三频超声波引发增强苦荞的发芽、营养品质和技术功能特性

《Ultrasonics Sonochemistry》：Tri-frequency ultrasonication priming enhances germination, nutritional quality and techno-functional properties of tartary buckwheat

　　

当前研究探索了多频超声波处理（20, 40, 60 kHz及其组合）对苦荞发芽、营养概况、技术功能特性和物理特性的影响。相对于未超声处理的对照组，三频超声波处理（20/40/60 kHz）显著提高了吸水率88.66%，增加了固定水和自由水的可用性，在48小时达到85%的发芽率。这种超声波辅助发芽使α-淀粉酶、PAL（苯丙氨酸解氨酶）、PPO（多酚氧化酶）和POD（过氧化物酶）活性分别提高了1.63、6.84、4.69和5.09倍。这种代谢修饰使酚类积累和抗氧化能力分别增加了55.53%和14.60%。此外，这些酶的变化促进了植酸降低（45.21%）并减少了单宁合成19.19%。超声波辅助发芽改善了发芽苦荞粉的技术功能特性，如与120小时发芽对照组相比，持水能力（35.86%）、吸水指数（48.28%）、水溶性指数（30.62%）、乳化能力（49.33%）和乳化稳定性（24.33%）升高。此外，质构特性受到积极影响，硬度、胶粘性和咀嚼性分别降低了37.30%、42.82%和51.35%。类似地，电子鼻分析揭示了改善的香气特征，其特征在于与坚果味、独特面粉香气相关的硫化合物保留增强。因此，三频超声波处理成为优化发芽苦荞粉营养品质和技术功能品质的可行预处理方法。

**论文解读：三频超声波引发增强苦荞发芽、营养品质与技术功能特性**

**研究背景与意义**

苦荞（*Fagopyrum tataricum*）属于蓼科，富含多酚（如芦丁、儿茶素、槲皮素等）和黄酮类化合物，具有显著的体外和体内生物活性，对癌症和糖尿病等病理状况有抑制作用。然而，其固有的苦味及由抗营养因子（如植酸、单宁）引起的感官特性限制了其在食品中的应用。发芽作为一种传统方法，可通过调节分子化合物改善谷物和假谷物的营养特性、矿物质生物利用度和感官特性，并增强生物活性化合物、抗氧化活性，同时减少抗营养因子。但传统发芽依赖于种子休眠打破后的高效水合，这一过程耗时且限制工业规模化。为克服这一动力学限制，研究人员探索了新型物理预处理方法，其中超声波处理（Ultrasonication）通过高频声波诱导空化效应，使种皮产生微裂纹，增加水分吸收并缩短发芽时间。已有研究表明，单频和双频超声波可改善谷物和豆类的发芽及功能特性，但三频超声波（20/40/60 kHz）因其更复杂的空化场和声流模式，可能提供更优的传质和酶激活效果，然而其在苦荞发芽中的应用尚未系统研究。因此，研究人员系统比较了单频、双频和三频超声波模式作为引发步骤对苦荞发芽的影响，旨在优化频率模式，制备具有增强营养和功能品质的发芽苦荞粉。该研究发表于《Ultrasonics Sonochemistry》，为苦荞的高值化加工提供了新型预处理策略。

**主要关键技术方法**

样本来源：黑苦荞种子购自中国四川省凉山彝族自治州。主要方法：采用多频超声波设备（江苏大学食品与生物工程学院研制），在240 W功率、30 min总处理时间、10/5 s占空比条件下，对种子进行单频（SF: 60 kHz）、双频（DF: 40/60 kHz）和三频（TF: 20/40/60 kHz）超声波处理，对照组不进行超声处理。随后在30 °C、90%湿度的黑暗发芽箱中发芽3天，再接受光照生长7天，每12小时浇水，在0-168小时不同时间点取样。使用低场核磁共振（LF-NMR）分析水分分布，采用比色法测定酶活性（PAL、PPO、POD、SOD、α-淀粉酶和MDA）、抗营养因子（植酸、单宁）、抗氧化活性（TPC、TFC、DPPH、ABTS）、技术功能特性（持水能力、持油能力、吸水指数、水溶性指数、乳化能力、乳化稳定性），使用质构仪分析质构，电子鼻分析香气。

**研究结果**

**3.1 发芽矩阵与物理特性**：通过测定发芽率（GR）和发芽指数（GI），发现三频超声波处理组在48小时达到85%的发芽率，显著高于其他处理组。颜色分析显示，随着发芽进行，L*值（亮度）和a*值（红绿轴）下降，b*值（黄蓝轴）上升，其中三频组在后期（96-168小时）颜色变化最显著，这可能与酶促和非酶促反应有关。

