功能性彩色稻物質生產及其品質特點的研究

唐建鵬，謝成林，姚 義，張明偉，秦吉洋，閔思桂

（1揚州市農業技術推廣站，江蘇揚州 225000；2儀征市作物栽培技術推廣站，江蘇儀征 211400；3高郵市作物栽培技術指導站，江蘇高郵 225600）

0 引言

稻米是中國65%以上、世界近一半人口的主糧，而近年來，隨著社會經濟飛躍式發展，人們生活水平的提高和消費觀念的轉變，具有營養保健的功能性稻米及其產品受到廣大消費者的青睞，但市場上能買到的彩色稻米價格高昂而且種類較少，人民對功能性稻米的認識和了解有待提高，功能性稻米產量和種類急需擴大。功能性稻米是指含有比普通稻米較多或特殊活性物質的稻米，具有保健和輔助治療的功效，可以滿足不同消費群體的需求[1]，主要有彩色稻米、高賴氨酸稻米、低谷蛋白質稻米、富硒稻米、發芽糙米、巨胚稻米等幾種[2]。彩色稻米是指糙米種皮帶有紅色、紫色、黑色等顏色的稻米，由于花青素在種皮內大量累積，而使糙米出現不同色澤[3]。前人對彩色稻的營養品質研究較多，功能性彩色稻米中除了含有人體生長、發育所必需的蛋白質、脂肪、碳水化合物、維生素、礦物質、水和纖維素等七大營養素外，還含有一些對人體生理功能有調節和平衡作用的特殊成分，如膳食纖維、黃酮、強心苷、甾醇、生物堿等特殊生理活性物質。彩色稻能夠起到增強生理防御機制、預防特殊疾病、延緩衰老以及控制體力和精力狀況等作用，具有食藥兼用的功能[4-6]，可作為功能性稻米。

彩色稻在祖先野生稻中廣泛存在，但由于易落粒、種子萌芽率低等缺陷，在馴化過程中逐漸被人們選擇淘汰，后選育出了一些優良的彩色稻品種在中國云南、貴州、廣西、廣東等地有一定規模的種植[5]。前人對彩色稻研究主要側重于彩色稻米的種質資源、礦物質元素、花色苷和生理活性物質等方面的研究，而對其農藝性狀、物質生產等生長發育特征特性研究較少，普遍認為彩色稻的產量較低，品種之間農藝性狀差異大[7-8]，謝戎等[9]研究表明有色稻與雜交稻的單株生物產量差異不顯著，有色稻谷草比極顯著低于雜交稻，每朵穎花容積和結實率極顯著低于后者，有色稻光合產物分配和源庫不協調，但缺乏對彩色稻物質生產特點的深入研究，不利于進一步提高彩色稻產量和擴大推廣。

本研究針對不同顏色糙米的功能性彩色稻與普通常規粳稻對比進行物質生產特點的研究，從生育期、干物質積累和轉運，以及光合作用能力等方面為切入點，擬解決功能性彩色稻物質生產與產量的關系，彩色稻米品質特點等關鍵問題，探討與普通粳稻之間的差異，為進一步提高功能性彩色稻產量和穩產性，擴大推廣功能性彩色稻提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 供試品種（系）

2016—2018年從中國水稻研究所、江蘇里下河地區農業科學研究所和宿遷市農科院等單位引進了一批彩色稻品種（系），進行試驗示范，篩選出‘武香2 號’、‘淮紫2號’、‘京紫粳4號’、‘京紫粳2號’、‘興紫2號’、‘寒紫2號’、‘徐黑2號’和‘淮紫4號’等8個產量較高、抗性較好、品質優的功能性彩色稻品種（系），以揚州地區種植面積最大的優質食味常規稻‘南粳9108’為對照。彩色稻因沒有審定命名，為了便于記載和觀察，暫時命名為以上名稱。

1.2 試驗地點與方法

試驗于2017 年在儀征市月塘鎮和高郵市送橋鎮進行，2018 年在儀征市月塘鎮。2017 年高郵市送橋鎮：5 月16 日播種，6 月15 日移栽；行株距為30 cm×14 cm，每穴4 苗，總施氮量為216.0 kg/hm2，基蘗肥:穗肥=6.6:3.4。2017、2018 年儀征市月塘鎮：2017 年于5月15日播種，6月6日機插；2018年于5月23日播種，6月10—11日機插移栽；行株距設置為30 cm×14 cm，每穴3～4苗，總施氮量246 kg/hm2，基蘗肥:穗肥=7:3。

