《Legume Science》：Ultrasonication as a Green Processing Technology for Modulating the Physico-Chemical, Rheological and Proximate Properties of Pearl Millet and Bambara Groundnut Flours
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超声处理（Ultrasonication）已成为一种环境友好型加工技术，用于修饰食品材料的功能特性；然而，其对未充分利用的谷物-豆类体系的影响仍不充分明确。本研究调查了超声处理振幅（25%–75%）和处理时间（30–60?min）对珍珠粟（Pearl Mill
超声处理（Ultrasonication）已成为一种环境友好型加工技术，用于修饰食品材料的功能特性；然而，其对未充分利用的谷物-豆类体系的影响仍不充分明确。本研究调查了超声处理振幅（25%–75%）和处理时间（30–60?min）对珍珠粟（Pearl Millet）和班巴拉花生（Bambara Groundnut）粉的物理化学、工艺功能、流变学和常规成分特性的影响。超声处理显著改变了两种粉体系的组成和功能。处理后，珍珠粟的水分含量从11.09%降至3.67%，班巴拉花生粉的水分含量从10.37%降至4.48%；脂肪含量分别从7.07%降至3.33%和从8.53%降至4.78%。颜色特性也发生改变，珍珠粟在较高超声处理强度下亮度（L*）从66.04增至70.68，而班巴拉花生亮度（L*）从80.75降至76.83。功能特性显著改善，珍珠粟的吸水指数（WAI）从4.28增至4.68?g/g，班巴拉花生粉的WAI从2.97增至4.47?g/g。班巴拉花生粉的溶胀力（SP）从3.57增至5.03?g/g，表明水合能力增强。中等超声处理加强了富含淀粉的珍珠粟体系，使峰值黏度从748增至983?cP，最终黏度从580增至846?cP。相比之下，需要更高超声处理强度才能最大化富含蛋白质的班巴拉花生粉的流变性能，其峰值黏度从484增至762?cP，最终黏度从664增至912?cP。主成分分析（PCA）显示根据超声处理条件样品呈现明显分离，反映了谷物和豆类基质中不同的组成和结构修饰。这些发现表明，可控超声处理是一种有效的绿色加工策略，用于定制珍珠粟和班巴拉花生粉的功能和流变特性，从而扩大其在食品产品开发中的潜在应用。
**论文解读：超声处理调控珍珠粟与班巴拉花生粉特性的研究**
### 研究背景与问题
随着全球气候变化加剧，发展具有气候适应性和营养密集型的作物成为食品领域的重点。珍珠粟（*Pennisetum glaucum* L.）和班巴拉花生（*Vigna subterranea* L.）分别作为干旱半干旱地区的谷物和豆类，因其耐旱、耐贫瘠及丰富的生物活性成分、膳食纤维和蛋白质而备受关注。然而，珍珠粟粉在加工和储存中功能特性差，班巴拉花生粉在现代食品体系中的应用也受限于对其功能行为的认知不足。传统热加工（如蒸煮）可能导致淀粉糊化、蛋白质变性和聚合物水解，反而损害产品品质。因此，食品工业亟需非热加工技术来重塑食品生物聚合物（biopolymer）的结构，同时保留营养价值。超声处理（Ultrasonication）作为一种环境友好、低能耗的绿色技术，通过声空化（acoustic cavitation）产生局部高温高压和强剪切力，可改变分子结构和微观组织，从而调制水合、黏度等特性。但现有研究多集中于单一成分（如分离淀粉或蛋白质）或有限处理条件，缺乏对全粉体系（whole flour system）在不同振幅和时间下的系统比较，尤其是淀粉主导的谷物粉与蛋白质丰富的豆类粉对超声响应的差异尚不明确。为此，研究人员开展了本研究，旨在阐明超声处理振幅（25%–75%）和时间（30–60?min）对珍珠粟和班巴拉花生粉的物理化学、颜色、工艺功能、流变和常规成分特性的影响，为开发定制化加工策略提供依据。该论文发表在《Legume Science》。
### 主要关键技术方法
研究人员采用3×2因子设计（3个振幅：25%、50%、75%；2个时间：30 min、60 min），以未经处理的粉为对照。原料珍珠粟和班巴拉花生购自南非约翰内斯堡当地市场，经研磨过1.0 mm筛制成粉。将粉与蒸馏水按1:2（w/v）混合成浆液，置于冰浴中，用钛探头超声处理（振幅25%、50%、75%，时间30 min或1 h）。处理后样品经冻干48 h、研磨过500 μm筛，保存于4°C。随后测定常规成分（水分、灰分、粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、碳水化合物，按AOAC方法）、颜色（CIE Lab*空间，计算色度、色调角、总色差、黄度指数、白度指数）、工艺功能特性（容重、水/油吸收容量、吸水指数WAI、水溶性指数WSI、溶胀力SP）、糊化特性（使用流变仪，升温至95°C后冷却，记录峰值黏度、最终黏度等）、频率扫描（0.1–100 rad/s，1%应变，测定储能模量G′、损耗模量G″和损耗因子tan δ）。数据采用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey检验（p<0.05），并用主成分分析（PCA）可视化聚类。
