植物源食品中抗营养因子的双重角色：从营养抑制到健康促进的转化策略

《Food Chemistry》：Structure-property relationships in edible starch films: Roles of acetylation, cross-linking, oxidation, and dual modifications

本综述聚焦植物源食品中抗营养因子(ANFs)对营养素生物利用度的抑制作用及其剂量依赖性健康效应。研究人员系统阐述了植酸、单宁、皂苷等主要ANFs通过矿物质螯合、酶抑制和肠道屏障干扰影响营养吸收的分子机制，对比了浸泡、发芽、发酵等传统方法与挤压、冷等离子体、脉冲电场等新兴技术在ANFs减除效果上的差异。研究发现新型加工技术可使单宁和胰蛋白酶抑制剂降低80%以上，同时揭示了ANFs在抗氧化、抗癌等方面的生物活性。该研究为精准调控ANFs提供了理论依据，对开发营养强化型植物基食品具有重要指导意义。

　　

在我们日常饮食中，植物性食品占据着重要地位，它们不仅是膳食纤维和维生素的主要来源，还富含多种矿物质和宏量营养素。然而，这些看似营养丰富的食物中却隐藏着一类特殊的化合物——抗营养因子(ANFs)，它们如同"双刃剑"一般，既能保护植物免受外界侵害，又可能影响人体对营养物质的吸收利用。

长期以来，ANFs一直被视为食品中的"不受欢迎分子"，因为它们能够通过与矿物质形成不溶性复合物、抑制消化酶活性或破坏肠道屏障功能等方式，降低营养素的生物利用度。但随着研究的深入，科学家们发现这些化合物在适当剂量下反而展现出抗氧化、抗炎甚至抗癌等有益特性。这种认知的转变引发了一个重要问题：我们是否应该完全消除食物中的ANFs，还是应该寻找一个平衡点，既保留其健康益处，又最大限度地减少其对营养吸收的负面影响？

为了回答这个问题，来自印度国立理工学院食品加工工程系的研究团队在《Food Chemistry》上发表了系统综述，全面探讨了ANFs的特性、减除技术及其对健康的影响。研究人员通过检索SCOPUS、Web of Science和Google Scholar等学术数据库，整合了近年来该领域的最新研究成果，从分子机制到实际应用层面进行了深入分析。

在研究方法的运用上，作者主要采用了文献计量分析和系统综述的方法，对比评估了传统加工技术（如浸泡、发芽、发酵）和新兴加工技术（如挤压、微波、冷等离子体）对ANFs的减除效果。特别关注了不同处理条件下ANFs结构变化与营养生物利用度之间的关联性，同时还分析了ANFs剂量依赖性生物活性的分子机制。

2. 抗营养因子

研究表明，ANFs根据热稳定性可分为热稳定性（皂苷、植酸、缩合单宁和生物碱）和热不稳定性（凝集素、氰苷、蛋白酶抑制剂和毒性氨基酸）化合物。皂苷的结构特征包括连接在C-3位的碳水化合物基团为单脱糖基，而连接在C-3和C-26或C-28位的为双脱糖基。三萜皂苷主要呈现C-30五环或四环结构，羟基、羧基和甲基基团的存在增强了甾体和三萜皂苷的多功能性。

单宁作为多酚类化合物，其分子量在0.5-3 kDa之间，化学结构上可分为缩合型（原花青素）、可水解型和复杂单宁。可水解单宁含有d-葡萄糖核心，其中羟基部分或完全被没食子酸或鞣花酸取代。缩合单宁的结构变异取决于A环和B环的羟基化模式，由3-8个黄烷-3-醇（儿茶素）或黄烷-3,4-二醇（无色花青素）单元组成。

