黑小麦品种选育与营养加工研究

刘玉秀,刘苗苗,张正茂,

(1.西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学食品科学与工程学院，陕西杨凌 712100)

小麦(TriticomaestivomL.)是世界上总产量排名第二的粮食作物，全球约有1/3的人口将其作为主要粮食[1]。在中国，小麦是继玉米和水稻之后的第三大粮食作物。近20年来，小麦产量和品质改良取得了长足的进展，然而小麦育种家一直重视小麦高产品种的选育，忽略了小麦籽粒中矿质元素和微量元素含量的提升。由于主粮作物中一些微量营养元素含量较低，导致全球部分人口微量营养元素摄入不足，特别是发展中国家，并有逐渐加重的趋势[2]。研究表明，黑小麦籽粒微量元素锌、硒和锰含量均远高于普通白粒小麦[3]。随着人们对小麦营养和加工品质要求的提高，富含微量元素的黑小麦品种选育备受育种家的关注。

普通小麦中，籽粒颜色为紫色、蓝色、蓝紫色和紫黑色的小麦统称为黑小麦或者彩色小麦。目前，我国小麦育种家们采用多种育种方法培育出了一批优质黑小麦新品种，具有耐晚播、耐寒抗冻、抗病虫害、抗干热风、抗干旱等优点[4]。研究表明，黑小麦色素含量与可溶性蛋白含量、粗蛋白含量、总氨基酸含量具有正相关性[5]。由于黑小麦含有丰富的营养物质，表现出特殊的保健功效，具有较强的抗氧化能力，有利于防治心血管疾病和延缓衰老等[6]，可以用来加工优质面食和保健食品[7]。

本文从黑小麦的遗传基础、品种选育、营养特性、加工品质及其在食品工业中的应用角度，综述其研究进展，为黑小麦品种选育和开发利用提供一定的参考。

1 黑小麦遗传基础与品种选育

黑小麦的籽粒果种皮或糊粉层颜色与普通小麦粒色不同，是小麦育种家通过与偃麦草、赖草等野生资源远缘杂交等育种方法选育创造出来的六倍体小麦[8]。早在19世纪，在埃塞俄比亚发现了四倍体紫粒小麦；育种家利用其作为亲本，选育出一系列紫粒品种(系)，如Copp紫粒系列，UM606a、Charcoal、NY紫粒系列以及澳大利亚紫粒等籽粒小麦[9]。我国黑小麦的基础研究始于20世纪80年代初，主要集中在黑小麦种质资源的收集、种植、评价、鉴定、改良和利用等方面，并选育了一些黑小麦品种(系)。

小麦粒色主要由遗传因素决定，同时也受环境因素(如光照、温度、施肥等)影响。籽粒呈紫色是由于果皮中含有紫色素的缘故，而果皮是由母性发育而成的，其颜色取决于母本基因型，因此紫粒性状呈母性遗传模式[10-11]。紫粒小麦色素基因主要来源于埃塞俄比亚四倍体紫粒小麦和中国普通小麦[9]、赖草[11]和偃麦草[12]等种质。Caporn[13]发现，紫粒是由两对基因控制的，而Sharman利用白色硬粒小麦与埃塞俄比亚紫色硬粒小麦杂交，发现F2代呈3(紫)：1(非紫)的规律，符合一个显性基因P的分离比例[14]。也有学者认为紫粒是由重复基因控制的[15]；小麦品系ND2的紫粒基因命为P1和P2，P1P1P2P2、P1P1p2p2和p1p1P2P2为紫粒，p1p1p2p2为非紫粒[12]。Piech等[16]和Kuspira[17]等发现，紫粒性状受位于3A和7B染色体上的两个相互独立的基因控制。邵中子等[11]利用普通小麦与赖草杂交获得了内蒙古紫粒小麦植株，发现该紫粒性状受一对显性基因控制；然而孙 群等[18]发现，乌麦526的紫粒性状是由两对互补基因控制的，其后代F3符合9(紫)：7(白)的遗传规律。

