黑小麥品種選育與營養加工研究

劉玉秀,劉苗苗,張正茂,

(1.西北農林科技大學農學院，陜西楊凌 712100；2.西北農林科技大學食品科學與工程學院，陜西楊凌 712100)

小麥(TriticomaestivomL.)是世界上總產量排名第二的糧食作物，全球約有1/3的人口將其作為主要糧食[1]。在中國，小麥是繼玉米和水稻之后的第三大糧食作物。近20年來，小麥產量和品質改良取得了長足的進展，然而小麥育種家一直重視小麥高產品種的選育，忽略了小麥籽粒中礦質元素和微量元素含量的提升。由于主糧作物中一些微量營養元素含量較低，導致全球部分人口微量營養元素攝入不足，特別是發展中國家，并有逐漸加重的趨勢[2]。研究表明，黑小麥籽粒微量元素鋅、硒和錳含量均遠高于普通白粒小麥[3]。隨著人們對小麥營養和加工品質要求的提高，富含微量元素的黑小麥品種選育備受育種家的關注。

普通小麥中，籽粒顏色為紫色、藍色、藍紫色和紫黑色的小麥統稱為黑小麥或者彩色小麥。目前，我國小麥育種家們采用多種育種方法培育出了一批優質黑小麥新品種，具有耐晚播、耐寒抗凍、抗病蟲害、抗干熱風、抗干旱等優點[4]。研究表明，黑小麥色素含量與可溶性蛋白含量、粗蛋白含量、總氨基酸含量具有正相關性[5]。由于黑小麥含有豐富的營養物質，表現出特殊的保健功效，具有較強的抗氧化能力，有利于防治心血管疾病和延緩衰老等[6]，可以用來加工優質面食和保健食品[7]。

本文從黑小麥的遺傳基礎、品種選育、營養特性、加工品質及其在食品工業中的應用角度，綜述其研究進展，為黑小麥品種選育和開發利用提供一定的參考。

1 黑小麥遺傳基礎與品種選育

黑小麥的籽粒果種皮或糊粉層顏色與普通小麥粒色不同，是小麥育種家通過與偃麥草、賴草等野生資源遠緣雜交等育種方法選育創造出來的六倍體小麥[8]。早在19世紀，在埃塞俄比亞發現了四倍體紫粒小麥；育種家利用其作為親本，選育出一系列紫粒品種(系)，如Copp紫粒系列，UM606a、Charcoal、NY紫粒系列以及澳大利亞紫粒等籽粒小麥[9]。我國黑小麥的基礎研究始于20世紀80年代初，主要集中在黑小麥種質資源的收集、種植、評價、鑒定、改良和利用等方面，并選育了一些黑小麥品種(系)。

小麥粒色主要由遺傳因素決定，同時也受環境因素(如光照、溫度、施肥等)影響。籽粒呈紫色是由于果皮中含有紫色素的緣故，而果皮是由母性發育而成的，其顏色取決于母本基因型，因此紫粒性狀呈母性遺傳模式[10-11]。紫粒小麥色素基因主要來源于埃塞俄比亞四倍體紫粒小麥和中國普通小麥[9]、賴草[11]和偃麥草[12]等種質。Caporn[13]發現，紫粒是由兩對基因控制的，而Sharman利用白色硬粒小麥與埃塞俄比亞紫色硬粒小麥雜交，發現F2代呈3(紫)：1(非紫)的規律，符合一個顯性基因P的分離比例[14]。也有學者認為紫粒是由重復基因控制的[15]；小麥品系ND2的紫粒基因命為P1和P2，P1P1P2P2、P1P1p2p2和p1p1P2P2為紫粒，p1p1p2p2為非紫粒[12]。Piech等[16]和Kuspira[17]等發現，紫粒性狀受位于3A和7B染色體上的兩個相互獨立的基因控制。邵中子等[11]利用普通小麥與賴草雜交獲得了內蒙古紫粒小麥植株，發現該紫粒性狀受一對顯性基因控制；然而孫 群等[18]發現，烏麥526的紫粒性狀是由兩對互補基因控制的，其后代F3符合9(紫)：7(白)的遺傳規律。

