小麦制粉不同组分中铁锌含量的影响因素探析

巩翰颖 李 明 刘宏艳 卢大新

(1北京农学院,北京 102206；2中国农业科学院农产品加工研究所,北京 100193)

大宗作物的籽粒存在重要微量营养元素(如Fe、Mn、Zn、Ⅰ、Se)缺乏或其含量较低、生物有效性低等问题,导致全世界大约30 亿发展中国家的人群正面临着潜在性微量营养元素缺乏症——“隐性饥饿”(hidden hungry)[1]的威胁。 中国等许多发展中国家人群不同程度地存在微量元素缺乏问题,尤以缺铁、缺锌较为普遍。 缺铁可能导致贫血,缺锌可能导致代谢紊乱、免疫力降低、生长发育停滞、智力发育障碍等,进而引起多种疾病[2-6]。 应对缺铁、缺锌症状引起的健康问题,使用铁、锌补充剂或者食用高铁食品[7]极为必要。 但我国缺铁、缺锌的人口多集中在经济不发达的地区[8],这些地区的人群往往饮食结构单一,难以通过多种途径补充微量元素。 因此,提高小麦籽粒有益微量元素的含量,特别是对人体影响较大的Fe、Zn 含量,是解决中国广大居民微量元素营养匮乏的重要途径之一。

目前,国内外专家已经成功通过育种方式实现生物强化小麦,达到微量元素在可食部位的富集[9-11]。小麦籽粒中的Fe、Zn 含量还受到基因型、环境等因素的影响。 前人研究发现,地域和品种会影响小麦中矿质元素的积累,不同地域的小麦籽粒矿质元素受到其生长环境(如土壤、大气、水质)的影响,其中产地土壤对小麦籽粒矿质元素影响较大[12-14]。 姜丽娜等[15]研究了来自河南省5 个地区的17 个小麦品种(系),认为环境因素对籽粒Zn、Mn、Cu 含量影响最大；基因型与环境互作对籽粒Fe 含量的影响最大。 此外,肥料也可能影响植物的矿质元素含量。 刘晓东等[16]分析了分别种植于5 个地域的7 种谷子的矿质元素含量,发现谷子中Fe 含量既受遗传因素影响,也受肥量因素影响,而Zn 含量既不受遗传因素的影响,也不受肥量因素的影响；各地域、各品种间谷子Zn 含量水平变化幅度大,数据分布无规律。

前人研究大多集中在地域或品种等单一因素对小麦等谷物籽粒中矿质元素含量的影响[17],而年际对小麦籽粒矿质元素含量的影响研究较少,且对于小麦籽粒加工后不同组分,尤其是面粉中的Fe、Zn 含量的影响因素缺乏系统研究。 因此,本研究分析了不同地域、基因型和年际的小麦籽粒及其制粉产品(粗麸、细麸、面粉)中Fe、Zn 含量的变化,旨在明确地域、基因型、年际和制粉对小麦制粉产品中Fe、Zn 含量的影响,从小麦的种植及加工角度为改善主食中铁锌含量较低这一现状提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

将3 种基因型小麦(周麦16、衡5229、邯6172)于2012-2015年间分别种植于河南省辉县、陕西省杨凌区、河北省赵县3 个试验站,这3 个地区的土壤类型、海拔和气候类型见表1、表2。 基因型随机排列,每种基因型小麦种植面积为10 m2。 试验田按照当地小麦基因型区域试验管理,于次年的收获期在每个试验点收割1 m2,采集小麦籽粒共36 份。 每份籽粒加工制粉得到不同的4 部分(全麦粉、粗麸、细麸、面粉)共144份样品(3×4×3×4)。

表1 各试验站地理信息Table1 Geographical information of each pilot station

表2 各试验站气候信息Table2 Climate information of each pilot station

1.2 试验方法

1.2.1 样品前处理 将收获后小麦进行晾晒,手工脱粒。 清理小麦籽粒中的石子、杂草等杂物,用去离子水反复冲洗干净,38℃烘箱内烘干约24 h 至恒重。

表3 各试验站土壤铁、锌含量Table3 Soil iron and zinc content at each pilot station

1.2.2 小麦不同组分的获得 将经过前处理的小麦籽粒用FW80 高速万能粉碎机(天津泰斯特仪器有限公司)粉碎,过100 目筛,制备全麦粉样品。 用Milli-Q超纯水(Millipore,USA)进行润麦,调整衡5229 和周麦16 小麦含水率至14.5%,调整邯6172 小麦含水率为15%,润麦时间24 h。 采用MLU-202 布勒磨粉机(瑞士Buhler)得到3 个组分,即粗麸、细麸和面粉。 粗麸和细麸样品用高速万能粉碎机粉碎,过100 目筛,烘干备用。