蓝粒小麦是因为小麦糊粉层中含有蓝色素，其主要来源是长穗偃麦草、中间偃麦草[19]和一粒小麦[9]。Hurd发现[10]，蓝粒是由两个互补的不完全显性基因控制。李振声等[20]和高建伟等[21]利用长穗偃麦草与普通小麦杂交获得了一系列蓝粒小麦材料，且发现长穗偃麦草的4E染色体携带有蓝色糊粉层基因Ba，该基因具有明显的剂量效应，稳定而独立遗传。兰素缺等[22]进一步证明了蓝粒性状具有胚乳直感现象，存在剂量效应。利用紫粒小麦和蓝粒小麦杂交可获得不同类型的蓝紫粒小麦，其粒色遗传应该符合紫粒和蓝粒小麦的遗传模式。

近年来，黑小麦因其具有特殊营养价值和保健功能而备受青睐，其品种选育也备受重视。我国先后审定了黑小麦76号、漯珍1号、汾黑麦1831、冀紫439、石UH01-4259、山农紫麦1号、新春36号、农大3753、三餐黑麦一号等一批黑小麦新品种[7,23-30]，为黑小麦产业化发展提供了良好的基础，也促进了优质营养专用型黑小麦产业化技术的进步。

孙善澄等[23]培育的黑小麦76号，属半冬性，株高95～100 cm ，穗长7～8 cm，穗粒数30～35粒，籽粒黑色，千粒重35～42 g，平均产量 4 500 kg·hm-2，高抗白粉病和条锈病。李建钊等[24]育成的漯珍1号，蛋白质含量达到17.1%，18种氨基酸含量达到15.2%，其中必需氨基酸赖氨酸含量比普通小麦高60%，提高了蛋白质的质量。汾黑麦1831具有强冬性、多穗，高产、抗旱节水、抗冻抗病及适应性强等特点，蛋白质含量为 15.43%，18种氨基酸的总含量为15.2%，高于普通小麦80%；其中赖氨酸含量为0.4%，高于普通小麦50%～80%[7]。

黑小麦冀紫439，在冀中南优质组区域试验中，平均产量为6 855.9 kg·hm-2；蛋白质含量高达16.23%～16.76%；含有丰富的微量元素，其中三价有机铬(Cr3+)含量为1.916 mg·kg-1，镁含量为1 424.0 mg·kg-1，硒(Se)含量81.0～203.95 μg·kg-1[25]，有助于预防人体缺乏微量元素而引起的各种疾病。石UH01-4259是一种高产保健型的黑小麦新品系，含蛋白亚基5+12和7+9，其产量高达6 984 kg·hm-2，且Se和Cr3+含量分别达到0.107和1.602 mg·kg-1[26]。采用分子育种技术培育的黑小麦新品种山农紫麦1号，其硒、铜、锌、铁等矿质元素均不同程度的高于普通白粒小麦，品质优异(粗蛋白质含量 15.23%，湿面筋含量34.7%)，其种皮中含有大量天然色素，以花青素为主[27]。还有一些优异的黑小麦新品种(系)，如富含铁和锌元素的秦黑1号[31]、具有较好的面条加工品质的西农黑大穗[32]和富含矿质元素和氨基酸的冀资麦3号[33]也丰富了黑小麦种质资源。

黑小麦研究方向多样。黑小麦用作精饲料能有效地降低动物体内脂肪积累，生产的肉食品在微观生理机制上有利于人体的健康[34]。马文丽等[35]研究表明，黑小麦幼苗的过氧化物酶(POD)活性高于普通白粒小麦，说明黑小麦抗氧化性高于白麦。目前，黑小麦育种从产量为主转向产量与品质兼顾，营养与保健逐渐成为黑小麦新的育种方向。

