研究亮点
- •叶面喷施碘、硒和锌提高了谷物、面粉和面包中的微量元素含量。
- •白面粉保留了全麦粉中32%的碘、74%的硒和23%的锌浓度。
- •烤盘面包制作比平面包保留了更多的碘、硒和锌。
- •除锌处理导致面包体积减小外，其他处理对面包体积影响不大。
- •100克生物强化面包可提供高达推荐膳食摄入量43%的碘、56%的硒和41%的锌。
摘要
微量元素缺乏，或称为"隐性饥饿"，仍然是全球关键的营养挑战。通过农业生物强化手段，如对小麦等主粮作物进行碘(I)、硒(Se)和锌(Zn)强化，是解决这一问题的有前景的方案。本研究评估了单独或联合叶面喷施碘、硒和锌对两种小麦品种面粉和面包质量的影响。在Bezostaja-1品种中，生物强化全麦面粉达到碘619 μg/kg、硒623 μg/kg和锌75 mg/kg，白面粉分别保留32%、74%和23%。联合施用营养素使蛋白质含量降低约10%，略微减少面团气体保持能力(77%降至75%)，但对面包体积影响甚微。单独来看，锌生物强化降低了面包体积，而硒和碘处理则保持了面包体积。此外，烤盘面包比平面包保留了更多的微量元素浓度。尽管面包类型间微量元素保留率存在差异，生物强化小麦为提高膳食微量元素摄入提供了一种可持续的方法，同时不损害面包制作质量。
关键词
生物强化；小麦；碘；硒；锌
1. 引言
微量元素缺乏，通常被称为"隐性饥饿"，影响全球超过20亿人，导致严重的健康问题和经济负担(Gödecke等，2018)。虽然通常与发展中地区营养不良相关，但碘(I)、硒(Se)和锌(Zn)等必需元素摄入不足在高收入国家也日益普遍，部分原因是饮食模式变化和食盐摄入减少(Assunção等，2022)。此外，微量元素的可利用性不仅受饮食影响，还受土壤因素影响，这些因素影响植物吸收。栽培土壤中碘、硒和锌的植物可利用性有限，可能会限制它们在可食用植物组织中的积累，进而减少膳食摄入。研究表明，土壤特性如pH值、有机质含量和土壤湿度会影响植物可利用的微量元素池。例如，碘的生物可利用性在酸性条件下更高，其中碘化物是主要形式；而硒的生物可利用性随着土壤pH值升高而增加；相反，锌的生物可利用性在此范围内降低。此外，许多情况下，较高的土壤有机质会因结合效应而降低碘、硒和锌的生物可利用性，从而减少其移动性(Cakmak, 2008; Cakmak等, 2017; Kihara等, 2020)。
鉴于这些限制，已开发出农艺策略，如生物强化，以提高主粮作物的微量元素含量。其中，叶面喷施已被证明在各种作物和环境中能有效提高锌、碘和硒的籽粒浓度(Budke等, 2021; Cakmak & Kutman, 2018; Lyons, 2018; Prom-u-thai等, 2020; Ram等, 2024; Zou等, 2019)。然而，大多数研究集中在单一营养素应用上。同时应用多种微量元素(≥3种)虽然可能更有益，但仍未得到充分探索。此外，很少有研究调查这些营养素在收获后加工过程中的稳定性，或它们对面粉物理化学和流变特性的影响。
这些功能特性对小麦粉在面包制作应用中的表现至关重要。小麦的锌和硒生物强化已被报道会影响蛋白质含量、面筋网络形成和面包体积(Khan等, 2023; Kong等, 2024)。例如，硒可以通过破坏面筋蛋白内的二硫键来增强面团弹性和发酵动力学，从而改善抗氧化能力和保质期(Du等, 2023)。另一方面，锌强化与面团硬度增加和延展性降低相关，可能对面包质地产生负面影响(Karaduman等, 2023)。然而，无论是单独应用还是与锌和硒联合应用，碘生物强化对面粉功能性和面团流变学的影响仍不甚了解。这一知识对于开发营养强化面粉至关重要，这些面粉保留了工业化生产小麦产品所需的加工质量。
除了功能特性外，生物强化的有效性还取决于收获后加工和食品制备过程中微量元素的保留情况。研究表明，生物强化全麦面粉中的锌保留率相对较高，碾磨损失主要影响麸皮和胚芽部分(Velu等, 2014)。烘焙和发酵过程导致锌损失较小，在最终烘焙产品中保留了相当大比例的生物可利用性(Rosado等, 2009)。同样，硒在碾磨和烘焙过程中保持稳定，高温下仅有少量挥发损失(Poblaciones等, 2021)。其化学形式在保留中起关键作用，因为有机硒物种比无机形式更稳定(Lyons, 2018)。相比之下，碘的保留率变化较大，因为它具有挥发性和热敏感性。烘焙过程中可能会发生损失；然而，碘结合载体和受控发酵等策略可能有助于减轻这些影响(Zimmermann & Andersson, 2021)。总体而言，小麦制品中生物强化矿物质的保留受到加工方法、矿物种类以及与面粉成分相互作用的影响。需要进一步研究以优化加工条件并提高面包制作应用中的微量元素稳定性。
