《Food Hydrocolloids》：Thermomechanical and functional performance of fully bio-based formulations from lentil flour and aquafaba
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食品工业的发展为满足全球人口需求而产生了大量废弃物，据估计全球约三分之一的食品产量（约13亿吨）每年被损失或浪费。豆类在工业加工和烹饪过程中会产生大量副产物，其中包括富含可溶性蛋白、多糖、低聚糖和生物活性化合物的豆类烹饪水，即"鹰嘴豆水"（Aquafaba,
食品工业的发展为满足全球人口需求而产生了大量废弃物，据估计全球约三分之一的食品产量（约13亿吨）每年被损失或浪费。豆类在工业加工和烹饪过程中会产生大量副产物，其中包括富含可溶性蛋白、多糖、低聚糖和生物活性化合物的豆类烹饪水，即"鹰嘴豆水"（Aquafaba, AF）。该副产物通常作为废水被排放，因其高生化需氧量（BOD）而造成环境污染。然而，AF具有优异的乳化、发泡和增稠等理化特性，可媲美传统食品中常用的蛋清蛋白和乳蛋白的功能表现。本研究旨在开发并表征基于扁豆粉（Lentil Flour, LF）和扁豆鹰嘴豆水粉（Aquafaba Lentil Powder, PAF）的全生物基材料，以实现食品工业副产物的充分利用。研究人员首先以LF:甘油（GLY）比例（85:15、80:20、75:25和70:30）为变量开发生物塑料，在选定适宜比例（80:20）后，以5%至20%的比例用PAF部分替代LF并评估其影响。材料表征涵盖从混合阶段（测定比机械能，SME）到最终功能特性（动态力学热分析DMTA、拉伸测试和吸水能力），并涉及材料结构分析（傅里叶变换红外光谱FTIR、差示扫描量热法DSC、扫描电子显微镜SEM和X射线衍射XRD）。研究结果表明，热稳定性高于150°C使得LF/PAF体系可在120°C下进行注塑成型；在20%替代率下，鹰嘴豆水使比机械能降低66.4%；LF含量降低了断裂应变，而鹰嘴豆水替代则提高了断裂应变；SEM分析揭示较高的吸水能力会增加基体中的孔隙尺寸；用鹰嘴豆水替代LF是可行的，因为鹰嘴豆水可作为有效的增塑剂。
论文解读文章
一、研究背景与意义
全球食品工业的快速发展在满足人口需求的同时也产生了大量废弃物，每年约有13亿吨食品被损失或浪费，约占全球食品产量的三分之一。这不仅造成严重的环境问题，还带来社会和经济层面的挑战。豆类作为全球重要的农作物，具有高营养价值，是素食和纯素饮食人群获取均衡蛋白质的重要来源。然而，在豆类的工业加工和烹饪过程中，会产生大量副产物，包括豆壳、碎粒和废弃面粉等，这些通常被丢弃或用作动物饲料。此外，豆类烹饪水也是重要的副产物来源，这种残余烹饪水中含有可溶性蛋白质、多糖、低聚糖和生物活性化合物。
"鹰嘴豆水"（Aquafaba, AF）是鹰嘴豆、扁豆、菜豆和豌豆等豆类在工业加工、烹饪或罐装过程中产生的粘稠液体的通用名称。在工业和家庭层面，AF通常作为废水排放，由于其高生化需氧量（BOD）和污水处理成本，造成环境污染。然而，AF近年来作为可持续的植物基功能配料受到广泛关注，其具有乳化、发泡和增稠等显著理化特性，能够媲美传统食品中常用的蛋清蛋白和乳蛋白的功能表现。
将农业副产物作为可再生资源用于生物塑料制造，以替代难以降解的传统石油基塑料，是极具吸引力的替代方案。目前，植物基大分子在可生物降解塑料开发中展现出巨大潜力，蛋白质和碳水化合物在其中发挥关键作用。然而，这些大分子需要与增塑剂（如甘油，GLY）共混以获得所需的热塑性，降低分子间作用力并增加聚合物链的流动性。
值得注意的是，据研究人员所知，此前尚无研究报道将扁豆鹰嘴豆水掺入基于扁豆粉的可生物降解生物塑料中。因此，本研究的目的是开发并表征基于扁豆粉（LF）和扁豆鹰嘴豆水粉（PAF）的全生物基材料，以实现食品工业副产物的充分利用，并为完全可生物降解材料的开发做出贡献。
