综述：超声波和超高压处理对无麸质替代品功能特性及面包制作改良效果的研究

本综述系统分析了超声波（US）和超高压（HHP）两种物理改性技术对源自豆类、谷物和假谷物的无麸质（GF）原料（面粉、淀粉、蛋白质）的结构、功能、热学、流变及糊化特性的影响。文章指出，US和HHP能有效改善原料的水合特性（如WAC、WSI）、降低糊化温度（Tp-gel）和焓值（ΔHgel）、增强凝胶弹性模量（G‘），并优化糊化粘度参数（如PV、SV），从而提升无麸质面团的加工性能及面包的比容和质构。优化处理条件对实现高品质无麸质烘焙产品至关重要。

　　

1. 引言

随着麸质相关疾病发病率的上升，市场对无麸质（GF）产品的需求日益增长。然而，无麸质产品在营养价值、技术功能特性和结构品质方面常常面临挑战。麸质是小麦、黑麦和大麦中的一种蛋白质，它在形成面团网络结构、包裹气体、赋予面包特定质地和体积方面起着关键作用。无麸质配方中缺乏这种网络，导致面团粘聚性、气体保持能力和弹性不足，最终产品质地和体积均不理想。

对于乳糜泻（CD）、非乳糜泻麸质敏感（NCGS）等患者而言，严格的无麸质饮食是必要的管理方式。然而，无麸质饮食常伴随营养缺乏问题，且市售无麸质产品在感官品质（如质地、风味）上往往不尽如人意。为了应对这些挑战，研究人员正致力于开发来自豆类、谷物和假谷物的无麸质面粉、淀粉和蛋白质分离物。然而，这些原料的天然形式通常存在稳定性差、溶解度低、易老化（回生）等问题，限制了其在高质量无麸质配方中的应用。因此，对其进行技术和功能改性至关重要。

1.1. 无麸质产品的挑战与局限性

根据欧盟法规，标注为“无麸质”的食品其麸质含量不得超过20 mg/kg。尽管有法规保障，无麸质产品在感官特性和整体质量上仍常低于消费者预期。关键问题包括口感粗糙、质地干燥、比容小、货架期短以及风味欠佳。此外，无麸质饮食还容易导致膳食纤维、铁、钙和维生素D等营养素摄入不足。

1.2. 无麸质产品的植物基替代原料

为了模拟麸质的功能，研究人员探索了多种策略，包括使用亲水胶体、替代蛋白质（如大豆蛋白、豆类蛋白）和经过物理或酶处理的淀粉。其中，豆类（如扁豆、鹰嘴豆）、谷物（如大米、苔麸）和假谷物（如藜麦、荞麦、苋菜）等植物基原料因其丰富的蛋白质、膳食纤维、维生素和矿物质而受到广泛关注。这些原料不仅能改善无麸质产品的结构，还能提升其营养价值。这些替代原料主要包含淀粉和蛋白质两大类生物聚合物。淀粉是GF配方中的基础成分，显著影响产品的质地和外观。蛋白质则除了提供营养外，还具有乳化、发泡和凝胶等 techno-functional 特性，有助于改善产品质地和稳定性。

1.3. 克服天然无麸质替代物的局限性

天然淀粉和蛋白质在无麸质应用中存在诸多缺陷。天然淀粉常表现出冷水中溶解度差、易老化、脱水收缩倾向高、粘度低以及对剪切和热加工耐受性差等问题。同样，许多植物蛋白存在溶解性差、乳化/发泡能力弱、持水性不佳以及令人不悦的风味（如豆腥味、苦味）等问题。一些蛋白源还有致敏风险。

改性技术是克服这些局限性的关键。与化学改性相比，物理方法因其环境友好性和“清洁标签”属性更受食品工业青睐。超声波（US）和超高压（HHP）作为创新的非热加工技术，在改性无麸质面粉、淀粉和蛋白质方面展现出巨大潜力，能够改善其功能特性、糊化行为、流变学性质，从而适用于无麸质配方。

