优质蛋白玉米的营养价值及发展前景

2002年07月11日 10:22 来源：

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翟少伟1，齐广海1，刘福柱1 （1．西北农林科技大学畜牧兽医学院，陕西 杨凌 712100；2．中国农业科学院饲料研究所，北京10001） l 优质蛋白玉米概况 玉米胚乳蛋白质含量低，尤其是赖氨酸和色氨酸含量低，以及氨基酸构成不合理一直是育种家努力改良的目标。1963年Mertz等人发现了隐性突变基因奥帕克-2（Opaque-2）可以显著提高玉米籽粒蛋白质中赖氨酸的含量。之后，全世界掀起了高赖氨酸玉米育种的狂潮。后来发现其它突变基因也可提高玉米赖氨酸含量，但是由于种种原因，目前只有Opaque-2应用于育种实践。 利用Opaque-2基因来改良玉米蛋白品质的研究可分为两个阶段，早期的高赖氨酸玉米阶段，以及现在的优质蛋白玉米阶段。早期培育的高赖氨酸玉米有以下缺点：产量比普通玉米低8％～15％，收获时含水量高，胚乳质软，籽粒容重低，易感穗粒腐病和虫害等，农民不愿意接受，大大限制了其推广和应用。为了解决上述问题，育种学家开拓了许多途径，最后发现利用Opaque-2基因和基因修饰因子的互作效应来选育是目前唯一现实可行的途径，也就是说通过Opaque-2修饰基因培育出了新型玉米。为了区别于以前所说的软质胚乳的高赖氨酸玉米，赋予其新名称——“优质蛋白玉米”（quality protein maize,简称QPM）。 一般说来在相同的情况下，优质蛋白玉米的组分含量与普通玉米的差别不大［20］。优质蛋白玉米的氨基酸组成在胚部分与普通玉米没有显著的差别，胚乳部分则与普通玉米显著不同［18］ 优质蛋白玉米（或高赖氨酸玉米）与普通玉米的最本质的区别是胚乳中各种蛋白质组成及蛋白质氨基酸组成的差异。优质蛋白玉米的营养价值提高的原因是其醇溶蛋白含量由普通玉米的55．l％下降至22．9％；而谷蛋白、白蛋白、球蛋白含量提高，其中谷蛋白由普通玉米的31．8％上升至50．1％。并且优质蛋白玉米的胚所占的比例通常要比普通玉米大，有关研究表明玉米胚的大小同赖氨酸的含量多少呈正相关关系。因此，优质蛋白玉米中赖氨酸、色氨酸含量高，且蛋白质品质较好。许多国家都在培育高赖氨酸玉米，但品质不一样，变异较大。赖氨酸含量在0．33％～0．54％之间，平均0．38％，比普通玉米增加46％；色氨酸含量平均为0．093％，比普通玉米增加66％；高赖氨酸玉米与普通玉米的赖氨酸、色氨酸分别占籽实蛋白质的4．2％， 3．1％，0．9％，0．6％，比普通玉米分别高35％，50％。亮氨酸含量下降，其异亮氨酸／亮氨酸比值比普通玉米增加20％，分别为0．3，0．36。异亮氨酸／亮氨酸比值增加后氨基酸平衡性更好，其它各项指标相似。因此，优质蛋白玉米营养价值高于普通玉米，有些学者又称之为“高营养玉米”（value advancedcorn）。 2 优质蛋白玉米的营养价值 2.1 食用价值 由于优质蛋白玉米的氨基酸组成发生了变化，赖氨酸和色氨酸含量提高，氨基酸的比例更加合理，所以其作为人类食品的食用价值也得到了提高。普莱德拉的生物学试验指出，普通玉米蛋白质的消化率、生物价分别为71.45和19.45，而高赖氨酸玉米则为95．00和78.25，高赖氨酸玉米比普通玉米的净蛋白利用率高4.39倍。高赖氨酸玉米的蛋白质营养价值相当于干酪的74.22％～103.61％。印度的试验证明，每天对25名18～20个月的儿童提供10g高赖氨酸玉米蛋白质，并补充钙和铁，经6个月，其营养价值与脱脂奶粉相当。危地马拉的试验表明：高赖氨酸玉米同牛奶的营养价值相当。另有实验指出，高赖氨酸玉米的营养价值相当于脱脂奶粉的85％～95％，对于18～24个月的幼儿每人每lkg体重给于9.7g高赖氨酸玉米就可维持其营养需要，而对于成年人，每人每天提供300g高赖氨酸玉米粉，就可维持体内的氮素平衡，而普通玉米则需600g。 