植物營養劑提高稻米必需氨基酸含量及其開發前景

李春艷 張志元 唐建洲 張順 劉興海 張躍飛

（1 長沙學院醫療綜合門診部，長沙410022；2 長沙學院生物與環境工程學院，長沙410022；3桃源縣興隆米業科技開發有限公司，湖南桃源415705；4 湖南永益農業科技發展有限公司，長沙410013；第一作者：260869544@qq.com；*通訊作者：zhzhy@ccsu.cn）

高必需氨基酸營養米是指通過育種和栽培（噴施植物營養劑）技術，提高原糧的必需氨基酸含量，該原糧經加工后其精米中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、維生素等配成營養強化劑，再讓大米吸附，或將大米粉碎后加入營養強化劑，再造粒、烘干；第二種方法是“內持法”，借助保持米粒外層或胚芽所含營養素（包括開發出的胚芽米和糙米）。這兩種方法都有其不足，“外加法”營養強化劑成本高，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?！皟瘸址ā睂嶋H上只是保持了稻米固有營養，加工設備技術要求高，加工難度大（糙米除外）、工藝復雜，加上近年來發現糙米米糠層中重金屬砷含量遠高于精白米，可能有損人體健康[1]。為此，本課題組通過在水稻生長發育后期噴施植物營養劑來得到高必需氨基酸營養米[2]。

1 植物營養劑

1.1 概念

植物營養劑是采用現代微生物發酵技術，利用柑橘內生枯草芽孢桿菌YS-45[3]發酵豆粕、菜粕和其他富含高必需氨基酸的基物，經純化、濃縮而得到的一種富含多肽及氨基酸等多種營養因子的有機營養液。

1.2 植物營養劑的標準

本課題組在植物營養劑研制出來之后，建立了植物營養劑的企業標準[4]，對植物營養劑的感官指標、理化指標、重金屬元素限量值做了相關規定，具體見表1、表 2。

表1 植物營養劑的理化指標

表2 植物營養劑中重金屬元素限量

1.3 植物營養劑的發酵生產

植物營養劑是以豆粕、菜粕為原料，通過枯草芽孢桿菌YS-45 發酵生產而得。具體的生產工藝流程為：枯草芽孢桿菌YS-45 的斜面菌種活化，活化溫度為37℃，培養24 h；枯草芽孢桿菌YS-45 搖瓶擴大，在37℃、180 r/min 下培養 24 h；配置發酵培養液，接種，發酵（發酵條件為 37℃、250 r/min、發酵 48 h）；發酵完成后，對發酵液進行分離、濃縮，得到植物營養劑[7]。

1.4 水稻不同部位對植物營養劑的吸收

1.4.1 水稻植株對植物營養劑的吸收

通過在水稻孕穗末期、抽穗初期、齊穗期對水稻葉面各噴施1 次植物營養劑。相對于噴清水對照，植物營養劑處理稻米（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%；相對于噴施常規葉面肥神奇120，植物營養劑處理提高6.80%~16.07%。植物營養劑能提高水稻中第一限制氨基酸賴氨酸的含量，相對于噴清水對照，賴氨酸含量提高3.61%~17.70%；相對于噴施神奇120 處理，賴氨酸含量提高5.58%~35.31%。植物營養劑亦可全面提高稻米氨基酸的含量，相對于噴施神奇120 處理，被檢測的15 種氨基酸含量提高2.92%~29.49%，相對于噴清水對照提高3.73%~13.48%[2]。

1.4.2 水稻根系對植物營養劑的吸收

采用水培法，利用不同含量的植物營養劑溶液培養水稻，考察水稻根系吸收植物營養劑中氨基酸分子的效果。結果表明,與清水對照相比，利用4%植物營養劑溶液處理的水稻，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、穗長、穗粒數等農藝性狀也明顯改善[5]。

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

2 植物營養劑的田間應用效果

2009—2013 年課題組在湖南益陽市、瀏陽市進行了植物營養劑在湘早秈45 號、湘晚秈12 號、中優Ⅱ-218 等 5 個品種 9 個季節的試驗。2014—2016 年，課題組在衡陽、望城、常德武陵等地對棱兩優32、中早39、玉針香進行了植物營養劑不同濃度、用量試驗。上述試驗都證明植物營養劑可使稻米（精白米）必需氨基酸含量提高6.82%~26.56%。不同濃度試驗，氨基酸濃度為100~700 mg/L 時，以濃度為300 mg/L 時達吸收高峰。

由表3 可看出，隨著植物營養劑用量的加大，稻米中必需氨基酸含量有升高的趨勢，當植物營養劑用量為75 kg/667 m2時，精米必需氨基酸含量為3 094.9 mg/100 g，與對照相比增加17.7%，增加趨勢最明顯。

