固态发酵对常见豆类、扁豆和鹰嘴豆的蛋白质含量、氨基酸消化率及抗营养成分的影响

豆类固态发酵调控蛋白质质量及抗营养因子研究。采用Bacillus subtilis发酵12和48小时，发现延长发酵显著提高干基蛋白含量（23.8%-21.1%），但导致鹰嘴豆和扁豆消化率下降。发酵12小时改善鹰嘴豆DIAAS至72.5%，而48小时降低扁豆DIAAS至63.2%。抗营养因子如植酸和单宁显著减少（降幅达34%-58%），但发酵时间影响氨基酸组成平衡，如赖氨酸和精氨酸比例变化。研究证实固态发酵对蛋白质质量具有时空依赖的双向调控作用。

安妮卡·卢克斯（Annika Lux）|亚历山德拉·泰斯·施耐德（Alexandra Tais Schneider）|凯瑟琳·马尔克斯（Katherine Márquez）|里卡多·佩雷斯-迪亚兹（Ricardo Pérez-Díaz）|扬·弗兰克（Jan Frank）|费利佩·希门尼斯-阿斯佩（Felipe Jiménez-Aspee）

德国斯图加特霍恩海姆大学（University of Hohenheim）营养科学研究所食品生物功能性系（140b），邮编70599

摘要

豆类是蛋白质的重要来源，但其营养价值受到抗营养因子和必需氨基酸消化率低的限制。发酵通过减少抗营养成分和改变蛋白质结构来提高豆类蛋白质的营养价值。本研究探讨了使用枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）进行固态发酵12小时和48小时后，对普通豆类、扁豆和鹰嘴豆的蛋白质含量、氨基酸组成、蛋白质及个别氨基酸的消化率以及抗营养因子（包括植酸和总酚类化合物）的影响。长时间发酵使蛋白质含量（以干重计）显著增加，并导致氨基酸谱型发生变化。根据豆类种类和发酵时间的不同，发酵导致必需氨基酸重新分布，色氨酸、苯丙氨酸和半胱氨酸含量增加，而亮氨酸和精氨酸等氨基酸含量减少。短期发酵（12小时）提高了鹰嘴豆各年龄组中氨基酸的消化率及可消化必需氨基酸评分（DIAAS）。豆类的消化率总体保持稳定，扁豆的消化率基本未受影响，仅部分氨基酸略有下降。相比之下，长时间发酵（48小时）普遍降低了氨基酸的消化率，尤其是在扁豆中。抗营养因子的减少主要发生在发酵早期，这与某些豆类的消化率保持或提高相吻合。尽管成分和消化率发生了变化，所有样本的DIAAS仍低于FAO规定的75%标准，因此无法声称其蛋白质质量达到优质水平。总体而言，这些发现表明发酵在提升和调节蛋白质质量方面具有双重作用。优化发酵参数（尤其是时间）可最大化营养效益。

引言

豆类是豆科植物（如豆子、扁豆和鹰嘴豆）的可食用种子，在全球范围内是人类饮食的重要组成部分。它们是植物蛋白质的主要来源，尤其在动物蛋白获取有限的地区对粮食安全具有重要意义（Mudryj, 2019）。除了蛋白质外，豆类还富含维生素、矿物质和膳食纤维（Siddiq & Uebersax, 2022）。定期食用豆类与2型糖尿病和心血管疾病的风险降低有关（Feizollahi et al., 2021）。此外，豆类中的纤维有助于增加饱腹感并有助于体重管理（Clark & Duncan, 2017）。然而，豆类也含有抗营养因子，如（多）酚类、植酸和蛋白酶抑制剂（Kumar et al., 2021），这些成分会干扰矿物质的吸收和利用。通过浸泡、烹饪、高压灭菌和辐照等处理可以降低抗营养因子的含量（Singh et al., 2025），但这些方法也可能导致营养成分流失并影响感官品质。因此，生物加工方法（尤其是微生物发酵）因能改善豆类的营养、功能和感官特性而受到越来越多的关注（Frias et al., 2017）。

发酵是一种生物技术过程，其中微生物代谢底物，通常会导致大分子结构改变和抗营养因子的降解。发酵过程中产生的酶和有机酸可减少植酸和蛋白酶抑制剂，破坏蛋白质-酚类或蛋白质-多糖复合物，从而提高蛋白质的消化酶可及性，进而改善氨基酸的生物利用度和消化率（Kårlund et al., 2020）。除了营养效果外，发酵还能改善食品的风味、香气、保质期和微生物安全性（Siddiqui et al., 2023）。然而，发酵的营养影响很大程度上取决于底物的植物来源、蛋白质结构、基质组成和基础消化率。不同豆类的储存蛋白质组成、蛋白质交联程度、与酚类化合物的结合情况以及抗营养因子的含量存在显著差异，这些因素都会影响其对微生物处理的响应（Messina et al., 2025）。例如，鹰嘴豆蛋白质通常含有开放构象的vicilin型球蛋白，二硫键较少（Contardo et al., 2025）；而普通豆类的蛋白质结构更紧凑，与酚类和膳食纤维的结合更强；扁豆的蛋白质消化率相对较高（Nosworthy et al., 2018）。这些内在差异表明，发酵对蛋白质消化率的改善程度因豆类种类、发酵时间和微生物代谢方式而异。

