五种黑小麦的营养价值、抗氧化活性和淀粉消化性

李华，马丹妮，吴莹晗，徐同成，宗爱珍

1(扬州大学 食品科学与工程学院，江苏 扬州，225127) 2(山东省农业科学院农产品研究所，山东省特殊医学用途配方食品 工程技术研究中心，山东省农产品精深加工技术重点实验室，农业部新食品资源加工重点实验室，山东 济南，250100)

黑小麦是由黑麦和小麦杂交形成的人工谷物，主要产于波兰、德国、白俄罗斯、法国和俄罗斯，中国是除欧洲以外的主要产地[1]。研究表明，黑小麦的营养价值较高，含有丰富的蛋白质、淀粉、膳食纤维、矿物质，同时它还含有酚酸、花色苷、戊聚糖等多种生物活性物质[1]，具有体外抗氧化和抗乙酰胆碱酯酶的作用[2]以及改善动物血脂代谢的作用[3]。黑小麦过去只用作饲料，随着对其营养和保健价值认识的深入，逐渐开始用于食物的制作[1]。

淀粉是谷物中的主要营养物质，前瞻性流行病学研究表明饮食中淀粉的消化特性与患2型糖尿病、肥胖症和其他代谢疾病的风险增加独立相关，长期摄入高血糖指数(glycemic index, GI)的食物会增加这些疾病的风险，坚持摄入低GI食物或限制高GI食物的摄入量，是2型糖尿病病人通过饮食控制血糖升高的主要方法[4]。因此，研究者们一直在努力筛选低GI谷物和降低谷物的GI，然而黑小麦的淀粉消化特性如何，仍有待研究。

中国的黑小麦品种繁多，品种间品质差异较大[5]。虽然已有一些关于黑小麦的营养及活性成分组成和生理活性的研究[5]，但是还未见有对农大系列黑小麦的相关报道，因此，本文对该系列中的5种黑小麦进行营养及活性成分分析，以期为它们在食品中的开发利用提供基础数据。同时，研究它们的淀粉消化特性，为糖尿病等慢性病患者食物原料的选择提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

农大3685、农大876、农大2201、农大2202、农大H-02黑小麦，北京惠农富民科技有限公司；1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)，TCI公司；芦丁，百灵威科技有限公司；2,2′-连氮基-双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)(ABTS)、6-羟基-2,5,7,8-四甲基色烷-2-羧酸(Trolox)，Sigma公司；福林试剂、AlCl3、没食子酸等其他试剂，国药集团化学试剂有限公司；胃蛋白酶(1 200 U/mg)、葡萄糖淀粉酶(130 000 U/mL)，上海蓝季科技发展有限公司；α-淀粉酶(4 000 U/g)，上海瑞永生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

高速多功能粉碎机(JP-250A)，上海久品工贸有限公司；电热鼓风干燥箱(DHG-9055A)，上海一恒科技有限公司；超声波合成萃取仪(XH-2008D)，北京祥鹄科技发展有限公司；旋转蒸发仪(RE-52AA)，上海亚荣生化仪器厂；可见分光光度计(V-100D)，上海美谱达仪器有限公司；水浴恒温振荡器(SHZ-82A)，常州金坛市盛威实验仪器厂；凯氏定氮仪(KDN-102C)、脂肪测定仪(SZC-C)，上海纤检仪器有限公司；马弗炉(CWF11/13)，弗尔德(上海)仪器设备有限公司；冷冻离心机(Allegra X-22R)，美国贝克曼库尔特有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 黑小麦粉的制备

挑选籽粒饱满的黑小麦，粉碎，过孔径0.5 mm筛备用。

1.3.2 营养成分的测定

水分、蛋白质、脂肪、灰分、膳食纤维、淀粉、直链及支链淀粉的测定分别参照GB5009.3—2016、GB5009.5—2016、GB5009.6—2016、GB5009.4—2016、GB5009.88—2014、GB5009.9—2016、GB/T15683—2008/ISO6647—1:2007进行。

