五種黑小麥的營養價值、抗氧化活性和淀粉消化性

李華，馬丹妮，吳瑩晗，徐同成，宗愛珍

1(揚州大學 食品科學與工程學院，江蘇 揚州，225127) 2(山東省農業科學院農產品研究所，山東省特殊醫學用途配方食品 工程技術研究中心，山東省農產品精深加工技術重點實驗室，農業部新食品資源加工重點實驗室，山東 濟南，250100)

黑小麥是由黑麥和小麥雜交形成的人工谷物，主要產于波蘭、德國、白俄羅斯、法國和俄羅斯，中國是除歐洲以外的主要產地[1]。研究表明，黑小麥的營養價值較高，含有豐富的蛋白質、淀粉、膳食纖維、礦物質，同時它還含有酚酸、花色苷、戊聚糖等多種生物活性物質[1]，具有體外抗氧化和抗乙酰膽堿酯酶的作用[2]以及改善動物血脂代謝的作用[3]。黑小麥過去只用作飼料，隨著對其營養和保健價值認識的深入，逐漸開始用于食物的制作[1]。

淀粉是谷物中的主要營養物質，前瞻性流行病學研究表明飲食中淀粉的消化特性與患2型糖尿病、肥胖癥和其他代謝疾病的風險增加獨立相關，長期攝入高血糖指數(glycemic index, GI)的食物會增加這些疾病的風險，堅持攝入低GI食物或限制高GI食物的攝入量，是2型糖尿病病人通過飲食控制血糖升高的主要方法[4]。因此，研究者們一直在努力篩選低GI谷物和降低谷物的GI，然而黑小麥的淀粉消化特性如何，仍有待研究。

中國的黑小麥品種繁多，品種間品質差異較大[5]。雖然已有一些關于黑小麥的營養及活性成分組成和生理活性的研究[5]，但是還未見有對農大系列黑小麥的相關報道，因此，本文對該系列中的5種黑小麥進行營養及活性成分分析，以期為它們在食品中的開發利用提供基礎數據。同時，研究它們的淀粉消化特性，為糖尿病等慢性病患者食物原料的選擇提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

農大3685、農大876、農大2201、農大2202、農大H-02黑小麥，北京惠農富民科技有限公司；1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)，TCI公司；蘆丁，百靈威科技有限公司；2,2′-連氮基-雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)(ABTS)、6-羥基-2,5,7,8-四甲基色烷-2-羧酸(Trolox)，Sigma公司；福林試劑、AlCl3、沒食子酸等其他試劑，國藥集團化學試劑有限公司；胃蛋白酶(1 200 U/mg)、葡萄糖淀粉酶(130 000 U/mL)，上海藍季科技發展有限公司；α-淀粉酶(4 000 U/g)，上海瑞永生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

高速多功能粉碎機(JP-250A)，上海久品工貿有限公司；電熱鼓風干燥箱(DHG-9055A)，上海一恒科技有限公司；超聲波合成萃取儀(XH-2008D)，北京祥鵠科技發展有限公司；旋轉蒸發儀(RE-52AA)，上海亞榮生化儀器廠；可見分光光度計(V-100D)，上海美譜達儀器有限公司；水浴恒溫振蕩器(SHZ-82A)，常州金壇市盛威實驗儀器廠；凱氏定氮儀(KDN-102C)、脂肪測定儀(SZC-C)，上海纖檢儀器有限公司；馬弗爐(CWF11/13)，弗爾德(上海)儀器設備有限公司；冷凍離心機(Allegra X-22R)，美國貝克曼庫爾特有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 黑小麥粉的制備

挑選籽粒飽滿的黑小麥，粉碎，過孔徑0.5 mm篩備用。

1.3.2 營養成分的測定

水分、蛋白質、脂肪、灰分、膳食纖維、淀粉、直鏈及支鏈淀粉的測定分別參照GB5009.3—2016、GB5009.5—2016、GB5009.6—2016、GB5009.4—2016、GB5009.88—2014、GB5009.9—2016、GB/T15683—2008/ISO6647—1:2007進行。

1.3.3 活性成分的測定

1.3.3.1 黑小麥提取液的制備

準確稱取黑小麥粉1 g，加入20 mL 70%甲醇，40 ℃ 1 200 W超聲提取15 min后離心(3 000×g)10 min，收集上清液，殘渣按上述方法重復提取2次，合并上清液于45 ℃真空旋轉蒸發至干，用70%甲醇復溶，定容至10 mL，即為游離型多酚提取液，-20 ℃保存待用。

在上述殘渣中加入20 mL 4 mol/L NaOH，40 ℃ 1 200 W超聲處理90 min，用6 mol/L HCl調pH至2.0，離心(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轉蒸發至干，用2 mL 10%甲醇復溶，即為結合型多酚提取液，-20 ℃保存待用。

