菜豆（Phaseolus vulgaris L.）品种作为蛋白质原料生产的比较评价

《Journal of Agriculture and Food Research》：Comparative evaluation of common bean (Phaseolus vulgaris L.) varieties as raw material for protein ingredient production

　　

考虑到菜豆（Phaseolus vulgaris L.）巨大的遗传多样性，本研究评估了特定品种作为蛋白质原料生产的适宜性。研究人员选择了六个具有明显宏观特征的干豆品种，全面分析了其化学组成、氨基酸和SDS-PAGE图谱、蛋白质溶解度、提取效率、抗营养因子和颜色特性。豆粉的蛋白质含量为21.1%至30.8%干重（dw），通过碱提取和等电沉淀，蛋白质含量相对于原始豆粉提高了高达260%，得到蛋白质纯度为74.1%至84.1% dw。Goldfield品种因其良好的溶解度特性而表现出最高的蛋白质纯度（83.8% dw）、蛋白质得率（56.8% dw）和产品得率（19.7% dw）。胰蛋白酶抑制剂活性（TIA）和植酸含量在不同品种间存在差异，其中Fla Deux、Purple Teepee和Odessa的抗营养因子含量较低。Purple Teepee表现出最高的血凝活性（HA），而Borlotto Rosso的HA水平最低。脱壳并未显著改善蛋白质提取效率或充分降低植酸和TIA，因为这些化合物主要存在于子叶中而非豆壳中。然而，脱壳使蛋白质原料颜色更均匀、更浅，尤其是对于具有深色种皮的品种。这些发现突显了菜豆（Phaseolus vulgaris L.）遗传多样性的影响，并强调了原料选择在开发功能性豆类原料中的关键作用，为在食品应用中利用未充分利用的菜豆品种提供了比较框架。

菜豆（Phaseolus vulgaris L.）作为重要的豆类作物，其蛋白质含量高（20–30% dw）、储存稳定性好，且具有丰富的遗传多样性（超过40,000个已知品种），是极具潜力的植物蛋白质原料。然而，目前植物蛋白市场仍以大豆蛋白为主，对多样化的蛋白质来源需求日益增长。现有研究多集中于单一品种或有限参数（如蛋白质得率、氨基酸组成），缺乏对多个品种在相同加工条件下的系统性比较，尤其忽视了宏观特性、提取行为、抗营养因子（如植物血凝素、植酸、胰蛋白酶抑制剂）及视觉品质的综合评估。此外，脱壳处理对提取效率和营养质量的影响尚不明确。因此，本研究旨在通过多因素比较六种表型不同的干豆品种（含脱壳与未脱壳处理），系统评估其作为蛋白质原料的适宜性，为开发功能性豆类蛋白原料提供科学依据。研究人员发现，品种间在化学组成、蛋白质溶解度、抗营养因子含量及颜色特性上存在显著差异，其中Goldfield品种在蛋白质纯度、得率和颜色方面表现最优，而脱壳虽能改善颜色均匀性却未能有效降低抗营养因子。该研究强调了原料选择的关键作用，为食品工业中利用未充分利用的菜豆品种提供了比较框架。论文发表在《Journal of Agriculture and Food Research》。

为开展研究，研究人员采用了以下几个关键技术方法：宏观表征（测量种子长度、宽度、厚度、表面积及百粒重，并按Singh分类法划分为小粒、中粒和大粒品种）；脱壳处理（将干豆浸泡过夜后手工脱壳，分离子叶与种皮，制备全豆粉、脱壳豆粉及豆壳粉）；化学组成分析（采用杜马斯燃烧法测定蛋白质含量，氮-蛋白质转换系数为N×6.25，同时测定水分、脂肪、灰分及碳水化合物）；氨基酸分析（经蛋白水解后，使用HPLC-FLD系统通过OPA/FMOC-Cl柱前衍生测定，色氨酸经碱水解，半胱氨酸和蛋氨酸经过甲酸氧化后测定）；SDS-PAGE分析（在还原条件下分离蛋白，鉴定菜豆蛋白主要组分如菜豆蛋白（phaseolin）和植物血凝素（PHA），并定量条带强度）；蛋白质溶解度曲线测定（在pH 2–9范围内建立溶解度曲线，确定最高和最低溶解度pH值）；碱提取与等电沉淀制备蛋白质浓缩物（基于溶解度曲线，在pH 8进行碱提取，再于pH 3.5或4进行等电沉淀，回收并冻干）；抗营养因子分析（血凝活性采用血凝试验，植酸含量使用植酸试剂盒酶法测定，胰蛋白酶抑制剂活性依据Liu方法测定）；颜色特性测定（使用积分球紫外-可见分光光度计测定L^*、a^*、b^*值，并计算色度值）。样本来源为六种商业菜豆品种（Borlotto Rosso、Fla Deux、Goldfield、La Victoire、Odessa来自意大利，Purple Teepee来自法国），收获于2020/2021年，购自Sativa Biosaatgut GmbH（德国Jestetten）。

