《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Dual-frequency ultrasound pretreatment enhances nutritional quality and protein digestibility of germinated grass pea (
Lathyrus sativus L.) flour
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本研究采用双频超声预处理发芽豌豆种子，显著提升其蛋白质含量及抗氧化活性，降低总糖、单宁及β-ODAP水平，改善功能特性及体外消化率。
张志娟|尹佳宇|徐慧聪|戴斌|段玉清|胡凯|蔡美红|张海辉
江苏大学食品与生物工程学院，镇江212013，中国
摘要
为了提高发芽草豌豆（Lathyrus sativus L.）面粉的营养和功能性，本研究对草豌豆种子进行了双频超声波预处理。与未处理组（CWF）和单频超声波处理组（SWF）相比，双频超声波处理（DWF）显著增加了蛋白质的积累，并降低了总糖含量。双频超声波处理促进了发芽过程中总酚类、总黄酮类和维生素C的积累，分别比对照组增加了8.43%、11.94%和14.92%。单宁和β-ODAP在发芽初期有所下降，随后又有所上升。在整个过程中，DWF组的单宁含量始终显著低于CWF组和SWF组（p < 0.05）。在发芽的前48小时内，DWF加速了β-ODAP的降解，使其含量减少了26.39%。然而，在48小时后，DWF促进了β-ODAP的积累，在144小时时达到244.55 mg/100 g。此外，双频超声波预处理显著改善了草豌豆面粉的吸水能力、吸油能力和凝胶水合性能（p < 0.05），同时降低了结晶度（p < 0.05）。研究表明，DWF对一级和三级蛋白质结构的影响使其体外消化率分别提高了25.22%和8.72%，优于CWF组和SWF组。因此，双频超声波是一种高效且经济的方法，可用于改善发芽草豌豆面粉的营养和功能特性，为草豌豆的高价值利用提供了新的策略。
引言
草豌豆（Lathyrus sativus L.）是一种一年生豆科植物，主要分布于美国、俄罗斯、加拿大、日本和中国，具有高蛋白质含量（18–34%）和广谱抗逆性（Siddique等人，2021年），并且有着悠久的人类食用历史（Lambein等人，2019年）。由于其丰富的营养价值和易于栽培的特点，草豌豆被联合国列为未来智能食品（Siddique等人，2021年）。草豌豆富含维生素B复合物、抗坏血酸以及大量的磷和钙矿物质（Arshad等人，2023年）。与其他豆类一样，草豌豆含有丰富的赖氨酸，这种氨基酸在谷物中通常含量较低，但其半胱氨酸和甲硫氨酸含量相对较低。值得注意的是，草豌豆是L-同型精氨酸的唯一食物来源，这种氨基酸与神经修复机制有关（Lambein等人，2019年）。研究表明，草豌豆有助于缓解心血管疾病、糖尿病、缺氧和高血压等症状（Cacak-Pietrzak等人，2023年）。然而，草豌豆中也含有大量的抗营养因子，尤其是单宁和神经毒性氨基酸β-N-氧代-L-α, β-二氨基丙酸（β-ODAP）（Arshad等人，2023年）。这些成分会阻碍人体对蛋白质和矿物质的吸收，过量摄入可能导致疾病，从而限制了其作为食物的用途（Buta等人，2019年）。过量摄入β-ODAP可能对人体和牲畜造成神经退行性障碍。关键在于，只有当草豌豆长期作为主要食物来源时，β-ODAP的毒性才会显现（Chaurasia等人，2019年）。当草豌豆在饮食中的比例低于三分之一时，食用是安全的（Lambein等人，2019年）。有趣的是，低剂量的β-ODAP具有神经保护作用（Koh等人，2005年）。β-ODAP还存在于传统中药如人参（Panax notoginseng）和Panax ginseng中。研究表明，β-ODAP可能激活蛋白激酶C并刺激神经元，对阿尔茨海默病、缺氧适应和记忆增强具有潜在的治疗意义（Singh & Rao，2013年）。尽管低剂量的β-ODAP可能有益，但在食用前仍需适当处理以减少这些抗营养因子。常见的豆类加工技术如煮沸、浸泡、发酵、微波处理、去壳和发芽可以有效降低抗营养因子（Barpete等人，2021年）。与其他加工技术相比，发芽是一种低成本且环保的方法。Arshad等人（2023年）证明，48小时的发芽显著增加了草豌豆中的蛋白质和纤维含量，并将β-ODAP含量降低了37%，这一降幅比发酵处理更大。与未处理的草豌豆面粉相比，发芽后的草豌豆面粉在流动性、吸水能力、吸油能力、起泡能力和乳化能力等方面都有显著改善，同时降低了糊化温度和结晶度（Lakshmipathy等人，2024年）。虽然发芽已被证明可以改变鹰嘴豆的蛋白质结构并显著提高其体外消化率（Mao等人，2024年），但关于草豌豆的类似研究仍不足。