因此，本研究旨在：i)研究在田间条件下单独或联合叶面生物强化后，小麦籽粒中碘、硒和锌浓度的变化；ii)评估生物强化处理对籽粒中其他元素积累的影响；iii)检查这些微量元素在不同碾磨部分中的分布；iv)评估生物强化对面粉和面团物理化学特性的影响；v)分析面团发育和气体释放动力学；以及vi)确定使用不同烘焙工艺从生物强化小麦生产的面包中碘、硒和锌的保留情况。
2. 材料与方法
2.1. 生物强化田间试验
田间试验于2021年和2022年在土耳其Eskisehir过渡区农业研究所进行，使用两种面包小麦(Triticum aestivum L.)品种Bezostaja-1和Nacibey。采用四次重复的裂区随机完全区组设计。各小区(30 m²)接受均匀的基础施肥，并在茎伸长、抽穗和早期乳熟阶段进行叶面喷施碘(0.04% w/v KIO₃)、硒(0.001% w/v Na₂SeO₄)、锌(0.50% w/v ZnSO₄·5H₂O)，单独或联合施用。所选剂量和施用时间基于HarvestPlus和HarvestZinc全球农艺生物强化计划建立的优化施用方案。这些浓度已在先前的多国研究中使用，并被认可能有效达到小麦籽粒中这些微量元素的营养理想水平(Zou等, 2019)。对照小区未接受叶面处理。土壤特性和田间管理详见附录B.1。
2.2. 籽粒产量和矿物含量测定
成熟时记录产量，并准备籽粒进行矿物分析。经酸消化后，使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS; NexION 350D, PerkinElmer)测定碘和硒的总浓度，使用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES; iCAP 7200, Thermo Fisher Scientific)测定锌、铁(Fe)和硫(S)的含量。质量控制程序包括使用内标、空白和认证参考材料，详见附录B.2。相同的分析方案应用于面粉部分和面包的分析。
2.3. 碾磨和实验设计
收获的籽粒碾磨成全麦面粉(WWF)或白面粉(WF)，麸皮和碎屑作为WF的副产品。使用FOSS分析磨(丹麦Hilleröd)获得全麦面粉，保留了籽粒的所有成分(97%提取率)。对于WF的生产，小麦籽粒首先调湿24小时，达到目标水分含量15.5%，然后使用Bühler MLU-202实验室辊磨机(瑞士Bühler集团)碾磨。WF提取率为72%。WWF用于平面包和烤盘面包的生产，而WF仅用于烤盘面包。所有面粉部分在-18°C下储存直至分析。
2.4. 面粉和面团表征
使用标准ICC和ISO方法(附录B.3)评估面粉质量。测定水分、灰分和蛋白质含量，并计算面筋指数以评估面筋强度。使用粉质仪和降落数值测定评估面团功能，以确定吸水率、发展时间和α-淀粉酶活性。使用流变发酵仪分析发酵过程中的气体产生和保留，并使用公式[1]计算保留系数。
2.5. 烘焙性能
平面包制备：将300克WWF与500毫升沸水(85-90°C)混合。面团手工揉捏3分钟，然后在室温(22-25°C)下覆盖静置15分钟。随后将其分成八等份，每份擀至0.5毫米厚度，塑形成球体，并切割成9厘米圆形。在电热板上每面烘烤1.5分钟。
烤盘面包制备：包括300克面粉(无论是WWF还是WF)、4.5克碘化盐、3克速发酵母、0.0075克维生素C、麦芽和水。根据粉质仪和降落数值测试结果分别调整水和麦芽的用量。使用螺旋面团搅拌机(德国Diosna SP12)进行面团混合。在恒温恒湿箱(法国Panem FPC 5 HR)中维持30°C和85%相对湿度，分三阶段进行发酵：预发酵10分钟，中间发酵30分钟(使用校准板进行整形)，最终发酵65分钟(在涂油的烤盘中)。
