利用基于同步辐射的X射线荧光成像技术，研究了不同品种燕麦中矿物分布及相对浓度的变化情况

《Food Quality and Preference》：The study of the variation of mineral distribution and relative concentration on varieties of oat using synchrotron-based X-ray fluorescence imaging

燕麦品种矿物质分布研究：采用同步辐射X射线荧光成像技术分析了四个冷季燕麦品种的钾、铁、锌等元素的空间分布与浓度差异，发现P、K、Mn、Zn富集于外层和胚乳，Ca仅在外层和胚乳存在，S和Cu分布广泛但强度低。品种间K、Fe、Zn含量显著不同，为营养强化和加工技术提供数据。

　　这项研究旨在利用同步辐射X射线荧光成像（XFI）和整体分析技术，探讨四种来自同一生长地点、土壤条件和收获时间的冷季大麦品种（CDC Arborg、CDC Nasser、CDC Haymaker和Summit）中关键元素（如锰、铁、铜、锌、磷、硫、钾和钙）的分布情况及相对浓度。通过高分辨率的XFI成像，研究团队发现磷、钾、锰和锌主要集中在大麦的糊粉层、胚乳和胚部，而钙则主要分布在糊粉层和胚乳中。值得注意的是，硫和铜在所有四个品种的大麦种子中均有分布，但其在胚乳中的含量较低。整体分析的结果进一步显示，这四个品种在连续三年（2018、2019和2020）的成熟阶段收获时，钾、铁和锌的相对浓度存在显著差异。其中，CDC Nasser品种的钾和锌含量最低，而CDC Haymaker品种的铁含量最高。这些发现突显了品种在营养价值上的重要影响，并为未来的生物强化策略提供了科学依据，以提高大麦中微量营养素的含量，从而改善人类和动物的饮食营养状况。

大麦（*Avena sativa L.*）作为一种广泛种植的作物，不仅用于人类消费，也广泛用于动物饲料。2022年全球大麦产量达到2505万吨（Index Mundi，2023），而加拿大是全球大麦生产的主要国家之一。2022年加拿大大麦产量为460万吨，仅次于欧盟27国（Statistics Canada，2023），且在过去十年中保持稳定增长。仅在加拿大西部，大麦产量就达到了430万吨，其中萨斯喀彻温省的大麦产量占全国的50%以上，使其成为世界上最大的大麦生产区域（Canadian Grain Commission，2022）。大麦因其富含多种植物化学物质和特定营养素（如脂肪酸、β-葡聚糖和酚类化合物）而受到重视，相较于其他谷物，其具有更高的营养价值（Tosh & Miller，2016；Tosta et al.，2024）。

大麦不仅在人类健康方面具有重要价值，同时也是动物营养的重要来源。其富含钙、铁、镁、磷、钾和锌等矿物质，这些元素在人体和动物体内均是不可或缺的营养素，对于维持正常的生理功能至关重要（Tosh & Miller，2016）。缺乏这些矿物质与多种疾病的发生密切相关，全球范围内，特别是发展中国家，仍然存在较为普遍的矿物质缺乏问题。其中，锌和铁的缺乏在人类中尤为常见，而锌、铜和锰的缺乏则在动物中更为普遍（Prasad，2012）。2019年，世界卫生组织将包括维生素A、铁和锌在内的多种微量营养素粉末列为重要的补充剂（WHO，2019）。

在人体中，铁通常以血红蛋白和肌红蛋白的形式存在，前者负责将氧气从肺部运输到身体其他部位，后者则能在肌肉中储存氧气（Bell & Dell，2008）。因此，铁缺乏可能导致贫血，其临床症状包括疲劳、头晕、面色苍白、智力下降和工作效率降低（Lynch，2003）。锌在人体中也扮演着重要角色，参与血液生成、组织生长和蛋白质合成等生理过程（Bell & Dell，2008）。此外，锌还对伤口愈合、胰岛素调节和免疫功能起到支持作用（Prasad，2012）。它还参与DNA转录和RNA合成（Shukla et al.，2009）。锌缺乏可能导致严重的健康问题，如脑功能和免疫系统的损害，以及身体发育受限（如侏儒症）（Hortz & Brown，2004；Jul，2017）。儿童锌缺乏还可能导致肺炎和腹泻等疾病（Fischer Walker et al.，2009）。