2 黑小麦营养特性

2.1 蛋白质和氨基酸

蛋白质和氨基酸含量是衡量小麦营养价值的重要指标，蛋白质含量也影响小麦的加工性能。普通白粒小麦粗蛋白质含量一般为12.0%～ 14.0%，而黑小麦粗蛋白质含量为15.0%～ 20.5%；粗蛋白含量与色素含量呈正相关[36]。黑小麦蛋白质含量与燕麦蛋白质含量(大多集中在16%～20%)相当[37]，但燕麦蛋白谷蛋白分子量小，不能形成面筋[38-39]。现代工业磨粉的剥皮处理会降低谷物的蛋白质含量，小麦磨粉后其蛋白质含量比籽粒蛋白质含量平均降低1.35%；一般来说，籽粒中蛋白质含量较高的谷物，磨粉后其蛋白质含量也较高[40]。普通白粒小麦磨粉后的面粉蛋白质含量为12.21%，麸皮蛋白质含量为 14.31%；而黑小麦面粉的蛋白质含量高达 15.41%，麸皮中蛋白质含量为14.73%[41]，说明相对普通白粒小麦，黑小麦面粉和麸皮含有较高的蛋白质。

黑小麦籽粒含有种类齐全且比例适宜的氨基酸，其中人体必需氨基酸含量高，尤其是赖氨酸含量比普通小麦高60%[42]。同时，黑小麦面粉的氨基酸总含量和人体必需氨基酸含量比普通小麦面粉分别高30.2%和16.0%[41]。说明黑小麦的籽粒和面粉均含有较高的氨基酸总含量，营养价值比普通小麦更高。

2.2 色素

黑小麦中含有大量的花色苷类色素。花色苷具有修复机体氧化性损伤、抗血小板凝结和抗炎症作用[43]。黑小麦色素易溶于水、甲醇和乙醇等极性溶剂，是水溶性色素[44]。该色素对酸碱性变化敏感，符合花色苷类色素通性，在酸性条件下呈现红色，碱性条件下为绿色[44-45]。因此，黑小麦的色素作为食用添加剂使用时，要注意酸碱度的影响，可作为酸性食品的食用色素进行开发利用，如果汁、饮料和果脯等酸性食品。该色素在pH为2，75 ℃处理1 h后，其保存率为96.33%；85 ℃处理1 h，其保存率为93.35%[44-45]，表明黑小麦色素能耐短时高温，色素稳定性优于大多数的天然色素，且颜色鲜艳，有一定的营养价值或生理作用[46-47]。黑小麦色素可作为一种良好的天然色素添加剂，应用于食品加工中，对提高食品的安全性和营养性作用更好。黑小麦色素具有很好的抗氧化活性，对DPPH(1,1-二苯基-2-三硝基苯肼)自由基和羟基自由基具有良好的清除能力，能有效地阻断亚硝胺的合成[48]，表明黑小麦是一种加工保健品、食品和药品等产品的优质原料。Abdel等[49]研究表明，对DPPH和ABTS(2,2-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐)自由基清除能力最强的是黑小麦麸皮，其次是全麦粉和面粉，这主要与色素含量有关，色素含量在麸皮、全麦粉和面粉依次降低。一些金属离子对黑小麦的色素有一定的增色作用，如Ca2+、Ba2+、K+、Fe3+、Al3+、Cu2+、Mg2+等；食盐、蔗糖、柠檬酸对黑小麦色素也有增色的作用[50]。

