提升由扁豆和普通豆类制成的“aquafaba”的功能性：超声波和pH值对其微观结构、分子特性及起泡性能的影响

《Journal of Food Engineering》：Enhancing aquafaba from lentils and common beans functionality: the role of ultrasound and pH on their microstructure, molecular, and foaming properties

　　本研究分析了超声和酸化处理对扁豆和菜豆豆渣的物理化学、结构和功能特性的影响。结果表明，超声处理和酸化分别通过改变蛋白质和多糖网络结构，提高泡沫容量和稳定性，优化了豆渣作为发泡剂的应用潜力。

　　在当今社会，随着人们对健康、可持续性和饮食多样性的关注不断加深，植物性食品在全球范围内受到越来越多消费者的青睐。这一趋势不仅推动了新型植物基食材和配方的研发，也促使科学家们对植物源蛋白的特性及其在食品工业中的应用进行深入研究。植物蛋白因其高营养价值和多功能性，被认为是替代动物蛋白的理想选择，尤其是在满足特定饮食需求（如对动物蛋白过敏或不耐受的人群）方面具有重要意义。在这一背景下，研究如何优化植物蛋白的特性，使其更适用于食品加工，成为当前食品科学领域的一个重要课题。

豆类蛋白是植物源蛋白中备受关注的一种，其广泛存在于常见的豆类如扁豆（*Phaseolus vulgaris*）和鹰嘴豆（*Lens culinaris*）等中。豆类在烹饪过程中会释放出大量的蛋白质和多糖，这些成分不仅为食品提供了丰富的营养，还具有重要的功能性。其中，一种特别受到关注的副产品被称为“aquafaba”，它最初是指煮熟豆类后剩余的液体，但在近年来的研究中，这一概念被进一步拓展，涵盖了经过干燥处理后的豆类残液粉末。aquafaba因其独特的组成，如高浓度的低聚糖、蛋白质、可溶性和不可溶性纤维以及矿物质，展现出作为功能性食品成分的潜力。它不仅可以作为营养补充剂，还被用于生产乳化剂、起泡剂和增稠剂等食品添加剂。

随着对aquafaba研究的深入，人们逐渐意识到其作为功能性材料的广阔前景。然而，aquafaba的性能受多种因素的影响，包括其来源（如扁豆或鹰嘴豆）、烹饪条件以及后续的物理或化学处理方式。为了更好地利用这一资源，研究人员开始探索如何通过优化处理工艺来提升其技术功能特性。其中，超声波处理和pH调节是两种被广泛研究的方法，它们能够显著改变aquafaba的物理化学性质，从而增强其在食品加工中的应用价值。

超声波作为一种新兴的食品加工技术，近年来在食品工业中得到了越来越多的应用。它利用高频声波产生的空化效应，能够引起食品成分的物理和化学变化，进而影响其感官特性。在aquafaba的处理中，超声波的作用主要体现在对蛋白质结构的改变上。通过超声波处理，蛋白质可以发生部分变性，其疏水性和溶解性也随之发生变化。这些变化不仅有助于提高aquafaba的起泡能力，还能够改善其乳化性能和增稠效果。此外，超声波处理还能促进多糖网络的解离，从而进一步优化其功能特性。在实际应用中，超声波处理被证明是一种高效且环保的方法，能够在不使用化学试剂的情况下提升aquafaba的性能。

另一方面，pH调节作为一种传统的食品处理方法，也被用于改善aquafaba的功能特性。蛋白质的净电荷与其所处环境的pH值密切相关，而pH值的变化会直接影响蛋白质的溶解性和表面活性。当pH值接近蛋白质的等电点（pI）时，蛋白质的溶解度会降低，从而增强其在空气-水界面的聚集能力。这种聚集能力对于泡沫的形成和稳定性至关重要。因此，通过调整pH值，可以有效优化蛋白质的相互作用，进而提高aquafaba的起泡性能。在本研究中，将pH值调整至3.5，这一值接近某些豆类蛋白质的等电点，从而显著提升了其泡沫稳定性。

值得注意的是，不同类型的豆类在处理过程中表现出不同的特性。例如，扁豆和鹰嘴豆的aquafaba在成分和功能上存在显著差异。扁豆aquafaba富含低分子量肽（13–21 kDa），而鹰嘴豆aquafaba则显示出典型的相豆蛋白（phaseolin）带。这些不同的组成特征导致了它们在物理化学性质上的差异，进而影响了它们在超声波处理和pH调节后的表现。例如，超声波处理对扁豆aquafaba的影响主要体现在其蛋白质结构的解离，而对鹰嘴豆aquafaba的影响则更为复杂，涉及到多糖网络的改变以及蛋白质的聚集状态。此外，研究还发现，扁豆aquafaba在高固体含量下会表现出较低的起泡能力，这可能与其较高的密度和蛋白质在空气-水界面的饱和度有关。

