多频超声波能够改善发芽扁豆面粉的物理化学性质和功能性

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Multi-frequency ultrasound enhances physicochemical and functional properties of germinated lentil flour

本文研究了单一频（50kHz）、双频（35/50kHz）和三频（20/35/50kHz）超声波处理对扁豆发芽、营养成分、功能特性及蛋白质结构的影响，发现双频处理显著提高发芽率，降低抗营养因子，改善蛋白质结构，提升加工性能。

　　

许慧聪|戴斌|尹佳宇|张志娟|巴沙拉特·祖奈拉|段玉青|胡凯|蔡美红|张海慧

江苏大学食品与生物工程学院，中国镇江212013

摘要

本研究探讨了单频（SFU：50 kHz）、双频（DFU：35/50 kHz）和三频（TFU：20/35/50 kHz）超声波处理对小扁豆发芽、营养特性、功能特性和蛋白质结构特性的影响及其作用机制。结果表明，与对照组（未经超声波处理）相比，双频处理不仅显著提高了小扁豆的发芽率和发芽指数，发芽时间缩短了16.7%（3小时），还增强了小扁豆面粉的营养价值。这些变化包括加速糖的分解、促进蛋白质的积累、减少糖分和总酚类物质，以及通过刺激相关酶活性显著降低植酸和单宁的含量。此外，双频处理降低了面粉的粘度并提高了峰值温度；而三频处理在120小时内显著改善了发芽小扁豆面粉的水合特性指数，这对于提高面粉在水基食品系统中的加工性能至关重要。所有超声波处理均增加了游离巯基的含量，双频处理在72小时后显著增强了表面的疏水性、离子键、氢键和疏水相互作用。此外，单频和双频处理通过改变蛋白质结构的空间构象和芳香氨基酸周围的微环境显著影响了荧光强度。SDS-PAGE分析显示，双频和三频处理引起了蛋白质分子量的变化，将高分子量蛋白质降解为低分子量蛋白质。总体而言，这些变化提高了小扁豆面粉的营养价值和加工品质。综上所述，这些发现表明双频和三频处理能有效改善发芽小扁豆面粉的质量，但其在增强效果上存在差异，可以满足不同的加工需求。

引言

小扁豆是一种重要的豆类作物，含有大量的碳水化合物（包括纤维和抗性淀粉）、蛋白质、矿物质、维生素和膳食纤维（Paucean等人，2018年），能够提供人体所需的九种必需氨基酸，特别是赖氨酸和精氨酸，从而补充谷物蛋白质并提高食品的营养价值（Paucean等人，2018年）。膳食研究表明，定期摄入小扁豆及其制品与冠心病、2型糖尿病、心血管疾病、癌症和衰老的发病率呈负相关（Lu等人，2017年）。人们对功能性食品的兴趣日益增加，导致全球小扁豆的消费量不断增长（Hernandez-Aguilar等人，2019年）。然而，小扁豆也含有抗营养因子，如植酸、单宁、蛋白酶抑制剂和凝集素，这些因子会负面影响营养素的摄入、吸收和利用，从而降低矿物质的生物利用度（Li、Shen等人，2023年）。此外，小扁豆的烹饪性能较差，具有固有的豆腥味，以及较高的抗性淀粉和膳食纤维含量，这降低了其可接受性和营养价值（Xu等人，2019年）。