1.3 測定項目與方法

記載各品種（系）的生育進程，始穗期(10%)、齊穗期(80%)、成熟期，以及各個時期植株顏色。成熟期調查穴數和每穴穗數。成熟期取3穴考種，測量株高、穗長、穗總粒數、空粒數、千粒重。成熟期測實產，每品種（系）50穴，重復3次。稻谷剝殼出糙，觀察糙米顏色。

2018年用LI-6400(licorn USA)光合儀和SPAD502葉綠素儀，于齊穗期（齊穗期）和灌漿期（齊穗后20天）測定水稻上三葉凈光合速率及SPAD 值的變化，凈光合速率每品種（系）5重復，SPAD值每品種（系）10個重復。

采用FOSS 全自動凱式定氮儀Kjltec8400 型測定含氮量，乘以大米蛋白質換算系數(5.95)得到蛋白質含量。大量元素和微量元素含量測定參照ICP測定方法。

2 結果與分析

2.1 功能性彩色稻生育期分析

年度間各試驗點播種移栽時間有差異，導致全生育期不一，為統一數據，以2018 年儀征試驗點數據為準，如表1?？梢钥闯?，各品種（系）都能在11月5日之前成熟。對照品種‘南粳9108’生育期最短，為157天，功能性彩色稻全生育期相對較長，比對照全生育期長2～11天，最長的為‘徐黑2號’，全生育期168天，‘武香2 號’、‘淮紫2 號’、‘淮紫4 號’和‘京紫粳4’號生育期相對較短，成熟期在11月前，生育期較適宜。

表1 功能性彩色稻生育進程和生育期

2.2 功能性彩色稻植株和稻米顏色分析

觀察水稻各時期植株和稻米顏色，如表2，可以將其分為兩類，一類是莖葉顏色與對照類似，以綠色、黃綠色等淺色為主，主要有‘武香2號’、‘淮紫2號’和‘京紫粳4號’；另一類是莖葉顏色比對照深，以紫綠、深綠等色為主，主要包括‘京紫粳2號’、‘興紫2號’、‘寒紫2號’、‘徐黑2號’和‘淮紫4號’，這些深色的功能性彩色稻品種（系）全生育期莖葉顏色都呈現紫綠、深綠等較深的顏色，即使在成熟期仍是綠色，表明其彩色稻后期衰老較慢，這與前人研究一致[10]。比較同一品種（系）各個時期顏色變化，發現彩色稻莖葉顏色有逐漸變淺的趨勢，如‘淮紫4號’，前期為紫色，到齊穗期、成熟期逐漸變為墨綠、綠色，顏色的變化與植株內花青素逐漸分解有關。觀察稻殼、糙米顏色，功能性彩色稻品種（系）的稻殼、糙米大部分都呈現紫黑色、褐色等深色，與對照差異較大，這也是功能性彩色稻與常規稻最大的區別。

2.3 功能性彩色稻產量及其產量結構分析

調查2年3個點產量及其產量結構，如表3。常規稻‘南粳9108’產量最高，且顯著高于其他彩色稻，彩色稻中只有‘淮紫2 號’產量較高，實產超過7.5 t/hm2，其余的均在6.0 t/hm2左右。分析其產量結構，‘武香2號’和‘淮紫2號’的有效穗數穗數高于對照，其他彩色稻均低于對照，表明彩色稻總體分蘗能力較弱?！醋? 號’的每穗粒數稍高于對照，其他均低于對照，尤其‘武香2號’。彩色稻結實率較低，均在90%以下，大多數在79.40%和86.43%之間，相對‘南粳9108’低了5.80%到12.83%，差異顯著。彩色稻結實率和千粒重相對較低是限制其產量的主要因素，這可能與彩色稻后期灌漿干物質積累或轉移受阻有關。

表3 功能性彩色稻產量及其產量結構

2.4 功能性彩色稻葉綠素相對含量分析

葉綠體是進行光合作用的細胞器，葉綠體利用其葉綠素將光能轉變為化學能，把CO2與水轉變為糖，葉綠素含量是影響植物光合能力的重要因子之一，SPAD值與葉綠素含量極顯著相關[11]。用SPAD-502 儀于齊穗期和灌漿期（齊穗后20 天）測定上三葉葉綠素相對含量，即SPAD值，如表4?！湎?號’除齊穗期的倒三葉SPAD值顯著低于對照，其余均高于對照；其他品種（系）齊穗期和灌漿期上三葉葉的SPAD 都高于對照。總得看來，功能性彩色稻各時期上三葉的SPAD 值高于對照，特別是‘京紫粳2號’、‘興紫2號’和‘寒紫2號’等深色的彩色稻，這可能與其葉片顏色深淺有關[12]。但有研究表明彩色稻葉綠素含量高于常規稻[10]，這說明彩色稻葉綠素含量與常規稻無顯著差異，這可能不是導致其產量低的主要原因，這需要進一步驗證。