藍粒小麥是因為小麥糊粉層中含有藍色素，其主要來源是長穗偃麥草、中間偃麥草[19]和一粒小麥[9]。Hurd發現[10]，藍粒是由兩個互補的不完全顯性基因控制。李振聲等[20]和高建偉等[21]利用長穗偃麥草與普通小麥雜交獲得了一系列藍粒小麥材料，且發現長穗偃麥草的4E染色體攜帶有藍色糊粉層基因Ba，該基因具有明顯的劑量效應，穩定而獨立遺傳。蘭素缺等[22]進一步證明了藍粒性狀具有胚乳直感現象，存在劑量效應。利用紫粒小麥和藍粒小麥雜交可獲得不同類型的藍紫粒小麥，其粒色遺傳應該符合紫粒和藍粒小麥的遺傳模式。

近年來，黑小麥因其具有特殊營養價值和保健功能而備受青睞，其品種選育也備受重視。我國先后審定了黑小麥76號、漯珍1號、汾黑麥1831、冀紫439、石UH01-4259、山農紫麥1號、新春36號、農大3753、三餐黑麥一號等一批黑小麥新品種[7,23-30]，為黑小麥產業化發展提供了良好的基礎，也促進了優質營養專用型黑小麥產業化技術的進步。

孫善澄等[23]培育的黑小麥76號，屬半冬性，株高95～100 cm ，穗長7～8 cm，穗粒數30～35粒，籽粒黑色，千粒重35～42 g，平均產量 4 500 kg·hm-2，高抗白粉病和條銹病。李建釗等[24]育成的漯珍1號，蛋白質含量達到17.1%，18種氨基酸含量達到15.2%，其中必需氨基酸賴氨酸含量比普通小麥高60%，提高了蛋白質的質量。汾黑麥1831具有強冬性、多穗，高產、抗旱節水、抗凍抗病及適應性強等特點，蛋白質含量為 15.43%，18種氨基酸的總含量為15.2%，高于普通小麥80%；其中賴氨酸含量為0.4%，高于普通小麥50%～80%[7]。

黑小麥冀紫439，在冀中南優質組區域試驗中，平均產量為6 855.9 kg·hm-2；蛋白質含量高達16.23%～16.76%；含有豐富的微量元素，其中三價有機鉻(Cr3+)含量為1.916 mg·kg-1，鎂含量為1 424.0 mg·kg-1，硒(Se)含量81.0～203.95 μg·kg-1[25]，有助于預防人體缺乏微量元素而引起的各種疾病。石UH01-4259是一種高產保健型的黑小麥新品系，含蛋白亞基5+12和7+9，其產量高達6 984 kg·hm-2，且Se和Cr3+含量分別達到0.107和1.602 mg·kg-1[26]。采用分子育種技術培育的黑小麥新品種山農紫麥1號，其硒、銅、鋅、鐵等礦質元素均不同程度的高于普通白粒小麥，品質優異(粗蛋白質含量 15.23%，濕面筋含量34.7%)，其種皮中含有大量天然色素，以花青素為主[27]。還有一些優異的黑小麥新品種(系)，如富含鐵和鋅元素的秦黑1號[31]、具有較好的面條加工品質的西農黑大穗[32]和富含礦質元素和氨基酸的冀資麥3號[33]也豐富了黑小麥種質資源。

黑小麥研究方向多樣。黑小麥用作精飼料能有效地降低動物體內脂肪積累，生產的肉食品在微觀生理機制上有利于人體的健康[34]。馬文麗等[35]研究表明，黑小麥幼苗的過氧化物酶(POD)活性高于普通白粒小麥，說明黑小麥抗氧化性高于白麥。目前，黑小麥育種從產量為主轉向產量與品質兼顧，營養與保健逐漸成為黑小麥新的育種方向。