在各种发酵策略中，固态发酵尤为值得关注。与液态发酵相比，固态发酵耗水量少、能耗低，污染风险低，且便于大规模生产（Mattedi et al., 2023）。该技术利用低水分含量的固体基质培养微生物，模拟自然微生物栖息环境，特别适合产孢细菌（如枯草芽孢杆菌），这种微生物被列入GRAS名录，具有强大的蛋白水解和植酸酶生成能力（Li and Wang, 2021）。先前的研究表明，固态发酵可通过微生物蛋白水解、储存蛋白的部分展开、蛋白质溶解度的提高以及抗营养因子（如植酸和蛋白酶抑制剂）的减少来改善豆类及其蛋白质提取物的消化率（Li and Wang, 2021; Suprayogi et al., 2022; Stone et al., 2024）。然而，现有研究大多集中在蛋白质分离物或单一豆类上，很少在生理相关条件下评估氨基酸的消化率。特别是固态发酵对整体豆粉中抗营养因子、个别氨基酸消化率和可消化必需氨基酸评分（DIAAS）的综合影响尚不明确。

为填补这一研究空白，本研究使用INFOGEST消化模型，评估了使用枯草芽孢杆菌进行12小时和48小时固态发酵对普通豆类、扁豆和鹰嘴豆的蛋白质含量、氨基酸组成、体外蛋白质及个别氨基酸消化率、抗营养因子（植酸、（多）酚类和胰蛋白酶抑制剂）以及蛋白质质量指标（DIAAR和DIAAS）的影响。通过综合成分分析、消化率和蛋白质质量评估，本研究旨在阐明豆类对发酵的特异性和时间依赖性反应，并探讨固态发酵在提高豆类蛋白质质量方面的潜力和局限性。

化学试剂

氨基酸标准品、内标、酶、溶剂和试剂均购自Sigma-Aldrich（德国）和Carl Roth GmbH（德国）。枯草芽孢杆菌（ATCC® 6051）购自Microbiologics（美国）。

豆类样品和固态发酵

2023年夏季，来自智利Maule地区的当地农民提供了普通豆类（Phaseolus vulgaris，品种‘Sapito’）、扁豆（Lens culinaris，品种‘De Loma’）和鹰嘴豆（Cicer arietinum，商业品种）的种子。样品在实验前进行了清洗。

总蛋白质和氨基酸组成

豆类、扁豆和鹰嘴豆的蛋白质含量（表1）与先前报道的结果一致（Singh et al., 2022）。短期发酵（12小时）并未增加豆类或鹰嘴豆的蛋白质含量，反而使扁豆的蛋白质含量略有下降（表1）。相反，长时间发酵（48小时）使三种豆类的蛋白质含量（以干重计）显著增加，分别增加了23.8%、6.9%和21.1%

结论

本研究表明，使用枯草芽孢杆菌进行固态发酵会显著改变豆类、扁豆和鹰嘴豆的蛋白质含量、氨基酸组成、消化率和抗营养因子，这种变化具有明显的豆类种类和时间依赖性。发酵后蛋白质含量的增加主要是由于干物质损失和氮的重新分布，而非净蛋白质合成。发酵导致氨基酸组成发生显著变化

作者贡献声明

安妮卡·卢克斯（Annika Lux）：撰写初稿、实验设计、数据分析、数据管理。亚历山德拉·泰斯·施耐德（Alexandra Tais Schneider）：实验设计、数据分析、概念构思。凯瑟琳·马尔克斯（Katherine Márquez）：撰写初稿、结果验证、项目监督、方法设计、实验实施、资金申请、数据分析、概念构思。里卡多·佩雷斯-迪亚兹（Ricardo Pérez-Díaz）：方法设计、实验实施。扬·弗兰克（Jan Frank）：撰写初稿、结果验证、项目监督、资源协调、资金管理

未引用参考文献

Aderinola and Duodu, 2022
Carbonaro, Virgili and Carnovale, 1996
Ferreira, Vasconcelos, Gil and Pinto, 2020
Singh, Singh, Shevkani, Singh and Kaur, 2016
Singh, 1988

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了智利国家研究与发展机构（ANID）项目Fondecyt Iniciacion N° 11231166和Fondo de Innovación para la Competitividad（FIC）以及Maule地区政府项目BIP 40.047.043-0的支持。