表4 功能性彩色稻不同時期葉綠素綠素相對含量

2.5 功能性彩色稻凈光合速率分析

進一步分析其凈光合速率，凈光合速率是植物光合作用積累物質的速率，直接影響物質積累和產量形成。由表5 可以看出，彩色稻齊穗期和灌漿期上三葉凈光合速率與對照‘南粳9108’存在差異。‘淮紫4 號’齊穗期和灌漿期上三葉凈光合速率均低于對照，光合能力較弱?！醋?號’灌漿期的倒二葉、倒三葉凈光合速率顯著低于對照，這與前人證明紫葉稻光合能力較弱一致[13]?！┳暇? 號’齊穗期上三葉凈光合速率均低于對照，說明齊穗期光合能力較差。‘寒紫2 號’和‘徐黑2號’與對照凈光合速率差異不顯著?！湎?號’齊穗期和灌漿期倒一葉的凈光合速率均高于對照，‘京紫粳2 號’除灌漿期倒二葉低于對照，其他均高于對照?！d紫2號’除齊穗期倒三葉低于對照外，其他也都高于對照。由此可見，‘武香2號’、‘京紫粳2號’和‘興紫2號’的光合能力較強。綜上所述，彩色稻凈光合速率比對照總體偏低，但差異不顯著，齊穗期彩色稻凈光合速率低于對照，灌漿期彩色稻倒二葉、倒三葉凈光合速率偏低。

表5 功能性彩色稻不同時期上三葉凈光合速率

2.6 功能性彩色稻干物質積累分析

于齊穗期、灌漿期和成熟期測定干物質重，如表6。比較各時期干物質積累發現，彩色稻，各時期干物質重均低于對照，尤其是成熟期顯著低于對照，這表明彩色稻總體生長量不足，齊穗期干物質量低于常規稻‘南粳9108’，表明彩色稻前期生長偏慢。灌漿期干物質積累量與常規稻總體差異不明顯，‘京紫粳2 號’、‘京紫粳4號’和‘興紫2號’大于對照，而‘寒紫2號’和‘淮紫4 號’顯著低于對照，不同品種表現不一。齊穗期到灌漿期干物質積累量，彩色稻顯著高于常規稻，只要‘淮紫4 號’小于常規稻，說明彩色稻在灌漿前期干物質積累較多，這與凈光合速率表現一致。比較成熟期干物質量發現，彩色稻均顯著低于常規稻，這與產量結果一致，分析灌漿期到成熟期干物質積累量，彩色稻干物質積累顯著低于對照。從收獲指數來看，彩色稻也均低于對照。進一步分析不同時期莖葉干物質轉運量（表7），可以看出，不管是齊穗期到灌漿期，還是灌漿期到成熟期，彩色稻莖葉干物質轉運量均低于常規稻‘南粳9108’，彩色稻莖葉總轉運量也均低于對照，這可能是彩色稻產量顯著低于常規稻‘南粳9108’的主要原因。綜上所述，彩色稻前期生長慢，后期轉運不暢，總干物質積累少是影響其產量低的主要因素。

表6 功能性彩色稻不同生育階段干物質積累

表7 功能性彩色稻齊穗期后莖葉干物質轉運量

2.7 功能性彩色稻糙米的蛋白質和礦物質含量分析

測定糙米營養品質，從表8 可知，彩色稻米蛋白質含量和微量元素Fe、Cu、Mn、Se、Zn含量均顯著高于常規稻‘南粳9108’，這一點驗證了前人的觀點[4]，。大量元素Ca、K 和P 含量與常規稻‘南粳9108’相比，有高有低，差異不顯著，P含量稍低于‘南粳9108’。從不同彩色稻品種（系）來看，除‘淮紫2號和‘徐黑2號’的蛋白質含量低于對照外，其他均高于‘南粳9108’。‘興紫2號’、‘寒紫2號’和‘淮紫4號’除大量元素外，其他所有營養物質均高于對照，營養豐富。所有彩色稻米的Fe、Mn、Zn含量均高于對照?！?號’、‘武香2號’、‘淮紫2號’、‘興紫2號’和‘淮紫4號’的Se含量均高于對照。除‘武香2 號’和‘淮紫2 號’外，其余彩色稻的Cu 含量均高于常規稻‘南粳9108’?！醋? 號’和‘淮紫4號’好的Ca含量，‘寒紫2號’和‘淮紫4號’的K含量，以及‘淮紫4號’的P含量較高，其他彩色稻米的大量元素含量均低于或相當于常規稻。綜上所述，彩色稻在微量元素Fe、Mn、Zn 含量表現突出，蛋白質、Cu、Se 含量顯著高于常規稻，大量元素Ca、K、P 與常規稻持平。

