综述|Nature Food 提升小麦营养品质、改善人类健康的策略
Nature子刊Nature Food杂志于8月13日发表了来自英国Rothamsted研究所Peter Shewry课题组题为“Strategies to improve wheat for human health”的综述。全文翻译如下，译者如有纰漏欢迎各位读者批评指正！
提升小麦营养品质、改善人类健康的策略
摘要
由于经济重要性和日益增长的需求，人类对以小麦为基础的食品和营养健康越来越重视。绝大多数小麦食品来自于精粉而不是全麦粉，而过度消费这些精粉制品可能会增加慢性疾病的全球流行，特别是2型糖尿病和肥胖症。在这篇综述里，我们总结了小麦精粉制品中主要的碳水化合物淀粉和细胞壁多糖的含量、组成和互作对于人类健康的影响。我们还讨论了通过新兴的小麦基因组学手段利用这些组分改良人类饮食健康的策略与挑战。通过这些新方法改良的商业食品必须在不影响成本、消费者可接受性和加工特性的情况下生产。
引言
小麦是全球三大主要作物之一，在农业生产中有主要地位，是欧洲、澳洲、北美、南非、中东地区、中亚、南亚（印度和巴基斯坦）和中国的主粮，世界每年的产量有7亿5千万吨。在撒哈拉以南非洲等地区，小麦虽然不是传统饮食且不容易生长，但其消费也在增加，表现出与城市化和工业化相关的饮食过渡特征。
小麦作为重要的能量来源可提供人类20%（例如英国）到50%（亚洲中部）的卡路里，此外，它还可以提供大量的蛋白质，膳食纤维，B族维生素和微量营养元素。尽管在饮食建议上鼓励食用全麦制品，但是在大多数国家，通过磨粉会使淀粉胚乳组织（精粉）与麸皮和胚分离，因而精粉制品目前仍占据主导地位。深加工（用于制作小麦精粉）会改变籽粒多糖的组分和含量。精粉中含有85%的淀粉（来源于籽粒胚乳）和约5%的膳食纤维，然而全麦粉中含有70%的淀粉和10-15%的膳食纤维。精粉和全麦粉中的膳食纤维都是主要包括细胞壁多糖，但（细胞壁多糖的）组成却不同。精粉细胞壁多糖主要包含阿拉伯木聚糖（AX）和β-葡聚糖（分别约占70%和20%），然而在全麦粉中拥有大量的纤维素和木质素（来源于籽粒种皮）。精粉由于被精加工过因此会导致一些健康隐患，即其消费过度会导致与西方饮食和生活方式有关的慢性病的增加，尤其是2型糖尿病和肥胖症。
欧洲食品安全部门宣称，在高碳水化合物烘焙食品（例如面包）中，用抗性淀粉来代替可消化淀粉能够造成人体餐后较低的血糖水平。膳食纤维除对维持血糖水平有重要作用外，其还有许多其它有益于健康的作用（在欧洲全谷物食品健康声明文件中有写），包括降低血压和胆固醇，降低某些癌症的发生率，尤其是结肠癌和乳腺癌。因此，提高小麦精粉中膳食纤维的含量和降低可消化淀粉的含量将会有益于人类健康。
在这篇综述里，我们总结了小麦食品中淀粉和细胞壁多糖的含量、组成和互作对于人类健康的影响。此外，通过利用新兴的小麦基因组手段和资源改变这些组分进而提升（小麦食品的）营养品质，以及将这些通过新方法改良的商业食品推向市场方面的挑战也被总结。
精粉中的多糖