1.3.3 活性成分的测定

1.3.3.1 黑小麦提取液的制备

准确称取黑小麦粉1 g，加入20 mL 70%甲醇，40 ℃ 1 200 W超声提取15 min后离心(3 000×g)10 min，收集上清液，残渣按上述方法重复提取2次，合并上清液于45 ℃真空旋转蒸发至干，用70%甲醇复溶，定容至10 mL，即为游离型多酚提取液，-20 ℃保存待用。

在上述残渣中加入20 mL 4 mol/L NaOH，40 ℃ 1 200 W超声处理90 min，用6 mol/L HCl调pH至2.0，离心(3 000×g)20 min，取澄清溶液用30 mL乙酸乙酯萃取3次，合并乙酸乙酯萃取液真空旋转蒸发至干，用2 mL 10%甲醇复溶，即为结合型多酚提取液，-20 ℃保存待用。

1.3.3.2 总酚含量的测定

采用福林酚法[6]测定黑小麦提取液的总酚含量。没食子酸标准曲线方程如公式(1)所示:

Y=20.1X+0.013 1,R2=0.999 2

(1)

根据标准曲线及样品吸光度，分别计算黑小麦的游离型酚和结合型酚含量(mg GAE/g)(GAE：gallic acid equivalent，没食子酸当量)。

1.3.3.3 总黄酮含量的测定

采用NaNO2-Al(NO3)3比色法[7]测定黑小麦提取液的总黄酮含量。芦丁标准曲线方程如公式(2)所示：

Y=1.274X-0.014 4,R2=0.999 3

(2)

根据标准曲线及样品吸光度，计算黑小麦的总黄酮含量(mg RE/g)(RE：rutin equivalent，芦丁当量)。

1.3.4 抗氧化能力的测定

1.3.4.1 DPPH自由基清除能力的测定

Y=0.275 5X-3.794 7,R2=0.999 7

(3)

结果表示为每千克样品相当的抗氧化能力所需的Trolox的毫摩尔数。

1.3.4.2 ABTS自由基清除能力的测定

参照浦文君[9]的方法测定黑小麦提取液清除ABTS自由基的能力。Trolox标准曲线方程如公式(4)所示：

Y=0.100 6X-2.521,R2=0.999 3

(4)

结果表示为每千克样品相当的抗氧化能力所需的Trolox的毫摩尔数。

1.3.4.3 铁还原能力的测定

参照ATMANI等[10]的方法测定黑小麦提取液的铁还原能力。吸光值越大表示还原能力越强，抗氧化活性就越高。

1.3.5 淀粉消化性分析

1.3.5.1 快消化淀粉、慢消化淀粉和抗性淀粉的测定

参照缪铭[11]的方法对黑小麦粉中快、慢、抗3种淀粉进行测定。

快消化淀粉(rapidly digestible starch, RDS)、慢消化淀粉(slowly digestible starch, SDS)、抗性淀粉(resistant starch, RS)的计算分别如公式(5)、(6)、(7)所示:

(5)

(6)

(7)

式中：G20，酶解20 min后释放的葡萄糖量，mg；G120，酶解120 min后释放的葡萄糖量，mg；FG，酶解前游离葡萄糖量，mg；TS，样品总淀粉量，mg。

1.3.5.2 黑小麦生粉估计血糖指数的测定

(8)

(9)

估计血糖指数eGI=39.7+0.549HI

(10)

1.3.5.3 黑小麦熟粉估计血糖指数的测定

准确称取黑小麦粉500 mg，加入20 mL磷酸盐缓冲液(pH 7.5)，100 ℃水浴糊化20 min后置于37 ℃恒温水浴平衡20 min。余下操作同1.3.5.2。

1.3.6 数据统计分析

所有指标测定重复3次，结果以干基计，用平均值±标准差表示。利用SPSS 16.0中的Duncan法分析数据间的显著性差异(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 基础营养成分