结果部分：
**3.1 豆种的宏观表征**：通过测量种子长度、宽度、厚度、表面积、体积及百粒重，发现品种间形态差异显著。根据Singh分类，Odessa和Fla Deux为小粒品种（<25 g/100粒），Goldfield、La Victoire和Purple Teepee为中粒品种（25–40 g/100粒），Borlotto Rosso为大粒品种（>40 g/100粒）。种子大小影响脱壳效率，大粒品种（Borlotto Rosso）子叶比例最高（92.9%），小粒品种（Odessa）最低（87.2%）。
**3.2 豆粉的化学组成**：全豆粉蛋白质含量为21.1–30.8% dw，Goldfield最高（29.1% dw），Borlotto Rosso最低（21.1% dw）。脱壳后蛋白质含量比例性增加（23.5–30.8% dw），脂肪含量低于2.1 g/100 g dw，灰分含量为4.1–4.5 g/100 g dw（全豆粉）并因浸泡脱壳而降低。品种间化学组成差异显著，受遗传和环境因素影响。
**3.3 豆粉的氨基酸组成**：谷氨酸和天冬氨酸是最丰富的非必需氨基酸，亮氨酸和赖氨酸是最丰富的必需氨基酸，色氨酸是最限制性氨基酸。缬氨酸在多数品种中为第一限制性氨基酸（儿童氨基酸评分0.8–1.0），La Victoire则以亮氨酸为第一限制性氨基酸（0.96）。必需氨基酸占总氨基酸比例超过40%，显示高营养价值。脱壳对氨基酸组成影响不大（仅6种氨基酸显著差异，平均绝对值<0.35 g/100 g蛋白质dw）。
**3.4 SDS-PAGE分析**：还原条件下蛋白质条带主要分布在10–100 kDa，主要鉴定出菜豆蛋白（phaseolin，~39–42 kDa，占蛋白质的29–40%）和植物血凝素（PHA，~29–30 kDa，占10–20%）。Goldfield和Odessa的菜豆蛋白比例最高、PHA比例最低，而Purple Teepee的PHA比例最高（20%），表明品种间蛋白质谱存在差异，影响等电点和溶解度，需优化提取pH条件。
**3.5 豆粉的蛋白质溶解度**：所有豆粉呈现典型的豆类蛋白溶解度曲线，最低溶解度出现在pH 3.5或4，最高溶解度（可达98%）在pH 8和9。为减少变性，选择pH 8进行提取。Goldfield和Borlotto Rosso在提取pH（8）的溶解度最高（95.4%），在等电沉淀pH的溶解度最低（23.2%和23.7%），有利于提高得率和纯度。脱壳对溶解度无显著影响。
**3.6 蛋白质与产品得率**：碱提取和等电沉淀后，蛋白质浓缩物的纯度达74.1–83.8% dw（全豆粉）、77.8–84.1% dw（脱壳豆粉），蛋白质含量相对于初始豆粉提高高达260%。蛋白质得率为48.3–56.8% dw（全豆）、43.7–55.0% dw（脱壳豆），产品得率为14.9–20.1% dw。Goldfield表现出最高的蛋白质纯度（83.8% dw）、蛋白质得率（56.8% dw）和产品得率（19.7% dw），得益于其优良的溶解度特性。Purple Teepee的得率最低（<50% dw），因其提取pH溶解度最低（86.6%）、等电点pH溶解度最高（29.3%）。脱壳对得率无显著影响。
**3.7 抗营养因子**：3.7.1 血凝活性：Purple Teepee的血凝活性（HA）最高（至第8稀释度仍阳性），Borlotto Rosso最低（至第7稀释度减弱），与SDS-PAGE中PHA比例一致。部分差异与PHA比例不完全吻合，强调需结合HA评估安全性。
3.7.2 植酸含量：全豆粉植酸含量为1.3–1.8 g/100 g dw（Fla Deux最低，La Victoire最高）。脱壳后含量变化因品种而异（降低或增加），豆壳中植酸<0.2 g/100 g dw，说明植酸主要存在于子叶中。蛋白质浓缩物中植酸显著富集（102–213%增加），因等电沉淀过程中带正电的蛋白质与带负电的植酸结合。脱壳未能降低浓缩物中的植酸含量。
3.7.3 胰蛋白酶抑制剂活性：全豆粉TIA为13.7–32.1 TIU/mg dw（Purple Teepee最低，Goldfield最高），脱壳后增加至23.7–42.1 TIU/mg dw（因胰蛋白酶抑制剂主要存在于子叶）。蛋白质浓缩物中TIA相对于豆粉在干重基础上平均增加56.2%，但相对于蛋白质含量则降低高达80%，说明胰蛋白酶抑制剂在等电沉淀pH（3.5–4）下保持可溶，与沉淀蛋白分离。Odessa的浓缩物TIA反而下降。脱壳未能有效降低TIA。
**3.8 颜色特性**：全豆粉L^*值为80.9–88.0（Borlotto Rosso最低，Goldfield最高），脱壳后L^*值提升至89.7（Fla Deux）。蛋白质浓缩物比豆粉更暗、更黄（L^*降低，a^*和b^*增高）。来自深色种皮品种（La Victoire、Borlotto Rosso、Purple Teepee）的浓缩物L^*值仅为57.8–66.2，而来自浅色种皮品种（Goldfield、Fla Deux、Odessa）的L^*值>70。脱壳使蛋白质原料颜色更均匀、更亮（L^*>70），尤其适用于深色种皮品种，但对浅色品种（如Goldfield）可省略此步骤。