本研究的主要目标是通过超声波处理和pH调节两种方法，改善扁豆和鹰嘴豆aquafaba的技术功能特性，同时深入探讨这些处理方式对其微观结构和分子特征的影响。通过ζ-电位测量和粒径分布分析，研究发现未经处理的aquafaba在ζ-电位上表现出相似的特性（约-12 mV），而酸化处理则显著降低了其ζ-电位，使其接近-1 mV。这一变化表明，酸化处理可能通过改变蛋白质的电荷状态，影响其在溶液中的行为。同时，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析显示，扁豆aquafaba的多糖结晶度高于鹰嘴豆aquafaba，而超声波处理则降低了这种结晶度，表明其对多糖结构的破坏作用。此外，蛋白质变性的程度在扁豆aquafaba中更为显著，其酰胺I/酰胺II比值为1.71，而鹰嘴豆aquafaba仅为0.70。这一差异反映了两种aquafaba在蛋白质结构上的不同，进而影响了它们的起泡性能。

在微观结构分析方面，研究发现超声波处理后，扁豆aquafaba中的蛋白质聚集体较大，而鹰嘴豆aquafaba则表现出更细小的蛋白质和多糖分布。这种结构上的差异可能是由于两种豆类中蛋白质和多糖的相互作用不同所致。同时，流变学分析表明，超声波处理能够显著提高aquafaba的粘度，特别是在高固体含量（20 g/100g）的情况下，其粘度增加更为明显。这表明，超声波处理不仅能够改善蛋白质的结构，还能够增强其在溶液中的相互作用，从而提升其功能性。

起泡实验的结果进一步揭示了超声波处理和pH调节对aquafaba性能的影响。超声波处理显著提高了扁豆和鹰嘴豆aquafaba的起泡能力，而pH调节则增强了其泡沫稳定性。这一发现为优化aquafaba的使用提供了重要的理论依据。特别是对于扁豆aquafaba，其较高的固体含量可能会降低起泡能力，这可能与其较高的密度和蛋白质在空气-水界面的饱和度有关。因此，在实际应用中，需要根据具体的加工需求，合理控制aquafaba的固体含量和pH值，以达到最佳的起泡效果。

通过本研究，我们可以看到，豆类类型、烹饪条件以及后续处理方式对aquafaba的性能具有显著影响。不同的豆类在成分和结构上存在差异，这些差异决定了它们在物理化学处理后的表现。例如，扁豆和鹰嘴豆的aquafaba在超声波处理和pH调节后的响应各不相同，这表明在实际应用中，需要针对不同的豆类类型进行定制化的处理。此外，研究还表明，通过适当的处理方法，可以显著提升aquafaba的功能性，使其更适用于食品工业中的多种应用场景。这些发现不仅有助于推动aquafaba作为功能性食品成分的利用，也为开发新型植物基食品提供了重要的科学依据。

在食品工业中，起泡性能是衡量一种材料是否适合用于烘焙、饮料和乳制品等食品加工的重要指标。aquafaba因其天然的蛋白质和多糖成分，被认为是一种有潜力的起泡剂，能够替代传统的动物源起泡剂，如蛋清。然而，aquafaba的起泡性能受多种因素的影响，包括其固含量、pH值以及蛋白质和多糖的相互作用。因此，通过优化这些参数，可以显著提升aquafaba的起泡能力。例如，研究发现，当pH值接近等电点时，蛋白质的溶解度降低，从而增强其在空气-水界面的聚集能力，提高泡沫的稳定性。同时，超声波处理能够破坏多糖网络，促进蛋白质的释放，从而增强起泡性能。

在实际应用中，aquafaba的处理和使用需要综合考虑其成分和功能特性。例如，在烘焙行业中，起泡剂的作用是形成稳定的泡沫，以改善面团的质地和膨胀性。因此，通过超声波处理和pH调节，可以优化aquafaba的起泡性能，使其更适用于这类应用。此外，在饮料和乳制品行业中，aquafaba的乳化和增稠能力同样具有重要价值。通过调整其pH值和固体含量，可以进一步提升其在这些领域的应用潜力。

本研究的发现不仅有助于推动aquafaba在食品工业中的应用，也为相关领域的研究提供了新的思路。例如，研究还指出，aquafaba在经过超声波处理和pH调节后，其结构和分子特性发生了显著变化，这可能对其在食品加工中的行为产生深远影响。因此，未来的食品科学研究可以进一步探讨这些处理方式对aquafaba性能的具体影响机制，以及如何通过调整处理参数来优化其功能特性。此外，还可以研究其他物理或化学处理方式，如热处理、酶处理等，以进一步拓展aquafaba的应用范围。

总的来说，aquafaba作为一种来源于豆类烹饪水的副产品，具有重要的应用潜力。通过科学的处理方法，可以显著提升其技术功能特性，使其更适用于食品工业中的多种应用场景。这些处理方法不仅能够改善aquafaba的起泡性能，还能够增强其乳化和增稠能力，从而满足不同食品加工的需求。同时，研究还表明，不同类型的豆类在处理过程中表现出不同的特性，这为开发定制化的处理方案提供了依据。因此，未来的研究可以进一步探索如何根据不同豆类的特性，优化其处理工艺，以实现更高效、更环保的食品加工方式。此外，还可以研究如何将aquafaba与其他功能性成分结合，以开发更具营养价值和功能性的食品产品。这些研究不仅有助于提升aquafaba的利用价值，也能够为推动可持续食品生产和创新提供重要的支持。