2 黑小麥營養特性

2.1 蛋白質和氨基酸

蛋白質和氨基酸含量是衡量小麥營養價值的重要指標，蛋白質含量也影響小麥的加工性能。普通白粒小麥粗蛋白質含量一般為12.0%～ 14.0%，而黑小麥粗蛋白質含量為15.0%～ 20.5%；粗蛋白含量與色素含量呈正相關[36]。黑小麥蛋白質含量與燕麥蛋白質含量(大多集中在16%～20%)相當[37]，但燕麥蛋白谷蛋白分子量小，不能形成面筋[38-39]。現代工業磨粉的剝皮處理會降低谷物的蛋白質含量，小麥磨粉后其蛋白質含量比籽粒蛋白質含量平均降低1.35%；一般來說，籽粒中蛋白質含量較高的谷物，磨粉后其蛋白質含量也較高[40]。普通白粒小麥磨粉后的面粉蛋白質含量為12.21%，麩皮蛋白質含量為 14.31%；而黑小麥面粉的蛋白質含量高達 15.41%，麩皮中蛋白質含量為14.73%[41]，說明相對普通白粒小麥，黑小麥面粉和麩皮含有較高的蛋白質。

黑小麥籽粒含有種類齊全且比例適宜的氨基酸，其中人體必需氨基酸含量高，尤其是賴氨酸含量比普通小麥高60%[42]。同時，黑小麥面粉的氨基酸總含量和人體必需氨基酸含量比普通小麥面粉分別高30.2%和16.0%[41]。說明黑小麥的籽粒和面粉均含有較高的氨基酸總含量，營養價值比普通小麥更高。

2.2 色素

黑小麥中含有大量的花色苷類色素。花色苷具有修復機體氧化性損傷、抗血小板凝結和抗炎癥作用[43]。黑小麥色素易溶于水、甲醇和乙醇等極性溶劑，是水溶性色素[44]。該色素對酸堿性變化敏感，符合花色苷類色素通性，在酸性條件下呈現紅色，堿性條件下為綠色[44-45]。因此，黑小麥的色素作為食用添加劑使用時，要注意酸堿度的影響，可作為酸性食品的食用色素進行開發利用，如果汁、飲料和果脯等酸性食品。該色素在pH為2，75 ℃處理1 h后，其保存率為96.33%；85 ℃處理1 h，其保存率為93.35%[44-45]，表明黑小麥色素能耐短時高溫，色素穩定性優于大多數的天然色素，且顏色鮮艷，有一定的營養價值或生理作用[46-47]。黑小麥色素可作為一種良好的天然色素添加劑，應用于食品加工中，對提高食品的安全性和營養性作用更好。黑小麥色素具有很好的抗氧化活性，對DPPH(1,1-二苯基-2-三硝基苯肼)自由基和羥基自由基具有良好的清除能力，能有效地阻斷亞硝胺的合成[48]，表明黑小麥是一種加工保健品、食品和藥品等產品的優質原料。Abdel等[49]研究表明，對DPPH和ABTS(2,2-聯氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽)自由基清除能力最強的是黑小麥麩皮，其次是全麥粉和面粉，這主要與色素含量有關，色素含量在麩皮、全麥粉和面粉依次降低。一些金屬離子對黑小麥的色素有一定的增色作用，如Ca2+、Ba2+、K+、Fe3+、Al3+、Cu2+、Mg2+等；食鹽、蔗糖、檸檬酸對黑小麥色素也有增色的作用[50]。

黑小麥的色素含量豐富。藍、紫、黑等有色小麥籽粒的色素含量顯著高于普通白粒小麥，且與可溶性蛋白含量、總氨基酸含量、Vc含量呈正相關[36]。Hosseinian等[51]研究發現，紫粒小麥的花色苷含量達到500.6 mg·kg-1，其主要活性物質為花青素-3-葡萄糖苷；適量食用黑小麥食品可以滿足人體每日所需3～215 mg花色苷的攝取量[52]。Varga等[53]發現，黑小麥籽粒花青素含量在21～157 mg·kg-1之間，面粉中含量只有 5.3～17.4 mg·kg-1，這是由于花青素大多存在于皮層中，將全麥粉應用于食品加工中有利于提高食品中花青素的含量。黑小麥色素含量受到基因型[54]、地理位置、氣候特征及栽培管理[55]等諸多因素影響，在生產中要綜合考慮各個因素，選用色素含量高的品種種植在適應區域，可獲得色素含量高的黑小麥原料。