2. US和HHP在无麸质原料中的应用概述

2.1. US和HHP应用：关键原理与加工条件

超声波利用超过20 kHz的机械波，通过空化效应（气泡的形成、生长和溃灭）产生的高能振动和剪切力，导致物料结构变化。超高压则是将物料置于密闭容器中，通过液体传压介质施加高达100-600 MPa的静压力，依据等静压原理和勒夏特列原理，均匀、瞬时地改变物料的分子结构和性质。

两种技术的作用效果均受多种参数影响。对于US，包括频率、强度/功率、处理时间、料水比、温度等。对于HHP，则包括压力水平、保压时间、温度和料水比。处理后的样品通常采用冷冻干燥或离心后低温干燥的方式进行回收，以保持其结构和功能完整性。

US主要通过空化效应降解淀粉聚合物和改变蛋白质相互作用。HHP则能引起蛋白质展开和部分变性，并改变淀粉分子内的非共价相互作用。这些结构变化进而影响其持水能力、糊化行为和乳化特性等。

3. US和HHP对面包制作无麸质替代物的影响

3.1. 对技术功能特性的影响

技术功能特性，如持水能力（WAC）、持油能力（OAC）、水溶性指数（WSI）和膨胀力（SP），对无麸质产品的感官属性和加工性能至关重要。

研究表明，US处理通常会降低WAC但增强WSI，这归因于空化作用导致淀粉分子链断裂，释放出直链淀粉（Amylose），从而增加了溶解度。而HHP处理在较高压力下（如400-600 MPa）能增加WAC，但通常会降低WSI，这可能与高压下淀粉分子重排以及直链淀粉-脂质复合物的形成有关，后者抑制了直链淀粉的溶出。

对于OAC，US处理因其暴露疏水基团而往往使其增加，而HHP处理则可能因颗粒破坏而降低OAC。US处理通常能通过破坏淀粉颗粒的晶体结构，增强水分子与淀粉羟基的氢键结合，从而提高SP。HHP处理则可能因分子间相互作用改变和直链淀粉-脂质复合物的形成，导致SP降低。

3.2. 对形态和粒径的影响

面粉的粒径分布显著影响无麸质面包的品质。US处理通过空化产生的机械碰撞和剪切力，导致颗粒破碎和部分解聚，从而减小粒径并使表面变得粗糙。处理温度、时间、功率、频率以及模式（探头式 vs. 浴式）等因素都会影响改性程度。

HHP处理同样会影响粒径和形态。随着压力升高，淀粉颗粒可能发生肿胀、变形，甚至在极高压力下（如600 MPa）崩溃形成凝胶状结构，导致粒径分布发生变化，有时会出现颗粒聚集现象。

3.3. 对淀粉组成的影响

US处理可能通过断裂支链淀粉（Amylopectin）的α-1,6-糖苷键，增加直链淀粉含量。同时，空化效应也会导致淀粉损伤（Damaged Starch）增加，损伤淀粉吸水性更强，更易被酶水解，适度损伤有利于面团水合和发酵，但过量则可能导致面团过粘。

HHP处理，特别是在400 MPa左右，也会显著增加损伤淀粉含量和直链淀粉比例，这可能是由于高压下支链淀粉降解以及直链淀粉从相互作用中溶出所致。研究表明，适中的HHP压力（如200 MPa）可引起淀粉部分预糊化和蛋白质变性交联，从而改善面团的弹性和气体保持能力，有助于提升面包品质。

3.4. 对热学特性的影响

差示扫描量热法（DSC）用于分析淀粉的糊化特性。US处理通常通过空化能破坏淀粉颗粒结构，使水更容易渗透，从而导致糊化起始温度（T_o-gel）、峰值温度（T_p-gel）和糊化焓（ΔH_gel）降低。这意味着糊化所需的热能减少，糊化过程更容易发生。

HHP处理同样会破坏淀粉的半结晶结构，导致T_p-gel和ΔH_gel降低。在足够高的压力下（如600 MPa），甚至可能观察到完全糊化，DSC曲线上看不到明显的吸热峰。

