食用豆科作物与豆类加工策略研究进展：增强生物活性潜力并降低抗营养因子

《Food Reviews International》：Advances in Processing Strategies to Enhance Bioactive Potential and Reduce Antinutritional Factors in Edible Legumes and Pulses

　　

食用豆科作物与豆类（legumes and pulses）作为经济实惠、营养密集且可持续的蛋白质、膳食纤维（fiber）和微量营养素（micronutrients）来源，在全球膳食中处于核心地位。除营养价值外，其还含有多种生物活性化合物（bioactive compounds）。然而，其营养潜力受到抗营养因子（antinutritional factors, ANFs）的限制，这些因子限制矿物质生物利用度（mineral bioavailability）、蛋白质消化率（protein digestibility）和胃肠道耐受性（gastrointestinal tolerance）。本综述综合了关于传统加工方法（浸泡、发芽、发酵）和新兴加工方法（挤压（extrusion）、脉冲电场（pulsed electric fields, PEF）、超声（ultrasound））如何增强或释放生物活性化合物，如酚酸（phenolic acids）、类黄酮（flavonoids）和γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid, GABA），同时减少抗营养因子，如棉子糖家族寡糖（raffinose-family oligosaccharides, RFOs）和植酸盐（phytates）等的证据。利用这些策略为开发创新、促进健康且可持续的食品提供了机会，这些食品符合消费者对植物基膳食（plant-based diets）日益增长的需求，有益于健康和环境。

引言：食用豆科作物与豆类（legumes and pulses）是全球膳食中经济、营养密集且可持续的蛋白质、膳食纤维和微量营养素来源。豆科（Fabaceae/Leguminosae）与豆类（pulses）定义有别，后者指收获干种子的非油籽豆科作物。豆类蛋白质为19%–40%，膳食纤维为15%–30%，并含锌、铁、钙等矿物质和B族维生素。其还含酚类、植物固醇、生物活性肽、γ-氨基丁酸（GABA）、生育酚、木脂素、类黄酮、植酸、皂苷、单宁和类胡萝卜素等。部分化合物具有双重性，可作抗营养因子（ANFs）或健康促进成分。本综述整合加工对ANFs和生物活性化合物影响的证据。

食用豆类中的抗营养因子：ANFs在化学性质、种子分布、作用机制和加工敏感性上不同。凝集素（lectins）和蛋白酶抑制剂（protease inhibitors）主要干扰消化；植酸盐（phytate）、单宁（tannins）、草酸盐（oxalates）、皂苷（saponins）和棉子糖家族寡糖（RFOs）影响矿物质生物利用度、蛋白质消化率、感官或胃肠道耐受性。部分ANFs也有抗氧化、降血糖和益生元活性。

食用豆类中的生物活性化合物：本综述聚焦酚类和GABA。豆类含酚酸、类黄酮、单宁和芪类；酚酸包括羟基苯甲酸类和羟基肉桂酸类，生豆中约19.1–48.3 mg/100 g，鹰嘴豆总酚可达113.3 mg/100 g。类黄酮含量与豆色相关，黑、红、绿品种可高于浅色品种达11倍。GABA是抑制性神经递质，富含GABA食品可能缓解压力和焦虑、改善睡眠、降血压和血糖。发芽和发酵尤其有效积累GABA。

加工对抗营养因子和生物活性化合物的影响：加工改善豆类营养质量、功能性和接受性。传统方法浸泡、发芽、发酵长期用于降低ANFs；煮沸、压力烹饪/高压灭菌、脱壳和酶处理也重要。煮沸和压力烹饪灭活热不稳定凝集素和蛋白酶抑制剂，降低单宁、RFOs和可溶性草酸盐；压力处理通常更高效，但过度热暴露损失维生素并改变酚类。脱壳降低种皮相关单宁，但去除膳食纤维和酚类。酶处理如植酸酶水解植酸盐，α-半乳糖苷酶降解RFOs。本综述重点讨论浸泡、发芽、发酵及挤压、脉冲电场（PEF）和超声。

浸泡：浸泡是最广泛预处理，通过水合减少烹饪时间并改善质构，同时激活内源酶。对ANFs，浸泡一致降低可溶性抗营养因子。12–24小时浸泡降低红芸豆、鹰嘴豆、利马豆、赤小豆、蚕豆、豌豆和木豆的植酸和单宁；延长浸泡可更大降低植酸、单宁和草酸盐。其机制包括水合溶解水溶性植酸盐、内源植酸酶水解植酸，以及RFOs、单宁和皂苷浸出或酶解；胰蛋白酶抑制剂（TIs）可通过浸出降低。对生物活性化合物，浸泡效果不一致。酚类常因浸出和多酚氧化酶活化而降低，亦有增加报道；GABA通常增加，因水合激活谷氨酸脱羧酶（GAD），在缺氧胁迫下催化谷氨酸转化为GABA，35–45°C和pH 5.0可优化。浸泡是选择性预处理，可降低ANFs并富集GABA，但会损失水溶性酚类、蛋白质、矿物质和维生素。

