植物營(yíng)養(yǎng)劑提高稻米必需氨基酸含量及其開發(fā)前景

李春艷 張志元 唐建洲 張順 劉興海 張躍飛

（1 長(zhǎng)沙學(xué)院醫(yī)療綜合門診部，長(zhǎng)沙410022；2 長(zhǎng)沙學(xué)院生物與環(huán)境工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410022；3桃源縣興隆米業(yè)科技開發(fā)有限公司，湖南桃源415705；4 湖南永益農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司，長(zhǎng)沙410013；第一作者：260869544@qq.com；*通訊作者：zhzhy@ccsu.cn）

高必需氨基酸營(yíng)養(yǎng)米是指通過育種和栽培（噴施植物營(yíng)養(yǎng)劑）技術(shù)，提高原糧的必需氨基酸含量，該原糧經(jīng)加工后其精米中8 種必需氨基酸很大幅度提高。目前提高稻米必需氨基酸含量的途徑主要有兩種：一種是“外加法”，即將賴氨酸、維生素等配成營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑，再讓大米吸附，或?qū)⒋竺追鬯楹蠹尤霠I(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑，再造粒、烘干；第二種方法是“內(nèi)持法”，借助保持米粒外層或胚芽所含營(yíng)養(yǎng)素（包括開發(fā)出的胚芽米和糙米）。這兩種方法都有其不足，“外加法”營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑成本高，添加的氨基酸種類單一（主要添加賴氨酸），且色澤欠佳、米飯有異味?！皟?nèi)持法”實(shí)際上只是保持了稻米固有營(yíng)養(yǎng)，加工設(shè)備技術(shù)要求高，加工難度大（糙米除外）、工藝復(fù)雜，加上近年來(lái)發(fā)現(xiàn)糙米米糠層中重金屬砷含量遠(yuǎn)高于精白米，可能有損人體健康[1]。為此，本課題組通過在水稻生長(zhǎng)發(fā)育后期噴施植物營(yíng)養(yǎng)劑來(lái)得到高必需氨基酸營(yíng)養(yǎng)米[2]。

1 植物營(yíng)養(yǎng)劑

1.1 概念

植物營(yíng)養(yǎng)劑是采用現(xiàn)代微生物發(fā)酵技術(shù)，利用柑橘內(nèi)生枯草芽孢桿菌YS-45[3]發(fā)酵豆粕、菜粕和其他富含高必需氨基酸的基物，經(jīng)純化、濃縮而得到的一種富含多肽及氨基酸等多種營(yíng)養(yǎng)因子的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)液。

1.2 植物營(yíng)養(yǎng)劑的標(biāo)準(zhǔn)

本課題組在植物營(yíng)養(yǎng)劑研制出來(lái)之后，建立了植物營(yíng)養(yǎng)劑的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4]，對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)劑的感官指標(biāo)、理化指標(biāo)、重金屬元素限量值做了相關(guān)規(guī)定，具體見表1、表 2。

表1 植物營(yíng)養(yǎng)劑的理化指標(biāo)

表2 植物營(yíng)養(yǎng)劑中重金屬元素限量

1.3 植物營(yíng)養(yǎng)劑的發(fā)酵生產(chǎn)

植物營(yíng)養(yǎng)劑是以豆粕、菜粕為原料，通過枯草芽孢桿菌YS-45 發(fā)酵生產(chǎn)而得。具體的生產(chǎn)工藝流程為：枯草芽孢桿菌YS-45 的斜面菌種活化，活化溫度為37℃，培養(yǎng)24 h；枯草芽孢桿菌YS-45 搖瓶擴(kuò)大，在37℃、180 r/min 下培養(yǎng) 24 h；配置發(fā)酵培養(yǎng)液，接種，發(fā)酵（發(fā)酵條件為 37℃、250 r/min、發(fā)酵 48 h）；發(fā)酵完成后，對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行分離、濃縮，得到植物營(yíng)養(yǎng)劑[7]。