在讨论部分，研究人员总结了各品种的优缺点，强调没有单一品种满足所有理想标准。Goldfield在颜色、蛋白质含量、溶解度和得率方面最具潜力，但抗营养因子（TIA和植酸）水平较高，需通过热加工（如焙烤、挤压）或酶处理来降低。Fla Deux、Purple Teepee和Odessa抗营养因子含量较低，而Borlotto Rosso的血凝活性最低。脱壳不足以显著降低植酸和TIA，但能改善颜色，尤其适用于深色种皮品种。此外，利用大粒品种（如Borlotto Rosso）可提高脱壳的经济效率。未来研究应关注热加工和酶处理优化蛋白质原料的营养质量，并探索副产物（碳水化合物富集部分和豆壳）的增值利用。

**研究结论翻译**：本研究揭示了所选菜豆（Phaseolus vulgaris L.）品种作为蛋白质原料生产潜力的差异。虽然所有调查的品种在化学组成和抗营养因子含量上存在轻微但显著的差异，但蛋白质溶解度的差异导致了碱提取和等电沉淀后不同的蛋白质纯度和得率。所得蛋白质浓缩物的蛋白质纯度高达84% dw。没有单一品种满足蛋白质原料生产的所有理想标准。相反，不同品种表现出特定优势，如宏观特性、蛋白质含量、氨基酸评分、蛋白质得率、颜色特性和抗营养因子含量。Goldfield在颜色特性、蛋白质含量、蛋白质溶解度和蛋白质得率方面表现出最有希望的结果，而Fla Deux、Purple Teepee和Odessa的植酸和胰蛋白酶抑制剂活性（TIA）水平较低。此外，在研究的品种中，Borlotto Rosso的血凝活性（HA）最低。尽管存在抗营养因子，Goldfield仍表现出相当大的蛋白质原料生产潜力，因为这些因子易通过热或酶加工减少。脱壳本身不足以显著降低植酸和TIA，因为这些化合物主要位于子叶而非豆壳中。因此，制定策略以生产抗营养因子含量更低的蛋白质浓缩物，从而提升营养价值至关重要。未来研究应探索热加工和酶处理来优化源自菜豆的蛋白质原料。然而，脱壳有利于获得均匀、颜色更浅的蛋白质原料，特别是对于深色种皮品种。使用浅色品种（如Goldfield）时可以省略此工艺步骤。此外，利用大粒品种（如Borlotto Rosso，子叶比例最高为92%，壳含量<8%）可提高脱壳的经济效率。除了蛋白质提取，还必须考虑蛋白质浓缩物生产中产生的富含碳水化合物的副产物的增值利用。这些富含纤维和残余淀粉的组分在功能性食品配方或生物基材料中具有潜力。同样，豆类豆壳因其含有大量矿物质、多酚和膳食纤维，也提供了类似的增值机会。需要进一步研究评估其营养成分、技术功能特性和可持续利用的经济可行性。本研究的发现强调了遗传多样性对菜豆蛋白质原料功能特性的影响。未来研究应关注品种特异性在食品配方中的应用，特别是凝胶、乳化和起泡特性。扩展植物蛋白原料数据库，纳入不同菜豆品种的功能特性，将有助于其在食品工业中的针对性利用，并促进植物蛋白来源的多元化。