农大系列5种黑小麦的基础营养成分含量见表1。淀粉和蛋白质是黑小麦的主要成分，分别占干物质的61.97%～65.46%和13.82%～20.09%，都在国内外其他品种黑小麦的淀粉含量(60.8%～75.9%)和蛋白质含量(7.5%～20.5%)[1,5]范围之内。虽然所测黑小麦的淀粉含量不存在品种间的显著差异，但蛋白质含量存在显著差异，例如，农大2201的蛋白质含量高达农大2202的1.45倍，这可能与基因型、栽培年限和种植环境存在差异有关[13]。用黑小麦粉替代传统面粉进行食品加工，不仅需要考虑蛋白质的含量，还应注意蛋白质的构成，以保证加工食品的品质。例如，制作面包时虽然某些品种黑小麦的蛋白质含量已经达到高筋粉的标准，但由于黑小麦蛋白中麦谷蛋白的含量较传统小麦低，会导致黑小麦面包的比容较传统小麦面包低很多[1]。因此，黑小麦粉只可替代部分高筋粉，才能满足面包感官品质的要求。

与以往报道的黑小麦[1,5]一样，农大系列黑小麦的脂肪含量也很低，最高的品种农大3685仅为2.01%。黑小麦虽然脂肪含量低，但是它的不饱和脂肪酸约占到一半，且25%左右是人体的必需脂肪酸亚油酸和亚麻酸[14]。

表1 五种黑小麦的营养素含量 单位：%(质量分数)

注：含量以黑小麦的干基计；同列标注字母不同者表示差异显著(P<0.05)(下同)

农大系列黑小麦的灰分含量为1.80%～2.23%，也与国内外其他品种黑小麦(1.3%～2.5%)[1,5]相当，其中农大2201显著高于其他品种。灰分含量的高低也会影响食品的感官品质。MARTINEZ等[15]发现灰分是影响意大利面亮度和红度的主要因素。因此，鉴于黑小麦全粉的高灰分含量，若对感官品质要求高的人群，它更适合制作对色度要求不高的食品，如饼干。

2.2 总酚、总黄酮和抗氧化能力

流行病学研究表明，长期坚持摄入全谷物食品可以降低各种慢性病的风险，这主要归功于全谷物所含的丰富的植物化学物如酚类、β-葡聚糖、类胡萝卜素、菊粉、木脂素，同时也部分归因于这些活性物的抗氧化作用，因为过量的自由基可以引起生物大分子的氧化损伤而导致慢性病风险的提高[20]。本研究对农大系列5种黑小麦的总酚和总黄酮含量进行了分析，结果见表2。所测黑小麦的游离酚和结合酚含量范围分别为0.57～0.68 mg GAE/g和0.53～0.57 mg GAE/g，品种间虽有显著差异，但数值差别很小；总体上游离酚含量略高于结合酚含量。甘人友等[21]发现黑小麦的游离酚和结合酚含量分别为1.05 mg GAE/g和1.38 mg GAE/g，约是农大系列黑小麦的2～3倍。产生这种差异的原因可能是所测黑小麦的品种和多酚提取方法不同。黄酮是谷物中最普遍存在的酚类化合物之一，农大3685的总黄酮含量最高，为3.35 mg RE/g，比含量最低的农大876高出17%。宗学凤等[22]研究表明：黑粒小麦76、河东乌麦和漯珍1号这3种黑小麦的总黄酮含量分别为2.461、2.594、2.326 mg RE/g，都低于农大系列黑小麦。

表2 五种黑小麦的游离酚、结合酚及总黄酮含量和抗氧化能力Table 2 Contents of free and bound phenolics and total flavonoids and antioxidant activities in five triticale varieties