使用FP 12烤箱(德国Miwe aero)分三阶段烘烤：2分钟230°C(注入200毫升蒸汽)，随后13分钟230°C(关闭蒸汽阀)，最后5分钟200°C(打开阀门)。冷却后，使用Volscan Profiler 600(英国Stable Micro Systems)和精密卡尺(精度0.01毫米)测量面包高度和面包体积。使用公式[2]和[3]计算每公斤面粉的面包体积(VOLfc)，如Hellemans(2020)所述。烘焙面包的微量元素含量如第2.2节所述进行分析。
2.6. 统计分析
除面筋因样品限制进行两次分析外，所有测量均进行三次，吸水率仅测量一次以确定烘焙试验的配方参数。使用SPSS Statistics(v29; IBM Corp., Armonk, NY)和RStudio(v2024.04.2)对数据进行统计评估。使用Tukey HSD(p < 0.05)的ANOVA评估显著性。Pearson相关模型用于评估元素吸收和营养强化效应。
3. 结果
3.1. 生物强化对籽粒矿物浓度的影响
叶面生物强化显著提高了Bezostaja-1和Nacibey两种小麦品种的籽粒碘、硒和锌浓度(p < 0.05，图1)。2021年，Bezostaja-1的籽粒碘水平从25提高到557 μg/kg，Nacibey从8提高到254 μg/kg。然而，2022年，Bezostaja-1的碘浓度下降了83%，Nacibey下降了61%。这种减少的原因尚不清楚(见讨论)。锌浓度在2021年也有所增加，Bezostaja-1从15 mg/kg(未喷洒)增加到58 mg/kg，Nacibey增加到40 mg/kg。硒水平从34增加到436 μg/kg(Bezostaja-1)，Nacibey达到279 μg/kg。Nacibey在2022年记录到最高的硒浓度，为617 μg/kg。
联合施用营养素导致两种品种的籽粒碘浓度低于单独处理。对于硒和锌，这种减少仅在Bezostaja-1中观察到，这可能归因于营养素吸收和转运过程中的交互效应(Cakmak等, 2020)。然而，在Nacibey品种中，联合生物强化导致锌和硒浓度高于单独应用。此外，锌处理有助于增加籽粒中的铁含量，铁含量比对照增加11%至49%。
3.2. 产量和其他营养素积累
总体而言，叶面生物强化未影响小麦品种或处理的籽粒产量。Bezostaja-1品种的平均籽粒产量为4.19吨/公顷，Nacibey品种为3.29吨/公顷。值得注意的是，Nacibey的对照籽粒产量低于处理的年平均值，可能是由于土壤条件或耕作实践的变化(表A.1)。然而，2022年，这些品种表现出最高产量，所有生物强化处理的平均产量为7.25吨/公顷。此外，观察到锌与铁以及锌与硫之间存在中等相关性(p < 0.05)。硫和铁之间也发现了强正相关(r = 0.82, p < 0.01)，与处理无关，表明可能存在共积累或共享的生理途径(图2)。
3.3. 面粉的营养含量和功能特性
3.3.1. 矿物含量
生物强化小麦籽粒的碾磨过程产生了具有不同增强矿物浓度水平的面粉。包含麸皮和胚芽的全麦面粉保留了与Bezostaja-1和Nacibey品种籽粒相对应的碘、硒和锌水平(表1)。主要由胚乳组成的白面粉矿物浓度低于WWF，但高于未处理WF。在Nacibey中，生物强化WF含有碘65 μg/kg、硒288 μg/kg和锌14 mg/kg，而未处理面粉含有碘45 μg/kg、硒33 μg/kg和锌4 mg/kg。同样，在Bezostaja-1中，生物强化WF含有碘203 μg/kg、硒295 μg/kg和锌11 mg/kg，而对照仅含有碘1 μg/kg、硒31 μg/kg和锌4 mg/kg。
在WF生产过程中，大部分矿物质保留在麸皮和胚芽中。因此，WF中矿物质的保留率为碘68%、锌74%和硒25.5%。剩余的富含微量营养素的副产品可以重新用作功能性成分，以提高营养价值并促进可持续性。
3.3.2. 功能特性
