通过综合方法评估单粒小麦（einkorn）、二粒小麦（emmer）和斯佩尔特小麦（spelt）的基因型：农艺表现、化学成分、香气特征、面包品质以及消费者评价

《The Journal of Chemical Thermodynamics》：Evaluation of einkorn, emmer and spelt genotypes through an integrated approach: agronomic performance, chemical composition, aromatic profile, bread characteristics and consumers’ perception

古代小麦（einkorn、emmer、spelt）在意大利半干旱地中海环境中的适应性及面包品质研究。通过农艺、谷物质量、酚类物质（TPC）、挥发性有机物（VOCs）及感官评价，发现einkorn产量较低但蛋白质和 gluten含量高，适合低投入有机系统；emmer和spelt在营养与感官间存在权衡，spelt VOCs和面包结构更优。研究揭示了气候与土壤对古代小麦性能的影响机制，为地中海边际农业提供多样化作物选择。

　　古代谷物小麦（包括裸粒小麦，如一粒麦（Triticum monococcum）、二粒麦（T. dicoccum）和斯佩尔特（T. spelta））在半干旱地中海地区具有潜在的应用价值。这些谷物种类在农业和营养学上都具有重要意义，其研究不仅有助于了解它们在现代农业系统中的适应性，还能为传统食品的开发提供新的方向。本研究对16个古代谷物小麦品种进行了评估，这些品种在两种土壤条件下生长，同时还与三种硬粒小麦（T. durum）品种进行了对比，这些硬粒小麦通常在该地区种植。通过综合评估，研究探讨了这些谷物在农业表现、谷物品质、总酚含量（TPC）、挥发性有机化合物（VOCs）、面包特性以及感官属性等方面的表现。

在半干旱地中海地区，农业生产力通常较低，这主要是由于土壤和气候因素的限制，如年降水量有限和降水模式变化。当前的气候预测表明，未来的条件可能更加严峻，温度上升和降水减少可能对雨养农业系统产生特别严重的负面影响。因此，识别适应性强、具有韧性的作物品种和基因型对于确保农业的经济可行性和可持续性至关重要。本研究正是基于这一背景，旨在评估古代谷物小麦在该地区的适应性，并探索其在低输入或有机农业系统中的潜力。

研究结果显示，一粒麦在理想条件下的产量潜力较低，仅为其他物种的一半，但在不利条件下，这一差距有所缩小。一粒麦的蛋白质和面筋含量较高，但面筋强度较弱，同时其总酚含量较低。然而，由一粒麦制作的面包在感官特性上表现良好，这可能归因于其香气、质地和风味的平衡。这些特性表明，一粒麦可能适合在边缘化的地中海地区作为低输入或有机农业系统的一部分，尽管其产量较低，但其产品可能具有更高的市场价值和品质优势。

相比之下，二粒麦表现出显著的种内变异，但没有一个基因型在所有评估的特性中都表现出色，这表明在二粒麦中进行有针对性的育种具有广阔的发展空间。斯佩尔特则表现出较小的种内变异，但在VOCs和感官属性方面存在显著的基因型差异。研究还发现，VOCs和TPC之间存在复杂的相互关系，某些挥发性化合物的含量随着TPC的增加而上升，而TPC与面包感官评分呈负相关，这揭示了营养学成分与感官质量之间的权衡关系。尽管全麦面粉中的VOCs轮廓仅在一定程度上预测了面包的感官属性，但某些特定化合物（如某些烷烃和酯类）与面包香气呈正相关。

这些发现强调了裸粒小麦在多样化地中海农业系统中的潜力，不仅能够满足不断变化的消费者需求，还能支持气候适应性强的农业食品链。研究生成的全面数据集为未来的遗传改良项目提供了宝贵的资源，有助于提升这些古老作物的农业和营养性能。此外，研究还探讨了不同基因型在不同环境条件下的表现差异，揭示了它们在农业适应性和感官品质方面的不同潜力。

