紫蓝小麦与白粒小麦的产量及营养品质比较研究：揭示特色小麦的增产潜力与营养优势

《Scientific Reports》：Comparison study for yield and nutritional value in white and colored purple and blue wheat varieties

　　本研究针对彩色小麦营养丰富但产量偏低制约其推广的关键问题，系统比较了4个紫色小麦品种、2个蓝色小麦品系与现代白粒小麦济麦22(JM22)在产量构成、矿物质元素(Se、Zn、Fe、Mn等)、氨基酸组成、花青素(TAC)含量及加工品质(湿面筋、蛋白含量)等方面的差异。结果表明，青研紫麦1号(QYZ-1)通过较高的单位面积粒数和千粒重实现彩色小麦中最高产量；彩色小麦的硒锌铁锰含量、总氨基酸(TAA)及花青素种类均显著优于JM22，其中蓝麦20072花青素含量最高，紫麦SNZM1矿物质积累突出；高湿面筋含量与谷蛋白指数显示其优良加工特性。该研究为彩色小麦的产量提升与营养强化育种提供了重要理论依据。

　　

随着人们生活水平的提高和健康意识的增强，对主食作物的需求已从单纯追求产量转向注重营养与健康功能并重。小麦作为我国主要口粮作物，其品质改良与营养价值提升备受关注。近年来，彩色小麦（如紫色、蓝色小麦）因其富含花青素(anthocyanins)、矿物质和必需氨基酸等营养成分而崭露头角，被誉为“功能性谷物”。花青素作为重要的次生代谢产物，具有优异的抗氧化、抗炎、抗菌和抗癌特性；矿物质如硒(Se)、锌(Zn)、铁(Fe)等微量元素的富集有助于解决“隐性饥饿”问题；而氨基酸组成的优化则能提高小麦蛋白质的营养价值。然而，彩色小麦普遍存在产量偏低的问题，这严重限制了其大面积推广和生产效益。以往研究多聚焦于彩色小麦的籽粒品质，对不同彩色小麦品种产量形成与品质差异的系统比较研究相对缺乏。因此，明确彩色小麦的产量潜力与营养优势，揭示其产量与品质的协同提升途径，对推动彩色小麦产业发展具有重要意义。

为解决上述问题，青岛农业大学等单位的研究人员在2021-2023两个小麦生长季，选取4个紫色小麦品种（青研紫麦1号QYZ-1、QYZ-2、山农紫麦1号SNZM1、农大3753 ND3753）、2个蓝色小麦品系（20064、20072）以及现代白粒小麦品种济麦22(JM22)为对照，采用单因素随机区组设计，在青岛农业科学研究院荆口试验站开展田间试验。研究系统测定了产量及其构成因素（单位面积穗数、穗粒数、千粒重）、籽粒矿物质元素（采用ICP-OES和原子荧光光谱法测定Se、Zn、Fe、Mn、Ca、K、Mg等）、花青素种类与含量（采用UHPLC-QE技术）、氨基酸组成与含量（采用UHPLC-MS/MS技术）、蛋白质含量（凯氏定氮法）以及面筋特性（湿面筋含量、干面筋含量、谷蛋白指数）等指标。

主要技术方法概述

研究在连续两个生长季（2021-2022、2022-2023）进行田间试验，采用单因素随机区组设计，测定产量构成因素（单位面积穗数、穗粒数、千粒重）。籽粒矿物质元素含量通过电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)和原子荧光光谱法(AFS)测定；花青素种类和含量采用超高效液相色谱-高分辨轨道阱质谱(UHPLC-QE)分析；氨基酸组成通过超高效液相色谱-串联质谱(UHPLC-MS/MS)技术检测；蛋白质含量采用自动凯氏定氮法；面筋特性通过面筋洗涤仪和谷蛋白指数仪测定。数据采用SPSS 26.0进行方差分析和相关性检验。