在以普通玉米为主食的地区，食用高赖氨酸玉米更有独特的意义。研究表明，长期以普通五米为食，易导致人体水肿，毛发变脆发白，容易腹泻而造成营养不良，尤其是儿童。并且，一种可导致痴呆或死亡的癞皮病也与长期偏食普通玉米有关。通过食用高赖氨酸玉米能使常食普通玉米造成的营养不良迅速得以康复，使癫皮病的发生得到有效的防治。原因是：癞皮病是人体缺乏尼克酸而出现的一种营养缺乏病。普通玉米中的尼克酸多系结合型，约占40％～70％，难以为人体有效利用，而色氨酸的含量也低，不能满足人体的尼克酸需要。而高赖氨酸玉米，相应使籽粒中的总尼克酸。游离尼克酸和色氨酸含量分别比普通玉米高0．25～l倍、2～3倍和l～2倍。这对防治癞皮病极为有效。高赖氨酸玉米改善了普通玉米蛋白质营养品质的同时，也改进了其食用口感。高赖氨酸玉米口感鲜、甜、香而适口，嚼之松软而不粘牙齿。食用其青嫩玉米更具有独特风味，不仅富含营养而且食之也是一种享受［18］。 2．2 饲用价值 对优质蛋白玉米在动物生产中的应用的研究报道较少，国内外的研究也多见于高赖氨酸玉米（国外主要是opaque-2玉米，国内多用自己培育的品种）对动物生产性能的影响。 2.2.1 优质蛋白玉米在家禽饲料中的应用 cronwell、Drews、Chi等人对肉鸡的研究表明只有添加蛋氨酸，尤其在略低于适宜蛋白质水平下添加，能够充分发挥opaque-2玉米的营养优势［3，5，6］。Cromwell等人的研究还表明补充外源氨基酸后［4］，2种玉米的差异还是存在。opaque-2玉米的优势可能在于其某些氨基酸含量的提高（赖氨酸、色氨酸、甘氨酸、精氨酸等），或是其中两者、三者或是所有这些氨基酸的组合效应。而对于改善了高赖氨酸玉米农学性状的优质蛋白玉米的应用效果还有待于研究证明。 Osei等人l999年对生长阶段蛋鸡的研究显示［12］，用优质蛋白玉米配制日粮，可降低粗蛋白水平，不会对鸡生长有负面影响；而用普通玉米，增重却下降。Cromwell、Chi、Speers和Liu等人报道用高赖氨酸玉米替换普通玉米可提高饲料利用率［3，5］。Sullivan等人把这归功于高蛋白玉米有较高的赖氨酸、色氨酸含量，及较好的氨基酸平衡［13］。Sullivan等人在产蛋鸡日粮中用优质蛋白玉米对日采食量、料蛋比、5％产蛋率的日龄、蛋重、哈夫单位、蛋壳厚度等影响不明显［10］，却能明显影响产首枚蛋（P＜0.01）和50％产蛋率日龄（P＜0.05）、日产蛋率和入舍鸡的产蛋率（P＜0.0001）。 刘志同等人用康贝尔X金定鸭杂交1代公鸭进行了高赖氨酸玉米与普通玉米对填鸭产肥肝的试验，结果为用高赖氨酸玉米填鸭可提高肥肝的等级品质，平均肝重大，大肝多，同时耗料量降低，饲料转化率提高［21］。 2.2.2 优质蛋白玉米在养猪生产中的应用 Cromwel等人在断奶仔猪上用opaque-2玉米的试验表明［5］：用97％的玉米作为唯一氮源时，opaque-2玉米组的日增重和饲料效率都优于（P＜0.01）普通玉米组。当在普通玉米的基础上补加赖氨酸或色氨酸使其达到opaque-2玉米的水平时，并没有改进生产性能。当同时补加赖氨酸和色氨酸时，生产性能明显改善，说明opaque-2玉米的优质性表现在赖氨酸和色氨酸两者的含量的提高，而不只仅是赖氨酸或色氨酸一种。当在玉米豆粕型日粮中等量替换玉米时，opaque-2玉米组的生产性能优于普通玉米组，而用豆粕调节使蛋白相等时，两者的生产性能一致也有相同的报道。 Synivan等人 1989年报道，在低豆粕型日粮中，QPM等量代替普通玉米，QPM组（0.96％的赖氨酸）仔猪的生产性能优于普通玉米组（0．85％的赖氨酸）［13］。 Synivan等对生产猪的试验表明，较低水平的豆粕日粮，QPM等量代替普通玉米的生产性能（日增重、饲料报酬）优于普通玉米组（P＜0.01）［13］。