植酸/肌醇六磷酸酯(IP6)由于其肌醇环和六个磷酸基团，能够螯合多达12个矿物质离子。它容易与必需阳离子结合，形成在中性pH下抗消化的不溶性复合物。与其他ANFs不同，凝集素能够与碳水化合物结合，特别是动物细胞外表面发现的糖蛋白。蛋白酶抑制剂分为Bowman-Birk抑制剂(BBIs)和Kunitz型抑制剂，两者在分子结构和抑制机制上存在显著差异。

3. 减少抗营养因子的处理方法

3.1. 传统加工方法

3.1.1. 浸泡

浸泡过程中，植酸酶、多酚和草酸氧化酶等多种内源酶被激活，将ANFs降解为较小亚基。水籽比(WSR)是浸泡过程中的关键参数，较低的WSR会降低工艺效率，而较高的WSR则需要更多能源和水，限制其商业可行性。酸性介质(pH < 3.4)可增加细胞壁通透性，促进水解，显著影响ANFs。

3.1.2. 发芽

发芽过程中，植酸酶酶从植酸肌醇环上消除正磷酸基团，产生肌醇磷酸盐。草酸氧化酶催化草酸的氧化，将其转化为二氧化碳和过氧化氢。多酚氧化酶氧化单宁和其他酚类化合物。发芽温度和时间是决定ANFs减少比例的关键参数，酶合成与发芽温度呈正相关。

3.1.3. 发酵

发酵涉及使用微生物将复杂糖类和碳水化合物分解为有机酸、乙醇和二氧化碳。该过程降低溶液pH，导致ANFs水解并增加营养素生物利用度。发酵介质pH显著影响ANFs减少的变异性，因为pH变化可改变微生物活性、酶功能和底物可用性。

3.2. 新型加工技术

3.2.1. 挤压

挤压是机械剪切、压力(5-20 MPa)和热量的组合，导致ANFs的热降解和结构降解。高于120°C的挤压温度可破坏植酸矿物质并显著减少苷类。挤压温度(100-160°C)对单宁和皂苷也有效。

3.2.2. 微波

微波加工使用波长1 cm至1 m、频率300 MHz至300 GHz的电磁波。电磁波导致极性分子振动，产生非电离辐射，迅速提高核心温度。微波功率产生强烈热量，导致蛋白质变性和酶失活。

3.2.3. 冷等离子体

当食品表面暴露于冷等离子体时，活性物种与各种化合物相互作用，包括ANFs。增加施加电压可显著减少大气冷等离子体处理的ANFs。较长的处理时间有效减少单宁和植酸。

3.2.4. 脉冲电场

在脉冲电场(PEF)中，短时高压电脉冲破坏细胞膜。该技术依赖于电穿孔效应，电场暂时透化植物组织的细胞膜。低场强(1-5 kV/cm)诱导轻度细胞膜破坏，主要针对表面结合的ANFs。

3.2.5. 生物加工

在生物加工中，添加酶或微生物来源的酶可降解食品中的有毒化合物。pH、温度和微生物浓度影响ANFs分子结构。酸性发酵环境(pH 4-5)触发植酸酶活性，导致植酸水解。

4. 矿物质、营养素生物可及性及生物活性

ANFs对人体营养的影响主要源于三种机制：螯合和复合物形成、酶抑制以及肠道通透性改变。螯合和复合物形成发生在ANFs与必需矿物质（铁、锌、钙和镁）和蛋白质结合时，形成人体无法有效吸收的不溶性化合物。酶抑制损害宏量营养素消化，蛋白酶抑制剂干扰胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶等消化酶，导致蛋白质消化不完全。肠道通透性改变涉及凝集素等ANFs破坏肠道内膜，减少营养运输。

4.1. 皂苷

皂苷通过与膳食脂质、矿物质和蛋白质相互作用影响营养素生物利用度。其两亲性使其能够与消化道中的甾醇形成不溶性复合物，破坏胶束形成并损害脂溶性维生素[A、D、E和K]的吸收。通过抑制胰腺脂肪酶活性，皂苷减少脂质代谢。