1.4 水稻不同部位對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)劑的吸收

1.4.1 水稻植株對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)劑的吸收

通過在水稻孕穗末期、抽穗初期、齊穗期對(duì)水稻葉面各噴施1 次植物營(yíng)養(yǎng)劑。相對(duì)于噴清水對(duì)照，植物營(yíng)養(yǎng)劑處理稻米（精米）中蘇氨酸、蛋氨酸、纈氨酸、苯丙氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、賴氨酸等7 種必需氨基酸的總量提高6.82%~26.56%；相對(duì)于噴施常規(guī)葉面肥神奇120，植物營(yíng)養(yǎng)劑處理提高6.80%~16.07%。植物營(yíng)養(yǎng)劑能提高水稻中第一限制氨基酸賴氨酸的含量，相對(duì)于噴清水對(duì)照，賴氨酸含量提高3.61%~17.70%；相對(duì)于噴施神奇120 處理，賴氨酸含量提高5.58%~35.31%。植物營(yíng)養(yǎng)劑亦可全面提高稻米氨基酸的含量，相對(duì)于噴施神奇120 處理，被檢測(cè)的15 種氨基酸含量提高2.92%~29.49%，相對(duì)于噴清水對(duì)照提高3.73%~13.48%[2]。

1.4.2 水稻根系對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)劑的吸收

采用水培法，利用不同含量的植物營(yíng)養(yǎng)劑溶液培養(yǎng)水稻，考察水稻根系吸收植物營(yíng)養(yǎng)劑中氨基酸分子的效果。結(jié)果表明,與清水對(duì)照相比，利用4%植物營(yíng)養(yǎng)劑溶液處理的水稻，其15 種氨基酸含量和8 種必需氨基酸（包含1 種半必需氨基酸和7 種必需氨基酸）含量分別提高了62.77%和58.22%，水稻株高、綠葉數(shù)、穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)等農(nóng)藝性狀也明顯改善[5]。

水稻植株和根系都能較好吸收植物營(yíng)養(yǎng)劑，提高稻米氨基酸含量，但從實(shí)際生產(chǎn)中的可行性和種植成本考慮，多采取葉面噴施植物營(yíng)養(yǎng)劑的方法來(lái)提高水稻必需氨基酸的含量，植物營(yíng)養(yǎng)劑的使用濃度以10%為宜，用量以56.25 kg（/hm·2次）為宜，田間噴施植物營(yíng)養(yǎng)劑溶液量以562.5 kg（/hm2·次）為宜，孕穗末期和齊穗期各噴施 1 次[6]。

2 植物營(yíng)養(yǎng)劑的田間應(yīng)用效果

2009—2013 年課題組在湖南益陽(yáng)市、瀏陽(yáng)市進(jìn)行了植物營(yíng)養(yǎng)劑在湘早秈45 號(hào)、湘晚秈12 號(hào)、中優(yōu)Ⅱ-218 等 5 個(gè)品種 9 個(gè)季節(jié)的試驗(yàn)。2014—2016 年，課題組在衡陽(yáng)、望城、常德武陵等地對(duì)棱兩優(yōu)32、中早39、玉針香進(jìn)行了植物營(yíng)養(yǎng)劑不同濃度、用量試驗(yàn)。上述試驗(yàn)都證明植物營(yíng)養(yǎng)劑可使稻米（精白米）必需氨基酸含量提高6.82%~26.56%。不同濃度試驗(yàn)，氨基酸濃度為100~700 mg/L 時(shí)，以濃度為300 mg/L 時(shí)達(dá)吸收高峰。

由表3 可看出，隨著植物營(yíng)養(yǎng)劑用量的加大，稻米中必需氨基酸含量有升高的趨勢(shì)，當(dāng)植物營(yíng)養(yǎng)劑用量為75 kg/667 m2時(shí)，精米必需氨基酸含量為3 094.9 mg/100 g，與對(duì)照相比增加17.7%，增加趨勢(shì)最明顯。

