《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Application of CO? laser for precise dehulling of common beans (
Phaseolus vulgaris L.) with reduced yield loss
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摘要本研究评估了二氧化碳（CO2）激光技术在芸豆（Phaseolus vulgaris L.，红腰豆品种）去荚中的可行性，并优化了加工条件，以控制去荚程度，同时尽量减少产出损失、能耗和处理时间。单个豆子在36种网格间距（0.05–0.15 mm）、功率（25–75 W）和扫描
摘要
本研究评估了二氧化碳（CO2）激光技术在芸豆（Phaseolus vulgaris L.，红腰豆品种）去荚中的可行性，并优化了加工条件，以控制去荚程度，同时尽量减少产出损失、能耗和处理时间。单个豆子在36种网格间距（0.05–0.15 mm）、功率（25–75 W）和扫描速度（500–1250 mm/s）的组合条件下进行了处理。测定了去荚程度、产出损失、颜色、表面完整性、能耗和处理时间，并建立了数学模型用于工艺优化。激光处理产生的去荚程度从0到100%不等，产出损失从0.1到48.2 g/100 g不等。区域能量密度（AED，J/cm2）被证明是一个稳健的单参数，能够控制工艺性能，与去荚程度呈逻辑关系（R2 = 0.997），与产出损失呈线性关系（R2 = 0.993）。在52.6 J/cm2时达到了90%的去荚程度（工业基准），产出损失为8.6 g/100 g，低于机械去荚通常报告的值。在76.4 J/cm2时实现了完全去荚，产出损失为12.5 g/100 g，与手工去荚对照接近。优化结果表明，网格间距0.15 mm、功率75 W和扫描速度951 mm/s的条件下，实现了90%去荚程度时的最低能耗（0.667 kWh/kg）和最短处理时间（1.79 s）。CO2激光去荚被证明是一种精确且有前景的去荚替代方案。然而，该工艺仍处于实验室规模。工业应用需要克服与豆子处理、吞吐量及能效相关的关键挑战。
引言
豆类在人类营养中发挥着重要作用，特别是在中低收入国家，因为它们蛋白质含量高且具有宝贵的营养特性（Vishwakarma等，2017）。根据联合国粮食及农业组织（FAO，2025）的数据，2022年全球豆类产量达到9600万吨，预计到2032年将增至1.25亿吨，这得益于其环境和健康效益。豆类经烹饪后可直接食用，也可在工业上加工成面粉和蛋白分离物等产品，用作食品配料（Chandola等，2025；Saldanha do Carmo等，2020；Wintersohle等，2024）。
在许多情况下，需要去除豆类荚皮，因为它们含有抗营养因子并对口感和颜色等感官属性产生负面影响（Chandola等，2025；Joyner & Yadav，2015；Wintersohle等，2024）。例如，在一些国家，如印度，大约80%的豆类以去荚形式消费（Chandola等，2025）。荚皮的存在还会降低研磨效率，而研磨是蛋白原料生产中的关键步骤（Saldanha do Carmo等，2020）。
豆类去荚，在行业中也称为豆类碾磨，通常通过施加研磨、冲击、摩擦、压缩和/或剪切力等机械方式完成（Goyal等，2009；Joyner & Yadav，2015；Okonkwo等，2018；Reichert等，1984；Vishwakarma等，2017）。去荚效率因豆类类型、品种和成熟阶段而异，更具体地说，取决于种子大小、形状、均匀性、水分含量、硬度和荚皮特性（Reichert等，1984；Rivera等，2022；Vishwakarma等，2017；Vishwakarma等，2018）。由于该工艺相对效率低下，豆类通常需要预先分级并多次通过去荚机（Ravichandran & Upadhyay，2022；Vishwakarma等，2017）。此外，通常还会采用刺刻及其他去荚前处理，如浸泡（湿条件）、加热（干条件）或使用化学剂或酶（Chandola等，2025；Goyal等，2009；Kadar等，2023；Ravichandran & Upadhyay，2022；Rivera等，2022；Sunil等，2018；Wintersohle等，2024；Wood等，2022）。
更强烈的预处理和去荚条件可以提高去荚效率，但也会增加子叶损伤（种子破裂和子叶材料损失），从而导致产出损失。这一缺陷对于具有坚硬、不透水且紧密附着在颗粒上的荚皮的豆类尤为相关，如芸豆（Phaseolus vulgaris L.）（Oomah等，2010；Reichert等，1984）。Oomah等（2010）使用切向研磨去荚设备评估了13个芸豆品种，发现实现完全去荚（100%效率）所需条件导致的平均产出损失为42.61 g/100 g整豆，远高于芸豆荚皮重量对应的5–10.5 g/100 g（González等，2006）。尽管去荚设备和预处理技术持续改进，最大化去荚效率仍然是生产者的主要挑战（Kadar等，2023；Okonkwo等，2018；Vishwakarma等，2018）。因此，探索传统去荚系统的替代方案仍然是关键研究优先事项。超声和微波预处理已被提出用于改进和加速去荚，与常规预处理相比（Joyner & Yadav，2015；Sunil等，2018）。然而，由于仍需要机械加工来分离荚皮和子叶，这些方法不能完全防止子叶损伤，包括种子破裂和材料损失。在黑眼豆中，这两种技术都造成了与去荚相关的产出损失、研磨过程中的粉末形成和种仁破裂，约占初始种子重量的25–27%（Joyner & Yadav，2015；Sunil等，2018）。