淀粉和膳食纤维是精粉中的主要多糖。淀粉由两种葡萄糖聚合物组成，即大小、链长和分支率不同的直链（20-30%）和支链淀粉（70%-80%）。直链淀粉大多是由α-1，4-葡萄糖链组成的线性分子，偶尔在α-1，6键形成分支点，而支链淀粉支链化程度很高。在发育中的小麦籽粒中淀粉颗粒由胚乳细胞中的造粉体细胞器形成。淀粉颗粒尺寸分布是一个很重要的影响食品等工业应用的指标，因为这一指标可以影响（淀粉的）粘度和吸水率。在不同的植物和器官中淀粉尺寸分布情况不同，在小麦和谷物中，例如大麦和黑麦，有两种典型的淀粉颗粒类型。A型淀粉直径更大（5-40微米）且呈圆盘形，B型淀粉颗粒较小（直径小于10微米）、接近球形，且数目很大（约占总淀粉颗粒数目的95%）（Fig. 1）。在面包小麦中，有证据表明淀粉尺寸分布对面粉和面包加工特性有显著影响，同时在用于制作意大利通心粉的硬质小麦中，B型淀粉粒含量越高，意大利通心粉的品质越好，比如说增加了其硬度。
一般认为包含碳水化合物寡聚体和多聚体的膳食纤维不能在小肠中被消化吸收且只能部分被结肠发酵。膳食纤维也包括与植物相关的物质比如说木质素。在小麦精粉中，主要的膳食纤维组分是细胞壁多糖（占干重2-3%）、果聚糖（占干重大约1.5%）和阿拉伯半乳糖肽（可达干重0.4%）。小麦膳食纤维也包括抗性淀粉，这是一种在小肠中不能消化、可完好无损得到达结肠的物质，约占精粉制成的面包中总淀粉的1.2%，对应着干重是大约0.8%。总结一下，小麦精粉制成的产品包括大约5%（干重）的膳食纤维，而这5%中一半都是细胞壁多糖。
小麦精粉中最主要的细胞壁多糖是AX，可占总细胞壁多糖的70%。AX经常被分为水溶性AX（WE-AX）和不溶性AX（WU-AX），可能对人类健康影响不同。β葡聚糖（β-1,3-1,4-d-glucan）是第二大细胞壁多糖，大约占总细胞壁多糖的20%，是由β-1,3和β-1,4位点交联构成的（多聚体）（Fig. 2）。
淀粉的消化特性和人类健康
降低胃肠道淀粉的消化速率和消化程度可达到健康的血糖水平，因此能达到这种效果的面包和其它小麦食物对人类健康有积极的影响。淀粉的消化主要发生在上消化道，其中α-淀粉酶水解（淀粉的）α-1，4键释放麦芽糖，小寡聚糖和α-糊精。这些物质可以在细胞的刷状边缘被酶进一步解离为葡萄糖单体。这些解离的程度受到小麦食品本身的淀粉特性，底物和膳食纤维含量的影响。
淀粉组分和聚合物结构
α淀粉酶水解的程度受到淀粉聚合物本身结构的影响，一般来说直链淀粉要比支链淀粉更难被消化。此外，分子大小、分支程度和链长度也可以影响消化速率。通常来说，链越长淀粉越不容易被消化。对小麦以外其它谷物淀粉的研究表明，消化的速率被淀粉颗粒大小所影响，小淀粉颗粒相比于大颗粒容易被消化。比如说，大麦B型淀粉在被糊化和酿造时被消化得快（于A型淀粉）。这可能是由于淀粉颗粒的表面积与体积比更大也可能是由于结构不同造成的。加工也可以影响淀粉消化特性。在烹调时的糊化淀粉粒更容易与淀粉酶接触因此更容易被消化。然而，在烹调时直链淀粉分子会退化形成可阻碍被消化的复合物。支链淀粉退化得更慢，因此更容易被消化水解。对于小麦来讲，还须深入探究烹调对淀粉消化特性的影响，因为目前绝大多数研究是针对未被加工过的小麦面粉研究如何降低其淀粉消化速率。
食品基质特性
“食品基质”这个概念指的就是食品的组分，比如说蛋白质、淀粉和矿物质，这些物质在单独作用和共存时（如共存在面包中）作用是不同的。食品基质特性会影响淀粉的消化性，在胃肠道中基质存在会阻碍（这些物质）与消化酶的接触，进而降低其消化速率。这在研究颗粒大小对小麦面粉消化速率的影响时被证明，因为小颗粒被消化得更快。食品基质也可以阻碍加工过程时淀粉的糊化，维持淀粉本身的不易被消化的天然结构。