表8 功能性彩色稻糙米營養品質

2.8 功能性彩色稻精米的蛋白質和礦物質含量分析

人們食用稻米通常是食用精米，在這進一步測定了精米的營養品質（表9）。彩色稻精米的蛋白質含量總體高于常規稻，其余大量元素Ca、K、P 和微量元素Fe、Cu、Mn、Se、Zn 含量均于對照差異不明顯，表明彩色稻精米與常規稻精米礦質元素含量無明顯差異，說明彩色稻礦質元素主要存在于糙米種皮和胚中。其中個別彩色稻精米的礦物質元素含量高于常規稻，‘京紫粳2號’、‘興紫2號’的Fe含量，‘寒紫2號’、‘徐黑2號’和‘淮紫4 號’的Cu 含量，‘淮紫4 號’的Mn 含量，‘武香2號’、‘淮紫2號’和‘寒紫2號’的Se含量，‘京紫粳4號’的含Zn量均顯著高于對照。綜上所述，彩色稻精米蛋白質含量較高，礦物質元素含量與常規稻差異不顯著，個別品種（系）的個別營養元素含量高于常規稻。

表9 功能性彩色稻精米營養品質

3 討論

3.1 功能性彩色稻物質生產與產量關系

彩色稻屬于特種水稻資源，大部分品種產量水平較低[14-16]，與常規稻差異明顯，但可以通過調整栽培措施適當提高彩色稻產量[14]，所以研究彩色稻物質生產與產量的關系，探明彩色稻生理特性十分必要。從產量結構分析，結實率和千粒重較低是其產量偏低的主要原因，說明彩色稻“庫源”關系不協調，與前人研究一致[7]。比較彩色稻與常規綠稻葉綠素相對含量，功能性彩色稻SPAD 值比對照‘南粳9108’相對較高，尤其是顏色較深的彩色稻，明顯高于對照，彭長連[17]、余顯權等[18]也研究表明，紫葉稻葉綠素含量高于或相當于常規綠稻，但史慧琴等[12]研究表明SPAD 值與葉片顏色深淺有關，并不能完全代表葉綠素含量，這需要進一步測定其葉綠素含量。在凈光合速率方面，凈光合速率與對照相比總體偏低，但差異不顯著?！醋?號’各時期各張葉片均低于對照，光合能力不足，‘京紫粳2號’和‘興紫2號’的凈光合速率稍高于對照，但差異不顯著，而彭長連等[17]研究證明，紫葉稻劍葉的最大光合放氧速率比綠葉稻相高出28%，說明彩色稻的凈光合速率與常規稻相比，有高有低，可能主要受品種特性影響。從葉綠素相對含量和凈光合速率兩個物質生產能力分析可以看出，彩色稻的物質生產能力與常規綠稻差異不明顯，甚至有些品種（系）可能高于常規綠稻，說明彩色稻物質生產能力不是影響其產量低的原因。

水稻產量的高低取決于水稻干物質、生產量及其向籽粒轉運分配的比例[19]，比較彩色稻和對照干物質積累發現，彩色稻在灌漿期之前，彩色稻干物質積累與對照差異不顯著，特別是‘武香2號’、‘淮紫2號’等綠色植株的彩色稻與對照相差很小，但從灌漿期到成熟期干物質積累卻明顯低于常規綠稻（表6），但王玉娟[7]研究表明有色稻與常規稻的單株生物產量差異不顯著，但常規粳稻平均值大于有色稻，可能是樣本數多，導致差異不顯著。進一步分析發現主要是彩色稻穗重較低（表7），這與其結實率和千粒重偏低一致，這也造成了彩色稻收獲指數偏低（表6），這與前人研究是一致的。說明彩色稻后期物質積累少，光合產物的分配不協調，向產量器官中的分配量少，從莖葉轉運量分析驗證了這一結果（表7），抽穗期到灌漿期和灌漿期到成熟期，彩色稻莖葉轉運量均顯著低于常規稻，‘淮紫2 號’和‘京紫粳4 號’高于其他彩色稻的莖葉轉運量，這與其產量較高一致，述說明彩色稻后期積累少，莖葉干物質轉運不暢是影響其產量低的主要因素。了解彩色稻物質生產、干物質積累和轉運特點，可以通過調整栽培措施適當提高彩色稻產量[20-21]，但主要還是由品種特性決定[21]。