4.2. 单宁

单宁-矿物质复合物抵抗消化酶活性并在胃肠道中沉淀，减少矿物质吸收。单宁还作为酶抑制剂，通过与消化酶形成氢键损害宏量营养素消化。这些化合物降低α-淀粉酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和脂肪酶的效率。

4.3. 植酸

植酸通过与必需矿物质形成不溶性植酸盐-矿物质复合物显著降低铁、锌、钙和镁等必需矿物质的生物利用度，导致以植物性饮食为主的人群出现微量营养素缺乏。这种抑制效应源于其多个磷酸基团，能够螯合二价和三价阳离子(Fe²⁺、Fe³⁺、Zn²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cu²⁺和Mn²⁺)，形成抗消化复合物。

4.4. 凝集素和血凝素

凝集素主要通过结合小肠上皮细胞上的糖基化受体影响营养吸收。这种相互作用破坏上皮完整性，增加肠道通透性并触发炎症反应，导致营养吸收不良。此外，凝集素抑制消化酶，损害蛋白质水解和碳水化合物代谢。

4.5. 酶抑制剂

蛋白酶抑制剂(PIs)通过靶向丝氨酸蛋白酶（主要是胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶）损害蛋白质消化和氨基酸吸收。这些抑制剂分为Kunitz抑制剂（选择性抑制胰蛋白酶并减少蛋白质水解）和Bowman-Birk抑制剂(BBIs)（抑制胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶，进一步限制蛋白质消化率）。

5. 结论与未来展望

ANFs被称为植物生物活性或非营养化合物，但其化学性质、浓度以及与其他膳食成分的相互作用影响其活性。尽管在理解ANFs化学、加工和健康效应方面取得了显著进展，但仍存在几个关键争议。这些包括最大化健康益处的ANFs保留最佳阈值、去除和保留生物活性特性之间的权衡，以及肠道微生物群在减轻ANFs相关营养损失方面的程度。

多种加工技术有效提高了ANFs富集食品中的营养素生物利用度。如前面讨论的，每种加工方法在不同食品中具有特定的局限性和优势。优化浸泡过程中的介质温度、pH和WSR对于在考虑对营养成分影响最小的同时减少最大ANFs至关重要。为了最小化这个问题，应在浸泡过程之前进行预处理操作以提高扩散速率、减少持续时间并最小化营养损失。

植酸、单宁和草酸盐与矿物质形成不溶性复合物，使其无法被吸收。此外，蛋白酶和淀粉酶抑制剂干扰蛋白质和碳水化合物消化。另外，凝集素可破坏肠道完整性，损害营养跨肠道运输。ANFs如何影响营养吸收和治疗人类疾病的了解甚少。研究集中在其对营养的不利影响，而其治疗潜力尚未被探索。

植物植物化学物质或ANFs对α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶活性非常有效，表明了一种预防餐后高血糖的有前景策略。由于其抗氧化、抗血栓形成和抗炎特性，它们可以降低胆固醇，防止LDL氧化，并增加一氧化氮合酶活性，从而减少血小板粘附和聚集。它们调节肠道微生物群组成的能力表明在肠道健康和代谢调节中的潜在作用。需要进行全面的生化、分子和生理学研究，以了解它们在疾病治疗中的作用和潜力。

皂苷和单宁已被用于多种生物功能应用。例如，由于其发泡能力，皂树被用于制备饮料。奎奴亚藜也被用于啤酒。在美国，皂树皂苷被认为对食品是安全的。例如，来自藜的单宁可以解决真菌牙科问题。单宁的包封可以确保其稳定性并用于递送系统。将水果和蔬菜副产品中的ANFs加入零食中可以增加其营养含量。

ANFs传统上被视为不受欢迎的，当以适当量使用时，它们可能在改善蛋白质质量、增加营养价值、强化食品和开发功能性食品产品方面具有有价值的应用。为了有效利用ANFs的优势，必须研究其毒性特征和吸收机制，同时强调其在药物或功能性食品中安全包含的潜力。