代谢组学分析表明氧化镁纳米颗粒与其块体预处理对绿豆芽铅耐受性和营养品质的比较影响

《Food Chemistry》：Metabolite profiling indicates comparative effects of magnesium oxide nanoparticle vs. its bulk priming on lead tolerance and nutritional quality in mungbean sprouts

　　

摘要 铅（Pb）毒性威胁着食用芽苗的营养品质。氧化镁纳米颗粒（MgO-NP）在保护绿豆芽免受铅毒害方面是否优于体相氧化镁（MgO-bulk）尚不清楚。铅胁迫降低了种子发芽率和芽苗生长。剂量-响应实验表明，将体相MgO浓度增至600 mg L?1并未重现MgO-NP的效应，且较高浓度下表现出植物毒性。在100 mg L?1浓度下进行MgO-NP预处理可将发芽率提高至93%（体相MgO为87%），并使可食组织中总铅积累量减少62.5%（体相MgO为36.4%），生物可利用铅减少76.3%，同时维持了更高的镁生物利用度（21%，体相MgO为18%）。与铅胁迫相比，MgO-NP预处理进一步增强了总抗氧化能力（T-AOC）（138%对104%）、DPPH清除活性（61%对50%）、总黄酮（102%对85%）和总酚类（63%对51%），这与苯丙烷类和黄酮类通路的富集相关。这些发现表明，MgO-NP在减轻铅毒性的同时改善营养品质方面优于体相MgO。

引言 农业土壤中的铅污染是重要的食品安全考量因素，因为铅会在可食作物组织中积累并进入人类食物链，且目前没有确立的安全暴露水平（Be?ianu et al., 2024; Nag & Cummins, 2022）。长期饮食铅摄入与儿童神经发育毒性、肾毒性和成人心血管疾病相关，使得减少食物作物中的铅成为公共卫生优先事项（Nag & Cummins, 2022）。与有机污染物不同，铅会诱导氧化应激，干扰营养吸收（Mg2?、Ca2?、Zn2?）（Liu et al., 2013; Malik et al., 2025），并损害促进健康的次生代谢物如黄酮类和酚酸的生物合成，从而造成严重健康风险（Ismael & Goran, 2024; Lima et al., 2024; Navarro-Sempere et al., 2023; Singh & Sharma, 2021）。这些代谢干扰不仅降低植物生长，还会降低可食组织的营养和功能性品质。营养品质和抗氧化特性是功能性食品价值的关键决定因素（Karami et al., 2025; Schmidt & Oliveira, 2023），在牡蛎蘑菇（Pleurotus spp.）中得到了证实，其中佛罗里达牡蛎蘑菇（P. florida）等物种表现出高蛋白含量（22–25% dw）和强抗氧化酶活性（Khatun et al., 2015）。发芽过程本身通过增加促进健康的酚类和黄酮类的积累来增强芽苗的营养特征。例如，不同小麦品种的发芽已被证明可通过上调苯丙氨酸解氨酶（PAL）及苯丙烷类通路中的相关酶，增强关键酚酸如阿魏酸和对香豆酸的积累，以及槲皮素和紫茎木黄酮等黄酮类化合物（Li et al., 2024）。然而，重金属等环境胁迫因子的积累会干扰这些有益的代谢过程。鉴于全球对最少加工植物性食品消费量的不断增加，了解并减轻可食作物中的重金属积累已成为重要的食品安全考量（Padariya et al., 2025; Zhou et al., 2023）。

在高风险食品产品中，芽苗占据独特地位。芽苗被整体食用，包括根、下胚轴，通常还包括子叶，具有较高的营养密度和最少加工（Ampofo & Abbey, 2023）。其快速发芽和早期生长期涉及强烈的代谢活动，使其对重金属胁迫尤为脆弱。这种脆弱性与其他芽苗系统中的发现一致，其中非生物胁迫已被证明会显著减少生物活性化合物的积累。例如，藜麦芽苗中的盐碱胁迫降低了黄酮类和酚酸的含量，同时也降低了抗氧化活性（Qian et al., 2024）。另一方面，发芽已被证明可以改善豆类的矿物质生物利用度，豌豆芽苗在发芽4天后表现出锌和镁保留量的提高（Urbano et al., 2006）。芽苗中的铅污染因此构成双重危害：（i）铅在可食组织中积累带来的直接毒理学风险，以及（ii）由于抗氧化剂、酚类和黄酮类生物合成受到抑制而导致的品质降级（Ili? et al., 2015; Majhi & Sikdar, 2023）。