由于植物样品的抗氧化能力会受到多种因素的影响，如提取溶剂和测试系统[23]，因此本研究采用了3种不同的抗氧化活性测定方法，即DPPH自由基清除能力、ABTS自由基清除能力和铁还原能力来反映5种黑小麦提取液的抗氧化能力，结果如表2所示。样品间抗氧化能力存在显著差异。农大2201清除DPPH及ABTS自由基的能力和铁还原能力都最强，分别为2.525 mmol TE/kg、6.906 mmol TE/kg、0.535；DPPH自由基清除和铁还原能力最弱的都是农大2202，分别仅为农大2201的75%和65%；ABTS自由基清除能力最弱的则是农大876，仅为3.506 mmol TE/kg，约是农大2201的50%。通常，有色谷物比白色谷物具有更高的抗氧化能力。整体上，农大系列黑小麦清除DPPH自由基及ABTS自由基的能力要大于普通小麦[23]，这可能与其含有较高的酚类物质如酚酸、黄酮和花青素有关[20]。BHANJA等[24]采用霉菌发酵使小麦的总酚含量提高了14倍，DPPH自由基及ABTS自由基清除能力分别提高了6.6倍和5倍。DORDEVIC′等[25]用乳酸菌和酵母发酵也提高了谷物的总酚含量和抗氧化能力。甘人友等[21]发现发芽3～8 d显著提高了黑小麦可溶性和结合性提取物的总酚含量和抗氧化活性。因此，可尝试采用发芽、发酵等方法提高农大系列黑小麦的多酚含量和抗氧化能力，来更好地发挥其保健作用。

2.3 淀粉消化性

淀粉是人类食物中最主要的碳水化合物，分为直链淀粉和支链淀粉。ENGLYST等根据淀粉体外消化的速率和程度，将它分为三类，即RDS、SDS和RS。RDS可以在十二指肠和小肠的近端区域被快速消化吸收，导致血糖和胰岛素水平迅速上升；SDS对于促进血糖的缓释有积极作用，使体内血糖供应持久稳定；RS不能被小肠中的酶水解消化，而是在大肠内由肠道菌群发酵，释放出短链脂肪酸等有益物质，具有预防结肠癌、降低GI和调节血清胆固醇水平等作用[26]。本研究对农大系列5种黑小麦的淀粉组成情况进行了分析，结果见表3。样品间直链淀粉的含量存在显著差异，农大2202的直链淀粉含量最高，为14.12%，而含量最低的农大2201仅为9.04%；支链淀粉含量范围为50.10%～55.48%，样品间没有显著差异；直/支链淀粉比例最高和最低的分别是农大2202(27.50%)和农大2201(16.29%)。农大系列黑小麦的直链淀粉占总淀粉的比例范围为14%～22%，明显低于普通小麦(25%～28%)，与部分糯性小麦相当(16%～22%)，而远大于糯小麦(0%～3%)[27]。研究表明[28-30]，小麦的RDS、SDS、RS含量因品种和测定方法的差异，具有很广的范围(如RS，从痕量至81%)。本研究所测样品间RDS、SDS、RS也都存在显著差异，RDS含量最高的是农大2202，为20.65%，而其余4种黑小麦的RDS含量无显著差异；农大2201、876、3685的SDS含量相当，明显高于农大H-02和农大2202；RS含量最高的是农大H-02(67.77%)，其次是农大2202(63.84%)，农大2201、农大876和农大3685三者含量相当。

表3 五种黑小麦的淀粉组成和估计血糖指数Table 3 Starch composition and estimated glycemic index of five triticale varieties