蛋白质、面筋和灰分含量叶面生物强化对面粉蛋白质含量有降低作用，反应因品种、微量营养素处理和实验年份而异(表A.2)。在Bezostaja-1中，碘、锌和硒的联合施用导致2022年蛋白质含量降低16.81%，2021年降低9.26%。单独的微量营养素处理表现出不同的反应：硒施用始终降低蛋白质含量，2022年降低9.86%，2021年降低6.87%；锌导致2022年减少16.09%，但2021年增加3.37%；碘影响最小，2022年仅降低1.40%。在Nacibey(2022年)中，联合处理导致蛋白质含量适度降低3.69%。最大降幅见于硒施用(4.55%)，其次是锌(3.69%)，而碘影响最小(2.09%)。尽管有这些减少，但两种生物强化品种的蛋白质水平保持在10%至15%之间，这对面粉强度有积极贡献。
面粉、面团和面包的质量主要由面筋蛋白决定，约占总蛋白质含量的80-85%。这些蛋白质主要由醇溶蛋白和谷蛋白组成(Guo等, 2021)。在我们的研究中，WWF含有37%至50%的湿面筋(Bezostaja-1)和29%至38%(Nacibey)(表2)。与面筋指数相比，WWF显示出比白面粉(62-81%)更低的面筋指数。此外，不同处理下WF和WWF的灰分含量保持相对恒定，WWF保持在1.5%至2%的商业面粉参考范围内，WF保持在0.5%至0.7%。然而，在2022年Bezostaja-1 WWF中观察到例外情况，生物强化处理与对照之间存在显著差异。碘处理记录到最高灰分含量(2.25%)。
混合和面团特性降落数值分析显示Bezostaja-1面粉与Nacibey相比在处理中表现出不同的敏感性(表2)。在WWF中，对照组显示出最高的降落数值418秒，生物强化处理显著降低(p < 0.05)。锌处理导致最显著的降低至171秒，其次是碘232秒和硒264秒。联合处理显示出部分缓解效果，降落数值为289秒，高于单独处理但显著低于对照。WF中观察到类似趋势，对照记录最高值331秒。锌处理再次导致最大降幅至187秒，其次是碘210秒和硒240秒，而联合处理产生中间值250秒。相比之下，Nacibey对处理的敏感性较低。在全麦面粉中，对照保持488秒的降落数值，硒处理未发生显著变化(482秒)。然而，单独的碘、锌生物强化及其与硒的联合施用导致适度降低至478秒、472秒和448秒。在WF中，所有条件下降落数值保持稳定，对照447秒与碘454秒、硒442秒、锌447秒和联合处理444秒相比差异最小。有趣的是，这些模式在第二个收获年(2022年)中未被复制，其中Bezostaja-1或Nacibey的处理间未观察到显著差异，除了2022年Nacibey WWF的混合处理中观察到轻微降低。降落数值始终超过250秒的质量阈值，表明α-淀粉酶活性降低(Knapowski等, 2009)。
此外，由于全麦面粉的高纤维含量，观察到较高的吸水率，Bezostaja-1约为66%，Nacibey约为62%，而白面粉为58%(表A.3)。面团发展时间在品种间各不相同，Bezostaja-1在WWF和WF中均表现出比Nacibey更短的发展时间。此外，WF中的发展时间比WWF长。生物强化处理与不同品种和面粉类型的面团稳定性和软化值变化相关。在Bezostaja-1中，WWF显示软化值为83 FU，而白面粉达到87 FU。在Nacibey中，WWF的软化值为89 FU，WF在各自处理下为57 FU。尽管这些结果展示了不同品种和处理间面团特性的差异，但由于材料限制，分析仅进行一次重复。因此，需要进一步使用额外重复的研究来确认这些发现并更好地理解潜在机制。
面团发育和气体释放生物强化对面团发育和气体释放的评估显示，包括最大面团高度、最终面团高度和弱化能力在内的面团特性在处理间保持稳定(表3)。然而，锌处理的面团显示出最高的弱化能力(47%)，而对照为34%，尽管差异不显著。CO₂释放开始时间在处理间一致(49-55分钟)，而总气体体积在所有生物强化样品中均高于对照。锌处理的面团气体产量最高，其次是硒和碘。实验结束时，所有生物强化处理的保留效率均下降，锌处理的面团下降最明显(72%)，而对照为(77%)。碘、硒和锌的联合施用导致中间保留系数(75%)，部分补偿了处理样品中观察到的保留负面影响。
3.4. 烘焙性能
尽管生物强化影响了面团膨胀和气体保持能力，但在Bezostaja-1中，碘、硒和对照处理的发酵高度和面包体积略高于联合处理，而锌处理导致最低值(图3)。在Nacibey中，联合处理的发酵高度和面包体积最低。