表3 植物營(yíng)養(yǎng)劑不同用量對(duì)稻米必需氨基酸含量的影響 （2016，澧縣）

3 不同水稻品種間必需氨基酸含量的差異

幾年的田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同水稻品種間即使噴施相同濃度相同用量的植物營(yíng)養(yǎng)劑，精米中必需氨基酸含量仍有一定的差別。對(duì)此，本課題組從湖南永益農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司、金健米業(yè)股份有限公司、中糧集團(tuán)有限公司等7 個(gè)精白米供應(yīng)商中抽取45 個(gè)精白米樣品，通過分光光度法、高效液相色譜、氨基酸自動(dòng)分析儀進(jìn)行必需氨基酸、總氨基酸、蛋白質(zhì)含量的檢測(cè)，探求不同類型水稻品種精白米必需氨基酸、總氨基酸、蛋白質(zhì)含量的相關(guān)程度以及不同品種間必需氨基酸的差異。結(jié)果表明，蛋白質(zhì)含量與總氨基酸含量、蛋白質(zhì)含量與必需氨基酸含量、總氨基酸含量與必需氨基酸含量的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到r=0.94、r=0.95、r=0.995，呈顯著正相關(guān)（p<0.01）。由此得出，精白米主要營(yíng)養(yǎng)成分蛋白質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值主要在于必需氨基酸含量的高低。不同品種間必需氨基酸含量也具有顯著差異[7]。為此，本課題組提出基礎(chǔ)必需氨基酸含量高的水稻品種與植物營(yíng)養(yǎng)劑的使用整合配套，進(jìn)一步提高精米必需氨基酸含量。

4 高必需氨基酸營(yíng)養(yǎng)米與國(guó)內(nèi)外幾種優(yōu)質(zhì)米必需氨基酸含量比較

課題組將試驗(yàn)大米與國(guó)內(nèi)外幾種優(yōu)質(zhì)大米進(jìn)行了比較，檢測(cè)結(jié)果見表4。表4 表明，在噴施植物營(yíng)養(yǎng)劑的稻米中，其8 種必需氨基酸（組氨酸、蘇氨酸、纈氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、賴氨酸）含量之和為3 490 mg/100 g，達(dá)到了高必需氨基酸大米的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，比原裝泰國(guó)茉莉香米、柬埔寨吳哥情香米、秋田小町、臺(tái)灣鄉(xiāng)情米、五常米（黑龍江省五常市稻花香有機(jī)米） 分別高 16.33%、40.73%、48.51%、66.99%、92.82%。

表4 施用植物營(yíng)養(yǎng)劑后的試驗(yàn)稻米與國(guó)內(nèi)外幾種優(yōu)質(zhì)稻米必需氨基酸含量比較

5 高必需氨基酸營(yíng)養(yǎng)米食品安全企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

課題組在開發(fā)出高必需氨基酸營(yíng)養(yǎng)米后，取得了由湖南省衛(wèi)生和計(jì)劃生育委員會(huì)發(fā)布的食品安全企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“高必需氨基酸大米”。在標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)稻米主要技術(shù)指標(biāo)如感官指標(biāo)、理化指標(biāo)、必需氨基酸含量做了相應(yīng)規(guī)定。其中，必需氨基酸按GB/T5009.124-2003《食品中氨基酸的測(cè)定》規(guī)定方法測(cè)定，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)含量為高必需氨基酸大米定級(jí)的基本指標(biāo)（表5）。

6 高必需氨基酸營(yíng)養(yǎng)米的前景

隨著人們生活水平的提高，吃飯不僅要解決溫飽問題，更要吃得營(yíng)養(yǎng)健康。大米作為人們食用最多的主食之一，不僅是熱量來(lái)源。更是蛋白質(zhì)和各種微量元素的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源。前人研究表明，蛋白質(zhì)是由氨基酸組成，蛋白質(zhì)缺乏會(huì)引起人的Kwashiorkor（夸希奧科?。┖蚆arasmus（消瘦?。8]，從營(yíng)養(yǎng)學(xué)的角度看，蛋白質(zhì)的功能就是氨基酸的功能[9]，在組成蛋白質(zhì)的20 種氨基酸中除8 種必需氨基酸外，其余的氨基酸可以由糖、脂肪、有機(jī)酸轉(zhuǎn)化而來(lái)。而必需氨基酸是人體自身不能合成或合成速度不能滿足機(jī)體需求，必須從食物中獲得的一類氨基酸，是食物蛋白營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的關(guān)鍵成分，必需氨基酸對(duì)人的生長(zhǎng)發(fā)育和養(yǎng)生保健具有不可替代的作用。幼兒期每日需要量為714 mg/kg 體質(zhì)量，兒童期352 mg/kg 體質(zhì)量[10]，因此用必需氨基酸含量作為指標(biāo)來(lái)衡量稻米蛋白營(yíng)養(yǎng)是合理的且可避免檢測(cè)誤差[11]。人們攝取必需氨基酸的主要途徑是動(dòng)物蛋白和植物蛋白，但過分依賴肉食會(huì)帶來(lái)高血壓、高血脂、冠心病等伴隨性疾病，因此，中國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)在《中國(guó)居民膳食指南》中強(qiáng)調(diào)，中國(guó)居民的膳食應(yīng)以谷物為主，西方化膳食不適于中國(guó)人的體型結(jié)構(gòu)[12]。