2.3 膳食纖維

膳食纖維是人類的“第七大營養素”，它有助于預防腸道疾病和胃癌，降低膽固醇和高血壓指標，減少乳腺癌和膽囊疾病等的發生[56]。Rakha等[57]發現，黑小麥總膳食纖維含量為13%～16%，主要組成成分為阿拉伯糖基木聚糖 (6.8%)、果聚糖(2.3%)、纖維素(2.1%)、木質素 (1.6%)和β-葡聚糖(0.7%)，其含量因環境和栽培條件不同而有所變化。黑小麥籽粒中膳食纖維含量達4.6%，是普通淺色小麥的2～3倍，其中不溶性膳食纖維含量占比約為20%，大部分纖維素都是可溶性多糖和水溶性纖維素[58]，說明黑小麥是比較理想的膳食纖維資源。

在全球范圍內，居民膳食纖維的攝入量均比推薦攝入量低[59]。傳統的面制品是提高居民膳食纖維攝入量的最佳載體，而富含膳食纖維且營養豐富的谷物麩皮是最佳原料[60]。孫元琳等[61]發現，適量(7%)添加以黑小麥麩皮為原料制備的黑小麥膳食纖維木聚糖酶酶解產物，可較好的改善谷物擠壓膨化產品品質。Chen等[62]研究表明，在面粉中添加5～10%細麥麩(粒徑為0.21 mm)或者5%中等麥麩(粒徑為0.55 mm)，提高了面條中膳食纖維含量，且面條品質評分均大于83分。牛 磊等[63]采用纖維素酶解法從黑小麥麩皮中提取出了高純度的膳食纖維，這些膳食纖維含有較多的天然黑色素。因此，將有色膳食纖維添加或直接將黑小麥麩皮進行超微粉碎，與黑小麥面粉混合，提高面粉中膳食纖維的含量，制作成高膳食纖維餅干等酥脆類食品[64]，可達到平衡營養和預防疾病發生的作用。

另外，體外抗氧化試驗發現，黑小麥麩皮的可溶性膳食纖維對羥自由基清除率為81.43%，還原力為1.688，表明其具有很強的清除自由基的能力；pH為2和7 時，對膽固醇的吸附量分別為3.96、5.02，對膽酸鈉的吸附率為29.36%，表明黑小麥麩皮的可溶性膳食纖維能有效降低機體對膽固醇的吸收[65]。

2.4 微量元素

黑小麥富含礦質營養元素，有利于人體健康，比如人體不可缺少的微量元素硒(Se)對機體生長和新陳代謝有重要作用。Sehgal等[66]研究發現，在黑小麥籽粒中，Ca、K、Zn、Fe和Mn的含量分別為0.47 mg·g-1、4.6 mg·g-1、41.6 μg·g-1、73.4 μg·g-1和33.6 μg·g-1，而在面粉中的含量分別為0.27 mg·g-1、1.6 mg·g-1、26.0 μg·g-1、42.0 μg·g-1和10.5 μg·g-1，均高于普通小麥。胡秋輝等[42]研究表明，黑小麥面粉中，Ca、K、Zn、Fe、Mn和Mg元素分別比普通小麥高 89.4%、137.4%、45%、1348.6%、 460.9%和152%。Bóna等[67]研究表明，小麥中Se含量高于普通小麥，春性黑小麥高于冬黑小麥，Se含量與Mg、Cu、Zn、Mn、VE含量有正相關性。蘇卓勛[68]發現，黑小麥品種黑小麥76號面粉中碘(I)含量為168.2 μg·g-1，而在普通白粒小麥品種新春26號面粉中未檢出。因此，在遠離海岸的山區，經常食用黑小麥制品，可降低缺I帶來的一系列健康問題。培育營養強化的黑小麥品種是改善人們身體健康狀況的有效途徑之一，目前已有部分富微量元素的黑小麥品種育成，如富鉻黑小麥，可有效降低糖尿病患者的血糖含量，對糖尿病患者具有一定的保健作用[69]。

