通过多频超声波预处理结合发芽调控对燕麦粉进行结构改性：从淀粉和蛋白质的角度进行分析

《Food Research International》：Structural modification of oat flour through multi-frequency ultrasound pretreatment combined with germination regulation: an analysis from the perspectives of starch and protein

本研究探究了单频（50 kHz）、双频（20/50 kHz）和三频（20/35/50 kHz）超声预处理对发芽燕麦粉组成、结构和淀粉-蛋白质相互作用的影响。双频处理显著减少淀粉含量，降低结晶度，改善糊化特性，增强分子间相互作用，并促进蛋白质结构无序化，导致预估血糖指数升高，表明其有效提升燕麦粉质量和可消化性。

　　本研究探讨了单频（SFP：50 kHz）、双频（DFP：20/50 kHz）和三频（TFP：20/35/50 kHz）超声波预处理对发芽燕麦粉中成分、结构特性以及淀粉与蛋白质相互作用的影响。研究发现，双频超声波预处理（DFP）在所有处理方式中引发了最显著的变化。具体而言，DFP处理导致淀粉含量降低、结晶度减少、粉体粘度和糊化特性明显下降。此外，DFP显著提升了荧光强度和表面疏水性，同时增强了分子间相互作用，包括氢键、离子相互作用、疏水相互作用，以及自由巯基和二硫键的存在。通过分析蛋白质的二级结构和体外淀粉消化，研究发现，与对照组相比，DFP处理减少了有序的β折叠和β转角结构，从而促使结构向更无序的随机卷曲构象转变。这种结构的改变与估算的升糖指数（eGI）显著上升相对应，表明从抗性淀粉向慢速和快速消化淀粉组分的转化。这些发现表明，双频超声波预处理是一种有效的方法，可以提升燕麦粉的质量和消化性。

燕麦作为一种营养丰富的谷物，因其富含可溶性膳食纤维（如β-葡聚糖）、优质蛋白、不饱和脂肪、维生素、矿物质以及强效抗氧化剂（如燕麦蒽酰胺）而备受推崇。这些成分共同作用，为人体健康提供了诸多益处，包括降低胆固醇、改善血糖控制、增强饱腹感以及可能的抗炎和抗氧化作用。燕麦粉因其多功能性和健康促进特性，在食品工业中得到了广泛应用，从烘焙产品、早餐谷物到挤压零食、乳制品替代品和功能性食品配方。然而，天然燕麦成分的物理化学特性，尤其是淀粉颗粒的复杂结构和由蛋白质与β-葡聚糖形成的精细网络，可能在加工过程中带来一定的技术挑战。例如，高粘度、有限的吸水能力、潜在的粗糙感以及可变的消化性都可能影响加工效率和最终产品的感官与质地质量。因此，克服这些限制对于最大化燕麦基食品的利用和消费者接受度至关重要。

发芽是一种古老的自然生物过程，近年来被广泛认为是增强谷物营养价值和功能特性的有效策略。在受控发芽过程中，内源性酶被激活，从而引发大分子的水解反应。淀粉被部分分解为简单糖类，蛋白质被水解为肽和氨基酸，而复杂的脂类则被降解。同时，一些抗营养因子，如植酸，会减少，从而提高矿物质的生物利用度。这些生化变化通常会导致发芽后燕麦粉的功能特性发生显著改变，如粘度、糊化稳定性、吸水能力的降低，以及可能的风味改善和体外消化性的提高。尽管发芽对某些食品应用具有积极作用，但在发芽过程中可能会出现不可预测且可能过量的降解现象，因此需要精确的控制以及互补的加工技术，以定制燕麦粉的功能性，满足特定的食品用途需求。

在这一背景下，非热食品加工技术，特别是超声波技术，因其高效、绿色和多功能的特性而受到越来越多的关注。超声波利用高频声波（通常为20 kHz至几兆赫兹）在介质中传播，产生交替的压缩和稀疏周期。在足够高的功率下（低频、高功率超声波），可以引发声学空化现象：微观气泡的快速形成、生长和剧烈坍塌。这一过程可以产生极端的局部条件，如强烈的剪切力、微射流和声流。这些强烈的物理力可以显著改变食品基质的结构，包括颗粒尺寸减小、细胞破裂、增强质量传递、改变生物聚合物的构象（如蛋白质和多糖）以及调整结晶度和分子相互作用。因此，超声波技术在食品加工中的应用具有广阔的前景。

