小麥制粉不同組分中鐵鋅含量的影響因素探析

鞏翰穎 李 明 劉宏艷 盧大新

(1北京農學院,北京 102206；2中國農業科學院農產品加工研究所,北京 100193)

大宗作物的籽粒存在重要微量營養元素(如Fe、Mn、Zn、Ⅰ、Se)缺乏或其含量較低、生物有效性低等問題,導致全世界大約30 億發展中國家的人群正面臨著潛在性微量營養元素缺乏癥——“隱性饑餓”(hidden hungry)[1]的威脅。 中國等許多發展中國家人群不同程度地存在微量元素缺乏問題,尤以缺鐵、缺鋅較為普遍。 缺鐵可能導致貧血,缺鋅可能導致代謝紊亂、免疫力降低、生長發育停滯、智力發育障礙等,進而引起多種疾病[2-6]。 應對缺鐵、缺鋅癥狀引起的健康問題,使用鐵、鋅補充劑或者食用高鐵食品[7]極為必要。 但我國缺鐵、缺鋅的人口多集中在經濟不發達的地區[8],這些地區的人群往往飲食結構單一,難以通過多種途徑補充微量元素。 因此,提高小麥籽粒有益微量元素的含量,特別是對人體影響較大的Fe、Zn 含量,是解決中國廣大居民微量元素營養匱乏的重要途徑之一。

目前,國內外專家已經成功通過育種方式實現生物強化小麥,達到微量元素在可食部位的富集[9-11]。小麥籽粒中的Fe、Zn 含量還受到基因型、環境等因素的影響。 前人研究發現,地域和品種會影響小麥中礦質元素的積累,不同地域的小麥籽粒礦質元素受到其生長環境(如土壤、大氣、水質)的影響,其中產地土壤對小麥籽粒礦質元素影響較大[12-14]。 姜麗娜等[15]研究了來自河南省5 個地區的17 個小麥品種(系),認為環境因素對籽粒Zn、Mn、Cu 含量影響最大；基因型與環境互作對籽粒Fe 含量的影響最大。 此外,肥料也可能影響植物的礦質元素含量。 劉曉東等[16]分析了分別種植于5 個地域的7 種谷子的礦質元素含量,發現谷子中Fe 含量既受遺傳因素影響,也受肥量因素影響,而Zn 含量既不受遺傳因素的影響,也不受肥量因素的影響；各地域、各品種間谷子Zn 含量水平變化幅度大,數據分布無規律。

前人研究大多集中在地域或品種等單一因素對小麥等谷物籽粒中礦質元素含量的影響[17],而年際對小麥籽粒礦質元素含量的影響研究較少,且對于小麥籽粒加工后不同組分,尤其是面粉中的Fe、Zn 含量的影響因素缺乏系統研究。 因此,本研究分析了不同地域、基因型和年際的小麥籽粒及其制粉產品(粗麩、細麩、面粉)中Fe、Zn 含量的變化,旨在明確地域、基因型、年際和制粉對小麥制粉產品中Fe、Zn 含量的影響,從小麥的種植及加工角度為改善主食中鐵鋅含量較低這一現狀提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

將3 種基因型小麥(周麥16、衡5229、邯6172)于2012-2015年間分別種植于河南省輝縣、陜西省楊凌區、河北省趙縣3 個試驗站,這3 個地區的土壤類型、海拔和氣候類型見表1、表2。 基因型隨機排列,每種基因型小麥種植面積為10 m2。 試驗田按照當地小麥基因型區域試驗管理,于次年的收獲期在每個試驗點收割1 m2,采集小麥籽粒共36 份。 每份籽粒加工制粉得到不同的4 部分(全麥粉、粗麩、細麩、面粉)共144份樣品(3×4×3×4)。

表1 各試驗站地理信息Table1 Geographical information of each pilot station

表2 各試驗站氣候信息Table2 Climate information of each pilot station

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品前處理 將收獲后小麥進行晾曬,手工脫粒。 清理小麥籽粒中的石子、雜草等雜物,用去離子水反復沖洗干凈,38℃烘箱內烘干約24 h 至恒重。