绿豆（Vigna radiata L.）芽苗在亚洲广泛食用，并日益进入西方市场，因其富含酚类、黄酮类和抗氧化能力而受到重视（Kemal et al., 2025; Marottickal et al., 2026）。然而，其高代谢速率也使其对包括铅在内的环境污染物具有极高的积累效率。因此，开发同时减少铅吸收并保持甚至增强绿豆芽营养品质的策略，是重要的食品安全和质量目标。从食品化学角度来看，同时改善安全性（减少有毒金属暴露）和营养品质（增强生物活性化合物）对于维持发芽食品的功能价值至关重要（Ambigaipalan & Shahidi, 2015; Xiao et al., 2025）。近期食品系统研究强调了抗氧化调节在胁迫条件下维持产品品质方面的关键作用。例如，抗氧化处理可显著减少氧化损伤并改善烤虾等热加工食品的品质（Wang et al., 2024）。外源谷氨酸处理已被证明可通过激活PAL并促进绿原酸和咖啡酸等酚类化合物的积累，维持鲜切胡萝卜的品质和抗氧化能力（Zhang et al., 2024）。PAL在维持最少加工植物性食品品质方面的核心作用已得到充分证实。PAL是苯丙烷类通路中的第一个酶，负责将L-苯丙氨酸转化为一系列酚类化合物，包括黄酮类、酚酸和其他多酚类代谢物（Cao et al., 2025）。

镁（Mg）对光合作用至关重要，并作为超过300种酶的辅因子，包括抗氧化防御、蛋白质合成和氮同化中的酶（Ali et al., 2025; Khare et al., 2025）。植物基功能性食品在重金属污染方面的安全性已成为日益重要的关注点。近期研究表明，植物基肉类替代品含有可量化的微量元素水平，包括铝、铬、钴、镍、硒、钼和钡，对于儿童等脆弱人群，铅的生物可利用性需要进行仔细的风险评估（Fioravanti et al., 2025）。这凸显了开发同时减少有毒金属暴露并保持或增强营养品质的干预措施的必要性。在铅胁迫下，Mg2?尤为重要，因为铅直接与Mg2?结合位点竞争（Sarraf et al., 2026）。然而，传统的体相镁肥，如MgSO?或MgO，在胁迫条件下往往生物利用度低、溶解性差，限制了其在减轻铅毒性方面的有效性（Ali et al., 2024; Liu, Deng, et al., 2026; Taj et al., 2024）。这凸显了纳米级MgO的潜力，与体相 counterpart 相比，纳米MgO具有更高的比表面积、增强的反应性和潜在更持久的离子释放（Hornak, 2021）。纳米营养学领域的最新进展表明，工程纳米材料比传统肥料更有效地调节营养吸收和代谢通路，从而改善可食作物的胁迫耐受性和营养品质（González-García & Juárez-Maldonado, 2025; Zhao et al., 2025）。

近期研究表明，纳米颗粒在种子预处理应用中始终优于体相材料。例如，钼纳米颗粒相比体相钼酸盐在盐分胁迫下将羽衣甘蓝种子发芽率提高了18.8%，代谢组学揭示碳水化合物代谢、氧化还原稳态和渗透调节的增强（Zhao et al., 2026）。类似地，体相ZnO和ZnO纳米颗粒的叶面施用通过减少MDA和脯氨酸积累减轻了鹰嘴豆的盐诱导氧化损伤（Alabdallah, 2025），二氧化硅纳米颗粒增强了番茄（Solanum lycopersicum L.）的耐旱性，而体相SiO?效果甚微（Wang et al., 2025）。对于MgO的特定性，Hussain等人（2019）报告MgO-NP在铅胁迫下增加了萝卜中的酚类和黄酮类含量，但该项研究未包含体相MgO对照（Hussain et al., 2019）。因此，尽管纳米制剂通常优于体相材料，但MgO在铅胁迫下的直接比较证据以及差异效应的代谢基础仍然缺乏。此外，尚无研究批判性地检验MgO-NP和MgO-bulk在影响植物代谢方面是否存在差异，具体而言，纳米制剂是否激活了体相MgO无法实现的独特通路水平响应。这一区分很重要——如果差异仅是定量的（更多Mg2?递送），优化体相Mg施用量可能就足够了。然而，如果纳米颗粒涉及不同的代谢通路，这将证明在食品安全和质量应用中增加纳米制剂复杂性的合理性。

