麦芽化、发芽和发酵对荞麦粉热化学、功能、抗营养及抗菌性质的影响：基于非靶向高分辨质谱的代谢物研究

《Food Research International》：Malting, germination, and fermentation influence on the thermochemical, functional, anti-nutritional, and antimicrobial properties of buckwheat flour: an untargeted HRAMS-based metabolite study

　　

* *乳酸杆菌发酵（48小时）使总酚含量（TPC）增加102.93%，ABTS活性增加139.6%。*
* *萌发（48小时）显示蛋白质增加70.14%，总黄酮含量（TFC）增加55.17%，同时植酸减少49.43%。*
* *发芽处理在生物加工处理中产生了最大的单宁减少（80.18%）。*
* *自然发酵（48小时）对金黄色葡萄球菌产生了22.33毫米的抑菌圈。*
* *HRAMS谱图显示不同的代谢化合物，其中CBW以天然氨基酸和黄酮类化合物为特征，如L-谷氨酸、L-异亮氨酸和儿茶素；FBW48以丙氨酸酪氨酸、苯乳酸和异鼠李苷为特征；GBW48以香豆素、松脂酚和齐墩果酸为特征；MBW以麦芽酚、烟酰胺和硫胺素为特征。*

**引言**

荞麦（Fagopyrum esculentum Moench），属于蓼科，因其对气候变化的适应性和短生长季而受到认可。它在东亚、东欧和喜马拉雅带等区域被广泛种植。这种伪谷物特别值得注意的是，它能够在边际和贫瘠土壤中茁壮成长，且所需外部投入最少，使其成为传统谷物种植受限地区可行的农业选择（Sofi等人，2023）。此外，荞麦（BW）的无麸质特性使其面粉在健康导向和无麸质产品方面引起了越来越多的商业兴趣（Sofi等人，2023；Pirzadah和Malik，2020）。

荞麦粉（BWF）具有营养丰富的宏量营养素组成。其蛋白质含量为每100克9至15克，值得注意的是其必需氨基酸组成均衡，特别是赖氨酸，而赖氨酸通常是大多数谷物中缺乏的。此外，它还含有大量的膳食纤维和必需矿物质，如镁、铁和锌（Pirzadah和Malik，2020）。BW是酚类化合物最丰富的植物来源之一，主要是芦丁、槲皮素、牡荆素和山柰黄素，这些化合物已被充分记录具有抗氧化、抗炎、心脏保护和抗糖尿病特性（Huda等人，2021）。这些特征使BWF成为开发旨在解决氧化应激相关慢性疾病的-functional食品的有价值原料（Huda等人，2021；Sofi等人，2023）。

淀粉是BW种子中的主要大分子，占籽粒干重的60–70%，并显著影响BWF的结构、热学、流变性和加工特性（Li等人，2024）。天然荞麦淀粉（BWS）颗粒呈多边形至椭圆形，表面光滑，直径约为2至12微米。它们表现出A型结晶结构，其特征为在2θ ≈ 15°、17°、18°和23°处的X射线衍射峰，并具有20–35%的相对结晶度（Gao等人，2023；You等人，2025）。直链淀粉含量在29至36%之间，高于小麦淀粉，导致更高的抗性淀粉比例和相对较低的血糖指数（Gao等人，2023）。糊化温度约为60–80°C，由差示扫描量热法（DSC）测定，BWF在动态振荡条件下主要表现出弹性粘弹性行为（G′ > G″）（Siwatch等人，2017）。天然淀粉的结构特征作为本研究评估生物加工诱导的修改的基线。

尽管BWF具有有益的营养特性，但其食品工业应用受到抗营养因子的限制，主要是植酸和缩合单宁（Alt?karde?和Güzel，2024；Giovanelli等人，2023）。植酸与钙、铁和锌等二价金属阳离子形成不溶性复合物，显著降低了这些矿物质的生物可及性（Adebo等人，2022）。缩合单宁与膳食蛋白质相互作用，损害消化性并导致涩味（Alt?karde?和Güzel，2024）。传统加工方法，包括浸泡、热处理、去皮和研磨，可以部分减轻这些抗营养因子。然而，这些方法效率有限，可能会损害对热敏感的活性化合物（Adebo等人，2022；Thakur等人，2021）。