在实验设计方面，研究在意大利西西里岛的两个实验地点（A和B）进行了为期2021-2022年的实验，这些地点的土壤特性存在显著差异。实验采用了随机区组设计，每个小区面积为10平方米，包含8行，行距为0.18米，长度为7米。为了确保实验的准确性，研究团队采取了严格的土壤管理措施，包括夏季深耕和播种前的耙地处理，以消除杂草并准备适宜的播种床。所有基因型的播种密度为350粒/平方米，氮肥施用量为46千克/公顷，其他磷和钾肥未施用。杂草控制采用了一种后发性系统除草剂（Zypar?，Corteva Agriscience Italia srl），用于控制阔叶杂草。此外，整个试验期间未使用杀菌剂或杀虫剂，以确保实验条件的纯净。

在评估农业参数和谷物品质时，研究记录了每个小区的抽穗和成熟日期、植株高度、倒伏面积和强度、每平方米的穗数、每穗的粒数、谷物产量和每千粒重量。为了评估谷物的外皮含量和净谷物产量，每个裸粒小麦基因型的30克谷物样本被手动脱壳处理。谷物样品还进行了蛋白质和水分含量的测定，使用了Infratec 1241 NIR谷物分析仪。全麦面粉通过Retsch ZM 200实验室磨机磨制，粒径为0.75毫米。随后，评估了灰分含量、面筋含量和面筋指数，这些参数通过Glutomatic系统测定，符合AACC方法38-12的标准。

总酚含量的测定采用了Yu等人（2002）和Lu等人（2015）的方法，并进行了适当调整。酚类化合物的提取通过将1克全麦面粉与10毫升80%乙醇混合完成，随后离心处理。在提取后，溶液被酸化至pH 2，并用乙酸乙酯萃取，重复三次。最终的乙酸乙酯相在45°C下蒸发至干，然后用3毫升甲醇重新溶解，保存在-20°C下待测。总酚含量的定量使用了Singleton等人（1999）和Tian和Li（2018）的方法，通过在765 nm处测量吸光度进行，结果以毫克/克的没食子酸当量（μM GAE g?1）表示。

在面包制作和感官评估方面，研究使用了从地点B收获的全麦面粉进行测试，由于预算限制，实验样本数量有所减少。地点B的土壤肥力较高，表现出较大的农业和品质差异。每种基因型准备了300克面团，加入3克新鲜酵母（La Parisienne，AB Mauri Italy SpA），以1%（w/w）的比例与面团重量相匹配。酵母的细胞密度超过7 Log CFU/g，悬浮在无菌自来水后与面粉混合。所有面团在无菌1升玻璃烧杯中手动混合，并在层流罩下进行。面团随后转移到矩形不锈钢烤盘中，在25°C下培养2小时。每项烘焙测试进行了两次，间隔两周，以确保独立重复。

面团发酵过程中，通过测量pH值、总可滴定酸度（TTA）和酵母群体增长，监测了发酵情况。发酵后的面团在工业烤箱中进行烘焙，采用两阶段程序：首先在200°C下蒸汽阶段5分钟，然后在相同温度下蒸汽与空气混合阶段15分钟。烘焙后，面包在室温下冷却30分钟，再进行进一步评估。评估参数包括重量损失、高度、比体积、内部质地（作为内部密度的指标）以及面包皮和内部颜色。此外，还进行了图像分析，计算了空隙率、细胞密度（每单位面积的气孔数）和平均细胞面积。

感官分析由13名受过训练的评审员进行，年龄在20至60岁之间，评估了面包的感官特性，包括面包皮颜色、面包皮厚度、内部颜色、多孔性、气孔、气孔均匀性、香气强度、面包香气、酵母香气、酸面团香气、异味、风味强度、面包风味、酵母风味、酸面团风味、异味、咸味、酸味、苦味、风味持久性、口感、酥脆性和总体评价。所有属性均在0到10的数值范围内进行评分，其中0表示特征缺失，10表示最高强度。