表3 各試驗站土壤鐵、鋅含量Table3 Soil iron and zinc content at each pilot station

1.2.2 小麥不同組分的獲得 將經過前處理的小麥籽粒用FW80 高速萬能粉碎機(天津泰斯特儀器有限公司)粉碎,過100 目篩,制備全麥粉樣品。 用Milli-Q超純水(Millipore,USA)進行潤麥,調整衡5229 和周麥16 小麥含水率至14.5%,調整邯6172 小麥含水率為15%,潤麥時間24 h。 采用MLU-202 布勒磨粉機(瑞士Buhler)得到3 個組分,即粗麩、細麩和面粉。 粗麩和細麩樣品用高速萬能粉碎機粉碎,過100 目篩,烘干備用。

1.2.3 樣品消解及測定 稱取0.25 g 樣品于專用的聚四氟乙烯微波消解罐中,加入6 mL 濃硝酸(BV-Ⅲ級,北京化學試劑研究所)置于通風櫥中消解2 h 后加入2 mL H2O2(BV-Ⅲ級,北京化學試劑研究所),靜置0.5 h 后排氣,使酸溶液充分混合,于CEM Mars 240/50 微波消解儀(美國Pynn 公司)進行消解,之后于趕酸器上趕酸至1 滴,靜置冷卻并定容至100 mL[18]。 每批消解的小麥樣品中加入一個空白和一個小麥標準物質。 利用7500a 電感耦合等離子體質譜儀(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS) (美國Agilent 公司)測定所得樣品中的Fe 和Zn 元素的含量。 每個小麥樣品重復2 次,當內標的RSD 值＞5%時,需重新測定。 由于小麥根系在土壤中主要分布在0～100 cm 土層[19],取這一區域土壤進行Fe、Zn 含量的測定結果見表3。

1.3 數據處理及質量控制

用SPSS 22.0 軟件分別對數據進行單因素方差分析、Duncan 多重比較分析和多因素方差分析。 使用小麥標準物質[GBW(E)100195]測定2 種元素的回收率在90%～110%之間,方可使用。

2 結果與分析

2.1 全麥粉中Fe、Zn 在不同因素間的差異

36 份小麥籽粒磨粉后所得全麥粉中Fe、Zn 元素含量的統計分析結果見表4。 全麥粉Fe 含量的變幅較大,且全麥粉Zn 含量略高于Fe。 其中,全麥粉Fe含量為17.76 ～38.81 mg·kg-1,全麥粉Zn 含量為20.30～43.80 mg·kg-1,與Zhang 等[20]的研究結果一致。

表4 不同地域、年際、基因型中小麥全麥粉中Fe、Zn 元素含量Table4 Contents of Fe and Zn in whole wheat flour of different regions years and genotypes /(mg·kg-1)

對2012-2015年在同一地域不同基因型全麥粉Fe、Zn 含量(4年平均值)進行單因素方差分析(表5)。 楊凌和輝縣種植的衡5229 全麥粉的Fe 含量與周麥16、邯6172 存在顯著差異,而趙縣不同基因型小麥全麥粉Fe 含量間無顯著差異。 輝縣和趙縣種植的周麥16 和邯6172 全麥粉中Zn 含量與衡5229 全麥粉Zn含量存在顯著差異。

對2012-2015年不同地域同一基因型小麥全麥粉Fe、Zn 含量進行單因素方差分析(表6),不同地域中全麥粉Zn 含量存在顯著差異,其平均值含量大小為：輝縣＞趙縣＞楊凌。 地域對全麥粉Fe 含量的影響因基因型不同而不同,其中周麥16 的Fe 含量在不同地域無顯著差異,衡5229 的Fe 含量在楊凌和趙縣兩個地域間存在顯著差異,邯6172 的Fe 含量在輝縣和趙縣兩個地域間存在顯著差異。

表5 不同基因型小麥全麥粉中Fe、Zn 含量Table5 Contents of Fe and Zn in whole wheat flour among different genotypes /(mg·kg-1)

表6 不同地域小麥全麥粉中Fe、Zn 含量Table6 Contents of Fe and Zn in whole wheat flour among different region /(mg·kg-1)

由表7可知,不同區域小麥全麥粉的Fe、Zn 含量在不同年際間存在顯著差異。 例如,衡5229 全麥粉Fe、Zn 含量在楊凌和輝縣不同年際間均差異顯著。 但年際對全麥粉Fe、Zn 含量的影響無明顯規律,年際間的差異可能與特定地域每年的氣候變化相關,主要包括溫度、降水量、日照時間等的變化。 由表8可知,溫度、降水量、日照時間與全麥粉Fe 含量之間無顯著相關關系。 表3顯示3 個地域的土壤Fe、Zn 含量均具有顯著差異,而與全麥粉Fe、Zn 含量無顯著相關關系,這可能與土壤中Fe 的分布及其有效性有關。 因此,不同年際對小麥全麥粉中Fe、Zn 含量的影響有待作進一步研究。