降低的糊化温度有助于改善面团稠度和粘度，使糊化更快速彻底，从而有利于面团稳定性和加工性能。最终面包产品能获得更柔软的芯、更大的比容和更均匀的质地。

3.5. 对晶体结构的影响

X射线衍射（XRD）用于分析淀粉的结晶结构。淀粉可分为A型（致密）、B型（疏松）和C型（混合）晶体。US处理主要降解无定形区，对结晶区影响相对较小，因此结晶度可能增加、减少或不变，取决于处理条件和淀粉来源。较高温度下的US处理可能促进淀粉链重组，形成更有序的结构。

HHP处理则通常会导致结晶度下降，尤其是高压下（500-600 MPa），水分子渗入晶体结构，破坏双螺旋排列，使结晶区域解体。结晶度水平直接影响淀粉的回生（老化）速率，进而影响面包的货架期。

3.6. 对短程有序结构的影响

傅里叶变换红外光谱（FTIR）可探测淀粉短程有序结构的变化。US处理后，通常观察到1045 cm^-1（有序结晶区）与1022 cm^-1（无定形区）的比值（1045/1022）下降，以及1022 cm^-1与995 cm^-1（水合碳水化合物螺旋）的比值（1022/995）上升，这表明结晶结构被破坏，无定形和非有序结构增加。这些变化与直链淀粉溶出、糊化焓降低等结果一致。

HHP处理也观察到类似趋势，随着压力升高，短程有序度下降，结构趋于无定形化。FTIR也用于分析蛋白质结构变化，US和HHP处理均可引起蛋白质二级结构（如α-螺旋、β-折叠）向无规卷曲转变，表明蛋白质发生了部分展开。

3.7. 对流变学特性的影响

流变学分析对于预测面团在搅拌、醒发和烘焙过程中的行为至关重要。对US和HHP处理的淀粉/面粉凝胶的研究表明，振幅扫描中，剪切应力（τ_max）和交叉点（G‘ = G″）可能增加，表明凝胶强度增强。频率扫描则普遍显示，处理后样品的弹性模量（G′）高于粘性模量（G″），表现出更显著的固体-like（凝胶）行为。这表明处理后形成了更牢固的三维网络结构，有利于改善面团的机械强度和稳定性。

3.8. 对糊化特性的影响

快速粘度分析仪（RVA）用于评估淀粉的糊化特性。US处理通常会导致糊化温度（PT）升高，峰值粘度（PV）、谷值粘度（TV）、最终粘度（FV）、衰减值（BV）和回生值（SV）降低。这是因为空化作用破坏了淀粉分子链，削弱了其膨胀和形成凝胶的能力。

HHP处理对糊化特性的影响类似，也常导致PT升高，PV、FV、SV等粘度参数下降。这反映了高压下淀粉颗粒破碎和水合作用改变，使其更易膨胀但网络结构强度减弱。SV的降低尤其意味着短期回生趋势减弱，可能有助于延缓面包老化。

4. 结论与未来展望

本综述表明，超声波和超高压处理是改良无麸质原料（面粉、淀粉、蛋白质）功能特性的有效物理手段。它们通过改变颗粒结构、结晶度、短程有序性、热学行为、流变学和糊化特性，显著影响无麸质面团的加工性能和最终面包的品质。总体趋势是朝着更有利于面包制作的方向发展，如改善水合作用、增强凝胶强度、降低糊化能耗和回生倾向。

然而，目前研究多集中于单一组分体系，未来需要更多针对复杂混合配方的研究。此外，这些物理改性对最终产品营养品质和感官特性的影响有待深入探讨。未来的研究方向包括将US/HHP与其他技术（如酶处理、发酵）结合使用，开展更多应用导向的研究以验证其在真实烘焙场景中的效果，并进行全面的感官评价和营养学评估。通过优化处理条件和整合多种技术，US和HHP有望在开发高品质、高接受度的无麸质烘焙产品中发挥关键作用。