豆类抗营养因子的缓解策略：传统与创新加工技术提升营养生物利用率

《Legume Science》：Strategies for Mitigating Anti-Nutritional Factors in Legumes: A Review of Traditional and Innovative Processing Techniques for Enhanced Bioavailability

　　

豆科（Fabaceae）植物是全球重要的营养密集型资源，富含蛋白质、复合碳水化合物和微量营养素。尽管具有如固氮等农艺优势，其膳食利用常受到抗营养因子（ANFs）的限制，如植酸盐、单宁、凝集素和低聚糖，这些因子会降低生物利用度并引起胃肠道不适。本综述考察了ANFs的双重性质，强调了其生态作用及药用益处，同时也指出其抑制营养的效应。研究评估了传统加工方法（如浸泡、煮沸和自发发酵）与现代技术（包括控制发酵、挤压蒸煮和化学改性）的对比。通过具体案例研究，本综述探讨了浸泡和煮沸普通菜豆（Phaseolus vulgaris）如何影响营养特性和消费者接受度。研究人员讨论了细菌和真菌发酵以及挤压技术如何提升大豆（Glycine max）的感官、营养和结构品质，以促进工业产品开发。此外，豇豆（Vigna unguiculata）中的发芽被强调为保护热敏营养素的有效策略。本综述展示了水合、热和化学试剂（如碳酸氢钠）等独立变量如何影响营养素和ANFs的组成、浓度及生物利用度。尽管基于热的处理会影响水溶性和热不稳定化合物，但非热处理如水引发（hydropriming）可增强酶活性并调动营养储备。每种方法在养分保留、结构品质和感官属性方面均存在独特的权衡。最终，该研究强调优化加工技术以减轻ANFs同时维持整体营养价值的必要性，从而支持全球向可持续植物性膳食的转变。

1 引言

豆科（Fabaceae）包含超过2000个物种，是全球膳食中的重要营养支柱。豆类通常提供20%–30%的膳食蛋白质和50%–60%的复合碳水化合物，脂质含量低（约2%），且富含必需不饱和脂肪酸。同时，豆类还提供丰富的微量营养素，包括钾、锌、镁等矿物质以及B族维生素、维生素E、维生素K和叶酸。例如，豆类中的高叶酸含量（400–600?μg）可满足每日膳食需求的近95%。因此，公共卫生机构如美国国家心肺血液研究所推荐在DASH饮食中纳入豆类，因其高膳食纤维和低升糖指数有助于管理高血压和糖尿病。全球重要豆类包括普通干豆、豇豆、蚕豆、鹰嘴豆、扁豆和干豌豆，而绿豆、木豆和羽扇豆则主要支撑区域粮食安全。过去十年，干豆的全球总产值增长了9.4%，从2013年的164.9亿美元增至2023年的180.4亿美元。非洲占全球产量的26.7%，其中东非贡献了非洲大陆总量的79.1%。豆类传统上作为与玉米或木薯间作的生计作物，现因人口压力和快速工业化而转向商业现金作物。诸如泛非豆类研究联盟（PABRA）等倡议近期培育出生物强化、富含铁且快速烹饪的品种，烹饪时间低于60分钟，显示出良好的区域成果。此外，豆类通过生物固氮改善土壤肥力，减少对合成肥料的依赖，并支持自然害虫抑制，这与“同一健康”视角高度契合。然而，豆类的膳食利用受到抗营养因子（ANFs）的限制。ANFs是一类生物活性植物成分，阻碍营养吸收并降低生物利用度。主要ANFs包括植酸盐、凝集素、皂苷、单宁、酶抑制剂和低聚糖。例如，植酸螯合必需矿物质从而抑制吸收，胰蛋白酶抑制剂阻碍蛋白质消化。由于人类缺乏内源性α-半乳糖苷酶以裂解棉子糖和水苏糖等低聚糖，其消费可导致胃肠道不适和胀气。大量摄入生或未煮熟豆类还因活性凝集素而具有毒性风险。为缓解ANFs，传统和现代加工技术被广泛采用。传统家庭方法依赖浸泡、煮沸和自发发酵等简单操作；现代工业方法则通过物理加工（脱壳、挤压蒸煮）、热罐装、化学改性或使用定向发酵剂进行受控微生物发酵。这些加工方法除消除ANFs外，还承担延长货架期、优化质地和提升适口性及风味等次要目标。本综述聚焦三种关键豆类——普通菜豆（Phaseolus vulgaris）、大豆（Glycine max）和豇豆（Vigna unguiculata），考察其与主要加工方法（浸泡、发芽、发酵、烹煮和挤压）的相互作用。每种方法在营养保留和感官品质方面均带来权衡，因此建立标准化、优化的加工指南至关重要。