发芽通常与其他技术结合使用，以有效降低抗营养因子并提高豆类的营养价值。目前与发芽结合的技术主要包括干燥、超声波、臭氧、冷等离子体、等离子体活化水和脉冲电场以及高压处理。超声波作为一种环保且有效的非热处理技术，已被广泛用于种子的播种前处理。多项研究表明，超声波可以促进种子发芽并提高幼苗的营养成分。例如，Chiu（2021年）发现，40 kHz和80 kHz的超声波处理促进了红豆种子的发芽，增加了幼苗中的总酚类、黄酮类和皂苷的含量，进一步增强了红豆幼苗的抗氧化活性。同样，Yu等人（2024年）发现，高强度超声波降低了红芸豆中的抗营养因子含量，并增加了总蛋白和可溶性蛋白的含量。此外，超声波处理还降低了花生幼苗中Ara h 1相关基因的表达，从而降低了幼苗中的Ara h 1水平（Yu等人，2021年）。Zhou等人（2025年）的研究表明，多频超声波处理改变了发芽小麦的蛋白质结构，从而改善了发芽小麦面粉的加工性能。超声波促进种子发芽和随后的生物活性积累主要归因于空化效应（Kumar等人，2023年）。与单频超声波相比，双频处理显著增强了空化效应和机械效应。当频率和压力幅度差异较小时，效果最为明显，且双频超声波的能量分布比单频超声波更均匀（Li等人，2022年）。空化效应可能在种子表皮生成纳米孔，加速水分扩散和发芽过程（Kumar等人，2023年）。三频超声波的空化效应比双频超声波更强，但Chen等人（2023年）的研究表明，双频超声波在促进大豆发芽方面优于三频超声波，可能是因为三频超声波的频率叠加会对种子造成损伤。因此，我们推测双频超声波辅助发芽可以显著提高草豌豆的蛋白质含量和生物活性，降低抗营养因子的水平，改变蛋白质结构，并改善发芽草豌豆的加工性能。然而，双频超声波对发芽豆类面粉功能特性的影响尚未得到充分研究，目前尚无研究探讨其对草豌豆面粉的影响。
因此，本研究旨在探讨双频超声波预处理与发芽结合对草豌豆面粉的影响，重点关注其营养成分、生物活性化合物、抗营养因子、功能特性、微观结构、蛋白质结构和体外消化率。这项工作可能提供一种有效的加工方法，以改善草豌豆面粉的性能，并为其在不同食品领域的应用提供有价值的信息。
材料与试剂
本研究中使用的草豌豆种子属于Lathyrus sativus L.家族，是一种一年生作物，主要分布于美国、俄罗斯、加拿大、日本和中国。草豌豆在中国北部、西北部和西南部地区种植。种子由江苏春泽曼婷贸易有限公司提供。
营养成分
表1显示了草豌豆发芽过程中脂肪、蛋白质和总糖的动态变化。在整个发芽过程中，脂肪酸含量呈波动趋势，SWF组、DWF组和CWF组之间存在显著差异（p < 0.05）。在发芽初期，脂肪酶和β-氧化途径被激活，驱动脂肪酸代谢，导致种子储存的脂肪分解以提供发芽所需的能量。
结论
本研究证明，双频超声波处理显著提高了发芽草豌豆面粉的营养价值和功能特性，并进一步改善了其体外消化率。具体来说，该处理增加了蛋白质含量，加速了生物活性化合物的积累，并提高了抗氧化活性。此外，在发芽48小时内，它显著降低了总糖、单宁和β-ODAP的水平。值得注意的是，β-ODAP的含量有所下降。
作者贡献声明
张志娟：撰写初稿、验证、方法学设计。尹佳宇：方法学设计。徐慧聪：方法学设计。戴斌：方法学设计。段玉清：项目监督、项目管理、方法学设计、资金获取。胡凯：验证。蔡美红：验证。张海辉：撰写、审稿与编辑、项目监督、方法学设计。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2024YFD2100304）和国家自然科学基金（32072354）的支持。
我们确认本手稿是原创的，此前未发表过，也没有在其他地方接受发表审查。所有作者均已阅读并批准了本手稿的内容，手稿中列出的作者顺序也得到了我们的认可。
