超声处理对欧洲与秘鲁羽扇豆粉的影响：无麸质面包工艺品质及小麦部分替代应用中的效果评估

《Journal of the Science of Food and Agriculture》：Effect of sonication on European and Peruvian lupin flours: impact on the technological quality of gluten-free breads and as a partial substitute for wheat

　　

论文摘要翻译 背景 作为一种广泛栽培的豆类作物，羽扇豆因其有益的营养特性而备受关注，尤其在烘焙应用中。然而，羽扇豆中含有的有害生物碱及其较差的功能特性限制了其更广泛的应用。超声处理是一种用于修饰分子结构的环保技术。因此，本研究旨在探究超声处理是否能改善秘鲁羽扇豆（Lupinus mutabilis）和欧洲羽扇豆（L. angustifolius）粉的功能特性，以提高其在小麦和无麸质面包中的烘焙适用性。研究人员对两种面粉进行超声处理，并利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、水油吸收能力、Mixolab混合实验仪、快速粘度分析仪（RVA）和质构剖面分析（TPA）对其功能特性进行了表征，随后将其分别以20%（w/w）替代小麦粉和10%（w/w）替代无麸质粉的比例制成面包配方。 结果 与未处理的面粉相比，经超声处理的欧洲羽扇豆（L. angustifolius）表现出更高的吸水能力，从而改善了无麸质面包的体积、质地和水分保持能力。而经超声处理的秘鲁羽扇豆（L. mutabilis）在上述类别中则表现出性能劣化。在小麦配方中，由于面筋网络被稀释，添加羽扇豆降低了产品品质。在无麸质配方中，添加羽扇豆——特别是经超声处理的欧洲羽扇豆——改善了质构参数，如内聚性、弹性和水分保持能力。超声处理可能解开了蛋白质聚集体并打断了多糖链，从而形成了类似面筋的网络结构。超声处理影响了淀粉的糊化和回生过程，进而改变了脱水收缩作用和货架期。 结论 超声处理似乎是改善蓝羽扇豆在无麸质面包中功能性的一个颇具前景的工具，但其效果具有高度的物种特异性。深入理解超声处理诱导的蛋白质水平结构变化对于将其应用扩展到更多食品基质至关重要。? 2026 作者。《食品科学与农业杂志》由John Wiley & Sons Ltd代表化学工业学会出版。

论文解读文章

一、研究背景与目的

羽扇豆（Lupinus）作为一种富含蛋白质和脂质的豆类作物，其种子营养组成与传统谷物差异显著，尤其是高蛋白含量使其成为极具潜力的食品原料。然而，羽扇豆在烘焙领域的广泛应用受到两大限制：一是部分品种含有有害的生物碱；二是其固有的工艺功能特性（如溶解性、粘度、水油吸收能力等）较差，难以直接形成理想的面团网络结构。特别是在无麸质烘焙体系中，由于缺乏小麦面筋蛋白形成的粘弹性网络，产品常存在体积小、质地干硬、易老化等问题。因此，如何通过物理改性手段提升羽扇豆粉的功能特性，以适应不同烘焙体系的需求，成为亟待解决的科学问题。

超声处理（Sonication）作为一种非热、环保的物理加工技术，已被证实能够通过空化效应改变蛋白质和多糖的分子结构，如分解蛋白质聚集体、打断多糖链、增加表面疏水性等。然而，超声处理对不同物种羽扇豆的影响尚不明确，其对小麦基和无麸质基面包体系的适用性也缺乏系统研究。基于此，本研究选取了具有代表性的两种羽扇豆——苦味的秘鲁羽扇豆（Lupinus mutabilis，Tarwi）和甜味的欧洲羽扇豆（L. angustifolius，蓝羽扇豆），旨在探究超声处理对其工艺特性的影响，并评估其在20%（w/w）替代小麦粉和10%（w/w）替代无麸质粉的烘焙应用中的效果。研究假设：（i）超声处理会因初始大分子组成的差异而引起物种特异性的微观结构修饰，从而影响工艺功能特性；（ii）由此产生的结构变化将积极影响气体保留能力和质构属性，主要是在无麸质基质中，其中淀粉-蛋白质-水相互作用决定了结构网络，而在小麦基质中，天然面筋网络可能面临稀释。