黑小麦的色素含量丰富。蓝、紫、黑等有色小麦籽粒的色素含量显著高于普通白粒小麦，且与可溶性蛋白含量、总氨基酸含量、Vc含量呈正相关[36]。Hosseinian等[51]研究发现，紫粒小麦的花色苷含量达到500.6 mg·kg-1，其主要活性物质为花青素-3-葡萄糖苷；适量食用黑小麦食品可以满足人体每日所需3～215 mg花色苷的摄取量[52]。Varga等[53]发现，黑小麦籽粒花青素含量在21～157 mg·kg-1之间，面粉中含量只有 5.3～17.4 mg·kg-1，这是由于花青素大多存在于皮层中，将全麦粉应用于食品加工中有利于提高食品中花青素的含量。黑小麦色素含量受到基因型[54]、地理位置、气候特征及栽培管理[55]等诸多因素影响，在生产中要综合考虑各个因素，选用色素含量高的品种种植在适应区域，可获得色素含量高的黑小麦原料。

2.3 膳食纤维

膳食纤维是人类的“第七大营养素”，它有助于预防肠道疾病和胃癌，降低胆固醇和高血压指标，减少乳腺癌和胆囊疾病等的发生[56]。Rakha等[57]发现，黑小麦总膳食纤维含量为13%～16%，主要组成成分为阿拉伯糖基木聚糖 (6.8%)、果聚糖(2.3%)、纤维素(2.1%)、木质素 (1.6%)和β-葡聚糖(0.7%)，其含量因环境和栽培条件不同而有所变化。黑小麦籽粒中膳食纤维含量达4.6%，是普通浅色小麦的2～3倍，其中不溶性膳食纤维含量占比约为20%，大部分纤维素都是可溶性多糖和水溶性纤维素[58]，说明黑小麦是比较理想的膳食纤维资源。

在全球范围内，居民膳食纤维的摄入量均比推荐摄入量低[59]。传统的面制品是提高居民膳食纤维摄入量的最佳载体，而富含膳食纤维且营养丰富的谷物麸皮是最佳原料[60]。孙元琳等[61]发现，适量(7%)添加以黑小麦麸皮为原料制备的黑小麦膳食纤维木聚糖酶酶解产物，可较好的改善谷物挤压膨化产品品质。Chen等[62]研究表明，在面粉中添加5～10%细麦麸(粒径为0.21 mm)或者5%中等麦麸(粒径为0.55 mm)，提高了面条中膳食纤维含量，且面条品质评分均大于83分。牛 磊等[63]采用纤维素酶解法从黑小麦麸皮中提取出了高纯度的膳食纤维，这些膳食纤维含有较多的天然黑色素。因此，将有色膳食纤维添加或直接将黑小麦麸皮进行超微粉碎，与黑小麦面粉混合，提高面粉中膳食纤维的含量，制作成高膳食纤维饼干等酥脆类食品[64]，可达到平衡营养和预防疾病发生的作用。

另外，体外抗氧化试验发现，黑小麦麸皮的可溶性膳食纤维对羟自由基清除率为81.43%，还原力为1.688，表明其具有很强的清除自由基的能力；pH为2和7 时，对胆固醇的吸附量分别为3.96、5.02，对胆酸钠的吸附率为29.36%，表明黑小麦麸皮的可溶性膳食纤维能有效降低机体对胆固醇的吸收[65]。

2.4 微量元素

黑小麦富含矿质营养元素，有利于人体健康，比如人体不可缺少的微量元素硒(Se)对机体生长和新陈代谢有重要作用。Sehgal等[66]研究发现，在黑小麦籽粒中，Ca、K、Zn、Fe和Mn的含量分别为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别为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，均高于普通小麦。胡秋辉等[42]研究表明，黑小麦面粉中，Ca、K、Zn、Fe、Mn和Mg元素分别比普通小麦高 89.4%、137.4%、45%、1348.6%、 460.9%和152%。Bóna等[67]研究表明，小麦中Se含量高于普通小麦，春性黑小麦高于冬黑小麦，Se含量与Mg、Cu、Zn、Mn、VE含量有正相关性。苏卓勋[68]发现，黑小麦品种黑小麦76号面粉中碘(I)含量为168.2 μg·g-1，而在普通白粒小麦品种新春26号面粉中未检出。因此，在远离海岸的山区，经常食用黑小麦制品，可降低缺I带来的一系列健康问题。培育营养强化的黑小麦品种是改善人们身体健康状况的有效途径之一，目前已有部分富微量元素的黑小麦品种育成，如富铬黑小麦，可有效降低糖尿病患者的血糖含量，对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麦可以加工成具有特殊功效的黑小麦方便面、黑小麦全粉、麦片、糕点和面包等产品，供各类疾病患者食用，可有效解决患者饮食难题；而普通人群食用这些产品也可以起到预防保健作用。