此外，由于麸皮和纤维对面筋网络发育和气体保持的不利影响，两种Bezostaja-1和Nacibey品种的全麦烤盘面包的计算潜在面包体积均低于4000 mL/kg面粉。相比之下，WF制作的烤盘面包一致达到最高体积，在对照、碘和联合处理(I、Se、Zn)下超过6000 mL/kg面粉(图4)。锌处理导致两种面粉类型的面包体积最小。此外，观察到面粉类型和生物强化处理之间的显著交互作用(p < 0.05)。例如，硒处理降低了WF配方的面包体积，而其对全麦烤盘面包的影响可以忽略不计。
品种效应显著但次于面粉类型，Nacibey通常实现更高的面包体积，特别是在对照和碘处理下(p < 0.001)。品种和处理的交互作用显示，虽然Nacibey在硒和锌下保持相对稳定的面包体积，但Bezostaja-1在发酵高度较低时经历更急剧的下降(p = 0.001)。这些表明在生物强化策略下优化烘焙性能时品种选择和面粉类型的重要性。
3.5. 生物强化处理、面团和面包特性之间的关系
为进一步评估生物强化对WWF质量相关参数的影响，进行了Pearson相关分析(表4)。具有超过±0.8系数的显著相关性(p < 0.05)突显了碘、锌和硒处理对面团和面包制作特性的影响。观察到蛋白质含量和湿面筋之间存在强正相关(r = 0.94, p < 0.05)，表明较高的蛋白质水平与增加的湿面筋形成密切相关，这对烘焙过程中的面团弹性和气体保持至关重要。相反，蛋白质含量和面筋指数之间的负相关(r = -0.91, p < 0.05)指向随着蛋白质含量增加，面筋质量下降。
硒处理与蛋白质含量呈负相关(r = -0.89, p < 0.05)，反映了对升高硒浓度的蛋白质水平降低。同样，吸水率与硒水平呈负相关(r = -0.94, p < 0.05)，意味着含有较高硒含量的面团中水结合能力较低。
面筋指数与每公斤面粉的面包体积之间存在完美的正相关(r = 1.00, p < 0.001)，强调了面筋强度在决定面包膨胀潜力中的核心作用。此外，降落数值与面包体积(r = -0.86, p < 0.05)和面包体积(r = -0.84, p < 0.05)均显示强负相关，表明较低的降落数值所推断的较高酶活性与减少的面包和面包体积相关。
此外，尽管某些相关性相对较强(例如，灰分和蛋白质之间的r = -0.81)，但相应的p值(例如，p = 0.0968)未达到统计显著性，主要是由于样本量有限，因为分析基于三个重复地块的处理平均值。
虽然平均提高了通过减少组内变异性来估计处理效应的精确度，但它也减少了独立观察的数量，从而限制了统计能力，并可能掩盖了统计显著关系。
3.6. 矿物质富集面包
生物强化有效提高了最终面包产品中所有目标矿物质的含量。具体来说，使用碘生物强化面粉导致碘浓度显著升高(图5)。在全麦平面包中，对照面包含有22-25 μg/kg的碘，在单独和联合生物强化处理下均显著增加。对于Bezostaja-1品种，浓度分别达到340 μg/kg和284 μg/kg，而Nacibey显示出类似的增加，达到143 μg/kg和121 μg/kg。在使用生物强化面粉和碘化盐制作的全麦烤盘面包中观察到最高的碘富集，Bezostaja-1达到650 μg/kg，Nacibey达到405 μg/kg。在第二年谷物制成的产品中观察到面包类型和处理的类似趋势(结果未显示)。
同样，全麦烤盘面包一致显示出比平面包更高的硒浓度。在Nacibey中，烤盘面包中的硒达到309 μg/kg，而平面包为222 μg/kg。在Bezostaja-1中，浓度分别为293 μg/kg和196 μg/kg。锌显示出类似模式，烤盘面包中的浓度更高。对于Bezostaja-1制作的全麦平面包，单独处理下锌浓度为45 mg/kg，联合处理下为31 mg/kg。在烤盘面包中，相应的锌浓度分别为43 mg/kg和39 mg/kg。在Nacibey中也观察到面包类型和处理的相同趋势。