二、主要关键技术方法

研究人员从芬兰超市购买了蓝羽扇豆粉（L. angustifolius，BL）和从秘鲁公司获取了脱苦处理的秘鲁羽扇豆（L. mutabilis，TF）。关键方法包括：（1）超声处理：将面粉悬浮于水中，使用数字超声仪（UP4000st，Hielscher，德国）配合钛合金变幅杆进行连续超声，频率24 kHz，功率200 W，振幅100%，处理时间约15分钟，能量密度分别为TF样品192 J mL^-1和BL样品209 J mL^-1，过程中间歇冰浴冷却以减少空化热效应。（2）面粉分析：采用傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析结构变化；测定水吸收能力（WAC）和油吸收能力（OAC）；使用Mixolab混合实验仪分析小麦面团流变学特性，采用反挤压法（Back-extrusion）测定无麸质面糊的水合水平；使用快速粘度分析仪（RVA）分析糊化特性。（3）烘焙试验：小麦配方以80:20（w/w）比例混合小麦粉与羽扇豆粉，无麸质配方以45:45:10（w/w）比例混合大米粉、马铃薯淀粉与羽扇豆粉，并加入酵母、糖、盐、葵花籽油和黄原胶（仅无麸质配方），经搅拌、发酵、焙烤后进行分析。（4）面包分析：测定面包皮和面包瓤的CIELAB颜色值及褐变指数（BI）；计算比容（Specific volume）和烘烤损失（Moisture loss）；通过扫描切片分析气孔结构（Alveolar structure）；使用质构仪进行质构剖面分析（TPA）。

三、研究结果

面粉分析

水吸收能力与油吸收能力：所有羽扇豆样品的WAC和OAC均高于对照样品。超声处理后，蓝羽扇豆的WAC和OAC均显著提高，而秘鲁羽扇豆的WAC和OAC均下降。这种不一致的趋势表明超声处理的效果具有物种特异性，可能与蛋白质构象、表面疏水性及碳水化合物组成有关。

ATR-FTIR：FTIR分析显示超声处理前后样品间及两个物种间存在显著差异。超声处理似乎增加了秘鲁羽扇豆样品中可检测到的蛋白质信号，这可能是由于构象变化、聚集体分解或蛋白质长度改变暴露了更多化学键，而非真正的蛋白质含量增加。蓝羽扇豆的变化程度较小。FTIR结果提供了主要的营养成分分析，但分辨率不足以确定蛋白质构象或氨基酸组成。

Mixolab与反挤压：Mixolab分析确定了小麦配方的适宜加水量，其结果与WAC一致：超声处理减少了秘鲁羽扇豆所需的水量，而增加了蓝羽扇豆所需的水量。流变学参数（α、β、γ斜率）表明，超声处理总体上改善了小麦面团的流变学性质。对于无麸质面糊，除超声处理的蓝羽扇豆需要更高加水量（87%）外，其他样品加水量相似。

快速粘度分析仪：RVA结果显示，无麸质样品比小麦样品具有更高的峰值粘度和最终粘度以及更低的糊化温度，这是由于马铃薯淀粉的存在。添加羽扇豆导致小麦基样品的粘度值降低一半以上，归因于淀粉稀释。超声处理通常提高了粘度，尤其是在蓝羽扇豆样品中，其与对照样品的粘度最为接近。回生值（Setback）在添加羽扇豆的小麦基样品中降低，暗示可能延缓面包老化；但在无麸质样品中，除秘鲁羽扇豆外，回生值均增加。