利用含有不同水平微量元素的黑小麥可以加工成具有特殊功效的黑小麥方便面、黑小麥全粉、麥片、糕點和面包等產品，供各類疾病患者食用，可有效解決患者飲食難題；而普通人群食用這些產品也可以起到預防保健作用。

2.5 維生素和不飽和脂肪酸

維生素具有抗氧化性，能夠有效清除體內的氧化基團、延緩機體衰老、降低各種惡性疾病的發病率。B族維生素有助于預防腳氣病等疾病，其中VB6是合成神經遞質的必需品[70]。韓 豪等[71]利用UPLC-MS/MS方法測定黑小麥中B族維生素的含量，結果表明，黑小麥中VB1、VB2和VB6的含量分別為0.965～1.961 μg·g-1、0.614～ 0.963 μg·g-1和0.364～0.625 μg·g-1，均高于普通小麥。李幫秀等[36]研究結果表明，5種有色小麥Vc含量都極顯著地高于白粒小麥；黑小麥中VB、VC、VE含量均高于普通小麥，表明黑小麥含有較高的維生素含量，將其制成相關的產品或作為保健品，有利于延遲衰老和預防疾病。

黑小麥中不飽和脂肪酸含量占總脂肪的53%，僅次于大豆，其中人體必需脂肪酸含量占到20%～30%[72]。但劉小夢等[73]發現，普通小麥中不飽和脂肪酸在總脂肪酸中占到79%，這有可能是由于材料背景的不同或測定的方法不同有關，尚需進一步研究驗證。研究還表明，普通小麥中總脂肪酸含量與棕櫚酸、硬脂酸、油酸和亞油酸的組分含量顯著相關[73]，而黑小麥這方面的研究尚未有相關報道。

3 黑小麥品質與加工

加工品質是對小麥面粉最終用途的綜合反映。食品加工品質評價一般通過制作不同的面食品種，例如面條、饅頭和面包等，然后根據不同標準進行評價。

研究證明，不同黑小麥品種適宜于不同類型的食品加工。羅勤貴等[74]研究表明，黑小麥掛面吸水率增大，烹調損失較小；在黑小麥面粉中添加蕎麥粉和黑米粉，提升了掛面的品質和感官。林存亮等[75]利用黑小麥品種(系)S-2和黑小麥76制作新疆拉面，制作的面條具有較高的粘性、適口性、韌性和食味性。

燕 雯等[32]研究了張正茂培育的西農黑大穗發現，該品種(系)除具有良好的面條加工性能外，還含有較高的蛋白質和濕面筋含量，較大的最大延伸阻力、延伸度和拉伸面積，說明西農黑大穗屬于中強筋類型黑小麥，可用于加工黑小麥面包。黑小麥76、河東烏麥526、小偃烏麥等黑小麥品種(品系)的百克面粉面包體積為410.0～495.0 mL，面包品質均達到或超過了普通小麥-小偃503的水平[76]。李春燕等[77]采用二次正交旋轉組合設計試驗，獲得了黑小麥面包的最佳工藝配方：黑小麥面粉17.7%，白砂糖19.9%，干酵母1.3%，生產的面包硬度為520.3 g，可用于實際生產。胡新中等[78]研究發現，黑小麥制作的面包品質較好，也適合制作普通面條，但饅頭品質較差。王立新[79]用黑小麥3與格來尼小麥粉搭配制作饅頭，發現增大格來尼小麥粉的比例，能提高黑小麥饅頭評分。陳志成等[80]認為，黑小麥粉由于面筋含量高，品質優良，制作饅頭時利用傳統的酵面頭發酵，效果最佳。