膳食纤维组分
内源（膳食）纤维和外源纤维对人体的血糖水平都有积极的影响，这也是食品消费中倡导的一个方向。因为细胞壁多糖是小麦细胞壁的主要组成成分，所以增加内生膳食纤维将会影响食品结构分解的速率。此外，有人提出可溶性纤维组分导致消化液粘度增加，导致扩散速率降低。然而，虽然这种机制可以被模型系统或牲畜饮食中使用的高水平可溶性β-葡聚糖所证明，但对人类这种杂食动物是否有影响仍颇有争议。
很多高直链淀粉的小麦也含有高细胞壁多聚糖含量，可能会导致这些小麦品系淀粉消化速率降低。然而，在对以拥有相同淀粉组分和含量的栽培品种小麦面包为研究材料，探究体内细胞壁多聚糖对淀粉消化速率的影响时，证明了唯一的影响因素是面包的AX含量不同。
小麦遗传学改良的手段
由于庞大的基因组（小麦是16 Gb），高度重复的DNA序列（大于80%）和多倍体特性（硬质小麦有两个基因组，面包小麦有三个），基因功能的鉴定和定向改良小麦性状非常耗时耗力。然而，一系列的资源在过去五年内兴起进而加速了直接在小麦中分析和修饰特定性状。
一个重要的里程碑是小麦参考基因组和相关基因模型的发表。中国春参考基因组和基因序列的释放大大促进了解析亚基因组结构和基于与其它植物的同源比对识别基因功能的研究。序列输出和生信矩阵的改良促成了另外15个小麦栽培品种的测序和（染色体）组装，进而形成了泛基因组资源用于促进分析遗传多样性。
另一个重要的资源是硬质小麦和面包小麦的化学诱变TILLING群体，在这些群体中外显子被测序。这些突变系中包含了1000万个蛋白编码序列的突变，这些突变可以被计算机分析扫描。特定基因突变的突变系可以被获得，同时亚基因组的突变体可以在基础研究和育种中被利用，也可供分子标记的开发。此外，包含有超过1000个RNA序列的基因表达谱现在也可被科学家用于鉴定基因表达模式和探究基因在共表达网络中的功能。
和上述基因组资源一样的是，代表了自然遗传多样性的种质资源库现在也被整合。种质资源库包括了野生小麦和地方材料，比如说Watkins库代表了大约100年前全球栽培小麦的多样性。这些具有基因型和表型数据的种质资源将大大促进自然多样性的定向挖掘与研究。
传统的小麦育种要花费5-10年去引入目标遗传变异。基因编辑使得直接引入目标基因变异至优良的小麦材料中成为可能，而不是通过挖掘突变体和自然变异，通过基因编辑可以免去长时间的回交从而在2-3年内改良栽培品种（Fig. 3）。然而，如果基因编辑和转基因归为一类的话，其应用将会大大受限（鉴于目前欧盟的政策等）。利用TILLING和基因编辑都是解析基因功能的重要反向遗传学手段。
改良小麦面粉中多糖的策略
在这一部分，我们提出了一些改良小麦籽粒多糖含量、结构和特性的策略，以期提高健康产出（Fig. 4）。
直链淀粉含量和抗性淀粉