当检查每种营养素通过烘焙过程携带的比例时，结果显示矿物质稳定性差异显著(p < 0.001)。这种变化似乎取决于每种元素的化学性质以及烘焙方法和面粉类型。碘和锌在全麦烤盘面包中比平面包中显示出更高的保留率。然而，两种元素之间的差异很明显：全麦烤盘面包中碘的平均保留率约为98%，锌为32%。硒显示出最低的稳定性，两种面包类型中的平均保留率为27%。此外，用精制面粉替代全麦面粉导致矿物质保留率显著额外下降(p < 0.01)，最终保留值在白烤盘面包中碘为52%、锌为25%、硒为20%。
4. 讨论
籽粒产量和微量元素浓度
本研究中应用的叶面生物强化处理对品种和收获季节的籽粒产量没有不利影响(表A.1)，这与先前的研究结果一致(Cakmak等, 2017; Stroud等, 2010; Zou等, 2019; Zou等, 2012)。事实上，在单独施用硒后观察到积极的产量趋势。这与Schiavon等(2020)的报道一致，他们指出硒可以促进植物生长并提高产量表现，特别是在胁迫条件下，因为它能增强抗氧化防御并减少非生物胁迫引起的氧化损伤。同时，叶面喷施碘、硒和锌导致小麦籽粒中各自浓度显著增加(p < 0.05)，证明了这种方法提高作物营养质量的有效性。早期基于田间的研究也报告了类似的改进(Cakmak等, 2020; Zou等, 2019)，强化了叶面生物强化通过主食谷物解决微量元素缺乏的潜力。在所应用的微量元素中，硒显示出从叶片到籽粒的最高转运效率，这可能是因为它通过木质部和韧皮部途径的移动性(Lan等, 2021; Zhou等, 2020)。相比之下，锌特别是碘的韧皮部移动性有限，限制了它们向发育中籽粒的运输(Cakmak等, 2010; Hurtevent等, 2013; Medrano-Macías等, 2016; Prom-u-thai等, 2020)。然而，通过这两种元素的叶面喷施实现了籽粒含量的大幅增加。如Cakmak等(2017)和Prom-u-thai等(2020)先前讨论的，这很可能是由于在喷洒处理期间直接沉积到生殖组织上，特别是在早期籽粒发育期间施用时。与2021年相比，2022年观察到的较低碘吸收可能是由于喷洒处理期间与小穗接触有限(图1)。
此外，处理和品种间碘、硒和锌的积累差异表明，在多元素施肥下控制微量元素分配的生理机制不同。当与硒和锌共同施用时，籽粒碘浓度的一致降低，无论品种如何，都显著表明该系统中的竞争性拮抗作用(p < 0.05)。这是由于负责将这些微量元素从旗叶转运到发育中籽粒的韧皮部装载和转运途径中的饱和或相互干扰(Cakmak等, 2020; Zou等, 2019)。相比之下，硒和锌处理显示出显著的基因型-处理交互作用(p < 0.05)。在Bezostaja-1中，所有三种元素的同时施用强化了抑制趋势，导致硒和锌积累低于其单独施用。这反映了该品种管理微量营养素混合物竞争动态的能力有限，具体是由于利用关键机制(如高亲和力转运蛋白或高效螯合系统的限制)(Chaukhe等, 2025)。在小麦中使用锌和硒联合叶面喷施的研究报告了类似拮抗或联合施用益处有限的情况，强调了这些交互作用的变异性(García-Latorre等, 2025; Kong等, 2024)。然而，Nacibey品种在联合处理下表现出硒和锌积累的独特协同作用。这种协同响应意味着Nacibey具有基因型特征，当同时供应多种微量营养素时被诱导或最大化利用。可能的机制包括上调锌和硒特异性转运蛋白或增强合成和利用植物铁载体或其他螯合化合物的能力，这些化合物促进这些元素向籽粒的有效共转运和分配(García-Latorre等, 2025; Kong等, 2024)。
此外，籽粒中的锌和铁显示出正相关关系(图2)，这可能归因于籽粒中锌喷雾诱导产生的锌结合化合物也对铁具有高亲和力(Cakmak等, 2010; Kutman等, 2011; Ram等, 2024)。有趣的是，在籽粒中硫、锌和铁浓度之间也观察到强关系。这可能反映了含硫化合物(如富含半胱氨酸的蛋白质)的作用，这些化合物具有高金属结合能力，可能促进籽粒组织中锌和铁的积累(Kawakami & Bhullar, 2020; Persson等, 2016)。这些发现与先前关于小麦中硫、锌和铁浓度之间正相关的报道一致，包括对66个在田间条件下生长的品种的研究(Morgounov等, 2007)。此外，籽粒浓度的季节性变化可能源于影响营养吸收和转运的环境因素，如温度和降水(Ebrahimi等, 2019; Rahman等, 2020; Ram等, 2024)。