因此，确定大麦种子中元素的分布和相对浓度对于优化其营养价值至关重要。了解这些元素的分布有助于确保饮食中元素的合理含量，从而为改善全球粮食安全提供基础。通过生物强化技术提升大麦的营养质量，优化加工过程以保留微量营养素，以及识别不同品种间影响生物利用度的差异，是当前研究的重点方向（Deng, Vu, et al.，2023）。然而，要真正提高大麦的营养价值并应对全球微量营养素缺乏问题，还需要深入了解其内部结构中矿物质的空间分布情况。

现代同步辐射光源能够产生小而明亮的光束，从而实现对谷物内部结构中元素定位的精准分析（Marinkovic et al.，2002；Wetzel et al.，1998；Yu，2006）。过去十年中，农业研究在同步辐射设施上的应用不断增加（Deng, Nagy, & Yu，2023；Feng et al.，2020；Indore et al.，2022；Liu & Yu，2016）。特别是基于同步辐射的X射线荧光成像（XFI）技术，已被证明是研究食品和饲料中元素分布和浓度的有力工具（Deng, Nagy, & Yu，2023；Karunakaran et al.，2015）。XFI的核心原理是，当具有足够能量的X射线光子与原子的内层电子相互作用时，会将该电子从原子中移除，从而形成一个核心-壳层空位。随后，来自更高能级的电子会填充这个空位，并释放出X射线荧光光子。由于每种元素的荧光光子具有独特的能量特征，这使其成为识别和分析不同样品中元素分布的有效手段（Potts & Webb，1992）。因此，XFI技术非常适合用于分析多种大麦品种中的元素分布，因为它能够在不破坏样品的前提下，同时测量多种元素的分布和浓度。

相比之下，传统的元素分析方法如电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和原子吸收光谱（AAS）虽然能够提供元素的浓度数据，但这些方法具有破坏性，并且无法获取元素的空间分布信息。XFI技术则是一种快速且非破坏性的方法，能够同时测量大麦种子中宏观和微观元素的分布和浓度，如磷、硫、钙、钾、锰、铁、铜和锌（Pushie et al.，2014；Tanino et al.，2017；Weekley et al.，2013；Xin et al.，2019）。此外，XFI技术不会产生任何化学废物，也不需要化学试剂（Bush et al.，1995）。其他技术如实验室X射线成像和激光烧蚀-电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）虽然也能提供高质量的元素分布图谱（Zhao et al.，2014），但它们各自存在一些局限性，如对低浓度元素的敏感度较低，以及成像速度较慢。

在加拿大，大麦主要分为三种类型：磨粉型、饲料型和牧草型。其中，磨粉型大麦产量最高，约占总大麦种植面积的84.2%，而饲料型和牧草型大麦则分别占6.6%（Canadian Grain Commission，2022；Deng, Nagy, & Yu，2023；Tosta et al.，2024）。磨粉型大麦主要用于人类消费，而饲料型和牧草型大麦则用于动物饲料。虽然饲料型和牧草型大麦的用途相似，但它们之间也存在细微差异。例如，饲料型大麦主要是为了生产高产量的种子作为动物饲料，而牧草型大麦则主要用于生产高生物量的植物（如干草或青贮饲料），强调整个植物的消化性（Back et al.，2010）。由于不同的用途，大麦品种具有不同的化学特性需求。例如，磨粉型大麦种子通常具有较高的β-葡聚糖和蛋白质含量，但油含量较低。磨粉型大麦种子颜色较白，外壳含量较低，且无苦味。相比之下，饲料型大麦种子通常具有较高的外壳含量，但木质素含量较低（Winfield et al.，2007）。大麦种子作为动物饲料的优质来源，其较高的纤维含量有助于降低瘤胃酸中毒的风险。然而，大麦与小麦和大麦之间也存在一些相似之处，如高籽粒饱满度、 hectolitre 重量和大麦百分比。

Summit是一种高产的白色磨粉型大麦，其外壳和外壳含量较低，籽粒饱满度、β-葡聚糖和蛋白质含量较高。该品种对黑粉病和锈病具有较强的抗性，因此在加拿大西部大麦种植面积中占据18.2%的比例（FPGenetics，2014）。CDC Arborg是一种较新的磨粉型大麦，其高产、高β-葡聚糖含量、良好的大麦百分比以及抗倒伏能力，使其在未来的市场中具有良好的前景（FPGenetics，2020）。CDC Haymaker是一种高产的春播大麦，其籽粒饱满度高、植株高大且成熟较晚（SeCan，2016）。CDC Nasser则是一种较新的饲料型大麦，其油含量高、木质素含量低，且在牛的消化过程中表现出良好的消化性。这四个大麦品种因其商业价值和广泛种植而被选为本研究的对象。它们不仅代表了磨粉型（CDC Arborg和Summit）、饲料型（CDC Nasser）和牧草型（CDC Haymaker）大麦，而且目前尚无关于这些品种中微量营养素的具体数据。因此，本研究通过结合XFI和整体X射线荧光光谱分析技术，对这四个大麦品种中的关键矿物质进行空间分布和相对浓度的分析，旨在为未来的大麦品种改良和加工技术提供科学依据，以提高食品中营养素的保留率，从而改善全球粮食安全和公共健康。