表7 不同年際小麥全麥粉中Fe、Zn 含量Table7 Contents of Fe and Zn in whole wheat flour among different year /(mg·kg-1)

2.2 小麥制粉組分中Fe、Zn 在不同因素間的差異

2.2.1 Fe、Zn 含量在小麥制粉組分中的差異 由表9可知,Fe、Zn 含量在同一基因型小麥不同組分中均有顯著性差異,且粗麩、細麩和面粉的Fe、Zn 含量依次減少。 不同組分中Fe 含量大小依次為周麥16＞邯6172＞衡5229,不同基因型粗麩與細麩中的Fe 含量差異較大,其中粗麩中Fe 含量為29.07 ～84.27 mg·kg-1(變異系數為55.99%),細麩為17.61 ～53.89 mg·kg-1(變異系數為50.83%),而面粉中Fe 含量相近,在5.69 ～8.55 mg·kg-1之間(變異系數為19.95%)。 Zn 含量在粗麩中為87.49 ～97.03 mg·kg-1(變異系數為5.78%),細麩中為64.17～69.98 mg·kg-1(變異系數為4.36%),面粉中在7.59 ～9.09 mg·kg-1之間(變異系數為9.06%),不同基因型小麥制粉組分間Zn 含量差異不顯著。

表8 小麥籽粒鐵、鋅含量與不同環境條件的相關性系數Table8 Correlation analysis of iron and zinc contents in wheat kernel and environmental conditions

表9 不同小麥制粉組分的Fe、Zn 含量分析Table9 Contents of Fe、Zn in different wheat milling products /(mg·kg-1)

2.2.2 不同小麥制粉組分中Fe、Zn 含量的多因素方差分析 由表10 可知,不同小麥制粉組分中Fe 含量受到所有因素(年際、地域、基因型、年際×地域、年際×基因型、地域×基因型、年際×地域×基因型)的極顯著影響(P＜0.01)。 基因型對全麥粉Fe 含量的方差貢獻率最大,為33.96%,是主要影響因素；其次是地域因素,為25.53%。 粗麩中Fe 含量受基因型的影響最大,其方差貢獻率為84.95%,基因型對細麩中Fe 含量的方差貢獻率僅次于粗麩,為75.49%。 各因素對面粉中Fe 含量的方差貢獻率在7.48%～23.31%之間,其中基因型和年際為主要影響因素,分別為23.31%和20.48%。

由表11 可知,粗麩、細麩、面粉中的Zn 含量受到所有因素(年際、地域、基因型、年際×地域、年際×基因型、地域×基因型、年際×地域×基因型)的極顯著影響(P＜0.01),年際、地域和基因型均對小麥全麥粉Zn 含量有極顯著影響(P＜0.01),年際×地域、地域×基因型及年際×地域×基因型對全麥粉Zn 含量影響顯著(P＜0.05),年際×基因型對其無顯著影響。 其中,地域對全麥粉中Zn 含量的方差貢獻率為54.30%,為主要影響因素；粗麩中Zn 含量主要受到地域的影響,其方差貢獻率為60.89%,年際對細麩中Zn 含量影響的方差貢獻率為55.40%,為主要影響因素；在面粉中各因素對Zn 含量的方差貢獻率范圍為3.66%～26.10%,方差貢獻率大小依次為：年際×地域(26.10%)、基因型(24.87%)、年際(19.72%)。 面粉中兩者含量大小均受到多種因素影響且各因素方差貢獻率相近,無決定性因素。 此外,地域的影響程度隨粗麩、細麩、面粉中Zn 含量的減小而逐漸減弱。