营养成分和碾磨效果
碾磨过程显著影响了生物强化矿物质的保留，WWF保留了最高浓度的碘、硒和锌(Gómez等, 2020)。尽管WF由于精制而营养水平较低，但其生物强化版本仍比非生物强化面粉提供了营养优势。这突显了生物强化不仅在增强全谷物方面，而且在改善精制产品(在许多地区主导小麦消费)的微量营养素谱方面的重要性。剩余的富含矿物质的碾磨部分，特别是麸皮和碎屑，分别保留了富集碘、锌和硒的68%、74%和26%，在传统烘焙过程中通常不使用，但可以重新引入作为食品配方中的功能性成分，从而增强矿物质摄入并支持增加纤维摄入的膳食建议。
蛋白质和面筋特性
虽然生物强化有效提高了籽粒微量营养素浓度，但它与小麦蛋白质含量的降低相关，特别是在涉及硒、锌及其与碘的联合处理下(表A.2)。在硒施用中观察到的蛋白质含量的一致降低可能部分归因于与籽粒产量增加相关的稀释效应(表A.1)。先前的研究也报告了类似的结果，其中硒和锌通过各种机制对蛋白质积累产生负面影响(Hawrylak-Nowak等, 2015; Wang等, 2020)。例如，硒可以替代含硫氨基酸(如蛋氨酸和半胱氨酸)中的硫，可能破坏二硫键形成并改变蛋白质构象、稳定性和功能性(Haug等, 2007)。关于烘焙质量，WWF表现出比WF更低的面筋质量，这是由于在面团形成过程中麸皮成分破坏了面筋基质发育(Wang等, 2002)。生物强化对面筋含量和面筋指数的影响通常有限；然而，在某些处理下检测到轻微降低，特别是在全麦配方中(表2)。此外，不同处理下白面粉和全麦面粉的灰分含量保持相对恒定，保持在商业面粉范围内，WWF为1.5%至2%，WF为0.5%至0.7%(Andersson等, 1993; Bodor等, 2024)。
面团和发酵性能
Bezostaja-1和Nacibey小麦面粉的酶活性和淀粉特性受到碘、硒和锌生物强化的影响(表3)。这些变化可能影响加工和烘焙过程中的面粉行为。未处理的面粉在WWF和WF中均表现出对淀粉水解的较高抗性。同时，生物强化面粉显示出显著降低的降落数值，锌处理下降低最显著，其次是碘和硒。这种降低可以解释为α-淀粉酶活性的增加；然而，锌在小麦系统中不被认为是直接激活该酶的。虽然锌是许多酶的辅因子，但当前证据不支持其在稳定或增强谷物中α-淀粉酶活性中的作用。相反，钙(Ca²⁺)是稳定和激活谷物中α-淀粉酶的公认辅因子。因此，锌生物强化后降落数值的观察到降低更可能是由于间接效应，如籽粒发育过程中内源酶表达的改变或淀粉对水解激活的易感性增加(Cakmak, 2008; Velu等, 2014)。联合处理下这种效应的部分减弱表明矿物质相互作用可能缓冲锌的个体影响。此外，观察到锌生物强化增强了酵母发酵，可能是作为糖酵解和发酵途径中的辅因子。然而，这种改善伴随着面筋网络的弱化，导致气体保留和面团稳定性降低。这种结构弱化与锌可以干扰面筋蛋白交联的发现一致，特别是通过与巯基相互作用并破坏二硫键形成，如Karaduman等(2023)所观察到的。相比之下，硒生物强化通过其抗氧化活性防止面筋蛋白的氧化降解并促进酵母代谢，从而增强面团弹性和气体保留(He等, 2023)。联合处理产生了更平衡的效果，抵消了锌引起的面筋弱化，同时保持了发酵效率。这与Verheyen等(2015)的观点一致，即过量的气体产生可能超过弱化面团基质的保留能力，导致早期气体损失和面包体积减少。
烘焙性能
烤盘面包特性主要受面粉类型和品种的影响。全麦配方一致产生比WF制作的配方更低的面包体积(图4)，反映了麸皮对面筋发育和气体保留能力的负面影响(Gan等, 1995)。尽管碘、硒和锌的生物强化未显著影响发酵高度或最终面包体积，但锌处理在两种面粉类型中一致导致最小的面包体积。这支持了Karaduman等(2023)的发现，即锌可以通过与巯基相互作用干扰面筋网络形成，从而破坏二硫键形成，进而降低面团强度和气体保留。此外，特别是碘和硒处理，品种特异性响应明显，强调了遗传背景在生物强化下塑造面团弹性和烘焙性能的影响。
面包矿物质保留