生物加工策略，即萌发、发芽和发酵，提供了一种机理先进且与工业兼容的方法，可在不使用化学试剂或高外部加工温度的情况下提高BWF的质量。这些策略仅通过在温和条件下激活内源酶或微生物酶活性来实现组成和结构变化，从而保留对热敏感的活性化合物并产生天然籽粒中不存在的新功能代谢物（Salamon等人，2023；?ivkovi?等人，2021）。萌发激活内源植酸酶和淀粉酶，导致植酸降解、淀粉颗粒结构破坏和苯丙烷类生物合成的启动，同时增加游离氨基酸和酚类化合物的含量（Zhang等，2015；?ivkovi?等人，2021）。发芽通过受控浸麦、萌发和干燥延长萌发过程，其中干燥阶段引入了美拉德反应化学，产生额外的酚类衍生物并通过水分减少浓缩B族维生素（Molinari等，2018；Salamon等人，2023）。用植物乳杆菌（Lp. plantarum）进行发酵会引发广泛的微生物酶促转化，包括β-葡萄糖苷酶介导的黄酮糖苷脱糖基化、阿魏酸酯酶介导的细胞壁结合酚类水解、植酸酶活性和蛋白质水解，这些过程共同提高了酚类的生物可及性和抗氧化能力，并降低了植酸和单宁含量（Thivya等，2025；Diez-Ozaeta和Astiazaran，2022；Yilmaz等，2022）。这些转化同时改变了BWF的物理性质，如淀粉结晶度、颗粒形态、热转变特性、糊化行为和粘弹性网络，无需化学添加剂或高能耗的外部热处理（Li等人，2024；You等人，2025）。

在本研究中，选择植物乳杆菌作为发酵的接种剂，是因为其在BW发酵系统中得到认可的使用以及其记录在案的与酚类转化和酸化相关的酶促能力（Ren等，2018；Yilmaz等，2022）。本研究中使用了MTCC 13002，因为其在基于谷物的发酵体系中的应用已得到确立。发酵在12小时间隔进行至48小时，这与谷物体系中已建立的乳酸菌（LAB）发酵模式一致，在该时间段内通常会发生显著的酸化和生化转化（Ren等，2018；Salamon等，2023）。此外，还进行了自然发酵，以评估土著混合微生物发酵与受控单菌株接种相比的影响（Zhang等，2023）。

BW生物加工研究中的一个重大空白在于低分子量代谢物的详细鉴定和编目，特别是那些具有抗氧化特性的代谢物，它们由各种加工技术独特地产生。传统的组成分析，如总酚含量（TPC）测定和抗氧化能力测量，评估了加工的总体影响，但未能提供关于单个活性分子的结构身份或处理特异性的见解（Hung等，2021；Xiao等，2021）。非靶向高分辨质谱（HRAMS），采用Q Exactive Plus Orbitrap平台上的数据依赖性MS2采集，结合基于Compound Discoverer的处理和通路富集分析，实现了对整个代谢物谱的全面、无偏见的编目。这包括各种加工条件下产生的酚类抗氧化剂、黄酮类化合物、氨基酸衍生物、B族维生素和梅拉德反应中间体，而无需将分析限制在预定义的一组化合物中（Xiao等，2021）。此前关于BW的代谢组学研究主要集中在特定化合物类别，如萌发或发酵过程中的芦丁和槲皮素，而没有系统地将发酵、发芽和萌发之间的完整处理特异性代谢物谱进行比较（Hung等，2021；Xiao等，2021）。因此，非靶向HRAMS是目前最全面的工具，用于阐明加工诱导的酶促转化与其产生的具有抗氧化活性的代谢物之间的机理联系。