通过挖掘淀粉生物合成途径中的自然和诱导基因突变，淀粉合成可以被改造以增加直支比和其它导致抗性淀粉比率增加的淀粉特性。在淀粉合成过程中主要涉及4种类型的酶：淀粉合成酶（SSs）和颗粒结合淀粉合成酶（GBSSs）分别增加支链和直链淀粉长度，淀粉分支酶（SBEs）可以减少分支率，淀粉去分支酶（DBEs）可以修剪支链，进而产生一个可以通过结晶形成颗粒基质的结构。由于小麦的多倍体特性，去除两个（硬质小麦）或者三个（面包小麦）基因拷贝在改良表型中经常被须要。尽管如此，通过引入SSIIa同源基因自然发生的零突变或者诱导SBEII同源基因突变可以实现直支比和抗性淀粉的含量的提高。小麦基因组学资源的快速发展，特别是TILLING突变体库的重测序，可以促进（在淀粉合成途径中）其它基因的鉴定，虽然说在同源基因互作研究中发现多个同源基因拷贝可能只是精细调控淀粉结构。然而，淀粉合成酶相关基因的修饰也可能导致细胞壁多糖数量和组分的变化，表现出一因多效， ssIIa和sbeII这两个突变系就是这种情况。
在小麦栽培品种中，A型淀粉粒/B型淀粉粒的变异范围很小。但是，在一些野生小麦中淀粉颗粒分布存在极端值，A型淀粉粒数量正常但是缺乏B型淀粉粒。比如说，用于克隆BGC1基因的Aegilops peregrina材料（就是这样），通过改变BGC1的表达量可显著影响小麦的淀粉颗粒大小和数目。创制低B型淀粉小麦材料有助于定量研究淀粉颗粒大小对淀粉消化特性和加工特性的影响。
小麦栽培品种拥有丰富的AX含量和结构变异，特别是与阿拉伯糖的替代程度。AX结构和（植物）生理特性的关系还很少被研究，但是解析这些机制可能会实现（AX的结构的）精细调控，有助于促进包括食品消化和血糖响应等人体健康方面的研究。
尽管AX在植物体内的合成通路已经被解析，但是（通路上的）调控因子还未被鉴定。因此，很多研究集中于利用天然研究材料通过经典的孟德尔遗传学和关联分析寻找和AX含量有关的QTL。已经发表的最宏大的基因型比较研究来源于“欧盟健康籽粒”研究项目，利用了150份代表全球遗传多样性、具有育成日期并且生长在同一地点的小麦作为研究材料。小麦精粉中总AX含量变异范围为1.4%-2.8%（干重），可溶性AX变异范围为0.3%-1.4%（干重）。其中来源于中国的可用于制作面包的豫麦34在总AX含量和可溶性AX含量中均最高，但是后来又有研究分析了包括上文提到过的Watkins地方材料库在内的大量种质资源，发现了一些材料的AX含量还比豫麦34要高。但是，这些提高的AX含量如何影响人类生理反应还需要通过饮食干预（等实验）来阐明。
目前育种家要培育高细胞壁多糖小麦品系因为成本的问题而受到限制，因为（测定这些物质）须要湿化学分析法。可用分子标记的开发会促进（高细胞壁多糖小麦）育种，但是直到目前为止还没有稳定的（高细胞壁多糖）QTL被鉴定用于开发分子标记。因此豫麦34被作为亲本与其它4份小麦材料杂交（构建群体），这4份材料中Valoris小麦面粉中的AX含量还是比平均（小麦AX）含量要高。两个主效QTL被鉴定，一个位于小麦1BL染色体上可解释16%-24%的表型变异，来源于豫麦34；另一个位于小麦6BS染色体上可解释10%的表型变异，来源于Valoris。针对前者已经开发了SNP分子标记，需要继续针对后者开发分子标记以用来实现两个优异等位变异的聚合。
生产低成本、改良（小麦）精粉制品的挑战
尽管在小麦碳水化合物结构研究方面取得了许多进展，但是仍然存在一些挑战。