1.3.3.2 總酚含量的測定

采用福林酚法[6]測定黑小麥提取液的總酚含量。沒食子酸標準曲線方程如公式(1)所示:

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

(1)

根據標準曲線及樣品吸光度，分別計算黑小麥的游離型酚和結合型酚含量(mg GAE/g)(GAE：gallic acid equivalent，沒食子酸當量)。

1.3.3.3 總黃酮含量的測定

采用NaNO2-Al(NO3)3比色法[7]測定黑小麥提取液的總黃酮含量。蘆丁標準曲線方程如公式(2)所示：

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

(2)

根據標準曲線及樣品吸光度，計算黑小麥的總黃酮含量(mg RE/g)(RE：rutin equivalent，蘆丁當量)。

1.3.4 抗氧化能力的測定

1.3.4.1 DPPH自由基清除能力的測定

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

(3)

結果表示為每千克樣品相當的抗氧化能力所需的Trolox的毫摩爾數。

1.3.4.2 ABTS自由基清除能力的測定

參照浦文君[9]的方法測定黑小麥提取液清除ABTS自由基的能力。Trolox標準曲線方程如公式(4)所示：

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

(4)

結果表示為每千克樣品相當的抗氧化能力所需的Trolox的毫摩爾數。

1.3.4.3 鐵還原能力的測定

參照ATMANI等[10]的方法測定黑小麥提取液的鐵還原能力。吸光值越大表示還原能力越強，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測定

參照繆銘[11]的方法對黑小麥粉中快、慢、抗3種淀粉進行測定。

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)的計算分別如公式(5)、(6)、(7)所示:

(5)

(6)

(7)

式中：G20，酶解20 min后釋放的葡萄糖量，mg；G120，酶解120 min后釋放的葡萄糖量，mg；FG，酶解前游離葡萄糖量，mg；TS，樣品總淀粉量，mg。

1.3.5.2 黑小麥生粉估計血糖指數的測定

(8)

(9)

估計血糖指數eGI=39.7+0.549HI

(10)

1.3.5.3 黑小麥熟粉估計血糖指數的測定

準確稱取黑小麥粉500 mg，加入20 mL磷酸鹽緩沖液(pH 7.5)，100 ℃水浴糊化20 min后置于37 ℃恒溫水浴平衡20 min。余下操作同1.3.5.2。

1.3.6 數據統計分析

所有指標測定重復3次，結果以干基計，用平均值±標準差表示。利用SPSS 16.0中的Duncan法分析數據間的顯著性差異(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 基礎營養成分

農大系列5種黑小麥的基礎營養成分含量見表1。淀粉和蛋白質是黑小麥的主要成分，分別占干物質的61.97%～65.46%和13.82%～20.09%，都在國內外其他品種黑小麥的淀粉含量(60.8%～75.9%)和蛋白質含量(7.5%～20.5%)[1,5]范圍之內。雖然所測黑小麥的淀粉含量不存在品種間的顯著差異，但蛋白質含量存在顯著差異，例如，農大2201的蛋白質含量高達農大2202的1.45倍，這可能與基因型、栽培年限和種植環境存在差異有關[13]。用黑小麥粉替代傳統面粉進行食品加工，不僅需要考慮蛋白質的含量，還應注意蛋白質的構成，以保證加工食品的品質。例如，制作面包時雖然某些品種黑小麥的蛋白質含量已經達到高筋粉的標準，但由于黑小麥蛋白中麥谷蛋白的含量較傳統小麥低，會導致黑小麥面包的比容較傳統小麥面包低很多[1]。因此，黑小麥粉只可替代部分高筋粉，才能滿足面包感官品質的要求。

與以往報道的黑小麥[1,5]一樣，農大系列黑小麥的脂肪含量也很低，最高的品種農大3685僅為2.01%。黑小麥雖然脂肪含量低，但是它的不飽和脂肪酸約占到一半，且25%左右是人體的必需脂肪酸亞油酸和亞麻酸[14]。

表1 五種黑小麥的營養素含量 單位：%(質量分數)

注：含量以黑小麥的干基計；同列標注字母不同者表示差異顯著(P<0.05)(下同)

農大系列黑小麥的灰分含量為1.80%～2.23%，也與國內外其他品種黑小麥(1.3%～2.5%)[1,5]相當，其中農大2201顯著高于其他品種。灰分含量的高低也會影響食品的感官品質。MARTINEZ等[15]發現灰分是影響意大利面亮度和紅度的主要因素。因此，鑒于黑小麥全粉的高灰分含量，若對感官品質要求高的人群，它更適合制作對色度要求不高的食品，如餅干。