2.5 维生素和不饱和脂肪酸

维生素具有抗氧化性，能够有效清除体内的氧化基团、延缓机体衰老、降低各种恶性疾病的发病率。B族维生素有助于预防脚气病等疾病，其中VB6是合成神经递质的必需品[70]。韩 豪等[71]利用UPLC-MS/MS方法测定黑小麦中B族维生素的含量，结果表明，黑小麦中VB1、VB2和VB6的含量分别为0.965～1.961 μg·g-1、0.614～ 0.963 μg·g-1和0.364～0.625 μg·g-1，均高于普通小麦。李帮秀等[36]研究结果表明，5种有色小麦Vc含量都极显著地高于白粒小麦；黑小麦中VB、VC、VE含量均高于普通小麦，表明黑小麦含有较高的维生素含量，将其制成相关的产品或作为保健品，有利于延迟衰老和预防疾病。

黑小麦中不饱和脂肪酸含量占总脂肪的53%，仅次于大豆，其中人体必需脂肪酸含量占到20%～30%[72]。但刘小梦等[73]发现，普通小麦中不饱和脂肪酸在总脂肪酸中占到79%，这有可能是由于材料背景的不同或测定的方法不同有关，尚需进一步研究验证。研究还表明，普通小麦中总脂肪酸含量与棕榈酸、硬脂酸、油酸和亚油酸的组分含量显著相关[73]，而黑小麦这方面的研究尚未有相关报道。

3 黑小麦品质与加工

加工品质是对小麦面粉最终用途的综合反映。食品加工品质评价一般通过制作不同的面食品种，例如面条、馒头和面包等，然后根据不同标准进行评价。

研究证明，不同黑小麦品种适宜于不同类型的食品加工。罗勤贵等[74]研究表明，黑小麦挂面吸水率增大，烹调损失较小；在黑小麦面粉中添加荞麦粉和黑米粉，提升了挂面的品质和感官。林存亮等[75]利用黑小麦品种(系)S-2和黑小麦76制作新疆拉面，制作的面条具有较高的粘性、适口性、韧性和食味性。

燕 雯等[32]研究了张正茂培育的西农黑大穗发现，该品种(系)除具有良好的面条加工性能外，还含有较高的蛋白质和湿面筋含量，较大的最大延伸阻力、延伸度和拉伸面积，说明西农黑大穗属于中强筋类型黑小麦，可用于加工黑小麦面包。黑小麦76、河东乌麦526、小偃乌麦等黑小麦品种(品系)的百克面粉面包体积为410.0～495.0 mL，面包品质均达到或超过了普通小麦-小偃503的水平[76]。李春燕等[77]采用二次正交旋转组合设计试验，获得了黑小麦面包的最佳工艺配方：黑小麦面粉17.7%，白砂糖19.9%，干酵母1.3%，生产的面包硬度为520.3 g，可用于实际生产。胡新中等[78]研究发现，黑小麦制作的面包品质较好，也适合制作普通面条，但馒头品质较差。王立新[79]用黑小麦3与格来尼小麦粉搭配制作馒头，发现增大格来尼小麦粉的比例，能提高黑小麦馒头评分。陈志成等[80]认为，黑小麦粉由于面筋含量高，品质优良，制作馒头时利用传统的酵面头发酵，效果最佳。