### 研究结果
**3.1 常规成分**：超声处理显著降低了两种粉的水分含量（珍珠粟从11.09%降至3.67%，班巴拉花生从10.37%降至4.48%），脂肪含量也降低（珍珠粟从7.07%降至3.33%，班巴拉花生从8.53%降至4.78%），这可能归因于空化引起的局部加热和细胞结构破坏。灰分含量基本不变，表明矿物质未受影响。蛋白质含量变化不一致：珍珠粟在中等强度（P50%/30 min）显著增加至23.80%，可能是由于水分和脂肪减少导致的浓缩效应；班巴拉花生在低振幅下略有增加，但中间振幅（B50%/30 min）下降，提示蛋白变性聚集。粗纤维在珍珠粟中随强度增加而降低（从0.25%降至0.07%），在班巴拉花生中低强度时增加（至3.89%），高强度时降低（至2.01%），表明纤维的释放与降解共存。碳水化合物含量普遍增加，反映出组成重新分布。
**3.2 不同超声参数对物理化学特性的影响**
**3.2.1 颜色属性**：珍珠粟的亮度L*从66.04增至70.68，红度a*降低，黄度b*在中等条件下增加；班巴拉花生的L*从80.75降至76.83，a*、b*和色度增加，色调角减小，表明更偏红黄色。总色差ΔE随强度增加，珍珠粟最大4.68，班巴拉花生最大3.97，白度指数变化方向相反。这些变化源于空化破坏颗粒结构导致色素释放和光散射改变。
**3.2.2 工艺功能特性**：珍珠粟的容重从0.76 g/mL降至0.65 g/mL，WSI从2.90%增至4.96%，WAI和SP在中等强度时增加（WAI最高4.68 g/g、SP最高4.88 g/g），但高强度长时间处理导致下降（WAI降至3.95 g/g），表明过度处理破坏淀粉颗粒水合能力。水吸收容量WAC和油吸收容量OAC略有增加（WAC最高1.19 g/g，OAC最高1.04 g/g）。班巴拉花生的容重几乎不变（0.71–0.73 g/mL），WSI在极高强度时下降（从17.00%降至11.10%），可能因蛋白聚集；WAI从2.97 g/g增至4.47 g/g，SP从3.57 g/g增至5.03 g/g，WAC从0.73 g/g增至0.83 g/g，OAC变化不大（0.71–0.81 g/g）。
**3.3 不同超声参数对流变特性的影响**
**3.3.1 糊化特性**：珍珠粟在中等强度（50%振幅）下峰值黏度从748 cP增至983 cP，最终黏度从580 cP增至846 cP，表明淀粉水合和膨胀增强；但高强度长时间（75%/1 h）导致峰值黏度降至690 cP，最终黏度降至540 cP，提示淀粉降解。班巴拉花生在低强度下峰值黏度变化不大，但高强度（75%振幅）下峰值黏度增至762 cP，最终黏度增至912 cP，回升黏度也增加，且崩解值极低（0–1 cP），表明蛋白-淀粉相互作用增强且浆体稳定。
**3.3.2 频率扫描**：所有样品G′均大于G″，呈现弱弹性凝胶行为。珍珠粟在超声处理后G′和G″降低，损耗因子tan δ增加，表明弹性网络减弱，尤其在高强度时；班巴拉花生在极高强度（75%）下G′和G″反而增加，表明蛋白展开和重聚形成更强网络，但中间强度时出现暂态黏性主导。
**3.4 PCA**：得分图显示珍珠粟和班巴拉花生沿PC1清晰分离，PC1和PC2共解释68.3%方差。珍珠粟位于负PC1，与WAI、峰值黏度等水合黏度参数相关；班巴拉花生位于正PC1，与颜色、WSI、蛋白质等组成参数相关。超声处理导致样品在得分图中迁移，高强度处理样品偏离对照更远。载荷图显示WAI、峰值黏度与G′、G″正相关，而WSI与颜色指标正相关，表明超声处理可定向调制功能特性。
### 总结与讨论
本研究证明超声处理是有效调控珍珠粟和班巴拉花生粉物理化学、流变和常规成分特性的绿色技术。响应强烈依赖于粉的固有淀粉-蛋白质组成：中等强度超声（50%振幅、30–60 min）可改善珍珠粟的水合和黏度，而班巴拉花生需更高强度（75%振幅）才能最大化流变性能，其机制为蛋白展开与重聚。常规成分变化主要源于水分和脂肪损失，灰分等矿物质稳定。PCA进一步揭示了谷物和豆类体系在超声作用下的不同功能路径。这些发现对食品工业具有重要意义：通过调节振幅和时间，可在不添加化学修饰剂的情况下定制粉的水合、糊化和黏弹性，从而适用于无麸质烘焙、即食粥、植物基产品等。研究局限包括缺乏微观结构表征和分子机制分析，未评估在具体食品中的表现及储存稳定性。未来应结合先进结构分析和产品应用试验。
**结论翻译**：本研究表明，超声处理是调制珍珠粟和班巴拉花生粉的物理化学、流变和组成特性的有效工具，响应强烈受其内在淀粉-蛋白质组成调控。中等超声条件似乎改善了水合性能、黏度和黏弹性网络的形成，而过量处理导致粉的结构降解，特别是珍珠粟粉，其黏度严重降低。相反，班巴拉花生粉在较高超声强度下表现出改进的流变性能，源于蛋白质展开和重聚。超声处理引起的常规成分变化主要归因于水分和脂肪损失，而灰分含量基本保持不变。本研究通过多变量分析概述了谷物和豆类体系在超声处理下的独特功能路径。这些发现对食品工业具有重要意义。通过定制超声振幅和处理时间，制造商可以在不使用化学修饰剂的情况下修改珍珠粟和班巴拉花生粉的水合、糊化和黏弹性性能。在超声处理粉中观察到的改善的吸水、黏度发展和浆体稳定性，可能增强其对无麸质烘焙产品、即食粥、补充食品、植物基产品和以粉为基础的增稠体系的适用性。此外，利用绿色加工技术选择性地修饰富含淀粉和富含蛋白质的粉基质，为从未充分利用的气候适应性作物中开发增值产品提供了机会。