面包分析

面包皮与面包瓤颜色：添加羽扇豆几乎在所有情况下都增加了褐变指数（BI），这与美拉德反应（Maillard reaction）有关。所有添加羽扇豆的面包与对照品之间的色差ΔE均超过2.3，表明肉眼可见的颜色差异。在小麦配方中，蓝羽扇豆面包颜色偏差最大，而超声处理的蓝羽扇豆最接近对照。在无麸质配方中，超声处理的蓝羽扇豆和超声处理的秘鲁羽扇豆与对照的颜色差异最小。

比容与水分损失：小麦基面包的水分损失显著低于无麸质面包。添加羽扇豆对水分损失没有明确的趋势，但超声处理的蓝羽扇豆略微降低了水分损失。比容方面，在小麦基样品中添加羽扇豆使面包密度增大，但超声处理的蓝羽扇豆产生了最高的比容（最蓬松的面包瓤）。在无麸质样品中，秘鲁羽扇豆增加了比容，而蓝羽扇豆降低了比容，但所有结果均接近对照。

气孔结构：小麦基面包具有细小、均匀分布的气孔，而无麸质面包的气孔大小和分布不规则。添加羽扇豆使所有小麦基面包的气孔总面积减少（结构更致密），而对无麸质面包则增加了气孔面积（结构更蓬松）。物种或超声处理对气孔结构的影响不大，蛋白质含量和变性被认为是更重要的因素。

质构剖面分析：小麦基面包具有较低的硬度、内聚性和弹性，这是理想的柔软面包特征。添加羽扇豆使面包变硬、内聚性降低，归因于面筋稀释。超声处理的效果不一致，改善了秘鲁羽扇豆的质构但恶化了蓝羽扇豆的质构。在无麸质配方中，添加羽扇豆普遍改善了质构，其中超声处理的蓝羽扇豆表现最佳，降低了硬度并保持了较好的内聚性和弹性。这些改善归因于蛋白质-淀粉相互作用形成的弹性网络。

四、总结与讨论

本研究的讨论部分指出，超声处理对两种羽扇豆的影响截然相反：对蓝羽扇豆的工艺特性产生积极影响，而对秘鲁羽扇豆则产生消极影响。这表明超声处理不能在整个羽扇豆属中通用化，其效果高度依赖于物种的个体特性。在小麦基面包体系中，添加任何羽扇豆都会因稀释面筋网络而导致质构劣化；而在无麸质体系中，添加羽扇豆（尤其是超声处理的蓝羽扇豆）则能通过形成类似面筋的蛋白质-淀粉网络来改善面包的体积、质地和保水性。研究还强调了进一步探索超声对羽扇豆蛋白质和纤维精确影响的必要性，以便优化该方法并推动羽扇豆在其他食品类别中的应用。

研究结论翻译：超声处理是一种针对任何原料的非靶向处理方法。其对L. mutabilis和L. angustifolius的影响存在差异，对L. angustifolius的工艺特性主要为积极影响，而对L. mutabilis则为消极影响。重要的是，这些发现证明超声处理不能在羽扇豆属中一概而论，因为每个物种的个体特征在很大程度上决定了功能性结果。因此，在将这些超声参数外推至其他羽扇豆品种或不同的食品基质时必须谨慎。在这种特定的食品基质中，添加任何羽扇豆都能改善矿物质、脂质和蛋白质方面的营养价值。在质构特性方面，小麦基配方主要因任何添加而受损，而无麸质配方则得到改善，正如WAC、OAC和RVA分析所示。在面包配方中也观察到了与原料类似的趋势（蓝羽扇豆主要改善，秘鲁羽扇豆主要恶化），正如气孔、水分损失、比容和质构过程分析所示。总之，超声处理的积极效应并非在所有样品中都一致；该处理被证明是一种高度物种特异性的工具，其质地、比容和水分保持能力的改善主要体现在使用蓝羽扇豆的无麸质面包系统中。然而，羽扇豆已被证明是一种营养丰富的面包改良剂，通过对感官特性、消费者接受度以及阐明超声对植物蛋白特定效应的先进分子谱分析的进一步研究，羽扇豆在不同食品基质中的更广泛应用将成为可能。