单频超声波（SFP）已被应用于谷物粉、淀粉和蛋白质的处理，并展现出一定的潜力。SFP不仅能够破坏淀粉颗粒，导致表面侵蚀、凹陷和增加孔隙率，从而改变其膨胀能力、溶解性、糊化特性和消化性，还能引起β-葡聚糖的部分解聚和粘度的降低。此外，SFP还能改变蛋白质的构象，影响其二级和三级结构（如减少α-螺旋含量，增加β-折叠或随机卷曲），破坏二硫键和疏水相互作用，从而可能增强其溶解性或表面疏水性。这些改变对蛋白质的水合、凝胶化、乳化、发泡和流变特性具有重要影响。然而，由于在处理腔内能量分布不均以及驻波效应的存在，SFP处理的效果可能具有一定的局限性，导致局部过度或不足的处理。

为了克服这些局限并利用协同效应，研究人员开始探索多频超声波处理策略。双频超声波，即同时或依次使用两种不同频率的超声波，被认为是一种特别有前景的改进方法。其基本原理在于，不同频率产生的空化气泡具有不同的动态特性（如尺寸、共振、坍塌强度）。结合不同频率可以产生更均匀且强烈的空化场，从而形成重叠的空化区域，增强微流模式，并在整个样品中更有效地耗散能量。与单频超声波相比，这种协同效应可以增强物理作用（如剪切、微射流），进而更深入和均匀地改变复杂食品基质中生物分子的结构和相互作用，如发芽燕麦粉。

三频超声波（TFP）进一步拓展了这一概念，但其复杂性以及可能的波干涉效应需要仔细优化。基于这些背景，本研究进行了初步实验，确认了50 kHz超声波及其与其他频率（20/50 kHz、35/50 kHz和20/35/50 kHz）组合对燕麦发芽及燕麦粉功能特性的影响。研究推测，多频超声波预处理结合发芽可能会对燕麦粉的结构产生一定的改变。尽管有理论上的优势，但DFP、SFP和TFP对发芽燕麦粉复杂物理化学网络的具体影响，包括改性淀粉、水解蛋白质和改变的β-葡聚糖，仍缺乏深入研究和系统理解。因此，有必要进一步阐明超声波引发的分子和微观结构变化与最终宏观功能和消化特性之间的机制联系。

本研究旨在对双频超声波（DFP）处理对发芽燕麦粉在0、48和96小时后的微观结构、粘度和热力学特性进行更深入的探讨，与单频超声波（SFP）、三频超声波（TFP）以及无超声波处理（对照组）进行比较。同时，本研究还独立分析了成分和结构的变化，分别针对淀粉和蛋白质。通过这一研究，希望在一定程度上阐明双频超声波如何增强燕麦粉的质量，并为发芽燕麦粉的应用潜力提供理论依据。

为了实现这一目标，本研究采用了多种分析方法，包括扫描电子显微镜（SEM）分析，以系统地观察不同超声波处理方式对发芽燕麦粉微观结构的影响。研究结果表明，未经处理的燕麦粉（NOF）具有独特的形态特征，其中较大的球形或椭圆形淀粉颗粒嵌入在连续的蛋白质基质中。在发芽过程中，可以观察到逐步的结构变化，包括淀粉颗粒的逐渐降解。这些变化在不同的超声波处理方式下表现出不同的特征，特别是在DFP处理下，淀粉颗粒的形态和结构发生了更为显著的改变。

此外，本研究还对淀粉和蛋白质的组成和结构进行了详细分析，以揭示DFP处理如何影响这些关键成分的物理化学特性。通过体外淀粉消化实验，研究发现DFP处理显著提升了淀粉的消化速率，这与淀粉颗粒的降解和β-葡聚糖分子量的降低密切相关。同时，DFP处理对蛋白质的二级结构产生了明显影响，减少了有序的β折叠和β转角结构，增加了无序的随机卷曲构象。这种结构变化可能影响蛋白质的功能特性，如水合能力、凝胶化能力、乳化能力等。

为了进一步理解这些变化背后的机制，本研究还分析了超声波处理对淀粉-蛋白质相互作用的影响。研究发现，DFP处理显著增强了分子间相互作用，包括氢键、离子相互作用和疏水相互作用，同时增加了自由巯基和二硫键的数量。这些变化可能影响燕麦粉的整体功能特性，如粘度、稳定性、消化性等。通过对比不同处理方式的效果，本研究旨在揭示DFP处理在改善燕麦粉质量方面的独特优势，并为未来的研究和应用提供理论支持。

综上所述，本研究通过系统的实验分析和多角度的探讨，揭示了双频超声波预处理对发芽燕麦粉在成分、结构和分子相互作用方面的深远影响。研究结果不仅为燕麦粉的加工和应用提供了新的思路，也为食品科学领域中非热加工技术的进一步发展奠定了基础。通过这些发现，我们可以更好地理解如何利用超声波技术来优化燕麦粉的性能，从而提升其在食品工业中的应用价值和市场竞争力。