**3.2 超声波对水分吸收的影响**：通过测定吸水率、种子膨胀率及低场核磁共振水分分布，发现三频超声波处理组在60分钟时吸水率最高（11.29 mL/min），种子膨胀率在45分钟达到峰值（75.75%），显著高于对照组。低场核磁共振分析表明，超声波处理后结合水减少，固定水和自由水增加，三频组固定水增加101.56%，自由水增加159.12%，表明水分迁移率提高，有利于加速发芽。

**3.3 宏量营养素概况**：随发芽进行，总糖在72小时后下降，但三频组下降幅度最小（31.12%），而还原糖显著增加，三频组在120小时达16.51 mg/g，增加72.15%。蛋白质含量在120小时达到峰值，三频组（20.01%）较对照组增加71.56%。脂肪含量略有下降，处理间无显著差异。

**3.4 抗营养因子含量**：发芽显著降低植酸含量，三频组降低74.84%，优于对照组（51.97%）和单频、双频组。单宁含量在48小时峰值后下降，三频组在120小时下降19.19%，优于其他处理组。

**3.5 抗氧化潜力**：通过测定总酚（TPC）和总黄酮（TFC）及DPPH、ABTS自由基清除活性，发现三频组在120小时TPC和TFC分别达到368.58 mg/mL和369.50 mg/mL，较对照组增加31.54%和90.21%。DPPH和ABTS活性分别达88.88%和60.29%，较对照组增加8.19%和25.58%。

**3.6 抗氧化与代谢酶活性**：三频组PAL（苯丙氨酸解氨酶）活性在96小时达12.37 U/g FW，较对照组提高8.8倍；PPO（多酚氧化酶）和POD（过氧化物酶）在120小时分别提高4.69倍和5.09倍；SOD（超氧化物歧化酶）在96小时达95.11 U/g FW；α-淀粉酶活性在120小时较对照组提高63.93%。MDA（丙二醛）含量在三频组显著降低，表明脂质过氧化得到有效抑制，超声波诱导的适度氧化应激激活了防御系统。

**3.7 技术功能特性**：三频组在120小时持水能力（WHC）提高95.92%，持油能力（OHC）提高37.57%，吸水指数（WAI）提高102.56%，水溶性指数（WSI）提高32.87%，乳化能力（EC）提高49.33%，乳化稳定性（ES）提高24.34%，均显著优于对照组和其他处理组。

**3.8 质构特性**：三频组在120小时硬度降低37.30%，胶粘性降低42.82%，咀嚼性降低51.35%，而弹性、内聚性和回弹力略有下降，表明超声波辅助发芽使面粉质构更柔软。

**3.9 电子鼻分析**：通过主成分分析（PCA）和传感器响应，发现三频组中硫化合物（W1W和W2W传感器）响应值显著增加，较原生样品增加174.55%，较对照组增加16.64%，同时芳香化合物（W1C）和宽范围化合物（W5C）也发生变化，表明改性后香气特征向坚果味和独特面粉香气转变。

**讨论与结论**

讨论部分指出，超声波引发的空化效应和海绵效应协同促进种子水合，激活代谢酶，上调苯丙烷途径，增加酚类积累，同时降低抗营养因子。三频超声波因其均匀空化和协同共振效果，效果优于单频和双频。酶活性变化与氧化应激平衡相关，MDA降低表明适度氧化应激激活防御系统而未造成细胞损伤。技术功能特性改善归因于结构改变和蛋白质变性等。电子鼻分析显示香气改善与硫化合物增加有关。结论翻译如下：本研究表明，不同频率模式的超声波辅助发芽可以调节苦荞的发芽效率、营养概况和技术功能特性。在评估的处理中，三频超声波预处理（TF:20/40/60 kHz）不仅缩短了苦荞种子的发芽时间，还上调了相关代谢酶活性，导致了营养增强和生物活性物质的积累，证实了抗氧化能力的提高。双重处理减少了抗营养因子（植酸和单宁）并抑制了氧化应激。此外，发芽苦荞粉的水合特性、乳化特性、质构和香气特征得到显著改善，表明三频超声波处理作为苦荞发芽过程中营养富集的有效预处理方法具有潜力。然而，进一步研究应关注超声波和发芽对种子代谢组学概况和相关途径的影响。此外，后续的粉应进行结构修饰表征，以评估其设计功能性食品系统的潜力。