2.2 總酚、總黃酮和抗氧化能力

流行病學研究表明，長期堅持攝入全谷物食品可以降低各種慢性病的風險，這主要歸功于全谷物所含的豐富的植物化學物如酚類、β-葡聚糖、類胡蘿卜素、菊粉、木脂素，同時也部分歸因于這些活性物的抗氧化作用，因為過量的自由基可以引起生物大分子的氧化損傷而導致慢性病風險的提高[20]。本研究對農大系列5種黑小麥的總酚和總黃酮含量進行了分析，結果見表2。所測黑小麥的游離酚和結合酚含量范圍分別為0.57～0.68 mg GAE/g和0.53～0.57 mg GAE/g，品種間雖有顯著差異，但數值差別很小；總體上游離酚含量略高于結合酚含量。甘人友等[21]發現黑小麥的游離酚和結合酚含量分別為1.05 mg GAE/g和1.38 mg GAE/g，約是農大系列黑小麥的2～3倍。產生這種差異的原因可能是所測黑小麥的品種和多酚提取方法不同。黃酮是谷物中最普遍存在的酚類化合物之一，農大3685的總黃酮含量最高，為3.35 mg RE/g，比含量最低的農大876高出17%。宗學鳳等[22]研究表明：黑粒小麥76、河東烏麥和漯珍1號這3種黑小麥的總黃酮含量分別為2.461、2.594、2.326 mg RE/g，都低于農大系列黑小麥。

表2 五種黑小麥的游離酚、結合酚及總黃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

由于植物樣品的抗氧化能力會受到多種因素的影響，如提取溶劑和測試系統[23]，因此本研究采用了3種不同的抗氧化活性測定方法，即DPPH自由基清除能力、ABTS自由基清除能力和鐵還原能力來反映5種黑小麥提取液的抗氧化能力，結果如表2所示。樣品間抗氧化能力存在顯著差異。農大2201清除DPPH及ABTS自由基的能力和鐵還原能力都最強，分別為2.525 mmol TE/kg、6.906 mmol TE/kg、0.535；DPPH自由基清除和鐵還原能力最弱的都是農大2202，分別僅為農大2201的75%和65%；ABTS自由基清除能力最弱的則是農大876，僅為3.506 mmol TE/kg，約是農大2201的50%。通常，有色谷物比白色谷物具有更高的抗氧化能力。整體上，農大系列黑小麥清除DPPH自由基及ABTS自由基的能力要大于普通小麥[23]，這可能與其含有較高的酚類物質如酚酸、黃酮和花青素有關[20]。BHANJA等[24]采用霉菌發酵使小麥的總酚含量提高了14倍，DPPH自由基及ABTS自由基清除能力分別提高了6.6倍和5倍。DORDEVIC′等[25]用乳酸菌和酵母發酵也提高了谷物的總酚含量和抗氧化能力。甘人友等[21]發現發芽3～8 d顯著提高了黑小麥可溶性和結合性提取物的總酚含量和抗氧化活性。因此，可嘗試采用發芽、發酵等方法提高農大系列黑小麥的多酚含量和抗氧化能力，來更好地發揮其保健作用。

2.3 淀粉消化性

淀粉是人類食物中最主要的碳水化合物，分為直鏈淀粉和支鏈淀粉。ENGLYST等根據淀粉體外消化的速率和程度，將它分為三類，即RDS、SDS和RS。RDS可以在十二指腸和小腸的近端區域被快速消化吸收，導致血糖和胰島素水平迅速上升；SDS對于促進血糖的緩釋有積極作用，使體內血糖供應持久穩定；RS不能被小腸中的酶水解消化，而是在大腸內由腸道菌群發酵，釋放出短鏈脂肪酸等有益物質，具有預防結腸癌、降低GI和調節血清膽固醇水平等作用[26]。本研究對農大系列5種黑小麥的淀粉組成情況進行了分析，結果見表3。樣品間直鏈淀粉的含量存在顯著差異，農大2202的直鏈淀粉含量最高，為14.12%，而含量最低的農大2201僅為9.04%；支鏈淀粉含量范圍為50.10%～55.48%，樣品間沒有顯著差異；直/支鏈淀粉比例最高和最低的分別是農大2202(27.50%)和農大2201(16.29%)。農大系列黑小麥的直鏈淀粉占總淀粉的比例范圍為14%～22%，明顯低于普通小麥(25%～28%)，與部分糯性小麥相當(16%～22%)，而遠大于糯小麥(0%～3%)[27]。研究表明[28-30]，小麥的RDS、SDS、RS含量因品種和測定方法的差異，具有很廣的范圍(如RS，從痕量至81%)。本研究所測樣品間RDS、SDS、RS也都存在顯著差異，RDS含量最高的是農大2202，為20.65%，而其余4種黑小麥的RDS含量無顯著差異；農大2201、876、3685的SDS含量相當，明顯高于農大H-02和農大2202；RS含量最高的是農大H-02(67.77%)，其次是農大2202(63.84%)，農大2201、農大876和農大3685三者含量相當。