1.2.3 样品消解及测定 称取0.25 g 样品于专用的聚四氟乙烯微波消解罐中,加入6 mL 浓硝酸(BV-Ⅲ级,北京化学试剂研究所)置于通风橱中消解2 h 后加入2 mL H2O2(BV-Ⅲ级,北京化学试剂研究所),静置0.5 h 后排气,使酸溶液充分混合,于CEM Mars 240/50 微波消解仪(美国Pynn 公司)进行消解,之后于赶酸器上赶酸至1 滴,静置冷却并定容至100 mL[18]。 每批消解的小麦样品中加入一个空白和一个小麦标准物质。 利用7500a 电感耦合等离子体质谱仪(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS) (美国Agilent 公司)测定所得样品中的Fe 和Zn 元素的含量。 每个小麦样品重复2 次,当内标的RSD 值＞5%时,需重新测定。 由于小麦根系在土壤中主要分布在0～100 cm 土层[19],取这一区域土壤进行Fe、Zn 含量的测定结果见表3。

1.3 数据处理及质量控制

用SPSS 22.0 软件分别对数据进行单因素方差分析、Duncan 多重比较分析和多因素方差分析。 使用小麦标准物质[GBW(E)100195]测定2 种元素的回收率在90%～110%之间,方可使用。

2 结果与分析

2.1 全麦粉中Fe、Zn 在不同因素间的差异

36 份小麦籽粒磨粉后所得全麦粉中Fe、Zn 元素含量的统计分析结果见表4。 全麦粉Fe 含量的变幅较大,且全麦粉Zn 含量略高于Fe。 其中,全麦粉Fe含量为17.76 ～38.81 mg·kg-1,全麦粉Zn 含量为20.30～43.80 mg·kg-1,与Zhang 等[20]的研究结果一致。

表4 不同地域、年际、基因型中小麦全麦粉中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)

对2012-2015年在同一地域不同基因型全麦粉Fe、Zn 含量(4年平均值)进行单因素方差分析(表5)。 杨凌和辉县种植的衡5229 全麦粉的Fe 含量与周麦16、邯6172 存在显著差异,而赵县不同基因型小麦全麦粉Fe 含量间无显著差异。 辉县和赵县种植的周麦16 和邯6172 全麦粉中Zn 含量与衡5229 全麦粉Zn含量存在显著差异。

对2012-2015年不同地域同一基因型小麦全麦粉Fe、Zn 含量进行单因素方差分析(表6),不同地域中全麦粉Zn 含量存在显著差异,其平均值含量大小为：辉县＞赵县＞杨凌。 地域对全麦粉Fe 含量的影响因基因型不同而不同,其中周麦16 的Fe 含量在不同地域无显著差异,衡5229 的Fe 含量在杨凌和赵县两个地域间存在显著差异,邯6172 的Fe 含量在辉县和赵县两个地域间存在显著差异。

表5 不同基因型小麦全麦粉中Fe、Zn 含量Table5 Contents of Fe and Zn in whole wheat flour among different genotypes /(mg·kg-1)

表6 不同地域小麦全麦粉中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,不同区域小麦全麦粉的Fe、Zn 含量在不同年际间存在显著差异。 例如,衡5229 全麦粉Fe、Zn 含量在杨凌和辉县不同年际间均差异显著。 但年际对全麦粉Fe、Zn 含量的影响无明显规律,年际间的差异可能与特定地域每年的气候变化相关,主要包括温度、降水量、日照时间等的变化。 由表8可知,温度、降水量、日照时间与全麦粉Fe 含量之间无显著相关关系。 表3显示3 个地域的土壤Fe、Zn 含量均具有显著差异,而与全麦粉Fe、Zn 含量无显著相关关系,这可能与土壤中Fe 的分布及其有效性有关。 因此,不同年际对小麦全麦粉中Fe、Zn 含量的影响有待作进一步研究。