在挥发性有机化合物（VOCs）的测定中，研究使用了头空固相微萃取（HS-SPME）技术，结合气相色谱-质谱（GC-MS）进行分析。VOCs的提取通过将4克全麦面粉置于22毫升琥珀色小瓶中，密封后在200°C下进行1小时的头空萃取。萃取后的VOCs通过热脱附转移到GC柱中。通过比较保留指数和质谱数据库（如www.pherobase.com和NIST库），识别了35种VOCs。研究还发现，不同基因型的VOCs含量存在显著差异，而某些化合物在所有样本中均被检测到，但未被识别。这表明在不同基因型之间，VOCs的组成和含量存在多样性，这可能对面包的感官特性产生影响。

统计分析采用R软件进行，评估了基因型和物种之间的差异及其与实验地点的相互作用。混合效应模型用于分析数据，其中“区块”作为随机因素嵌套在“地点”作为固定因素中。模型残差被检查以确保无异方差性和正态分布。当参数假设被违反时，数据进行了相应的转换。烘焙测试和VOC分析的数据在地点B进行，分析包括“区块”作为唯一的随机因素。在进行方差分析（ANOVA）后，使用LSD测试结合Bonferroni校正进行配对比较，显著性水平设定为0.05。此外，计算了所有测量变量之间的线性相关系数，以识别谷物品质与面包技术特性之间的显著关系，同时使用Spearman等级相关系数分析了VOCs与面包感官特性之间的关系。最后，通过主成分分析（PCA）评估了处理间的变异，以确定哪些变量对组别分离贡献最大。

研究结果表明，气候条件对作物生长和产量有重要影响。总降雨量比长期平均值高出45%，主要集中在10月至12月和5月，这有助于作物的生长，避免了水涝并确保了整个季节的水分供应。在不同地点，基因型的抽穗日期、植株高度、产量、每平方米的穗数、每穗的粒数和每千粒重量均存在显著差异。尽管地点A的土壤肥力较低，但某些基因型（如一粒麦Monlis）在生长条件改善后表现出较高的产量和蛋白质含量，这可能与它们的遗传特性有关。而地点B的土壤肥力较高，使得某些基因型（如二粒麦Davide）在多个参数上表现出更高的值。

研究还发现，不同基因型在不同的生长条件下对总酚含量（TPC）的响应存在差异。在地点A，TPC的值较低，而在地点B，某些基因型（如一粒麦）的TPC显著增加，这可能与土壤肥力和生长条件有关。然而，TPC与面包感官评分之间存在负相关，这表明营养学成分与感官质量之间存在权衡。此外，某些VOCs与面包香气呈正相关，而其他VOCs则与感官评分呈负相关，这表明VOCs的组成对面包的感官特性有重要影响。

研究还指出，尽管VOCs在全麦面粉中与面包感官特性之间没有显著的预测关系，但某些特定化合物（如某些烷烃和酯类）与面包香气呈正相关，这可能对面包的市场接受度产生影响。此外，研究团队发现，面包的感官评分与TPC之间存在显著的负相关，这表明高TPC的谷物可能在感官特性上不如低TPC的谷物受欢迎。这可能与酚类化合物对美拉德反应的影响有关，进而影响面包的风味和香气。

研究的结论强调了裸粒小麦在多样化地中海农业系统中的潜力，尤其是在低输入和有机条件下。这些古老作物不仅能够提供营养丰富的谷物产品，还能在感官特性上满足消费者的偏好。同时，研究生成的全面数据集为未来的遗传改良项目提供了宝贵的资源，有助于提升这些作物的适应性和市场竞争力。研究还指出，未来的研究应包括更广泛的基因型，以更准确地捕捉种内和种间的变化，从而支持更有效的育种策略。