《Food Chemistry》：Sustainable valorization of Eston lentil hulls: steam explosion as a green technology to enhance the phenolic compounds release and their potential health benefits
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酚类化合物释放和抗氧化活性提升的蒸汽爆破处理研究。摘要通过蒸汽爆破处理提高扁豆壳中酚类化合物的生物可及性，分析显示处理显著减少不可溶结合酚类（减少54.8%）并增加游离酚类（增加47.2%），总酚含量下降31.1%。UHPLC-QTOF-MS/MS检测到包括表没食子儿茶素、原儿茶酸和邻苯二甲酸在内的21种酚类化合物，证实蒸汽爆破能有效转化酯化、糖苷化及不可溶结合酚为游离形式，增强自由基清除和酶抑制活性，为功能性食品开发提供新思路。
Sarusha Santhiravel | Fereidoon Shahidi
纽芬兰纪念大学生物化学系，圣约翰斯，NL A1C 5S7，加拿大
摘要
扁豆壳是扁豆加工的副产品，富含促进健康的酚类化合物，其中大多数紧密结合在细胞壁基质中，限制了其生物可利用性。本研究探讨了使用蒸汽爆破（SE）技术来增强埃斯顿扁豆壳中酚类化合物的释放。UHPLC-QTOF-MS/MS分析鉴定了21种酚类化合物，包括儿茶素、原儿茶酸和对羟基苯甲酸，这些化合物存在于游离态、酯化态、糖基化态和难溶结合态中。SE处理显著降低了难溶结合态酚类化合物的含量（p < 0.05），表明这些化合物从细胞壁结构中释放出来；同时游离态酚类化合物的含量增加了47.2%，证实了结合态、酯化态和糖基化态酚类化合物转化为了游离态。尽管游离态酚类化合物的增加幅度超过了难溶结合态的减少幅度，但总酚类化合物含量仅降低了31.1%。这种重新分布增强了游离态酚类化合物的抗氧化和酶抑制活性，表明SE技术有望用于将扁豆壳转化为功能性食品和营养保健品。
引言
食物损失和浪费仍然是全球面临的主要挑战，全球约三分之一的食物在生产后遭到损失或浪费（联合国，2025年）。其中大部分损失发生在收获后的处理和加工过程中，产生了大量未被充分利用的副产品，尽管这些副产品具有营养和功能性潜力（粮农组织，2019年）。在豆类农业产业链中，高达25%的收成作为副产品被浪费，尤其是在初级加工阶段（Yu等人，2025年）。这种低效率凸显了开发可持续策略以将植物基副产品转化为高价值食品成分的紧迫性。
扁豆（Lens culinaris）是一种小型、透镜状的豆类，因其高营养价值、经济实惠和多功能性而在全球广泛食用；其中埃斯顿扁豆（Lens culinaris Medik）是一种受欢迎的绿色品种，以其小体积和淡绿色而著称。它们主要在加拿大种植，特别是在萨斯喀彻温省以及其他温带地区（Slinkard，1981年）。扁豆是蛋白质、复杂碳水化合物、膳食纤维以及铁、锌和叶酸等必需微量营养素的良好来源（Kaale等人，2023年）。除了营养成分外，扁豆还富含生物活性化合物，尤其是多酚和植物雌激素。定期食用扁豆与多种健康益处相关，包括改善心血管健康、增强血糖控制和消化功能。扁豆是素食者和纯素食者的重要蛋白质来源，其低消化性碳水化合物具有益生元作用，有助于促进有益的肠道微生物群（Montejano-Ramírez & Valencia-Cantero，2024年）。尽管营养价值丰富，埃斯顿扁豆在增值应用中仍未被充分利用（Slinkard，1981年）。在收获后加工过程中，去壳是生产裂片扁豆和扁豆粉之前的主要步骤，这一过程会产生扁豆壳，其重量可占扁豆总质量的28%（Pugliese等人，2024年）。这些壳通常被作为废物丢弃或用作低价值的动物饲料。虽然扁豆壳因其高膳食纤维含量而受到重视（Bautista-Expósito等人，2022年），但它们作为有价值的植物化学物质（尤其是多种酚类化合物）的来源却较少被认可。
酚类化合物是一类天然存在于植物中的次生代谢物，在抵御紫外线辐射、病原体和食草动物等环境压力因素方面发挥着关键作用（Saini等人，2024年）。在扁豆中，主要的酚类化合物包括酚酸、黄酮类和原花青素（Yeo & Shahidi，2017年）。这些化合物因其强大的抗氧化活性而广受认可，并与多种健康益处相关，包括预防心血管疾病、2型糖尿病和神经退行性疾病（Santhiravel等人，2022年）。在植物细胞中，酚类化合物主要分布在栅栏组织中，根据其溶解性可分为两类：可溶性和难溶结合态酚类（见S1）。可溶性酚类主要储存在液泡中，并可根据其结合类型进一步分为三个亚组（Paranavitana等人，2021年）。第一组是游离态酚类（FP），未结合其他分子，处于自由形式；第二组是酯化态酚类（EP），通过酯键与脂肪酸或葡萄糖醛酸结合；第三组是糖基化态酚类（GP），通过糖苷键与可溶性碳水化合物结合（Zhong等人，2022年）。相比之下，难溶结合态酚类（IBP）与细胞壁结构成分（如纤维素、果胶、木质素和结构蛋白）共价结合。这些结合通过强醚键、酯键和碳-碳（C-C）键形成，使得这些酚类难以从植物组织中释放。据估计，大多数酚类化合物以结合态存在，占总酚类化合物的35-95%（Shahidi & Hossain，2023年）。这种结合态限制了它们的生物可利用性，从而影响了它们的健康益处。然而，适当的预处理方法可以促进这些结合态酚类的释放，从而增强其抗氧化潜力和生物活性。