2 豆类中的抗营养因子

据世界卫生组织定义，ANFs是植物通过次生代谢过程合成的天然化合物，归类为天然毒素。它们不直接参与初级代谢途径，因此并非植物生长发育所必需，但承担重要的生物学功能并参与生态互作。ANFs的关键特征之一是化感作用，即产生毒素以保护植物免受草食动物、昆虫和微生物侵害，同时促进授粉和种子传播等有益互作。虽然这些化合物对宿主豆类无害，但可能对其他生物（包括人类）产生毒性。ANFs通常分为热稳定型和热不稳定型。热稳定型在高温下不被降解，包括植酸、缩合单宁、生物碱和皂苷；热不稳定型在高温下分解或失活，包括凝集素、氰苷、蛋白酶抑制剂和毒氨基酸。按化学组成或生物合成来源，ANFs也可分为蛋白类和非蛋白类。蛋白类包括凝集素和蛋白酶抑制剂，在常规烹煮或热处理下降解；非蛋白类包括缩合单宁、非蛋白氨基酸和半乳甘露聚糖胶等，通常更耐热。

常见ANFs在豆类中的分布因物种、品种和环境而异。植酸、低聚糖和酶抑制剂主要存在于种子子叶，单宁和酚酸则集中于种皮。近年来，ANFs因其双重作用而备受关注。例如，皂苷具有抗癌、降胆固醇和调节餐后血糖的益处；肌醇六磷酸（植酸）显示出协同降低癌症风险的作用。在食品系统中，豆类植酸盐以0.6–1.9?g/100?g的浓度用于延长货架期、增强矿物质强化和抑制胆固醇吸收。在临床应用中，凝集素以10–100?mg/kg体重的剂量用于抗癌、抗病毒和免疫调节研究。工业上，植物单宁以高达30%的浓度加入鞣液中以优化皮革加工。然而，这些ANFs在豆类常规消费时也呈现负面效应。植酸化学名为肌醇1,2,3,4,5,6-六磷酸二氢盐，在豆类中的含量为0.4%–6.0%，其阴离子在宽pH范围内活跃，螯合Zn、Fe、Ca、Mg、Mn和Cu等二价和三价金属离子，降低其生物利用度。单宁是分子量在500–3000?Da的酚类化合物，分为可水解型和缩合型。缩合单宁是豆类中的主要类型，通过氢键和疏水作用与蛋白质结合，表现出抗胰蛋白酶和抗淀粉酶活性，降低蛋白质和淀粉消化率。皂苷是表面活性次级代谢物，由糖单元连接类固醇或三萜核心构成，在肠道发酵中其糖部分被代谢，导致刺激、胀气，高浓度时因结合固醇而可能具有毒性。凝集素是非免疫蛋白，能识别并附着于碳水化合物结构，摄入后可导致细胞膜退化、酶抑制和过敏反应，严重时可致中毒，出现恶心、腹泻和腹痛等症状。蛋白酶和淀粉酶抑制剂阻断营养特异性活性位点，降低催化活性。此外，草酸盐、氰苷、硫代葡萄糖苷、生物碱等也属于ANFs。现代研究致力于在减轻这些副作用的同时保留营养和结构完整性，并探索其生物活性在食品加工和制药领域的应用。

3 豆类的制备与加工

豆类中ANFs的影响可通过多种制备和加工处理来抵消或降低。传统方法包括浸泡、煮沸和自发发酵；现代方法包括化学处理（如水解、氧化、酰化和络合）、微生物方法（如使用培养微生物发酵）和物理方法（如脱壳和挤压蒸煮）。根据ANFs的性质和浓度以及目标效果，可采用单一或组合技术。加工方法的次要目标是延长货架期、提高接受度和适口性、改善风味和质地。