目前对多糖结构之间关系、其在胃肠道中的作用和生理效应的研究还有限，因此很难确定精确的育种目标，比如说改变聚合物结构或食品中抗性淀粉的含量。具体来讲，应从小麦食品中摄取的每日标准抗性淀粉含量还未被测定，同时这些抗性淀粉对人类本身健康的影响也未被阐明。进一步来讲，现有的研究绝大都是利用体外模型或者是动物模型来探究小麦面粉对于人类健康的影响。而当真正应用于人体时这些研究结果有明显的局限性，因为体外模型并不能代表复杂的人类食物消化吸收（方式），比如说啮齿动物（与人类相比）在其胃肠道、结肠微生物群和单个食物成分的代谢方面都存在差异。因此，针对人类进行可控的（食物）干预试验是很重要的。即使如此，用复杂的食物去解释人类干预的研究结果往往是具有挑战性的，并且需要对不同类型的食物进行比较。这就需要获得拥有特定多糖组分发生变化的全新小麦食品作为研究材料去探究（多糖）对加工特性和人类生理响应的影响。目前通过利用硬质小麦和面包小麦的基因组资源是可以实现这一点的。研究人类本身对于可靠的健康倡导和确定改良的小麦食品每日标准摄入量特别重要。
小麦籽粒组分的改变对食品加工的影响需要被研究。（食品）加工会通过影响抗性淀粉的形成和食品基质进而影响小麦食品的消化特性。举个例子，sbeII这个突变体面粉中含有大约是对照10倍（分别为3.9±0.2 g/100 g和0.4±0.04 g/100 g）的抗性淀粉，但是在制成面包后仅含有对照3倍（分别为6.2±0.1 g/100 g和2.1±0.1 g/100 g）的抗性淀粉。这可能是由于这两种面粉在加工过程中产生抗性淀粉的数目不同。因此，为了更好的阐明提供给消费者的抗性淀粉的影响，在以后的研究中应该考虑到食品基质中（新产生的）小麦淀粉的消化特性。
淀粉和少部分细胞壁多糖对食品加工特性和最终产品的消费者可接受性具有重要影响。比如说，含有sbeII突变的面包小麦和硬质小麦面粉具有更高水平的直链淀粉和抗性淀粉，但是可能也会造成面包和意大利通心粉品质下降（具体分别表现为体积更小和烹调损失提高）。因此需要去控制加工（对食品）的影响，同时在小麦品种培育中需要选择那些食品加工时影响较小的性状去改良。还有，需要避免食品添加剂（一些化学物质用于提升加工品质，特别是面筋强度）的使用，因为（食品添加剂的）成本较高，且会降低消费者的可接受度（具体表现为消费者需要知道（在食品加工后的）目标营养物质可以提升多少）
需要建立小麦表型快速化学检测法去促进育种和相关研究。尽管利用分子标记是育种选择时的有力手段，育种家们和食品加工者们仍然需要去了解小麦籽粒中的化学组分。尤其是对于淀粉组分来讲，目前只能粗糙得测定直链淀粉含量却不能快速测定其它影响淀粉消化性的重要结构特性。
培育具有优良营养品质的小麦可以为农民、食品加工者和销售商提高利润，因为可能会有“超级小麦食品”的上市。但是，这也可能造成原材料成本的增加，因为（营养品质）特性可能会与产量呈负相关，减少的籽粒产量会导致淀粉含量下降。比如说，含有sbeII突变的硬质小麦和面包小麦与对照相比分别降低了5.2%和2.8%的千粒重，总产量分别降低了15.4%和5.8%。这就必定会导致商品价格提高，同时阻碍了提供这些商品给营养缺乏人群。
虽然随着人类对健康食品越来越重视，消费者对富含膳食纤维的食品需求在增加，但是小麦育种者和食品工作者对培育这种小麦和加工小麦制品的兴趣仍然不高。还需要开展更多的外联活动以促进人们对此的了解，包括公开技术信息和研究报告、向工业界介绍情况、向种植者演示和为学校和民众制作相关材料。提高（对膳食纤维小麦和食品的）认识对于人们拥有和维持这种产品需求至关重要。
小麦族多组学网站：http://202.194.139.32