蒸汽爆破（SE）是一种创新的预处理技术，近年来受到了越来越多的关注。该技术最初用于木材加工和造纸行业，因能有效破坏木质纤维素基质而受到重视，现在也被视为处理动物饲料、食品、农业副产品和药用植物的有前景的方法（Wan, Feng等人，2022年）。作为一种绿色技术，SE具有环保、节能且无需化学试剂的特点（Shen等人，2024年）。与其他热处理方法不同，SE不会产生有害副产品，对人类健康和环境系统更为安全可持续（Wang, Lin等人，2023年）。由于SE能提高生物活性成分的释放和可提取性，它在食品和营养保健品领域引起了越来越多的兴趣。研究表明，SE可以改善酚类、膳食纤维和蛋白质等有价值化合物的释放和生物可利用性，从而提升植物基材料的营养和功能特性（Wang, Yuan等人，2023年）。
然而，高温和高压可能导致热敏感化合物的部分热降解、聚合物的结构变化以及降解产物的形成（Wang, Lin等人，2023年）。此外，该过程在工业规模上可能耗能较高，这会影响其整体可持续性，具体取决于能源来源和工艺优化。因此，仔细控制和优化SE参数对于在保持细胞壁破坏效率的同时保护生物活性化合物至关重要。尽管存在这些挑战，适当优化的SE仍然是利用植物基副产品的好方法。
尽管SE已被用于提高某些植物基质中酚类化合物的释放，但作为绿色且可扩展的技术来利用扁豆加工副产品的应用仍大多未被探索。据我们所知，这是首次专门研究SE对埃斯顿扁豆壳的应用，特别是针对难溶结合态酚类的释放，这是壳副产品中最主要但生物可利用性最低的酚类成分。此外，现有研究主要集中在抗氧化活性上，而壳衍生酚类的其他相关生物功能仍缺乏研究。本研究旨在探讨SE预处理对增强埃斯顿扁豆壳中难溶结合态酚类释放的效果，目标是将其作为食品和营养保健品的功能性成分加以利用。
材料与试剂
埃斯顿扁豆由加拿大农业和农业食品部（Guelph, ON）的ADM公司提供。使用的化学试剂包括Folin–Ciocalteu酚试剂、2,2′-偶氮-双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)（ABTS）、2,2-二苯基-1-吡啶基肼（DPPH）、2,2′-偶氮双(2-甲基丙酰胺)二盐酸盐（AAPH）、5,5-二甲基-1-吡咯烷N-氧化物（DMPO）、4-硝基苯基β-D-吡喃糖苷（PNPG）、二硝基水杨酸（DNS）、4-硝基苯基辛酸、牛血清白蛋白（BSA）等。
总酚类和黄酮类化合物含量
图1展示了未经处理和经SE处理的扁豆壳中游离态、酯化态、糖基化态和难溶结合态酚类的总酚类（TPC）和总黄酮类（TFC）含量。在未经处理的样品中，酚类主要分布在酯化态（4.6 mg GAE/g），其次是难溶结合态（2.7 mg GAE/g）、游离态（2.6 mg GAE/g）和糖基化态（1.8 mg GAE/g）。这一分布模式与先前的研究结果一致，即豆类壳中的大部分酚类化合物存在于酯化态。
结论
SE有效改变了埃斯顿扁豆壳的酚类组成，提高了游离态酚类的浓度，同时降低了酯化态、糖基化态和难溶结合态酚类的含量。这种重新分布伴随着个别酚类化合物的变化，例如游离态中的儿茶素、原儿茶酸、咖啡酸和对羟基苯甲酸含量增加；而某些热不稳定或聚合物态酚类（如阿魏酰酒石酸和某些糖苷）则减少。
作者贡献声明
Sarusha Santhiravel：撰写——初稿撰写、可视化、方法设计、数据分析、概念构建。
Fereidoon Shahidi：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、概念构建。
资助
本研究得到了加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）的Discovery Grant（RGPIN-201604468）的支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢化学分析、研究与培训中心（C-CART）和纪念大学质谱设施提供的仪器支持。特别感谢纪念大学的Stefana Egli博士在UHPLC-QTOF-MS/MS分析方面的协助。