发芽：发芽是简单、成本有效的加工方法，通常先浸泡以触发代谢活化和种子萌发。对ANFs，发芽一致降低RFOs、植酸、单宁和蛋白酶抑制剂。α-半乳糖苷酶水解RFOs并释放D-半乳糖；单宁经多酚氧化酶等酶解或与蛋白质复合而降低；胰蛋白酶抑制剂活性（TIA）随发芽时间下降；植酸降低10%–75%，归因于内源植酸酶将植酸水解为低植酸肌醇磷酸盐。对生物活性化合物，发芽增强GABA、多酚和维生素。GABA主要通过GABA支路，由GAD催化谷氨酸不可逆脱羧，也经二胺氧化酶（DAO）和胁迫诱导脯氨酸降解产生，GABA转氨酶（GABA-T）调节分解。缺氧、温度冲击、渗透胁迫和酸化可增强GABA积累。发芽也常提高酚类和类黄酮，但结果因种类和条件而异；结合酚可被酯酶释放，胁迫激活戊糖磷酸途径（PPP），经苯丙氨酸解氨酶（PAL）和查尔酮合成酶（CHS）进入苯丙烷途径。长时间发芽可能降低蛋白质、淀粉和维生素。

发酵：发酵是研究最深入的豆类营养品质转化方法之一，可为自发或受控，受控发酵通过选择微生物提高重复性。根据体系分为固态发酵（SSF）和液态发酵（SmF）。发酵可改善消化率、降低过敏原、增加抗氧化水平、改善质构并减少豆腥味。对ANFs，发酵大幅降低RFOs、植酸、单宁和蛋白酶抑制剂。乳酸菌（LAB）如 Lactiplantibacillus plantarum 和真菌如 Rhizopus oryzae 产生α-半乳糖苷酶分解RFOs；植酸酶、单宁酶、蛋白酶和肽酶分别降低植酸、单宁和蛋白酶抑制剂。植酸降解为IP₅、IP₄、IP₃、IP₂和IP₁，降低矿物结合。LAB共培养可使植酸几乎完全去除，LAB发酵可使单宁降低达80%并显著降低TIA、胰凝乳蛋白酶抑制剂和α-淀粉酶抑制剂。对生物活性化合物，发酵影响复杂。LAB将pH降至3.5–3.9，酵母和真菌降至5.7–6.2。真菌通过β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶和α-阿拉伯呋喃糖苷酶释放结合酚，提高生物可及性和抗氧化活性；有机酸促进酸水解。SSF中根霉或枯草芽孢杆菌可增加可溶性酚，但不同菌株和底物可导致个体酚酸增加、减少或转化。GABA在发酵中常显著增加，许多LAB携带GAD基因，生产菌包括 S. cerevisiae、L. delbrueckii subsp. bulgaricus、S. thermophilus、L. plantarum、L. brevis、L. rhamnosus 和 B. cereus；但GABA也可下降。添加单钠谷氨酸（MSG）和磷酸吡哆醛（PLP）、控制温度可提高GABA。发酵提高体外蛋白质消化率（IVPD），改善矿物质生物可及性，但可能损失维生素并产生生物活性肽。总体，发酵是高效但高度可控的过程。

豆类加工中的新兴技术及其对抗营养因子和生物活性化合物的影响：新兴技术包括挤压、PEF和超声，主要依赖物理力在细胞和分子水平改变结构。挤压是热机械技术，高温、高压和剪切可显著降低植酸、单宁、TIs和凝集素，例如植酸降低约23.5%，单宁降低超过65%，TIs可100%消除，皂苷降低约9.3%；RFOs结果不一致。挤压可提高酚类提取率，但热和机械应力也可降解酚类，剪切可释放结合酚，淀粉糊化可包埋酚类和花青素。挤压通常改善IVPD，但严重温度可损失赖氨酸并降解含硫氨基酸；矿物质较稳定，维生素易降解，可溶性膳食纤维增加。PEF在极短时间内施加10–80 kV/cm高压电场，通过电穿孔改变细胞壁，改善蛋白质功能、提取率和部分抗营养物降低。低电压PEF可增加蚕豆植酸，可能为胁迫响应；对发芽蚕豆PEF降低植酸。PEF水合普通豆使RFOs降低40%–50%，黄豌豆PEF降低RFOs达46%，与发酵结合达89%。PEF辅助水合可因种皮破坏导致酚酸和花青素损失。PEF可去折叠蛋白质、提高IVPD，并较好保留热敏维生素。超声处理通过20 kHz–100 MHz波传播，水合时经膨胀收缩和空化气泡崩溃形成声孔，加速浸泡并可能减少水浸出营养损失。超声降低RFOs 5.4%–58.7%，降低植酸如鹰嘴豆14.8%、豆类25.2%、大豆20.1%，空化还可破坏分子键、去折叠蛋白并可能灭活TIs。超声可改善蛋白质溶解性和IVPD，但低频超声可能加速矿物质浸出。

挑战与未来方向：文章指出，豆类种类和品种间变异性、结果不一致、标准化方法缺乏、生物活性保留与ANF去除的权衡、协同加工策略需求、生物可及性/生物利用度和生理效应验证不足、机制理解有限、营养质量权衡、可持续性以及工业可扩展性和消费者接受度等问题仍需解决。减少ANFs不一定意味着整体营养质量成比例改善；蛋白质消化率可能提高，但严重加热或长时间发酵可能降低必需氨基酸可利用性；浸泡和烹饪可降低植酸，但也可浸出可溶性矿物质和B族维生素。未来应探索环境友好技术、生命周期评价、规模化可行性，并通过模拟消化、动物研究和人体试验验证健康声明。

结论：传统加工（浸泡、发芽、发酵）和新兴加工（挤压、PEF、超声）均可策略性降低ANFs并增强豆类生物活性化合物。浸泡和发芽可降低植酸、单宁和RFOs并增强GABA和多酚；发酵是最强大的生物加工策略之一，可改善消化率、释放结合酚并提高抗氧化活性；新兴技术有前景但需标准化。加工具有双重性，未来关键在于整合加工策略，并以机制理解和生物利用度验证支持工业可扩展性。