面包中碘、锌和硒的差异保留主要归因于它们在面包基质中的不同化学相互作用及其在热处理下的稳定性。全麦烤盘面包中碘和锌的高保留率(约98%)表明，无论是生物强化还是通过成分添加，当嵌入富含纤维和蛋白质的基质中时，两者都保持热稳定、非挥发形式。然而，在白烤盘面包中保留率显著下降，碘降至52%，锌降至25%，反映了WF中的较低保留率。此外，在生物强化面粉制作的烤盘面包中观察到的高保留率与先前的研究一致，表明生物强化面粉和碘化盐在烘焙过程中都能提供热稳定的碘，无论是单独使用还是联合使用(Belarbi等, 2026; Longvah & Upadhyay, 2015)。
然而，当配制成全麦平面包时，碘保留率进一步降至32%，与其在烤盘面包中的相应值相比。用于平面包的高温短时烘焙条件可能促进比用于烤盘面包的烘焙条件更高的挥发或热降解(Dulova等, 2020; Haldimann等, 2005; Rana & Raghuvanshi, 2013)。对于锌，保留率的差异直接与植酸酶活性和发酵时间相关。在平面包中，缺乏发酵和高温抑制植酸酶，使锌保持在不溶性植酸复合物中。这导致总保留率较高(32%对比25%)，但生物可利用性较低。相比之下，烤盘面包中较长的发酵时间允许植酸酶分解植酸，减少锌结合并提高其生物可利用性(Wang & Wang, 2024)。
对于硒，两种面包类型中一致的低保留率(27%)指向不同的机制：有机硒化合物(如硒蛋氨酸)的热降解或形成在高温暴露下逃逸的挥发性硒物质(Pérez等, 2018; Xie等, 2023)。已知烘焙和烘烤中使用的高温会显著增加硒损失，这一过程对全麦基质的依赖性低于碘或锌稳定性(Pérez等, 2018)。
根据医学研究所(IOM)建立的推荐膳食摄入量(RDA)，每日需求量为碘150 μg、硒55 μg和锌11 mg(IOM, 2000, 2001)。100克生物强化面包可提供高达碘RDA的43%、硒RDA的56%和锌RDA的41%(表5)。考虑到许多人群的每日面包消费量通常超过100克，生物强化面包的营养贡献可能更高。例如，400克/天的估计摄入量将增加至碘约260 μg(173% RDA)、硒124 μg(225% RDA)和锌18 mg(164% RDA)。这些值仍远低于碘1,100 μg、硒400 μg和锌40 mg的可耐受最高摄入水平(IOM, 2000, 2001)。这些发现展示了生物强化面粉用于各种面包配方的潜力，特别是对于改善易感人群(如孕妇、儿童以及饮食受限或吸收不良障碍的个体)的微量营养素摄入。
局限性
本研究仅限于单一地点种植的两个小麦品种。营养评估基于组成数据，未评估微量营养素的生物可利用性。此外，未进行感官或消费者水平评估。需要进一步研究以调查营养素种类、植物生理反应和生物可及性，以更好地理解多营养素生物强化的营养影响。推进这些研究领域将支持将生物强化小麦整合到旨在缓解微量营养素缺乏的农业和营养干预中。
5. 结论
微量营养素缺乏仍然是全球主要的健康挑战，特别是在饮食多样性有限和微量营养素摄入不足的人群中。本研究结合了两个小麦品种的多年田间试验、碘、硒和锌的联合叶面处理，以及从籽粒到不同面包类型的微量营养素动态的全面评估。研究结果表明，叶面生物强化是提高小麦籽粒及其加工产品中碘、硒和锌浓度的有效、可扩展的方法。虽然单独应用增强了特定营养素的吸收，但联合处理产生了更平衡的微量营养素谱，尽管必须考虑叶面吸收和转运过程中潜在的拮抗相互作用。收获后加工步骤，特别是碾磨和烘焙，显著影响微量营养素保留，从而影响最终产品的营养组成。此外，虽然单独锌应用与面包体积轻微减少相关，但硒和碘生物强化保持了整体烘焙性能和面团功能性。将生物强化策略与工业加工工作流程相结合，为开发微量营养素富集的小麦食品提供了一种有前景的方法，从而有助于改善主食产品的营养质量，并支持缓解隐性饥饿的努力。
致谢
作者感谢OCP集团提供的财务支持。他们还向Mustafa Atilla Yazici、Marina Van Hecke、Griet Spaepen、Tom Hellemans、Joachim Neri和Roseline Blanckaert表示由衷的感谢，感谢他们对本研究的宝贵贡献。此外，作者感谢根特大学的INSTALAB核心设施提供分析服务和仪器设备的使用。
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