表3 五種黑小麥的淀粉組成和估計血糖指數Table 3 Starch composition and estimated glycemic index of five triticale varieties

注：+單位為%，以黑小麥的干基計；#單位為%，以黑小麥的淀粉計

GI是反映某種食物與含等量碳水化合物的參考食物如葡萄糖和白面包相比升高血糖能力的指標，常通過人體試食實驗測定[12]，但體內實驗的影響因素復雜，常造成結果的精度和重復性較差[31]，而反映餐后淀粉消化速率和程度的體外指標eGI，與體內實驗結果的相關性很好且測定簡便、成本低[12]。因此，本研究測定了農大系列5種黑小麥的eGI，結果見表3。樣品間存在顯著差異，無論是糊化前還是糊化后，農大2201的eGI都最低，分別為47.53和74.23，但熟化后的黑小麥粉血糖指數略大于70，仍屬于高血糖指數食物，具有較強的升糖能力。黑小麥粉的體外淀粉消化曲線見圖1和圖2。在整個水解過程中，農大2201的淀粉水解率都明顯低于其他黑小麥；水解3 h后，未經和經糊化處理的農大2201的淀粉水解率都最低，分別為14.89%和56.16%，僅是水解率最高的農大2202(未經糊化)和農大3685(經糊化)的65%和77%。這與eGI的測試結果相一致。DA SILVEIRA等[32]研究了13種小麥熟化后的淀粉消化情況，發現水解2 h時，淀粉水解率為51.93%～84.54%，而農大系列黑小麥為51.62%～69.08%，淀粉消化性整體上較弱，尤其是農大2201最適合被用于糖尿病患者食物的深入研究。

研究表明，高直鏈淀粉含量的谷物對淀粉酶和淀粉葡糖苷酶的敏感性較低，從而導致較低的eGI[4]；此外，eGI與RS的含量常呈反比[31]。然而本研究并未得到相似的結論，農大2202的直鏈淀粉含量雖是農大2201的1.6倍，農大H-02的RS含量雖比農大2201高14%，但農大2202和農大H-02的eGI明顯高于農大2201。這與SHUMOY等[4]的研究結果一致，因為淀粉的消化受內外多種因素的綜合影響，除了淀粉本身的分子和理化性質外，還有很多外在因素如食物基質效應。研究表明，食物中的膳食纖維可通過抑制淀粉的糊化來延緩淀粉的酶解[33]，也可通過增加食物的黏度，延緩淀粉顆粒與消化酶的接觸[34]；蛋白質和脂質可附著在淀粉顆粒表面，抑制淀粉與消化酶的接觸，還可通過抑制淀粉顆粒的膨脹，減少表面積來降低消化[35]；谷物酚類可通過與淀粉消化酶和/或與淀粉形成復合物來減少淀粉的酶解[36]。農大2201具有較低的eGI可能與其蛋白質和膳食纖維含量較高有關。因此，可以嘗試通過改變食物的基質條件，來降低黑小麥的淀粉消化程度和速率，延緩餐后血糖水平的上升，促進黑小麥在糖尿病飲食中的應用。

圖1 糊化前5種黑小麥的體外淀粉水解曲線
Fig.1Invitrostarch hydrolysis of five triticale varieties before gelatinization

圖2 糊化后5種黑小麥的體外淀粉水解曲線
Fig.2Invitrostarch hydrolysis of five triticale varieties after gelatinization

3 結論

為了更好地將黑小麥應用于人類尤其是糖尿病、心血管疾病、肥胖癥等慢性病患者的日常飲食，本研究對農大系列5種黑小麥的營養價值、抗氧化能力和淀粉消化性進行了分析評價，發現這些黑小麥含有豐富的蛋白質、淀粉、膳食纖維和酚類物質，具有較強的抗氧化活性；然而，雖然品種間的eGI存在顯著差異，但各品種仍都具有較強的升糖能力。將黑小麥應用于食品的制作，涉及到配方、加工方式及條件等諸多影響淀粉消化的因素。研究表明[37]，優化配方如添加一些全谷物或谷物麩皮、油料種子、植物提取物等來增加原料中膳食纖維、多酚、蛋白質、直鏈淀粉和抗性淀粉等物質的含量，或者改變加工方式及條件如老面發酵、縮短揉面時間、適當延長發酵時間、冷凍貯藏等，都可以降低食物的血糖指數。因此對于本研究優選出的農大2201黑小麥，可以根據制作的具體食物，采用恰當的配方和加工方式及條件，來進一步降低相應黑小麥食品的升糖能力，從而擴大黑小麥食品的適用人群范圍，充分實現其營養和保健價值。