注：+单位为%，以黑小麦的干基计；#单位为%，以黑小麦的淀粉计

GI是反映某种食物与含等量碳水化合物的参考食物如葡萄糖和白面包相比升高血糖能力的指标，常通过人体试食实验测定[12]，但体内实验的影响因素复杂，常造成结果的精度和重复性较差[31]，而反映餐后淀粉消化速率和程度的体外指标eGI，与体内实验结果的相关性很好且测定简便、成本低[12]。因此，本研究测定了农大系列5种黑小麦的eGI，结果见表3。样品间存在显著差异，无论是糊化前还是糊化后，农大2201的eGI都最低，分别为47.53和74.23，但熟化后的黑小麦粉血糖指数略大于70，仍属于高血糖指数食物，具有较强的升糖能力。黑小麦粉的体外淀粉消化曲线见图1和图2。在整个水解过程中，农大2201的淀粉水解率都明显低于其他黑小麦；水解3 h后，未经和经糊化处理的农大2201的淀粉水解率都最低，分别为14.89%和56.16%，仅是水解率最高的农大2202(未经糊化)和农大3685(经糊化)的65%和77%。这与eGI的测试结果相一致。DA SILVEIRA等[32]研究了13种小麦熟化后的淀粉消化情况，发现水解2 h时，淀粉水解率为51.93%～84.54%，而农大系列黑小麦为51.62%～69.08%，淀粉消化性整体上较弱，尤其是农大2201最适合被用于糖尿病患者食物的深入研究。

研究表明，高直链淀粉含量的谷物对淀粉酶和淀粉葡糖苷酶的敏感性较低，从而导致较低的eGI[4]；此外，eGI与RS的含量常呈反比[31]。然而本研究并未得到相似的结论，农大2202的直链淀粉含量虽是农大2201的1.6倍，农大H-02的RS含量虽比农大2201高14%，但农大2202和农大H-02的eGI明显高于农大2201。这与SHUMOY等[4]的研究结果一致，因为淀粉的消化受内外多种因素的综合影响，除了淀粉本身的分子和理化性质外，还有很多外在因素如食物基质效应。研究表明，食物中的膳食纤维可通过抑制淀粉的糊化来延缓淀粉的酶解[33]，也可通过增加食物的黏度，延缓淀粉颗粒与消化酶的接触[34]；蛋白质和脂质可附着在淀粉颗粒表面，抑制淀粉与消化酶的接触，还可通过抑制淀粉颗粒的膨胀，减少表面积来降低消化[35]；谷物酚类可通过与淀粉消化酶和/或与淀粉形成复合物来减少淀粉的酶解[36]。农大2201具有较低的eGI可能与其蛋白质和膳食纤维含量较高有关。因此，可以尝试通过改变食物的基质条件，来降低黑小麦的淀粉消化程度和速率，延缓餐后血糖水平的上升，促进黑小麦在糖尿病饮食中的应用。

图1 糊化前5种黑小麦的体外淀粉水解曲线
Fig.1Invitrostarch hydrolysis of five triticale varieties before gelatinization

图2 糊化后5种黑小麦的体外淀粉水解曲线
Fig.2Invitrostarch hydrolysis of five triticale varieties after gelatinization

3 结论

为了更好地将黑小麦应用于人类尤其是糖尿病、心血管疾病、肥胖症等慢性病患者的日常饮食，本研究对农大系列5种黑小麦的营养价值、抗氧化能力和淀粉消化性进行了分析评价，发现这些黑小麦含有丰富的蛋白质、淀粉、膳食纤维和酚类物质，具有较强的抗氧化活性；然而，虽然品种间的eGI存在显著差异，但各品种仍都具有较强的升糖能力。将黑小麦应用于食品的制作，涉及到配方、加工方式及条件等诸多影响淀粉消化的因素。研究表明[37]，优化配方如添加一些全谷物或谷物麸皮、油料种子、植物提取物等来增加原料中膳食纤维、多酚、蛋白质、直链淀粉和抗性淀粉等物质的含量，或者改变加工方式及条件如老面发酵、缩短揉面时间、适当延长发酵时间、冷冻贮藏等，都可以降低食物的血糖指数。因此对于本研究优选出的农大2201黑小麦，可以根据制作的具体食物，采用恰当的配方和加工方式及条件，来进一步降低相应黑小麦食品的升糖能力，从而扩大黑小麦食品的适用人群范围，充分实现其营养和保健价值。