表7 不同年际小麦全麦粉中Fe、Zn 含量Table7 Contents of Fe and Zn in whole wheat flour among different year /(mg·kg-1)

2.2 小麦制粉组分中Fe、Zn 在不同因素间的差异

2.2.1 Fe、Zn 含量在小麦制粉组分中的差异 由表9可知,Fe、Zn 含量在同一基因型小麦不同组分中均有显著性差异,且粗麸、细麸和面粉的Fe、Zn 含量依次减少。 不同组分中Fe 含量大小依次为周麦16＞邯6172＞衡5229,不同基因型粗麸与细麸中的Fe 含量差异较大,其中粗麸中Fe 含量为29.07 ～84.27 mg·kg-1(变异系数为55.99%),细麸为17.61 ～53.89 mg·kg-1(变异系数为50.83%),而面粉中Fe 含量相近,在5.69 ～8.55 mg·kg-1之间(变异系数为19.95%)。 Zn 含量在粗麸中为87.49 ～97.03 mg·kg-1(变异系数为5.78%),细麸中为64.17～69.98 mg·kg-1(变异系数为4.36%),面粉中在7.59 ～9.09 mg·kg-1之间(变异系数为9.06%),不同基因型小麦制粉组分间Zn 含量差异不显著。

表8 小麦籽粒铁、锌含量与不同环境条件的相关性系数Table8 Correlation analysis of iron and zinc contents in wheat kernel and environmental conditions

表9 不同小麦制粉组分的Fe、Zn 含量分析Table9 Contents of Fe、Zn in different wheat milling products /(mg·kg-1)

2.2.2 不同小麦制粉组分中Fe、Zn 含量的多因素方差分析 由表10 可知,不同小麦制粉组分中Fe 含量受到所有因素(年际、地域、基因型、年际×地域、年际×基因型、地域×基因型、年际×地域×基因型)的极显著影响(P＜0.01)。 基因型对全麦粉Fe 含量的方差贡献率最大,为33.96%,是主要影响因素；其次是地域因素,为25.53%。 粗麸中Fe 含量受基因型的影响最大,其方差贡献率为84.95%,基因型对细麸中Fe 含量的方差贡献率仅次于粗麸,为75.49%。 各因素对面粉中Fe 含量的方差贡献率在7.48%～23.31%之间,其中基因型和年际为主要影响因素,分别为23.31%和20.48%。

由表11 可知,粗麸、细麸、面粉中的Zn 含量受到所有因素(年际、地域、基因型、年际×地域、年际×基因型、地域×基因型、年际×地域×基因型)的极显著影响(P＜0.01),年际、地域和基因型均对小麦全麦粉Zn 含量有极显著影响(P＜0.01),年际×地域、地域×基因型及年际×地域×基因型对全麦粉Zn 含量影响显著(P＜0.05),年际×基因型对其无显著影响。 其中,地域对全麦粉中Zn 含量的方差贡献率为54.30%,为主要影响因素；粗麸中Zn 含量主要受到地域的影响,其方差贡献率为60.89%,年际对细麸中Zn 含量影响的方差贡献率为55.40%,为主要影响因素；在面粉中各因素对Zn 含量的方差贡献率范围为3.66%～26.10%,方差贡献率大小依次为：年际×地域(26.10%)、基因型(24.87%)、年际(19.72%)。 面粉中两者含量大小均受到多种因素影响且各因素方差贡献率相近,无决定性因素。 此外,地域的影响程度随粗麸、细麸、面粉中Zn 含量的减小而逐渐减弱。