3 討論

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小麥微量礦質元素含量受到地域、基因型、年際的共同影響。 在實際生產過程中,不同制粉組分有不同用途,探究制粉產品中礦質元素的分布及不同因素對其影響程度具有實際意義。 從小麥的生理特征來看,礦質元素在種皮中含量最高,糊粉層高達10%以上,胚乳中含量最低,僅為0.3%～0.5%[21]。在實際的制粉工藝中,由于潤麥加水量、潤麥時間、剝刮力度的不同,麩皮、次粉和面粉組分中礦質元素含量也略有變化。 麥麩約占小麥籽粒的22%～25%,主要由果皮、種皮、糊粉層、少量胚和胚乳組成。 粗麩是制粉加工過程中分離出的片狀麩皮成分,營養構成為粗纖維、粗蛋白、淀粉以及多種礦質元素,與其他加工產品相比,含有更少的胚乳成分,但礦物元素含量最高；細麩為含有少量胚乳的顆粒狀麥麩,包括次粉部分,約占小麥籽粒的5%[22]。 面粉主要由胚乳磨制而成,富含淀粉和蛋白質,其礦物質含量很低[23]。 本研究結果表明,不同小麥制粉組分間Fe、Zn 礦質元素含量均有顯著性差異,Fe、Zn 含量在粗麩、細麩和面粉中依次減少。

小麥籽粒結構導致各粉路中礦質元素的分布極不均勻,不同因素對小麥制粉組分中的Fe、Zn 含量的影響程度發生了變化。 本研究中,基因型是決定全麥粉Fe 含量的最主要因素,不同基因型小麥全麥粉中Fe含量差異明顯,這與前人研究結果一致[24]。 小麥全麥粉中Fe 含量的變化是不同因素共同作用的結果,如作物基因型、根際土壤溶液中鐵的濃度、介質pH 值、介質中磷的濃度等(影響土壤中鐵的生物有效性)[25]。地域和年際對全麥粉中Fe 含量的影響小于基因型。另有學者研究發現,伊朗中部137 個田塊冬小麥籽粒Fe 含量與土壤全Fe、有效Fe 含量均無顯著相關關系[26]；法國小麥籽粒Fe 含量與土壤有效Fe 含量之間也無相關性[27]。 因此,小麥品種的選擇對提高全麥粉的Fe 含量十分重要。 本研究中,麥麩(粗麩、細麩)中Fe 含量受基因型的影響尤為顯著；但面粉中Fe 含量主要受基因型和年際的影響,基因型對面粉中Fe 的影響遠小于其對麩皮中Fe 的影響。 而影響全麥粉Zn 含量主要因素為地域。 地域因素包含土壤類型、土壤狀態、大氣環境、水質、氣候條件等[28]。 不同土質中的Zn 含量具有明顯差異,沙地土壤Zn 含量低于壤土,黏土中Zn 含量最高[29]。 本研究中,輝縣土壤為黏土(Zn含量125.09 mg·kg-1),趙縣為壤土(Zn 含量64.89 mg·kg-1),楊凌為棕壤土(Zn 含量111.85 mg·kg-1),與上述研究趨勢一致。 不同土質中Zn 形態與有效Zn相對含量的差異可能是地域對小麥全麥粉Zn 影響顯著的原因。 本研究發現基因型對小麥全麥粉Zn 含量有顯著影響,這與張勇等[30]通過對我國6 個省區240個小麥品種和高代品系在同一地點種植發現,基因型與小麥籽粒Zn 含量存在一定的相關關系的結論一致。本研究還發現基因型與年際對全麥粉Zn 含量的影響程度相近,均占總體的17%,遠小于地域(54.30%)對其的影響程度；粗麩中Zn 含量受到地域的影響最為顯著,與全麥粉中Zn 受地域影響最為顯著的結果一致,且地域的影響程度隨粗麩、細麩、面粉中Zn 含量的減小而逐漸減??；面粉中影響Zn 含量的主要因素有年際×地域、基因型、年際,且影響程度相近,地域對其的影響程度僅占3.66%。

綜上,在實際生產過程中建議選擇高Fe 小麥品種,以提高其Fe 的含量,需從基因型、年際和地域的互作角度考慮高Zn 面粉的獲得。 添加外源性鐵劑、鋅劑也可獲得富鐵鋅面粉,但其有效性與穩定性有待進一步研究。

4 結論

基因型對本研究全麥粉Fe 含量影響最為顯著,地域是影響全麥粉Zn 含量的最重要因素,說明種植特定基因型的小麥能有效提高全麥粉中Fe 元素的含量,選擇適宜的地域種植能有效達到提高小麥籽粒Zn 的目的。 礦質元素在小麥籽粒中的分布不均,粗麩、細麩、面粉中Fe、Zn 含量依次減少；面粉中影響Fe 含量的最主要因素為基因型、年際,影響Zn 含量的主要影響因素為年際×地域、基因型、年際,這些因素影響程度相近,占比在20%～30%之間。