学术报告：解码抗营养因子的双重性——评估蛋白质提取方法对植物蛋白源的影响

一、 引言与背景

本文是一篇发表于《Journal of Agricultural and Food Chemistry》2024年第72卷的综述性文章。作者为Maria Lilibeth Manzanilla-Valdez, Zidan Ma, Martin Mondor以及通讯作者Alan Javier Hernández-Álvarez，他们分别来自英国利兹大学食品科学与营养学院，以及加拿大农业与农业食品部圣亚森特研发中心和拉瓦尔大学营养与功能性食品研究所。该综述隶属于该期刊的虚拟特刊“负责任食品消费与生产的替代蛋白质来源”。

随着全球人口增长、环境可持续性关注度提升以及消费者对健康饮食的追求，植物基食品市场正在经历前所未有的扩张。植物蛋白作为动物蛋白的可持续替代品，其需求急剧增加。然而，植物原料中天然存在的抗营养因子（Antinutritional Factors, ANFs）对植物蛋白产品的营养品质和健康效应构成了复杂挑战。ANFs是一类能干扰营养物质消化、吸收和利用的化合物，常见于豆类、谷物和坚果中，主要包括凝集素（Lectins）、胰蛋白酶抑制剂（Trypsin Inhibitors）、植酸（Phytic Acid）、酚类化合物（Phenolic Compounds）、草酸盐（Oxalates）、皂苷（Saponins）、单宁（Tannins）和氰苷（Cyanogenic Glycosides）等。

长期以来，ANFs因其可能引起的蛋白质消化率降低、矿物质生物利用度下降以及胃肠道不适（如呕吐、腹胀）而备受关注。然而，近年来的研究揭示了ANFs的另一面：许多ANFs在适量摄入时表现出潜在的积极健康效应，如抗氧化、抗炎、抗癌、预防2型糖尿病以及调节胆固醇等。这种“双重性”使得对植物蛋白产品中ANFs的管理变得复杂且关键。

在植物蛋白成分（如蛋白富集组分、浓缩蛋白、分离蛋白）的生产过程中，采用的蛋白质提取与回收技术会显著影响最终产品中ANFs的种类、含量和活性。目前，工业上主要采用湿法提取（如碱溶酸沉）和干法分提（如空气分级）等传统方法，同时，超声波辅助提取、微波辅助提取、膜处理等新兴技术也在不断发展。然而，关于不同提取方法如何具体影响各类ANFs的系统性知识仍然匮乏，尤其是对于新兴技术。

因此，本综述旨在填补这一知识空白，其主要目标是为读者提供一个关于蛋白质提取/回收方法如何影响植物蛋白成分中ANFs的全面、更新的概述。文章系统梳理了不同提取技术的机制，分析了它们如何增强或降低特定ANFs的含量，并批判性地评估了现有证据，以增进对蛋白质提取与ANFs含量变化之间关系的理解。

二、 主要观点阐述

1. 抗营养因子的分类、作用机制与健康影响 ANFs可根据其热稳定性或化学结构进行分类。例如，植酸、单宁、生物碱和皂苷通常对热稳定，而凝集素、蛋白酶抑制剂和草酸盐则对热敏感。从化学角度，可分为蛋白质/酶抑制剂（如胰蛋白酶抑制剂、凝集素）、苷类（如氰苷、皂苷）、酚类（如单宁、酚酸）以及影响矿物质生物利用度的因子（如植酸、草酸盐）。

ANFs对人体健康的影响具有双重性。负面影响主要包括：抑制消化酶（如胰蛋白酶抑制剂降低蛋白质消化率）；与矿物质结合形成不溶性复合物（如植酸、草酸盐降低钙、铁、锌的吸收）；与膳食蛋白质结合影响其功能（如单宁导致蛋白质沉淀）；以及引起特定生理反应（如凝集素导致红细胞凝集，某些皂苷导致溶血）。正面影响则包括：抗氧化活性（许多酚类化合物、植酸）；预防慢性疾病（如一些胰蛋白酶抑制剂具有抗癌潜力，皂苷有助于降低胆固醇）；以及抗菌、抗病毒特性（如某些凝集素、皂苷）。这种双重性意味着在植物蛋白加工中，不能简单地追求完全去除ANFs，而需要根据目标产品的营养与健康定位进行精细化管理。