以前的研究主要关注对BW发酵、萌发和发芽的单独检查，强调特定的组成或抗氧化结果（Borgonovi等，2023；Salamon等，2023；?ivkovi?等，2021）。然而，尚无比较研究同时对受控植物乳杆菌发酵、自然发酵、萌发和发芽对BWF综合化学和物理性质的影响进行评估。这包括抗营养因子、抗氧化能力、淀粉结晶度、颗粒微观结构、热转变、糊化、流变学性质、抗菌活性和基于HRAMS的代谢物分析，全部在单一综合分析框架内进行。解决这一空白是当前研究的主要动力和创新点。

本研究的目的是评估BWF的不同生物加工处理，包括不同时间间隔的植物乳杆菌发酵、自然发酵、萌发和发芽，并评估组成变化、抗氧化行为模式以及植酸和鞣酸等抗营养因子的降解潜力。生物加工的进一步影响通过研究结构变化（微观结构、热行为、结晶度和功能键合）、流变学性质（粘弹性行为）、抗菌潜力（食源性病原体）和基于非靶向HRAMS的代谢组学研究进行了评估，以相关性分析或鉴定与抗氧化性质相关的代谢物。这将是第一份记录不同生物加工处理产生的功能代谢物的报告，并为开发基于BWF的功能食品配料提供科学框架。这些发现预计将为选择生物加工策略以开发基于BWF的功能食品配料提供科学框架，并指导未来关于生物可及性、消化性、感官评价和放大的研究。

**章节片段**

**材料**

普通荞麦种子（Fagopyrum esculentum Moench）从印度北方邦坎普尔（26.46°N, 80.32°E）的当地农民处获得。采购后，由婆罗门多大学（Banaras Hindu University）的一位植物学家（Prof. Naval Kishor Dubey）进行物种鉴定，并在婆罗门多大学植物学系存放了凭证标本以备将来参考，编号为Voucher No.- Polygona. 2023/01。由于这些种子属于地方地方种群，具有农民保留的特征...

**近亲组成**

BWF的近亲组成在所有生物加工处理中与CBW相比均显示出显著差异（p < 0.05）（表1）。水分含量从CBW的9.02 ± 0.10 g/100 g增加到MBW的13.74 ± 0.09 g/100 g。这种增加归因于浸麦和萌发阶段的水吸收（Hung等，2021），以及发酵过程中的代谢水产生和大分子的部分水解（Adebo等，2022）。

蛋白质含量

**CRediT作者贡献声明**

Kumari Amita Singh：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据整理。Raj Kumar Duary：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，监督，资源，项目管理，资金获取，正式分析，概念化。Sunil Kumar：撰写—初稿，方法论，调查，正式分析。Anchal Singh：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿...

**未引用参考文献**

Arora, Sharma and Kochhar, 2026
Eglite-Antona, Majore and Ciprovica, 2026
Huang, Li and Liu, 2018
Inglett, Xu, Stevenson and Chen, 2009
Kumar, Singh and Saxena, 2023
Leon, Mery, Pedreschi and Leon, 2006
Liang et al., 2025
Matej?eková, Soltészová, A?ai, Liptáková and Valík, 2018
Olatoye et al., 2025
Pathare, Opara and Al-Said, 2013
Rodríguez-Espa?a, Figueroa-Hernández, de Dios Figueroa-Cárdenas, Rayas-Duarte and Hernández-Estrada, 2022b
Salazar-Orbea, García-Villalba, Sánchez-Siles, Tomás-Barberán and...

**利益冲突声明**

作者声明以下财务利益/个人关系，可被视为潜在利益冲突：RAJ KUMAR DUARY报告称婆罗门多大学提供了行政支持。RAJ KUMAR DUARY报告称与婆罗门多大学存在包括雇佣在内的关系。若有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**

作者衷心感谢印度婆罗门多大学（BHU）提供开展研究的设施。同时衷心感谢印度婆罗门多大学卓越机构（IoE）在教授成员信贷-研究激励计划（开发方案编号6031(A)；PFMS方案编号3254）和学生（方案编号JRF/S11）方面的支持，以及中央发现中心提供本研究中使用的仪器设施。Kumari Amita Singh衷心表达...

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