为了促进小扁豆作为人类食品的应用，减少抗营养因子并提高其加工性能至关重要。研究表明，浸泡、煮沸、发芽和微波烘烤等加工方法可以有效降低植酸和胰蛋白酶抑制剂的含量，并增强小扁豆面粉的功能特性（Liberal等人，2024年）。特别是发芽是一种简单且低成本的方法，可以增强豆类的营养和抗氧化特性，提高营养素的生物利用度（Liberal等人，2024年；Rizvi等人，2024年）。然而，传统的发芽处理耗时较长，且发芽芽的质量往往不稳定。为了加速发芽并进一步增加豆类中的营养素和生物活性化合物的积累，近年来非热物理加工技术（包括冷等离子体、紫外线辐射和超声波技术）已被广泛应用于豆类种子发芽过程中（Ji等人，2022年；Ma等人，2018年；Wang、Li、Gao等人，2023年）。由于超声波的安全性、高效性和便捷性，它已被广泛用于食品加工。研究表明，超声波处理在调节豆类种子发芽、改善营养特性和增强全粉加工特性方面起着重要作用。例如，单频（40 kHz）超声波处理可以缩短绿豆和小扁豆的发芽时间，增加其蛋白质和γ-氨基丁酸（GABA）的含量，并改善糊化粘度和动态流变特性（Banura & Singh，2023年）。它还增加了发芽红芸豆中的蛋白质、总酚类、抗坏血酸和GABA的含量，以及它们的体外蛋白质消化率和抗氧化活性（Yu等人，2024年）。此外，超声波处理（100 kHz）可以破坏分子间的氢键，导致蛋白质结构的变化，从而显著降低花生芽的致敏性（Yu等人，2021年）。超声波的主要作用机制是空化作用，即液体介质中气泡的形成、膨胀和破裂（Hassan等人，2020年）。超声波频率是影响空化强度的关键因素。由超声波频率驱动的空化效应会对处理种子的细胞壁施加机械压力，增加其孔隙率，从而促进水分吸收并提高种子发芽率（Chiu，2021年）。然而，大多数现有研究主要关注单一无声波参数（时间、功率和频率）对种子发芽和营养调节的影响，对于多频率组合对发芽调节的研究较少。与单频超声波相比，同时使用多个超声波波可以有效减少驻波效应，产生均匀分布的声场，实现更强的空化效应，并产生更多的共振，从而更有效地利用声能（Xu等人，2023年）。我们的研究小组发现，双频超声波不仅有效缩短了大豆的发芽时间，促进了酚类化合物的积累（Chen等人，2023年），还改善了小麦蛋白质的结构（Zhou等人，2025年）以及大豆蛋白分离物和小麦全麦粉的功能特性（Li等人，2025年）。基于此，我们研究了不同超声波频率（20、35、40、50和60 kHz）对小扁豆种子发芽的影响，结果表明50 kHz是提高发芽率和发芽指数的最佳频率，其次是20 kHz和35 kHz。因此，我们假设多频超声波处理（35/50 kHz和20/35/50 kHz）可能提高发芽率，促进营养素和生物活性化合物的积累，减少抗营养因子，并改善物理化学和蛋白质结构特性，从而提高小扁豆面粉的营养价值和加工潜力。然而，这些假设需要实验验证。鉴于目前关于超声波辅助种子发芽和营养富集的研究主要集中在发芽率和营养含量等宏观参数上，对蛋白质构象变化和功能特性的探索不足。此外，由于每种原材料的独特性质，仍需要系统研究以确定促进小扁豆发芽和营养积累的最佳超声波条件，以及改善物理化学和蛋白质结构特性的机制。

因此，本研究通过结合发芽过程，应用单频、双频和三频超声波处理，探讨了不同超声波频率组合对小扁豆种子发芽和营养特性的影响。同时，还评估了多频超声波对发芽小扁豆面粉的功能特性和蛋白质结构特性的影响。

材料

小扁豆种子购自江苏省苏倩种子产业，含有21.3%的蛋白质、1.7%的脂肪、5.3%的水分、2.1%的总灰分和64.8%的碳水化合物。除非另有说明，所有化学品均为分析级。

超声波处理

清洗小扁豆种子以去除不良或不完整的种子。将100粒小扁豆种子分散在含有100 mL去离子水的烧杯中，然后放入超声波设备（由江苏自主研发的平板发散型超声波装置）中

小扁豆种子的发芽

根据单因素实验，我们研究了不同超声波频率（20、35、40、50和60 kHz）对发芽率和发芽指数的影响，确定50 kHz为促进小扁豆种子发芽的最佳频率。在此基础上，后续研究集中在以下频率组合上：单频（50 kHz）、同步双频（20/50 kHz和35/50 kHz）和同步三频（20/35/50 kHz）。

讨论

本研究发现，双频超声波（35/50 kHz）在促进小扁豆发芽方面表现最佳，其发芽率和发芽指数显著高于其他组。这可以归因于双频的协同效应，有效抵消了单频产生的驻波干扰，产生了更强的海绵效应和空化效应，从而形成了更均匀的复合声场（Xu等人，

结论

本研究系统地探讨了多频超声波处理对小扁豆种子发芽和营养特性的影响，成功验证了研究假设。实验结果表明，35/50 kHz双频超声波处理显著提高了小扁豆种子的发芽率和发芽指数，发芽时间比对照组缩短了3小时。这解决了传统发芽方法的局限性。

作者贡献声明

许慧聪：撰写——初稿、验证、方法学、研究。戴斌：方法学。尹佳宇：验证。张志娟：验证。巴沙拉特·祖奈拉：撰写——审阅与编辑。段玉青：监督、项目管理、方法学、资金获取。胡凯：撰写——审阅与编辑、研究。蔡美红：验证。张海慧：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法学。

利益冲突声明

作者声明与本研究无利益冲突。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFD2100304）和国家自然科学基金（32072354）的支持。