2. 蛋白质提取技术概述及其对ANFs影响的总体机制 蛋白质提取技术主要分为湿法提取和干法分提两大类。湿法提取，尤其是碱溶酸沉法，是最传统且研究最广泛的方法。其基本步骤是将原料分散在碱性水溶液中溶解蛋白质，然后调节pH至蛋白质的等电点使其沉淀。此过程通常能有效去除水溶性的ANFs（如部分酚类、单宁、皂苷），因为它们保留在上清液中被弃去。膜技术（如超滤/渗滤）作为湿法提取的延伸或替代，通过分子量截留来纯化蛋白质，其效果取决于膜孔径、pH和操作条件。干法分提（如研磨结合空气分级）则基于颗粒尺寸和密度的差异进行物理分离，不涉及水相，因此往往导致ANFs与蛋白质一同富集在蛋白富集组分中，其含量可能比原料中更高。

新兴的辅助提取技术，如超声波、微波、酶辅助提取等，主要通过破坏植物细胞结构、增强溶剂渗透或特异性水解来提高蛋白质得率。这些技术对ANFs的影响更为复杂，可能因处理强度、时间和物料特性的不同而导致ANFs的降解、释放或结构改变，相关研究目前仍很有限。

3. 各类具体抗营养因子在蛋白质提取过程中的变化与机制 * 胰蛋白酶抑制剂（Trypsin Inhibitors）：主要包括Kunitz型和Bowman-Birk型抑制剂。它们是蛋白质，因此其活性受提取条件影响显著。湿法提取，特别是碱溶酸沉，通常能显著降低胰蛋白酶抑制活性（TIA）。这是因为抑制剂在碱性条件下溶解，而在等电点沉淀时，其沉淀行为与目标蛋白可能不完全同步（例如，部分Bowman-Birk抑制剂的等电点低于常用沉淀pH 4.5），从而被分离出去。后续的干燥步骤（如喷雾干燥、冷冻干燥）也可能进一步降低其活性。相反，干法分提通常会导致TIA在蛋白富集组分中浓缩和增加，因为该过程是物理分离，不涉及抑制剂的化学变性或溶解去除。这一差异具有重要应用意义：若目标是生产低ANFs的高消化率蛋白产品，湿法提取更优；若希望保留胰蛋白酶抑制剂的潜在健康益处（如抗癌特性），则干法分提可能是一个选择。 * 植酸（Phytic Acid）：植酸因其六个磷酸基团具有很强的螯合能力，易与矿物质和蛋白质形成稳定的复合物。传统的热处理（如蒸煮、烘烤）和发芽能有效降低原料中的植酸。然而，在蛋白质提取过程中，植酸的去除更具挑战性。湿法提取中，植酸-蛋白质-矿物质三元复合物可能在等电点沉淀中被共同回收，导致植酸在蛋白分离物中富集。研究表明，在碱性条件下进行超滤/渗滤，特别是在pH 6而非pH 9或等电点pH 4.5条件下，能更有效地去除植酸，因为此时复合物结合较弱，小分子的植酸盐可以透过膜被除去。干法分提同样无法去除植酸，导致其在产品中浓缩。 * 凝集素（Lectins/Hemagglutinins）：凝集素是糖蛋白，对热敏感，长时间加热可使其失活。湿法提取，特别是碱溶酸沉，能有效降低或消除凝集素的活性。这是因为凝集素是水溶性蛋白，在碱性提取液中溶解，但在随后的等电点沉淀步骤中，它们可能不随目标蛋白一起沉淀，从而被分离。预处理如浸泡、脱壳对去除凝集素效果有限，因为它们常位于种子内部。微波处理等新兴技术也能通过热效应降低凝集素活性，但其在工业规模蛋白提取中的具体效果研究不足。 * 酚类化合物（Phenolic Compounds）：包括酚酸、黄酮类和单宁。它们能与蛋白质通过氢键、疏水相互作用和共价键（如氧化形成醌后与蛋白质交联）结合，影响蛋白质的溶解性、消化率和风味（产生涩味）。湿法提取通常能显著降低总酚含量（TPC）。例如，碱溶酸沉结合活性炭处理或蒸汽注射加热可去除90%以上的酚类。膜处理也能有效降低TPC。然而，某些预处理或加工条件反而可能增加TPC。例如，发芽过程会激活酶促反应，生物合成更多的酚类物质；焙烤可能通过美拉德反应产生类酚化合物。因此，最终产品中的酚类含量是原料本底值与加工过程共同作用的结果。 * 草酸盐（Oxalates）、皂苷（Saponins）与单宁（Tannins）：草酸盐研究相对较少，有研究表明碱溶酸沉和盐提取/胶束化可降低其在蛋白分离物中的含量。皂苷是极性化合物，可溶于水，因此湿法提取能有效将其去除，有研究报道蛋白浓缩物中皂苷含量比原料降低了50%。单宁作为水溶性酚类，其去除机制与酚类化合物类似，湿法提取、脱壳和浸泡都是有效的降低手段。例如，等电沉淀法可使单宁含量降低95%。发酵和碱液浸泡也能显著降低单宁。 * 其他ANFs（如氰苷、硫苷、黄酮类、嘧啶苷）：关于新兴提取技术对这些ANFs影响的研究非常稀缺。有限证据表明，湿法提取能有效去除芥菜蛋白分离物中的硫苷（Glucosinolates）及其水解产物。发芽显著增加了鹰嘴豆蛋白分离物中的黄酮类含量。对于蚕豆中的嘧啶苷（vicine和convicine），高盐提取可能导致其浓缩，而结合胶束化步骤则可降低其含量。