浸泡最初用于减少烹煮时间，同时可降低ANFs。其原理是水合种子，促进ANFs扩散和溶解到水相中。浸泡效果取决于时长、温度、浸泡液类型和料液比。常见方法包括隔夜浸泡、快速浸泡、热浸泡和小苏打浸泡。有研究建议使用谷物抛光设备剥离外层种皮以缩短浸泡时间。延长浸泡时间可增加ANFs损失，例如植酸盐从12小时的406?mg/100?g降至48小时的291?mg/100?g，单宁从389降至251?mg/100?g，草酸盐从510降至231?mg/100?g；同时提高矿物质浓度。但最常用的浸泡时间为12小时，可提供最佳水合、适当软化子叶并保持豆类结构，且不促进微生物生长。浸泡温度应低于60℃，因为高于60℃会导致总固形物、含氮化合物、糖、低聚糖、钙、镁和水溶性维生素显著损失。浸泡水应倒掉，因其含有可溶性棉子糖，易导致胀气。

煮沸是常用的初步处理，通常在96℃下进行2小时，料液比1:3。湿热能有效降低ANFs。自发发酵不依赖发酵剂，依靠原料表面或环境中的天然微生物，过程缓慢且结果多变，如印尼传统丹贝（Tempe）利用野生根霉（Rhizopus oligosporus）产生菌丝体。控制发酵则是在温度、pH和营养可及性等受控条件下使用特定发酵剂，分为固态发酵和液态发酵。固态发酵因豆类天然固态形式而更受青睐，微生物胞外酶可分解复杂营养素和ANFs，同时改善风味、香气和口感。挤压蒸煮通过热、压力和剪切作用于原料，完成混合、剪切、淀粉糊化、蛋白质变性、组织化、酶失活、热烹煮、巴氏杀菌、脱水、成型和尺寸减小等单元操作。挤压机包括预处理装置、进料单元、螺杆筒体、模头和切割机构。单螺杆和双螺杆机型适用于不同原料和产品需求。冷挤压温度低于100℃，用于面团、意大利面等成型；热挤压高于100℃，利用摩擦热进行熟化。高温短时（HTST）挤压优于低温短时处理，因其处理时间短、产品变化小且效率高。挤压促使淀粉糊化、蛋白质二硫键断裂并重组，提高消化率。谷豆蛋白可形成纤维状结构，用于生产组织化植物蛋白（TVP）和肉类类似物。HTST挤压导致的维生素损失低于传统长时间烹煮，并能有效降低单宁、胰蛋白酶抑制剂、蛋白酶抑制剂、草酸盐、皂苷和多酚。

4 加工对选定豆类的影响

4.1 案例研究1：菜豆对浸泡和煮沸处理营养及抗营养响应的研究

普通菜豆（P. vulgaris）作为全球消费最广泛的豆类之一，是研究传统加工与ANFs相互作用的理想模型。浸泡主要用于减少烹煮时间，同时可改善营养状况并降低ANFs。浸泡效果受浸泡介质类型、介质比例、时长、温度、豆类条件、品种和后续用途等因素影响。研究表明，在蒸馏水中浸泡可显著缩短烹煮时间，而单价碱性盐（尤其是碳酸钠Na₂CO₃和碳酸氢钠NaHCO₃）在所有品种中降低烹煮时间的效果最为显著。这是因为碱性盐提高了浸泡液pH，促进果胶β-消除反应，破坏细胞壁结构完整性，增强离子交换并弱化中胶层，从而加速软化。

浸泡和烹煮对水溶性低聚糖的降低效果最为明显。碱性浸泡结合煮沸可实现最大程度的降低：棉子糖减少81%（从414.83降至78.28?mg/100?g），水苏糖减少60%（从1702.01降至618.96?mg/100?g）；而仅煮沸处理的降幅分别为52%和41%。热通过破坏低聚糖的分子排列降低其含量，同时烹煮过程激活内源α-半乳糖苷酶，将棉子糖和水苏糖分解为更简单且易消化的糖类。这一酶促水解被认为是豆类中这些糖含量下降的关键因素。此外，浸泡和煮沸处理对菜豆的营养价值、消费者接受度及ANFs水平产生综合影响，碱性盐介质在缩短烹饪时间的同时，进一步增强了低聚糖的消除效率，但需要注意碱性条件可能对某些热敏性营养素造成额外影响。总体而言，通过浸泡介质选择和煮沸条件的优化，可以在降低ANFs的同时较好保持豆类营养品质。