛋牛奶布丁的凝固过程都包括两段反应：第一段：凝固初期G’、G”急剧增大。第二段：随着凝固过程的进行，G’、G”增加变缓，当凝固完全结束，G’、G”趋于定值。

由于不同温度下的凝固过程都包括两段直线段，每段直线段代表一个一级反应阶段，因此鸡蛋牛奶布丁的凝固过程应包括两个一级反应阶段，反映鸡蛋牛奶布丁凝固过程的G’、G”的变化符合连续一级反应模型，反应经验公式如式（1）、（2）所示。

（1）

（2）

式中：k1为第一阶段的反应速率常数/s－1；k2为第二阶段的反应速率常数/s－1；G’sat为弹性模量饱和值/Pa；G”sat为黏性模量饱和值/Pa。

对鸡蛋牛奶布丁凝固过程中G’、G”随时间的变化用式（1）、（2）进行拟合，拟合结果如图8、9所示，反应速率k1、k2值如表1、2所示[25]。

图 8 G’的连续一级反应拟合

Fig.8 Successive first-order kinetics fitting of G’

图 9 G”的连续一级反应拟合

Fig.9 Successive first-order kinetics fitting of G”

由图8、9知，连续一级反应方程对G’、G”随时间变化曲线拟合非常好，即鸡蛋牛奶布丁在凝固温度一定时，凝固过程是一个连续一级反应过程。

表 1 G’连续一级拟合方程反应速率常数k1和k2

Table 1 Rate constants k1 and k2 for first-order fitting of G’ at different temperatures

表 2 G”连续一级拟合方程反应速率常数k1和k2

Table 2 Rate constants k1 and k2 for first-order fitting of G” at different temperatures

由表1、2知，凝固温度为75、80℃时，k1、k2相差较小，凝固温度为85 ℃时，k2远远小于k1，即凝固温度为85 ℃，初期凝胶速率非常快，后期凝胶速率慢，为了得到质构均匀的凝胶，要尽量减小第一阶段的反应速率，增加第二阶段的反应速率，缩小两段反应的速率差。同时综合考虑G’sat、G”sat：85 ℃的G’sat最高（不排除温度高，水分蒸发导致G’增高，从而G’sat增高），80 ℃的G’最小，75 ℃的G’介于80、85 ℃的G’之间。由以上分析知，凝固温度为75 ℃时得到的鸡蛋牛奶布丁强度和质构均匀性都比较好。75 ℃最接近蛋黄的凝胶温度，由此可知蛋黄凝胶对鸡蛋牛奶布丁的强度影响比较大。

2.4 弹性模量和黏性模量与凝固温度的关系

图 10 鸡蛋牛奶布丁在凝固过程中动态温度扫描图

Fig.10 Dynamic temperature sweep during egg milk pudding coagulation process

由图10可知，当温度小于65 ℃时，G’和G”基本不变，鸡蛋牛奶布丁体系中没有凝胶生成。当温度大于65 ℃后，随着温度升高，鸡蛋牛奶布丁凝胶过程可以分为3个阶段：第一阶段：诱导阶段。温度在65～71.5 ℃范围内时，G’和G”开始缓慢增加。鸡蛋蛋白的凝胶温度是62～64 ℃，蛋黄的凝胶温度是68～71.5 ℃，当温度小于71.5 ℃时，由于试样中加有牛奶和糖，蛋液稀释和加糖均可使凝固温度升高，因此在这个期间，蛋白凝胶比较多，而蛋黄凝胶还没形成，在整个试样体系中，牛奶比重大，蛋白凝胶对试样的G’和G”影响比较小，因此当温度小于71.5 ℃，G’和G”变化很小。第二阶段：温度在71.5～88 ℃，G’和G”急剧增加，可称为加速阶段。在这个阶段，蛋黄开始凝胶，G’和G”急剧增大说明蛋黄凝胶对鸡蛋牛奶布丁的强度影响非常大。刚开始G”增加幅度大于G’，但随着温度的升高和凝固时间的增加，G’增加的幅度很快超过G”，并在75 ℃相交，此时鸡蛋牛奶布丁从液态体转变成固态体，75 ℃为此实验条件下鸡蛋牛奶布丁的凝胶温度。第三阶段：温度大于88 ℃，G’和G”趋于稳定，凝胶反应结束，称为稳定阶段，在这个阶段，牛奶布丁表现出固态性质。

3 结 论

3.1 鸡蛋牛奶布丁的加热凝固过程是一个连续一级反应。第一阶段反应速率快，第二阶段反应速率慢。为了得到质构均匀的凝胶，应该控制第一阶段反应速率，提高第二阶段反应速率。

3.2 在制作鸡蛋牛奶布丁时，在本实验条件下，鸡蛋牛奶布丁的凝胶温度为75 ℃，将温度保持在75 ℃条件下凝固，能得到质构比较均匀的牛奶布丁。

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