《Food Chemistry》：Comparative assessment of infrared/microwave-induced structural and physico-chemical transformations in Canadian pulses: Implications for cooking, milling, and nutritional quality
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脉冲加工中红外与微波处理对微结构及品质的影响：研究分析了四种豆类在60-120秒IR/MW处理后孔隙率增加1.3%-26.4%，烹饪时间减少最高达73.2%，揭示了IR对青扁豆和MW对其他豆类的最佳效果，证实电磁处理能通过改变淀粉-蛋白质相互作用提升品质。
马赫希卡·贾亚辛格（Maheshika Jayasinghe）| 昌吉兹·埃尔金巴耶夫（Chyngyz Erkinbaev）
曼尼托巴大学生物系统工程系，加拿大曼尼托巴省温尼伯市Chancellor’s Circle 75A，EITC，E2-376，邮编R3T 5V6
摘要
红外（IR）和微波（MW）处理技术正迅速成为工业规模豆类加工中高效且环保的热处理方法。本研究探讨了在不同暴露时间（60–120秒）下，IR/MW处理对鹰嘴豆（CP）、黄豌豆（YP）、青扁豆（GL）和蚕豆（FB）的微观结构变化及其对物理化学性质和淀粉-蛋白质相互作用的影响。经IR和MW处理的豆类颗粒的孔隙率分别增加了1.3%–12.2%和3.3%–26.4%。黄豌豆在IR（62.5%）和MW（73.2%）处理下烹饪时间缩短最为显著。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析证实，长时间处理后蛋白质发生了显著的构象变化，表现为α-螺旋减少和β-转角增加。黄豌豆对IR和MW处理均表现出良好的响应，而鹰嘴豆和蚕豆对MW处理效果更佳，青扁豆对IR处理的响应更为明显。总之，本研究表明IR和MW处理能够有效改变豆类微观结构，从而提升其烹饪性能和营养价值，有助于更好地利用豆类资源。
引言
豆类属于豆科植物，包括扁豆（Lens culinaris L.）、鹰嘴豆（Cicer arietinum L.）、干豌豆（Pisum sativum L.）和普通豆（Phaseolus vulgaris L.）。加拿大是最大的豆类出口国（560万吨），同时也是主要的豆类生产国（870万吨），占全球豆类贸易量的三分之一（46亿美元，数据来源：加拿大统计局，2023年）。豆类富含蛋白质（22–30%）、抗性淀粉（2–7%）和膳食纤维（12–18%）以及生物活性化合物（多酚、植物甾醇）（Malcolmson & Han, 2019），因此是重要的食物来源。然而，由于酶抑制剂的存在、细胞结构致密导致烹饪时间较长、种皮木质化难以煮熟以及豆类特有的味道和气味，豆类的利用受到限制（Ma et al., 2011）。因此，研究人员仍在探索有效的预处理方法以克服这些挑战，从而提高豆类的利用率。
常见的豆类预处理方法包括浸泡、发芽、发酵、水热处理（煮沸、蒸煮、高压灭菌）和干烤（Ma et al., 2011; Sharma, 2021）。然而，这些方法在工业应用中存在用水量大、能耗高、处理时间长、营养成分流失（水溶性维生素/矿物质）以及可扩展性不足等问题（Thakur et al., 2019）。因此，红外、微波、射频和电阻加热等现代热处理技术被视为有前景的替代方案（Zeng et al., 2022）。其中，红外（IR）和微波（MW）处理技术因具有快速高温短时处理的特点，能够显著改善豆类的烹饪和碾磨质量，以及营养和功能性特性（Ramachandran et al., 2023）。研究表明，IR和MW处理能够改变豆类颗粒的微观结构、成分及淀粉-蛋白质相互作用，促进淀粉糊化和部分蛋白质变性（Frohlich et al., 2021）。因此，与传统预处理方法相比，IR和MW处理在能源效率、处理时间、成本效益和工业可扩展性方面更具优势。
IR和MW处理均利用电磁辐射，但加热机制不同，从而产生独特的热效应。IR辐射波长范围为0.76 μm至1 mm，通常通过功率为300–500 W的灯源实现，通过激发分子振动实现“表面加热”，但穿透深度有限（0.31–4.76 mm，Puneet et al., 2022）。相比之下，MW利用磁控管（950 MHz和2450 MHz）产生的热量，通过介电极化和离子传导实现“体积加热”，主要作用于水分子，具有更强的穿透能力（约12.2 cm，Joardder & Karim, 2025）。此外，先前研究强调了通过调整IR和MW功率水平、水分含量和处理温度等工艺参数来优化豆类品质的重要性（Heydari et al., 2022; Najib et al., 2023）。Guldiken等人（2022）还指出了种子大小和成分对IR和MW处理效果的影响。然而，以往研究往往忽视了IR和MW的“暴露时间”这一关键因素，因此需要根据具体应用优化处理条件。本研究旨在全面评估不同暴露时间对豆类微观结构的影响，假设IR/MW处理带来的微观结构变化能改善豆类的烹饪、碾磨和营养特性。本研究旨在评估不同IR/MW暴露时间下豆类的结构和技术功能变化，并探索结构与营养特性之间的关联。与大多数针对面粉的研究不同，本研究能够直接观察原始种子微观结构对IR和MW处理的响应，并预测豆类面粉的质量。非破坏性的X射线成像技术为豆类微观结构的定性和定量建模提供了新方法，有助于实时决策以优化种子孔隙率的发展。这种全面的表征方法可以根据实际应用需求调整豆类特性。最终，这些研究成果将有助于业界通过高效的热处理技术实现豆类产品的最佳品质。
材料与种子处理过程
本研究使用了2024年收获季节从商业种子农场购买的四种豆类认证品种：鹰嘴豆（Cicer arietinum var. kabuli）、黄豌豆（Lathyrus aphaca var. lewochko）、青扁豆（Lens culinaris var. laird）和蚕豆（Vicia faba var. snow drop）。所有种植条件均符合加拿大商业标准，包括综合害虫管理、合理施肥和农药残留控制。
X射线微CT分析
X射线微CT分析是一种新型的非破坏性技术，用于观察和量化豆类的内部微观结构。如图1所示，不同IR和MW处理条件下，豆类的孔隙率、孔径大小和分布存在显著差异。MW处理在鹰嘴豆和黄豌豆中实现了更均匀的孔隙分布（图1）。相比之下，IR处理在某些方面也显示出积极效果。
结论
- (i)
研究表明，IR和MW处理显著改变了豆类颗粒的微观结构，从而改善了烹饪和碾磨质量，并改变了淀粉-蛋白质相互作用。
- (ii)
IR处理对青扁豆的效果最佳，MW处理对鹰嘴豆和蚕豆的效果最为显著，无论是在结构还是物理化学性质方面；黄豌豆对这两种处理方法都表现出良好的响应。
- (iii)
100秒的暴露时间是IR和MW处理的最佳时间，可最小化豆类结构的改变。
CRediT作者贡献声明
马赫希卡·贾亚辛格（Maheshika Jayasinghe）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法论设计、实验设计、数据分析及结果验证。昌吉兹·埃尔金巴耶夫（Chyngyz Erkinbaev）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、资源协调、方法论设计、实验设计、资金筹集及概念构思。
未引用的参考文献
Deepa and Hebbar, 2016
Najib, Heydari and Meda, 2022
Rehman and Shah, 2005
利益冲突声明
本研究不存在利益冲突，所描述的内容未在其他地方发表或正在考虑发表。
致谢
作者感谢加拿大自然科学与工程研究委员会的财政支持。