近年来，二氧化碳（CO2）激光技术在食品领域引起了日益增长的关注（Pfiffelmann等，2025；Puértolas等，2024；Silva等，2025）。其空间相干性和高度定向性允许将激光束聚焦到小斑点上，并精确地沿食品表面移动，按照定义的图案进行处理，对相邻区域的影响极小（Puértolas等，2024）。当辐射能量足够高时，激光束可以剥离食品表面材料（Puértolas等，2024）。由于对处理区域和沉积能量都能精确控制，CO2激光技术可以准确高效地去除豆类荚皮，无需预处理，且子叶损伤和产出损失极小。
CO2激光剥离已在食品标记（Eyahanyo & Rath，2020；Marx等，2013；Pfiffelmann等，2025；Toleti等，2025）和表面微钻孔以增强干燥或腌制等过程中的质量转移（Munzenmayer等，2020；Silva等，2025）方面得到了探索。然而，其在完全去除食品表层、特别是果皮或荚皮方面的应用研究仍十分有限。现有的有限文献主要集中在高水分含量（>85%）的新鲜果蔬上（Panchev等，2011；Puértolas等，2024）。例如，Panchev等（2011）证明了使用CO2激光剥离去除柠檬、橙子、洋葱和大蒜果皮的方法。相比之下，将该技术应用于低水分产品（如干豆类，7–14%水分）尚未进行研究。去皮此类材料尤其具有挑战性，因为它们的低热导率会促进激光能量积累，从而导致表面焦化（Teng等，2021）。此外，早期的激光去皮和去荚研究主要是探索性的，报告的CO2激光参数信息有限，对处理效果的量化也仅部分完成（如去皮面积和剥离材料量）与加工条件的关系。它们也没有包含工艺优化以防止碳化、过度剥离和产出损失，同时减少能耗和处理时间。因此，关键的CO2激光参数以及控制其对食品去皮和去荚效果的数学关系尚未得到妥善确立。生成这些知识将改善对该技术的理解并支持未来应用的发展。
基于上述背景，本研究的主要目标是评估CO2激光技术在芸豆（Phaseolus vulgaris L.，红腰豆品种）去荚中的应用，芸豆是一种特别难以去荚的豆类（Oomah等，2010；Reichert等，1984），也是全球最重要的豆类作物之一（Gargiulo等，2020；González等，2006）。进行了系统研究以确定激光处理变量（网格间距、功率、扫描速度和区域能量密度）对去荚程度（豆子的正确去荚表面积）、剥离材料量（产出损失）、子叶表面质量（颜色和表面完整性）、能耗和处理时间的影响。然后使用数学优化来确定实现芸豆不同去荚程度所需的CO2激光条件，同时最小化能耗、处理时间和剥离材料（产出损失）。
章节摘要
植物材料
干芸豆（Phaseolus vulgaris L.，红腰豆品种）购自一家西班牙供应商（Legumbres Luengo S.A.，西班牙里奥德拉维加）。所有豆子属于同一批次，无机械损伤，平均单粒重量为0.687 ± 0.075 g（标准差，SD；n = 120）。种子尺寸（均值 ± SD；宽度：8.59 ± 0.39 mm；长度：17.34 ± 0.57 mm；厚度：5.70 ± 0.34 mm）通过游标卡尺从20个随机选取的样品中测定。
CO2激光对去荚程度的影响
图1显示，不同的CO2激光加工条件组合（功率：25–75 W，扫描速度：500–1250 mm/s，网格间距：0.05–0.15 mm）在红腰豆中产生了从0到100%不等的去荚程度。根据网格间距、功率和扫描速度，处理时间从1.40到9.77 s不等（表1）。总体而言，去荚程度随激光功率增加以及网格间距和扫描速度减小而逐渐增加，直至实现完全去荚。
结论
本研究证明，CO2激光技术是去除芸豆（Phaseolus vulgaris L.，红腰豆品种）荚皮的一种可行、精确且高度可控的策略。在测试条件下，该工艺能够精确控制去荚程度从0到100%，区域能量密度（AED，J/cm2）被证明是一个稳健的参数，整合了网格间距、功率和扫描速度的效应。
AED与去荚程度之间表现出优异的逻辑关系
CRediT作者贡献声明
Eduardo Puértolas：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法学，调查研究，形式分析，数据整理，概念构思。Xabier Murgui：撰写 – 审阅与编辑，方法学。Izaskun Pérez：撰写 – 审阅与编辑，项目管理，方法学，资金获取，概念构思。
资金来源
本工作由巴斯克政府（经济发展与竞争力部，"2024-2026年非经济活动支持专项拨款"）资助。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文报告的工作。
致谢
作者感谢Gordon Red对英文拼写和语法的审校。
Eduardo Puértolas|Xabier Murgui|Izaskun Pérez
AZTI，食品研究，巴斯克研究与技术联盟（BRTA），比斯开科技园，Astondo Bidea，609号楼，48160 Derio，比斯开省，西班牙