尚无研究检验MgO-NP和MgO-bulk在铅胁迫下维持可食芽苗的营养和抗氧化品质方面是否存在差异。大多数研究聚焦于生理学终点或胁迫标志物，对食品相关参数的关注有限，如酚类、黄酮类、DPPH/ABTS清除能力及其特定代谢物。非靶向代谢组学结合KEGG和WGCNA，提供了一种强大的方法来揭示MgO-NP和MgO-bulk差异响应背后的协同代谢重编程和枢纽代谢物。酶学验证，特别是苯丙氨酸解氨酶（PAL），作为苯丙烷类通路中的关键酶，对于超越代谢物相关性验证通路激活至关重要（Liu, Wang, et al., 2026）。此外，总铅含量不能反映可吸收比例；体外消化模型（如INFOGEST）为膳食风险评估提供了更为相关的铅生物可利用性估计（Li et al., 2015）。为填补这些空白，我们检验了三个假设：（H1）MgO-NP种子预处理比MgO-bulk更有效地减少绿豆芽组织中的铅积累，从而降低潜在的生物可利用铅比例。（H2）两种Mg处理均在铅胁迫下增强抗氧化能力和次生代谢物积累，但MgO-NP引发比MgO-bulk更强的生理和代谢响应，伴随更高的PAL活性和苯丙烷类及黄酮类相关代谢的差异调节。H3：MgO-NP预处理通过在早期发芽阶段提供更高的Mg2?生物利用度，比MgO-bulk更有效地减轻铅胁迫，从而对铅响应代谢通路产生更强的定量调节作用，特别是与抗氧化防御和苯丙烷类代谢相关的通路。

章节片段 植物材料与实验条件 绿豆（Vigna radiata L.）种子购自梁山金豆种子产业有限公司（中国山东）。种子使用70%（v/v）乙醇处理1分钟进行表面灭菌，随后用2%（v/v）次氯酸钠处理10分钟，然后用无菌蒸馏水彻底冲洗。氧化镁纳米颗粒（MgO-NP）购自弘武国际集团有限公司（中国黄浦）。使用前对其理化特性进行了检测。表面形貌和

MgO-NP对铅胁迫下种子发芽的影响 为评估在铅污染条件下生产有活力芽苗的潜力，使用TTC染色评估种子活力。铅胁迫（T4）与对照（T1）相比显著降低了种子活力。在铅胁迫下，MgO-NP处理（T6）保持了比体相MgO（T5）更高的种子活力，两种处理均优于单独铅处理（图1A）。在铅暴露（T4）条件下，24小时和48小时的吸胀率分别为55%和70%，而对照（T1）分别为78%和96%（图1

MgO-NP增强铅胁迫下的种子发芽和早期幼苗生长 种子发芽是芽苗生产的关键第一步。对于可食芽苗，其在发芽后5-10天内被整体食用，发芽的均匀性和效率直接决定产量、质量和经济可行性。因铅污染导致的发芽受损不仅减少芽苗生物量，还会通过铅在可食根和下胚轴组织中的积累造成食品安全隐患。因此，评估铅胁迫下的发芽表现并

结论 本研究证明，MgO-NP种子预处理比体相MgO更有效地减轻绿豆芽中的铅毒性，通过减少可食组织中的铅积累并增强抗氧化能力。代谢组学、KEGG和WGCNA分析揭示了与体相MgO相比，MgO-NP处理芽苗中苯丙烷类和黄酮类生物合成的更大富集，与酚类和黄酮类积累增强一致。这些代谢调整与芽苗品质改善相关。

CRediT作者贡献声明 Muhammad Saqib Bilal：初稿撰写、可视化、软件、调查、形式化分析、数据整理。Xing Zeming：可视化、形式化分析。Lei Wang：审阅与编辑、验证、项目管理、概念化。Mohsin Tanveer：审阅与编辑、验证、监督、方法学、概念化。

未引用参考文献 Saeed, Khan and Shabbir, 2012

利益冲突声明 作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

Muhammad Saqib Bilal | Zeming Xing | Lei Wang | Mohsin Tanveer