表3 植物營養劑不同用量對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

幾年的田間試驗發現，在不同水稻品種間即使噴施相同濃度相同用量的植物營養劑，精米中必需氨基酸含量仍有一定的差別。對此，本課題組從湖南永益農業科技發展有限公司、金健米業股份有限公司、中糧集團有限公司等7 個精白米供應商中抽取45 個精白米樣品，通過分光光度法、高效液相色譜、氨基酸自動分析儀進行必需氨基酸、總氨基酸、蛋白質含量的檢測，探求不同類型水稻品種精白米必需氨基酸、總氨基酸、蛋白質含量的相關程度以及不同品種間必需氨基酸的差異。結果表明，蛋白質含量與總氨基酸含量、蛋白質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系數分別達到r=0.94、r=0.95、r=0.995，呈顯著正相關（p<0.01）。由此得出，精白米主要營養成分蛋白質的營養價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，本課題組提出基礎必需氨基酸含量高的水稻品種與植物營養劑的使用整合配套，進一步提高精米必需氨基酸含量。

4 高必需氨基酸營養米與國內外幾種優質米必需氨基酸含量比較

課題組將試驗大米與國內外幾種優質大米進行了比較，檢測結果見表4。表4 表明，在噴施植物營養劑的稻米中，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，達到了高必需氨基酸大米的二級標準，比原裝泰國茉莉香米、柬埔寨吳哥情香米、秋田小町、臺灣鄉情米、五常米（黑龍江省五常市稻花香有機米） 分別高 16.33%、40.73%、48.51%、66.99%、92.82%。

表4 施用植物營養劑后的試驗稻米與國內外幾種優質稻米必需氨基酸含量比較

5 高必需氨基酸營養米食品安全企業標準

課題組在開發出高必需氨基酸營養米后，取得了由湖南省衛生和計劃生育委員會發布的食品安全企業標準“高必需氨基酸大米”。在標準中，對稻米主要技術指標如感官指標、理化指標、必需氨基酸含量做了相應規定。其中，必需氨基酸按GB/T5009.124-2003《食品中氨基酸的測定》規定方法測定，企業標準含量為高必需氨基酸大米定級的基本指標（表5）。

6 高必需氨基酸營養米的前景

隨著人們生活水平的提高，吃飯不僅要解決溫飽問題，更要吃得營養健康。大米作為人們食用最多的主食之一，不僅是熱量來源。更是蛋白質和各種微量元素的營養來源。前人研究表明，蛋白質是由氨基酸組成，蛋白質缺乏會引起人的Kwashiorkor（夸希奧科病）和Marasmus（消瘦?。8]，從營養學的角度看，蛋白質的功能就是氨基酸的功能[9]，在組成蛋白質的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、有機酸轉化而來。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體需求，必須從食物中獲得的一類氨基酸，是食物蛋白營養價值的關鍵成分，必需氨基酸對人的生長發育和養生保健具有不可替代的作用。幼兒期每日需要量為714 mg/kg 體質量，兒童期352 mg/kg 體質量[10]，因此用必需氨基酸含量作為指標來衡量稻米蛋白營養是合理的且可避免檢測誤差[11]。人們攝取必需氨基酸的主要途徑是動物蛋白和植物蛋白，但過分依賴肉食會帶來高血壓、高血脂、冠心病等伴隨性疾病，因此，中國營養學會在《中國居民膳食指南》中強調，中國居民的膳食應以谷物為主，西方化膳食不適于中國人的體型結構[12]。

國民營養事關國民素質提高和經濟社會發展，當下我國仍面臨居民營養不足與過剩并存、營養相關疾病多發等問題。2017 年6 月30 日，國務院辦公廳印發《國民營養計劃（2017—2030 年）》，指出要強化營養主食、雙蛋白（動物蛋白、植物蛋白）工程等重大項目實施力度，而高必需氨基酸稻米的生產正是響應國家政策的體現，高必需氨基酸稻米具有營養美味（植物營養劑主要提高稻米中游離氨基酸的含量，蛋白質含量由8.5%提高到9.6%，增幅不高，不會因蛋白質含量過高而影響米飯的營養和風味[2）]、天然安全的特點，對其進行更深入的開發和研究正當其時。

為進一步提高稻米必需氨基酸含量，課題組正與湖南省種子協會合作開展高必需氨基酸營養米種質資源的篩選與鑒定，采用無菌苗法對現行品種進行室內的快速篩選與田間品種對比試驗，鑒定出基礎必需氨基酸含量高的水稻品種，再與植物營養劑的使用整合配套，可進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 在培養品種之中的必需氨基酸含量最高，其必需氨基酸含量達到了5 100 mg/100 g，從必需氨基酸的組成和含量看，Y-800 優于豬肉和牛肉，同時其苯丙氨酸的含量具有相當優勢，因此推測Y-800 對改善高血壓和肺動脈高壓疾病癥狀有幫助[14]。

高必需氨基酸營養米研究已獲得相關發明專利3項[15-17]，有湖南省衛計委批準的食品安全企業標準[11]，其植物營養劑成功申請“志元”牌注冊商標。目前，高必需氨基酸營養米在桃源縣興隆米業科技開發有限公司生產，于2016 年獲中國“第十四屆糧油博覽會金獎”。植物營養劑的研制與應用獲湖南省2014 年科技進步二等獎，發表相關論文近10 篇。2015 年4 月 1 日《湖南日報》第8 版以神奇營養劑點米成金為題作了專題報道。2017 年《科技成果管理與研究》以植物營養劑提高稻米品質改善果蔬質量為題作了報道。有理由相信，高必需氨基酸營養米將占據一定的市場份額，使人們不僅吃得飽，而且吃得好、吃得健康。