3 讨论

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小麦微量矿质元素含量受到地域、基因型、年际的共同影响。 在实际生产过程中,不同制粉组分有不同用途,探究制粉产品中矿质元素的分布及不同因素对其影响程度具有实际意义。 从小麦的生理特征来看,矿质元素在种皮中含量最高,糊粉层高达10%以上,胚乳中含量最低,仅为0.3%～0.5%[21]。在实际的制粉工艺中,由于润麦加水量、润麦时间、剥刮力度的不同,麸皮、次粉和面粉组分中矿质元素含量也略有变化。 麦麸约占小麦籽粒的22%～25%,主要由果皮、种皮、糊粉层、少量胚和胚乳组成。 粗麸是制粉加工过程中分离出的片状麸皮成分,营养构成为粗纤维、粗蛋白、淀粉以及多种矿质元素,与其他加工产品相比,含有更少的胚乳成分,但矿物元素含量最高；细麸为含有少量胚乳的颗粒状麦麸,包括次粉部分,约占小麦籽粒的5%[22]。 面粉主要由胚乳磨制而成,富含淀粉和蛋白质,其矿物质含量很低[23]。 本研究结果表明,不同小麦制粉组分间Fe、Zn 矿质元素含量均有显著性差异,Fe、Zn 含量在粗麸、细麸和面粉中依次减少。

小麦籽粒结构导致各粉路中矿质元素的分布极不均匀,不同因素对小麦制粉组分中的Fe、Zn 含量的影响程度发生了变化。 本研究中,基因型是决定全麦粉Fe 含量的最主要因素,不同基因型小麦全麦粉中Fe含量差异明显,这与前人研究结果一致[24]。 小麦全麦粉中Fe 含量的变化是不同因素共同作用的结果,如作物基因型、根际土壤溶液中铁的浓度、介质pH 值、介质中磷的浓度等(影响土壤中铁的生物有效性)[25]。地域和年际对全麦粉中Fe 含量的影响小于基因型。另有学者研究发现,伊朗中部137 个田块冬小麦籽粒Fe 含量与土壤全Fe、有效Fe 含量均无显著相关关系[26]；法国小麦籽粒Fe 含量与土壤有效Fe 含量之间也无相关性[27]。 因此,小麦品种的选择对提高全麦粉的Fe 含量十分重要。 本研究中,麦麸(粗麸、细麸)中Fe 含量受基因型的影响尤为显著；但面粉中Fe 含量主要受基因型和年际的影响,基因型对面粉中Fe 的影响远小于其对麸皮中Fe 的影响。 而影响全麦粉Zn 含量主要因素为地域。 地域因素包含土壤类型、土壤状态、大气环境、水质、气候条件等[28]。 不同土质中的Zn 含量具有明显差异,沙地土壤Zn 含量低于壤土,黏土中Zn 含量最高[29]。 本研究中,辉县土壤为黏土(Zn含量125.09 mg·kg-1),赵县为壤土(Zn 含量64.89 mg·kg-1),杨凌为棕壤土(Zn 含量111.85 mg·kg-1),与上述研究趋势一致。 不同土质中Zn 形态与有效Zn相对含量的差异可能是地域对小麦全麦粉Zn 影响显著的原因。 本研究发现基因型对小麦全麦粉Zn 含量有显著影响,这与张勇等[30]通过对我国6 个省区240个小麦品种和高代品系在同一地点种植发现,基因型与小麦籽粒Zn 含量存在一定的相关关系的结论一致。本研究还发现基因型与年际对全麦粉Zn 含量的影响程度相近,均占总体的17%,远小于地域(54.30%)对其的影响程度；粗麸中Zn 含量受到地域的影响最为显著,与全麦粉中Zn 受地域影响最为显著的结果一致,且地域的影响程度随粗麸、细麸、面粉中Zn 含量的减小而逐渐减小；面粉中影响Zn 含量的主要因素有年际×地域、基因型、年际,且影响程度相近,地域对其的影响程度仅占3.66%。

综上,在实际生产过程中建议选择高Fe 小麦品种,以提高其Fe 的含量,需从基因型、年际和地域的互作角度考虑高Zn 面粉的获得。 添加外源性铁剂、锌剂也可获得富铁锌面粉,但其有效性与稳定性有待进一步研究。

4 结论

基因型对本研究全麦粉Fe 含量影响最为显著,地域是影响全麦粉Zn 含量的最重要因素,说明种植特定基因型的小麦能有效提高全麦粉中Fe 元素的含量,选择适宜的地域种植能有效达到提高小麦籽粒Zn 的目的。 矿质元素在小麦籽粒中的分布不均,粗麸、细麸、面粉中Fe、Zn 含量依次减少；面粉中影响Fe 含量的最主要因素为基因型、年际,影响Zn 含量的主要影响因素为年际×地域、基因型、年际,这些因素影响程度相近,占比在20%～30%之间。