不同彩色小麦品种（系）产量及产量构成因素的差异

方差分析表明，品种对产量、千粒重、单位面积穗数、穗粒数及单位面积粒数均有极显著影响。现代白粒小麦JM22的产量和千粒重显著高于彩色小麦品种。在彩色小麦中，紫麦产量普遍高于蓝麦，其中QYZ-1产量最高，其高产主要得益于较高的单位面积粒数和千粒重。蓝麦20072和20064因千粒重和单位面积粒数较低，产量显著低于紫麦品种。相关性分析显示，穗数与产量呈显著或极显著正相关，表明增加穗数是提高彩色小麦产量的重要途径。

小麦籽粒微量元素含量的差异

所有彩色小麦品种的硒(Se)和锌(Zn)含量均显著高于JM22。蓝麦20072的硒含量最高，较JM22提高54.86%；紫麦SNZM1的锌含量最高，较JM22提高35.70%。蓝麦20072、紫麦ND3753和SNZM1的铁(Fe)、钙(Ca)、镁(Mg)含量也高于JM22，其中三者的铁含量均超过50 mg/kg的营养需求阈值。紫麦SNZM1和QYZ-2的籽粒总矿物质含量显著高于JM22。结果表明彩色小麦在微量元素富集方面具有明显优势。

小麦粗蛋白及面筋相关指标

紫麦QYZ-1的湿面筋、干面筋含量和粗蛋白含量最高，蓝麦20072和20064的粗蛋白含量也显著高于JM22。紫麦ND3753、SNZM1和蓝麦20072、20064的谷蛋白指数显著高于JM22，其中蓝麦20072和紫麦ND3753的谷蛋白指数超过99%，表明其面筋质量优异，适合制作要求强韧性和弹性的食品。

小麦籽粒花青素种类与含量

所有彩色小麦的总花青素含量(TAC)均显著高于JM22，蓝麦的花青素含量高于紫麦，其中蓝麦20072含量最高。紫麦QYZ-2和ND3753中检测到碧冬茄素(petunidin)、天竺葵素(pelargonidin)和芍药素(peonidin)，而蓝麦20072和20064的矢车菊素-3-半乳糖苷(cyanidin-3-galactoside)和飞燕草素(delphinidin)含量显著较高。彩色小麦花青素种类丰富，为其在功能食品开发中的应用提供了基础。

小麦籽粒氨基酸种类与含量

两个年度中，所有彩色小麦的总氨基酸(TAA)和非必需氨基酸(NEAA)含量均显著高于JM22。2021-2022年度，彩色小麦的L-苏氨酸(L-threonine)、L-赖氨酸(L-lysine)、L-蛋氨酸(L-methionine)和L-苯丙氨酸(L-phenylalanine)含量显著高于JM22，其中蓝麦20072的L-赖氨酸含量最高，紫麦QYZ-1的L-蛋氨酸含量最高。2022-2023年度，紫麦QYZ-1的L-赖氨酸和L-蛋氨酸含量最高。组氨酸(histidine)作为婴儿必需氨基酸，在紫麦QYZ-1中含量显著高于其他品种，表明其可作为婴儿专用小麦品种的育种亲本。

讨论与结论

本研究系统揭示了彩色小麦在产量与营养品质方面的特征。产量上，现代白粒小麦JM22仍占优势，但紫麦QYZ-1通过协调较高的单位面积粒数和千粒重，在彩色小麦中产量最高；蓝麦品种因花后光合性能差、收获指数低导致产量偏低，提示通过优化栽培或遗传改良提高花后物质积累是提升其产量的关键。品质上，彩色小麦在矿物质（尤其是Se、Zn、Fe）富集、花青素积累和氨基酸组成优化方面均显著优于白粒小麦，其中蓝麦20072花青素含量最高，紫麦SNZM1矿物质积累能力突出，紫麦QYZ-1在蛋白和面筋含量上表现优异。加工特性方面，高谷蛋白指数（如蓝麦20072和紫麦ND3753>99%）表明彩色小麦适合加工高弹性食品（如面包、馒头）。研究表明，彩色小麦特别是QYZ-1，兼具较高的产量潜力与优异的营养品质，通过育种和栽培措施进一步提高千粒重，可在稳定单位面积粒数基础上实现产量突破。该研究为彩色小麦的品种选育、栽培调控及功能食品开发提供了重要理论依据和实践指导，对推动我国小麦产业优质化、功能化发展具有重要意义。