目前，已經開發出了一系列黑小麥產品，如黑小麥饅頭、黑小麥餅干、黑小麥包子、黑小麥掛面、黑小麥方便面、黑小麥主食面包、煮食黑小麥片、速溶黑小麥片和黑小麥仁等產品，并投放市場，受到了消費者的歡迎[61,80-81]。

此外，黑小麥還可以作為其他食品的原料。劉杰璞等[82]以黑小麥為輔料釀造啤酒，制得了溶性氮含量高且多酚含量明顯下降的麥汁；制得了持泡性好，酯香突出的成品啤酒泡，說明黑小麥可成為啤酒制作輔料，具有良好的應用前景。黑小麥可制作營養保健型醬油[83]、營養保健酒[84]以及黑小麥乳酸菌飲料[85]等。隨著科技發展，黑小麥還將應用于化妝品、保健品和藥品中，如染色劑，抗衰老口服液等疾病的輔助藥物等。

4 黑小麥研究展望

黑小麥是普通小麥的一個特殊類型，其蛋白質、微量元素、膳食纖維、色素以及其他活性物質含量與普通小麥相比具有諸多優勢。相對普通小麥，黑小麥研究起步較晚，目前在種質資源開發與利用、品種選育和栽培技術研究等方面落后于普通小麥。利用遠緣雜交和生物技術，把偃麥草、濱麥草、簇毛麥等小麥近緣種屬的一些優質基因，如偃麥草的藍粒基因, 濱麥草與四倍體紫粒小麥的紫粒基因，以及現有黑小麥品種的優質基因導入普通白粒小麥中, 聚合累積不同來源的優質基因，選育超優小麥新品種，將是實現小麥品質育種新突破的途徑之一。目前的小麥品質改良主要側重于加工品質的改良，今后可向營養、保健和飼料用途等目標發展。黑小麥含有高蛋白和豐富的礦物營養元素，將其作為精飼料，可有效地降低動物體內脂肪積累[34]，因此，選育適合作優質粗飼料的黑小麥品種，一方面可避免在飼料中添加人工配組成分，從源頭杜絕污染，另一面獲得的肉制品脂肪量減少，更有利于人體健康。

黑小麥的保健價值、藥用價值及功能性食品的開發等也剛開始。因為黑小麥的產量較低，種植面積和生產投入等嚴重不足，還有一些理化性質、加工特性及其與食品品質之間的內在聯系還需進一步研究，對其進一步研究與關注還有待加強。政府應當加大黑小麥研究支持力度，科技工作者加快黑小麥新品種的選育和推廣種植，加快對黑小麥及其副產品的研究，針對黑小麥食品資源的特點和人們的消費習慣，采用超微粉碎技術、高壓技術、酶與發酵技術等新技術[86]，開發出營養豐富又受消費者歡迎的產品，提高黑小麥的利用價值和附加值，促進人民的身體健康。

高蛋白含量不是面粉加工品質的唯一決定因素，還與蛋白質的質量密切相關[87]。普通白粒小麥面粉中至少含有50多種蛋白亞基結構，包括 4～6種高分子量谷蛋白亞基，15種低分子量谷蛋白亞基以及30多種醇溶蛋白亞基[88]。通過添加劑和一些酶(谷氨酰胺轉移酶)對蛋白質結構進行修飾和改性，有助于提高蛋白質的質量，進而提高面粉的質量[89]。到目前為止，尚未發現對黑小麥面粉蛋白質質量的研究報道，這將是今后研究的方向之一。

黑小麥盡管已進入種植階段，但由于產業尚未發展成熟，后續加工速度慢、成本高，還無法進行大規模種植。現階段要解決的最大問題是配套相關產業，進一步拓展小麥加工產業鏈。總之，隨著人們生活水平的提高，黑小麥必需也必將實現多元化的發展，黑小麥作為理想的優質的天然黑色食品原料，具有十分廣闊的開發前景和社會經濟效益。