目前，已经开发出了一系列黑小麦产品，如黑小麦馒头、黑小麦饼干、黑小麦包子、黑小麦挂面、黑小麦方便面、黑小麦主食面包、煮食黑小麦片、速溶黑小麦片和黑小麦仁等产品，并投放市场，受到了消费者的欢迎[61,80-81]。

此外，黑小麦还可以作为其他食品的原料。刘杰璞等[82]以黑小麦为辅料酿造啤酒，制得了溶性氮含量高且多酚含量明显下降的麦汁；制得了持泡性好，酯香突出的成品啤酒泡，说明黑小麦可成为啤酒制作辅料，具有良好的应用前景。黑小麦可制作营养保健型酱油[83]、营养保健酒[84]以及黑小麦乳酸菌饮料[85]等。随着科技发展，黑小麦还将应用于化妆品、保健品和药品中，如染色剂，抗衰老口服液等疾病的辅助药物等。

4 黑小麦研究展望

黑小麦是普通小麦的一个特殊类型，其蛋白质、微量元素、膳食纤维、色素以及其他活性物质含量与普通小麦相比具有诸多优势。相对普通小麦，黑小麦研究起步较晚，目前在种质资源开发与利用、品种选育和栽培技术研究等方面落后于普通小麦。利用远缘杂交和生物技术，把偃麦草、滨麦草、簇毛麦等小麦近缘种属的一些优质基因，如偃麦草的蓝粒基因, 滨麦草与四倍体紫粒小麦的紫粒基因，以及现有黑小麦品种的优质基因导入普通白粒小麦中, 聚合累积不同来源的优质基因，选育超优小麦新品种，将是实现小麦品质育种新突破的途径之一。目前的小麦品质改良主要侧重于加工品质的改良，今后可向营养、保健和饲料用途等目标发展。黑小麦含有高蛋白和丰富的矿物营养元素，将其作为精饲料，可有效地降低动物体内脂肪积累[34]，因此，选育适合作优质粗饲料的黑小麦品种，一方面可避免在饲料中添加人工配组成分，从源头杜绝污染，另一面获得的肉制品脂肪量减少，更有利于人体健康。

黑小麦的保健价值、药用价值及功能性食品的开发等也刚开始。因为黑小麦的产量较低，种植面积和生产投入等严重不足，还有一些理化性质、加工特性及其与食品品质之间的内在联系还需进一步研究，对其进一步研究与关注还有待加强。政府应当加大黑小麦研究支持力度，科技工作者加快黑小麦新品种的选育和推广种植，加快对黑小麦及其副产品的研究，针对黑小麦食品资源的特点和人们的消费习惯，采用超微粉碎技术、高压技术、酶与发酵技术等新技术[86]，开发出营养丰富又受消费者欢迎的产品，提高黑小麦的利用价值和附加值，促进人民的身体健康。

高蛋白含量不是面粉加工品质的唯一决定因素，还与蛋白质的质量密切相关[87]。普通白粒小麦面粉中至少含有50多种蛋白亚基结构，包括 4～6种高分子量谷蛋白亚基，15种低分子量谷蛋白亚基以及30多种醇溶蛋白亚基[88]。通过添加剂和一些酶(谷氨酰胺转移酶)对蛋白质结构进行修饰和改性，有助于提高蛋白质的质量，进而提高面粉的质量[89]。到目前为止，尚未发现对黑小麦面粉蛋白质质量的研究报道，这将是今后研究的方向之一。

黑小麦尽管已进入种植阶段，但由于产业尚未发展成熟，后续加工速度慢、成本高，还无法进行大规模种植。现阶段要解决的最大问题是配套相关产业，进一步拓展小麦加工产业链。总之，随着人们生活水平的提高，黑小麦必需也必将实现多元化的发展，黑小麦作为理想的优质的天然黑色食品原料，具有十分广阔的开发前景和社会经济效益。