4. 技术前瞻与战略展望 本综述最后提出了战略性的前瞻观点。ANFs在植物蛋白成分中的存在是一把“双刃剑”，同时带来健康风险和潜在益处。因此，蛋白质提取方法的选择应基于对最终产品营养与功能特性的设计目标。 * 湿法提取（如碱溶酸沉）在降低大多数ANFs（如胰蛋白酶抑制剂、凝集素、酚类、单宁、皂苷）方面普遍有效，适用于生产高消化率、低ANFs的蛋白成分。 * 干法分提则倾向于保留或浓缩ANFs，为开发具有特定生物活性（如保留胰蛋白酶抑制剂抗癌潜力或酚类抗氧化活性）的功能性蛋白成分提供了可能。 * 膜处理技术，特别是在优化pH条件下，在选择性去除如植酸等特定ANFs方面展现出潜力。 * 对于新兴技术（超声、微波、酶法等）如何影响ANFs，目前认知存在巨大空白，亟需更多研究。 * 预处理步骤（如脱壳、浸泡、发芽、焙烤）与提取工艺的结合，是调控ANFs含量的关键环节。

未来的研究需要更系统地表征不同提取工艺（包括传统与新兴）对各类ANFs含量和活性的具体影响，并深入探讨这些残留的ANFs在复杂食品基质中对消费者健康的实际影响（正面与负面）。这需要营养学、食品化学和加工技术的跨学科合作。

三、 论文的意义与价值

本综述的系统性梳理具有重要的学术和应用价值： 1. 整合知识，填补空白：首次全面、系统地总结了不同蛋白质提取/回收方法对植物蛋白成分中多种关键ANFs的影响，整合了分散的研究发现，明确了当前知识的薄弱环节（尤其是新兴技术），为未来研究指明了方向。 2. 阐明机制，深化理解：不仅描述了现象（含量增减），更深入探讨了背后化学与物理机制（如溶解度差异、等电点行为、复合物形成、热稳定性等），帮助读者理解为何不同技术会产生不同效果。 3. 强调双重性，引导理性认知：突破将ANFs单纯视为“有害物质”的传统观念，引导学术界和工业界正视其潜在的生物活性与健康益处，推动从“简单去除”到“精准管理”的范式转变。 4. 指导产业应用：为植物蛋白生产商提供了基于科学证据的工艺选择依据。企业可以根据目标产品定位（例如，高纯运动营养蛋白 vs. 富含生物活性成分的功能食品），选择最合适的提取技术和预处理方法，实现产品特性的定制化。 5. 促进可持续与健康食品开发：通过优化加工技术，可以在最大化植物蛋白环境效益和产能的同时，更好地管理其营养品质与安全性，推动植物基食品行业的健康发展，满足消费者对美味、营养、健康、可持续食品的多重需求。

这篇综述是连接植物蛋白基础研究、加工技术与终端产品营养健康属性之间的一座重要桥梁，对科研人员和食品工业从业者都具有很高的参考价值。