全麦谷物及其麸皮的营养价值和生物活性：基因型与气候条件对抗氧化与抗结肠癌活性的影响

本研究系统评估了不同基因型（Ouhadi、Azar 2、Pishgam）和环境条件（温度、降雨）对伊朗小麦营养组成、抗氧化活性（DPPH、β-胡萝卜素漂白）及抗结肠癌效应（HT-29细胞模型）的影响，揭示了干旱胁迫提升酚类（TPC）、黄酮（TFC）和生育酚（TTC）含量，麸皮提取物表现出更强的生物活性，为功能性食品开发提供依据。

　　

1. 引言

小麦（Triticum aestivum L.）作为全球主要粮食作物，富含抗氧化化合物、维生素、膳食纤维和生物活性成分。酚类化合物因其还原能力和特殊化学结构，能清除自由基、猝灭单线态氧，防止氧化反应和DNA损伤。生育酚（Tocopherols）也具有营养和抗自由基作用。全谷物消费可保护细胞免受氧化损伤，降低心血管疾病、糖尿病和癌症风险。小麦麸皮富含膳食纤维（19%–29%）、蛋白质（14.6%）、矿物质（7%）和不饱和脂肪酸（17%），但存在苦味、砂质感及植酸等抗营养因素。小麦产量和生化成分受基因型和气候条件共同影响，环境因素通过调控种子发育过程中的代谢途径，影响麸皮等部位的生化组成。

气候通过温室气体效应改变降雨模式和温度，影响小麦产量和生物活性化合物积累。高温和缺水抑制小麦生长，降低产量；水分胁迫和高温减少颖果光合作用，影响种子蛋白质组发育；而过度湿度通过增加颖果淀粉含量降低蛋白质含量。尽管已有研究关注气候变化对小麦产量的影响，但针对伊朗小麦品种营养特性及生物活性成分的研究仍较缺乏。本研究分析了基因型和环境条件对小麦营养特性及抗增殖活性的影响。

2. 材料与方法

2.1. 谷物样品

研究选用伊朗呼罗珊 Razavi 省生产的灌溉品种 Pishgam 和旱作品种 Ouhadi、Azar 2。Pishgam 在 Jovein、Torbat Heydariyeh、Neyshabur 和 Sarakhs 地区采收以评估环境效应，Ouhadi 和 Azar 2 在 Quchan 地区评估遗传效应。各地区地理和气候条件见表1，海拔从280 m（Sarakhs）到1451 m（Torbat Heydariyeh），气候类型包括冷半干旱、冷荒漠干燥和温和温带沙漠。

2.2. 生化参数

采用 AOAC（1990）标准方法测定千粒重、蛋白质含量（凯氏定氮法，转换系数6.25）、脂质含量（索氏提取，正己烷溶剂）、灰分含量（马弗炉550°C燃烧）和纤维含量（Fibertec系统酶解法）。表2显示了不同品种全麦和麸皮的生化组成，包括水分、蛋白质、纤维、脂质和灰分。样品经CyclotecTM 1093样品磨粉碎后4°C储存。

2.3. 环境条件

2021年生长季的气象数据（降雨分布、温度和相对湿度）从试验田300 m内的气象站收集。Sarakhs和Jovein地区在籽粒灌浆期温度超过30°C，而其他地区低于27°C；Jovein、Torbat Heydariyeh和Sarakhs降雨量超过100 mm，其他地区低于40 mm。高温加速籽粒成熟，减少淀粉积累，增加蛋白质含量；温度还影响α-淀粉酶和蛋白质二硫键异构酶活性；籽粒水分含量受降水和温度影响，调控蛋白质间的氢键和静电相互作用。

2.4. 生物活性化合物测定

2.4.1. 提取

全麦和麸皮粉末用甲醇浸提（2 L，200 rpm，24 h，室温），过滤后50°C旋转蒸发浓缩，冻干保存。

2.4.2. 总酚含量（TPC）

采用改良Folin-Ciocalteu法，测定765 nm吸光度，结果以没食子酸当量（mg GAE/g提取物）表示。

2.4.3. 总黄酮含量（TFC）

铝氯化物法，510 nm测定吸光度。

2.4.4. 总生育酚含量（TTC）

分光光度法，520 nm测定，结果以μg α-生育酚/g提取物表示。

2.5. 抗氧化活性

2.5.1. DPPH自由基清除 assay

150 μL提取物与150 μL 0.1 mM DPPH甲醇溶液反应30 min，517 nm测定吸光度，维生素C为阳性对照。自由基清除活性（%）计算公式为：

[ (Abs_control - Abs_sample) / Abs_control ] × 100

2.5.2. β-胡萝卜素漂白 assay

β-胡萝卜素/亚油酸体系，490 nm测定氧化程度，计算降解率（DR）和抗氧化活性（%）。

2.6. 脂肪酸谱分析

脂肪酸甲酯化（FAME）后，气相色谱（CP-SIL 88毛细管柱，FID检测器）分析，氦气载气1 mL/min，柱温195°C。

2.7. 抗营养化合物测定

2.7.1. 植酸

盐酸提取，Wade试剂反应，500 nm测定，结果以植酸钠（mg）/100 g干样表示。

2.7.2. 皂苷

80%甲醇提取，香草醛-硫酸反应，520 nm测定，结果以薯蓣皂苷元当量（mg）/100 g干样表示。

2.8. 抗结肠癌增殖效应评估

2.8.1. 细胞与培养条件

HT-29细胞（伊朗巴斯德研究所）用RPMI-1640培养基（10%胎牛血清，青霉素100 U/mL，链霉素100 mg/mL），37°C、5% CO₂、95%湿度培养。