國(guó)民營(yíng)養(yǎng)事關(guān)國(guó)民素質(zhì)提高和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，當(dāng)下我國(guó)仍面臨居民營(yíng)養(yǎng)不足與過剩并存、營(yíng)養(yǎng)相關(guān)疾病多發(fā)等問題。2017 年6 月30 日，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《國(guó)民營(yíng)養(yǎng)計(jì)劃（2017—2030 年）》，指出要強(qiáng)化營(yíng)養(yǎng)主食、雙蛋白（動(dòng)物蛋白、植物蛋白）工程等重大項(xiàng)目實(shí)施力度，而高必需氨基酸稻米的生產(chǎn)正是響應(yīng)國(guó)家政策的體現(xiàn)，高必需氨基酸稻米具有營(yíng)養(yǎng)美味（植物營(yíng)養(yǎng)劑主要提高稻米中游離氨基酸的含量，蛋白質(zhì)含量由8.5%提高到9.6%，增幅不高，不會(huì)因蛋白質(zhì)含量過高而影響米飯的營(yíng)養(yǎng)和風(fēng)味[2）]、天然安全的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行更深入的開發(fā)和研究正當(dāng)其時(shí)。

為進(jìn)一步提高稻米必需氨基酸含量，課題組正與湖南省種子協(xié)會(huì)合作開展高必需氨基酸營(yíng)養(yǎng)米種質(zhì)資源的篩選與鑒定，采用無(wú)菌苗法對(duì)現(xiàn)行品種進(jìn)行室內(nèi)的快速篩選與田間品種對(duì)比試驗(yàn)，鑒定出基礎(chǔ)必需氨基酸含量高的水稻品種，再與植物營(yíng)養(yǎng)劑的使用整合配套，可進(jìn)一步提高稻米必需氨基酸含量[13]。目前高必需氨基酸米Y-800 在培養(yǎng)品種之中的必需氨基酸含量最高，其必需氨基酸含量達(dá)到了5 100 mg/100 g，從必需氨基酸的組成和含量看，Y-800 優(yōu)于豬肉和牛肉，同時(shí)其苯丙氨酸的含量具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)，因此推測(cè)Y-800 對(duì)改善高血壓和肺動(dòng)脈高壓疾病癥狀有幫助[14]。

高必需氨基酸營(yíng)養(yǎng)米研究已獲得相關(guān)發(fā)明專利3項(xiàng)[15-17]，有湖南省衛(wèi)計(jì)委批準(zhǔn)的食品安全企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[11]，其植物營(yíng)養(yǎng)劑成功申請(qǐng)“志元”牌注冊(cè)商標(biāo)。目前，高必需氨基酸營(yíng)養(yǎng)米在桃源縣興隆米業(yè)科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)，于2016 年獲中國(guó)“第十四屆糧油博覽會(huì)金獎(jiǎng)”。植物營(yíng)養(yǎng)劑的研制與應(yīng)用獲湖南省2014 年科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，發(fā)表相關(guān)論文近10 篇。2015 年4 月 1 日《湖南日?qǐng)?bào)》第8 版以神奇營(yíng)養(yǎng)劑點(diǎn)米成金為題作了專題報(bào)道。2017 年《科技成果管理與研究》以植物營(yíng)養(yǎng)劑提高稻米品質(zhì)改善果蔬質(zhì)量為題作了報(bào)道。有理由相信，高必需氨基酸營(yíng)養(yǎng)米將占據(jù)一定的市場(chǎng)份額，使人們不僅吃得飽，而且吃得好、吃得健康。