3.2 功能性彩色稻米品質特點

本研究彩色稻糙米均為紫黑色或黑色，彩色稻糙米蛋白質和人體必需礦物質元素Fe、Cu、Mn、Se、Zn含量都顯著高于常規稻‘南粳9108’，‘興紫2號’和‘淮紫4 號’除大量元素，其他所有營養物質均高于對照，驗證了前人的觀點[22-23]，。特別需要指出的是，Fe對人體造血有重要作用，所有彩色稻的Fe 含量均高于常規稻，游月華總結前人研究結果表明紫黑米含有豐富的Fe 元素和較高的蛋白質含量[24]。Se 作為人體重要的抗癌物質，彩色稻‘武香2號’、‘淮紫2號’、‘興紫2號’和‘淮紫2 號’的Se 含量均高于常規稻‘南粳9108’。郭詠梅等[4]研究證明有色稻米中Fe、Mn、Cu、Zn含量均顯著高于普通稻米，而裘凌滄等[22]研究證明紫米和紅米中的Cu含量低于正常白米。精米品質分析表明，精米營養品質蛋白質含量高于常規稻，而其他營養品質指標與常規稻差異不明顯。比較糙米和精米營養品質發現，糙米Mn含量遠高于精米，這與前人研究一致[25]，糙米在加工中，微量元素會發生嚴重的損失[26]。前人還證明，彩色稻米富含維生素B1、B2和一般稻米缺乏的維生素C、花色苷、胡蘿卜素、黃酮、生物堿等生物活性物質，由于試驗條件有限，這些物質還需我們進一步測定[27-28]。

3.3 功能性彩色稻開發和利用前景

發展功能性彩色稻米，通過優化主食結構，把吃飯與健身防病結合起來，強化人民健康飲食。但現在市面上彩色稻米售價偏高，而且由于缺乏宣傳，銷售有限，如何將彩色稻米普及大眾，需要政府部門的推廣，農業企業的配合，科研單位的技術，功能稻米知識的普及。

加強功能性彩色稻品種選育、推廣和宣傳。功能性彩色稻米的推廣需要有好品種，雖然中國有豐富的彩色稻種質資源，各地都有育成的功能性彩色稻品種，如上海農科院育成的‘上農黑糯’、常熟農科所育成的‘矮血糯’，吉林選育的‘龍錦1號’，貴州的‘黑糯93’，浙江的‘舟山紅米’、廣東的‘軟紅米’，湖南的‘紅米湘晚秈12 號’，江蘇武進的‘香血糯335’等[29]各種品種。但綜合性狀優異的品種十分稀少，缺乏大面積推廣應用的品種。

對彩色稻米進行深加工。人們習慣于消費精米，但糙米的營養價值遠高于精米。稻米中64%以上的營養元素和生理活性物質集中在胚和種皮中[3]，在加工中被損失掉[24]。比較遺憾的是，由于口感不佳，消費者難以接受糙米。建議將彩色稻糙米進行深加工，比如彩色稻米酒、粥、米糊、烘烤制品、米粉、飲料、色素和藥用產品等，加長產業鏈，增加消費群體，提高效益[30-31]。

4 結論

從葉綠素相對含量和凈光合速率分析彩色稻的物質生產能力與常規稻差異不明顯，而影響其產量低的主要原因是彩色稻后期干物質積累和轉運量較少，導致其結實率和千粒重較低，“源不足”，“流不暢”，導致“庫不滿”。彩色稻米的蛋白質含量顯著高于常規稻，因彩色稻種皮富含花色苷而呈現紫色或黑色等深顏色，糙米中礦物質元素Fe、Cu、Mn、Se、Zn 等人體必需的營養元素含量均顯著高于常規稻‘南粳9108’，而精米中則差異不顯著，說明彩色稻礦物質元素主要存于彩色稻種皮中，所以在發展功能性彩色稻米的過程中，應注意選育產量高、品質好的品種，加強彩色稻糙米深加工，延長產業鏈，提高附加值。