二、主要技术方法
研究人员采用了两阶段的热机械加工流程：首先在双桨反向旋转间歇混合器（Haake Polylab QC，ThermoHaake，德国）中以25°C、50 rpm条件下混合15分钟，并监测混合过程中的扭矩和温度，计算比机械能（SME）；随后使用微型柱塞注塑成型系统（MiniJet Piston Injection Moulding System II，ThermoHaake，德国）制备尺寸为60×10×1 mm的矩形生物塑料试样。实验设计包含两个平行的单因素实验：第一个设计评估LF:GLY比例（85:15、80:20、75:25和70:30）的影响；第二个设计在甘油含量固定为20 g/100g的条件下，以0、5、10和20 g/100g的比例用PAF部分替代LF。材料表征涵盖差示扫描量热法（DSC）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、动态力学热分析（DMTA）、拉伸测试以及吸水能力（WUC）和可溶性物质损失（SML）测定。扁豆（Lens culinaris var. Variabilis）购自西班牙莱昂当地商店，LAF由阿根廷Grupo L S.A.公司提供，经喷雾干燥（Niro Atomizer，丹麦哥本哈根）制成PAF粉末。
三、研究结果
3.1 原料热性能分析
通过差示扫描量热法（DSC）对LF和PAF粉末进行热性能分析，结果显示两种原料的热稳定性均高于150°C，这为后续在120°C条件下进行注塑成型提供了热力学可行性依据。
3.2 混合阶段的比机械能（SME）分析
在混合阶段，研究人员通过扭矩-时间曲线计算比机械能（SME）。结果表明，当PAF替代率达到20%时，SME显著降低66.4%，说明鹰嘴豆水粉的掺入有效降低了混合过程中的能量消耗，改善了体系的加工性能。
3.3 材料结构表征
通过FTIR、DSC、SEM和XRD对材料结构进行系统表征。SEM分析揭示了重要发现：较高的吸水能力（WUC）会导致基体中孔隙尺寸增大。这一结构-性能关系为理解材料的微观结构与宏观性能之间的关联提供了直接证据。
3.4 力学性能分析
通过DMTA和拉伸测试评估材料的力学性能。研究发现，LF含量的增加降低了断裂应变，而PAF的替代则提高了断裂应变，表明鹰嘴豆水粉在体系中发挥了增塑作用，增加了材料的柔韧性。
3.5 吸水能力（WUC）与可溶性物质损失（SML）分析
吸水能力测试结果显示，PAF的掺入影响了材料的亲水性和网络结构完整性。较高的吸水能力与SEM观察到的较大孔隙尺寸相对应，表明材料微观结构的变化直接影响了其吸水行为。
四、讨论与结论
研究讨论部分指出，用鹰嘴豆水（AF）替代扁豆粉（LF）是可行的，因为鹰嘴豆水可作为有效的增塑剂。这一发现具有重要意义：一方面，它为豆类加工副产物（尤其是废弃的烹饪水）提供了高附加值的利用途径；另一方面，它减少了对外部增塑剂（如甘油）的依赖，进一步提升了材料的可持续性。研究还强调了全豆粉基生物塑料与分离蛋白基生物塑料在宏观分子组织和组成上的根本差异——全豆粉构成多组分基质，其中淀粉、蛋白质、纤维和脂质共存，通过氢键、聚合物链缠结以及蛋白质-淀粉和蛋白质-脂质相互作用共同促进生物塑料基质的形成。
研究结论表明，开发基于扁豆粉和扁豆鹰嘴豆水粉的全生物基材料在技术上完全可行，所得材料具有高于150°C的热稳定性，可在120°C下进行注塑成型。PAF的掺入不仅显著降低了加工能耗（SME降低66.4%），还改善了材料的柔韧性（提高断裂应变）。SEM分析揭示吸水能力与孔隙尺寸之间的正相关关系，为优化材料性能提供了结构层面的指导。该研究不仅为扁豆加工副产物和废水寻找了增值应用途径，也为完全可生物降解材料的开发做出了重要贡献，符合可持续发展和循环经济的理念。论文发表在《Food Hydrocolloids》期刊上。