在实际应用中，了解大麦种子中元素的分布情况对于优化其营养价值和提升加工效率具有重要意义。例如，磨粉型大麦由于其外壳含量较低，经过磨粉处理后，能够更好地保留其中的微量营养素，而饲料型和牧草型大麦则可能在加工过程中损失更多的营养素。因此，研究这些元素在不同部位的分布情况，有助于指导如何在不破坏大麦种子的前提下，最大程度地保留其营养成分。此外，通过分析不同品种间元素的相对浓度差异，可以为培育具有更高营养价值的大麦品种提供依据，从而满足全球对微量营养素的需求。

同步辐射XFI技术的优势在于其高分辨率和非破坏性，能够提供元素在种子内部的详细分布信息。这种技术不仅适用于大麦，还广泛应用于其他谷物的研究中。例如，在水稻中，微量元素的积累主要集中在胚乳中，而大麦则显示出较少的微量元素在种皮中的积累，这确保了其在磨粉后仍能保持较高的营养价值（Deng, Vu, et al.，2023）。此外，XFI技术的应用有助于发现哪些品种具有更优的矿物质分布模式，从而为未来的生物强化策略提供科学支持。

本研究通过对比不同品种的大麦种子，揭示了元素在种子内部结构中的分布特征及其在不同品种间的差异。这些发现不仅有助于理解大麦的营养价值，还为优化其种植和加工方式提供了新的视角。例如，某些品种可能在特定部位（如胚乳）中具有更高的微量元素含量，这可能与其在农业生产中的表现相关。通过深入研究这些差异，可以为农业部门提供科学依据，以指导如何选择更适合的品种进行种植和加工，从而提高食品的营养价值。

在实际应用中，了解大麦种子中元素的分布情况对于优化其营养价值和提升加工效率具有重要意义。例如，磨粉型大麦由于其外壳含量较低，经过磨粉处理后，能够更好地保留其中的微量营养素，而饲料型和牧草型大麦则可能在加工过程中损失更多的营养素。因此，研究这些元素在不同部位的分布情况，有助于指导如何在不破坏大麦种子的前提下，最大程度地保留其营养成分。此外，通过分析不同品种间元素的相对浓度差异，可以为培育具有更高营养价值的大麦品种提供依据，从而满足全球对微量营养素的需求。

同步辐射XFI技术的应用不仅限于基础研究，还为农业和食品工业提供了实际价值。通过这种技术，可以快速、准确地获取大麦种子中微量元素的分布信息，从而为优化种植和加工方式提供科学依据。此外，XFI技术的非破坏性特点使其成为研究大麦种子营养成分的理想工具，尤其适用于需要保持样品完整性的分析。与传统的化学分析方法相比，XFI技术能够提供更全面的数据，同时减少对环境的影响，因为其不涉及化学试剂的使用。

本研究的成果不仅丰富了对大麦种子中微量元素分布的认知，还为未来的农业研究提供了新的方向。例如，通过XFI技术，可以更精确地识别哪些品种具有更高的微量元素含量，从而为生物强化策略提供依据。此外，研究还揭示了不同品种间在微量元素分布上的差异，这可能与它们的生长环境、遗传特性以及农业用途有关。因此，未来的研究可以进一步探讨这些差异背后的机制，以指导更有效的品种改良和加工技术。

总的来说，这项研究展示了同步辐射XFI技术在谷物分析中的潜力，同时也强调了品种在营养价值中的关键作用。通过深入研究大麦种子中微量元素的分布情况，可以为改善全球粮食安全和公共健康提供科学支持。这些发现不仅有助于优化大麦的种植和加工方式，还为农业部门和食品工业提供了新的视角，以提高食品的营养价值和生物利用度。此外，研究还为未来的生物强化策略提供了依据，以应对全球范围内存在的微量营养素缺乏问题。通过结合XFI和整体X射线荧光光谱分析技术，可以更全面地了解大麦种子的营养成分，从而为农业和食品工业的发展提供科学支持。