2.8.2. 细胞活力

Alamar Blue法，570 nm和600 nm测定吸光度，计算细胞毒性。

2.8.3. 细胞内ROS测定

DCFH-DA荧光染料，H₂O₂诱导后测定荧光强度。

2.8.4. 细胞凋亡

PI染色，流式细胞术分析亚G1峰，量化凋亡率。

2.9. 统计分析

单因素ANOVA和Dunnett事后检验，结果以均值±SEM（n=3）表示，p<0.05为显著差异。

3. 结果与讨论

3.1. 一般气候条件

Sarakhs和Jovein地区籽粒灌浆期温度超30°C，其他地区低于27°C；Jovein、Torbat Heydariyeh和Sarakhs降雨量超100 mm，其他地区低于40 mm。高温缩短灌浆期，减少淀粉积累，增加蛋白质；温度影响酶活性和籽粒水分；水分可用性调控蛋白质相互作用。

3.2. 小麦谷物组成

Pishgam在Neyshabur千粒重最高（46.28 g），Ouhadi（45.72 g）高于Azar 2（44.94 g）。Azar 2水分最高（9.62%），Pishgam在Jovein最低（6.99%）。Ouhadi全麦蛋白质最高（12.5%），干旱减少淀粉积累，增加蛋白质。Pishgam在Neyshabur麸皮蛋白质最高（13.69%）。纤维范围13.02%–10.79%，麸皮纤维Ouhadi最高（44.25%），Azar 2为40.10%。Pishgam在Jovein纤维最高（42.7%），遗传对膳食纤维影响大于环境。灰分分析显示Ouhadi灰分较高，Pishgam在Torbat Heydariyeh灰分最高。矿物质含量受土壤成分影响，基因调控铁锌积累。降雨分布影响蛋白质含量，收获期降雨增加穗发芽和真菌感染风险。

3.3. 生物活性成分

酚类化合物通过自由基清除和金属螯合发挥抗氧化作用。Ouhadi全麦TPC最高（3.18 mg/g），Pishgam在Neyshabur为3.09 mg/g。麸皮提取物中Ouhadi TPC最高（5.17 mg/g），Pishgam在Neyshabur为4.64 mg/g。麸皮酚类含量比全麦高61.5%–66.59%。黄酮（TFC）最高为Ouhadi（2.26 mg/g），麸皮中Ouhadi达3.61 mg/g。生育酚（TTC）旱作品种较高，Ouhadi为44.6 μg/g，Azar 2为43.5 μg/g；麸皮中Azar 2和Ouhadi较高。环境胁迫（干旱、盐分）增加生育酚积累，提升植物抗逆性。

3.4. 抗氧化活性

3.4.1. DPPH自由基清除

Ouhadi清除率最高（36.06%），Pishgam在Jovein最低（24.11%）。麸皮提取物活性高于全麦，Ouhadi为28.36%。酚类和黄酮含量与抗氧化活性正相关。气候条件（温度、降雨）影响大于遗传因素。

3.4.2. β-胡萝卜素漂白法

Ouhadi抑制率最高（34.5%），麸皮提取物活性更强。抗氧化活性与环境条件密切相关。

3.5. 脂肪酸谱

脂肪酸主要为MUFA（油酸C18:1）、SFA（棕榈酸C16:0）和PUFA（亚油酸C18:2）。Pishgam在Sarakhs麸皮SFA最高（17.77%），Pishgam在Jovein MUFA最高（13.05%），Azar 2 PUFA最高（61.64%）。环境和遗传共同影响脂肪酸组成，干旱增加SFA积累，稳定细胞膜。

3.6. 植酸和皂苷

旱作品种植酸较低，Azar 2麸皮植酸47.25 mg/g，Ouhadi为43.2 mg/g。Pishgam在Jovein植酸最高（53.94 mg/g）。皂苷含量Ouhadi最高（1.64 mg/g），Pishgam在Torbat Heydariyeh最低（1.14 mg/g）。基因和环境（土壤、温度、降雨）共同调控次级代谢物积累。

3.7. 抗结肠癌增殖效应

麸皮提取物抑制HT-29细胞增殖效果优于全麦。40 μg/mL麸皮提取物即显效，全麦需更高浓度。Ouhadi和Pishgam在Neyshabur抗增殖最强。

3.8. ROS产生影响

20 μg/mL提取物部分阻止ROS产生，但≥40 μg/mL（麸皮）或≥80 μg/mL（全麦）增加ROS，麸皮效应更强。高剂量酚类可能发生促氧化转变。干旱胁迫增强抗氧化防御，Proline积累提升抗逆性。Pishgam在Neyshabur和Ouhadi在低剂量减弱H₂O₂诱导ROS。

3.9. 细胞凋亡

流式细胞术显示提取物处理增加亚G1峰。麸皮提取物诱导凋亡更强：Pishgam在Neyshabur从7.12%（对照）升至28.8%，Ouhadi升至38.5%。凋亡可能通过内在途径（线粒体膜电位、Caspase激活）实现。气候因素通过调控次级代谢影响抗癌潜力。

4. 结论

气候与基因型互作显著影响小麦营养品质和生物活性。干旱提升酚类、黄酮和生育酚含量；麸皮提取物抗氧化和抗结肠癌活性更强；Ouhadi和Pishgam（Neyshabur）表现最佳。机制上涉及ROS调控和细胞凋亡诱导。结合定向育种和气候特异性管理可优化小麦功能性成分。