当两组日粮的赖氨酸相等（0.7％）时，日增重相同，但QPM日粮组的饲料报酬降低4％（P＜0.05）。金水仙等人用中国农科院培育的QPM（中单206）等量替换普通玉米，在生长猪阶段，QPM组的生产性能有改善的趋势，但差异不显著［16］。 Burgoon等人的研究表明［2］，在较低水平豆粕日粮，等量代替普通玉米的QPM日粮肥育猪的日采食量、日增重增加（P＜0.05），饲料报酬趋于改善（P＜0.15），当同等赖氨酸水平（0．66％）时，日增重、饲料报酬和日采食量一致，QPM中需较少的蛋白补充就可获得与较高的豆粕普通玉米日粮一样的较佳生产性能。金水仙等人l997年用QPM（中单206）等量替换普通玉米，在肥育猪阶段（体重＞60kg），QPM组的日增重高于普通玉米组（P＜0.05）［16］。 金水仙等人用高赖氨酸玉米等量替换普通玉米，发现高赖氨酸玉米组瘦肉率为55．4％，比普通五米组高 2．6％［17］；高赖氨酸玉米组比普通玉米组的背膘厚度降低了1．06％，差异显著（P＜O．05）。黄启贤等人1989年也用高赖氨酸玉米等量替换普通玉米，猪的屠宰结果为：高赖氨酸玉米组的屠宰率、后腿比例、瘦肉率高于普通玉米组，板油重低于普通玉米组。 2.2.3 优质蛋白玉米在养牛中的应用 Nelson和Slabbert等人观察到阉牛饲喂高赖氨酸玉米与普通玉米相比［9，11］，提高了日增重和饲料转化率，Stock等人1993年也有类似的报道［12］。Ladely的试验结果为［9］，喂高赖氨酸玉米组的饲料转化效率提高6％（P＜0.1），屠宰性能差异不显著，但饲喂高赖氨酸玉米的肉牛的背膘更少（第12助处），统计上也不显著［7］。Thomas1975年却报道，普通玉米比opaque-2玉米对肉牛增重性能更好（P＜0.05），饲喂普通青贮玉米的肉牛生长也比饲喂opaque-2玉米的增重要快，但饲喂青贮玉米肉牛的胭体等级优于饲喂普通玉米。Goodrich等人认为两种青贮玉米对肉牛无论在增重性能还是饲料转化效率都没有差异。 Andrew报道饲喂高赖氨酸玉米及其青贮玉米的奶牛与饲喂普通玉米及其青贮玉米的奶牛产奶量、饲料食入量一样。然而奶中非脂固形物（solids-not-fat）含量比饲喂高赖氨酸玉米及其青贮玉米的奶牛高［1］。 2．3其它用途 优质蛋白玉米完全符合食品工业对干法和湿法玉米加工的性能要求，脱胚性、粘磨性与普通玉米相似，其加工的食品有无可比拟的香味和口感。玉米碴在烹煮加工时，与食用玉米相比需要的时间更短。利用优质蛋白玉米生产的食品与食用玉米生产的食品相似，但优质蛋白玉米生产的玉米面团的风味、延展性和颜色更加理想。 优质蛋白玉米除了本身的特殊用途外，同时具有普通玉米的用途。它可以用作淀粉源，生产工业制品；作为糖源，耗能少，成本比蔗糖低1／3，销售价是蔗糖的70％，是新型的甜味剂；作为药源，制取葡萄糖、青霉素、红霉素等；作为能源，发酵生产酒精、丙酮等，是世界三大再生能源之一。 3 优质蛋白玉米在我国的发展前景 改革开放以来，随着粮食产量的逐年提高和畜牧业的快速发展，玉米的用途发生了巨大变化，由人的主要日粮变为畜禽的主要饲料粮。虽然现在玉米主要作为饲料使用，随着人们生活水平的提高，保健意识的逐渐加强，优质蛋白玉米作为调整饮食结构的食物必将会起到一定的作用。 我国面临着饲料粮紧缺问题，特别是饼粕类饲料的严重不足，将成为我国饲料工业发展的主要制约因素。我国饲料工业每年需要约3万t合成赖氨酸，而从我国国情来看，若走工业化生产氨基酸的道路，不仅技术落后，形成不了竞争优势；生产氨基酸所用的原料（玉米→淀粉→糖）也会带来能量饲料和蛋白质饲料的矛盾；此外国家还需要在建厂、排污治理等方面投入大量资金。如果到2010年以前将全国年产玉米预计总产量的 50％（8 000万t）改造成为优质蛋白玉米，将常规玉米中的赖氨酸含量从0.21％提高到优质蛋白玉米的0.36％，相当于在全国农村建立了12座万吨级赖氨酸厂。换而言之，把生产氨基酸的任务不是通过工业化的道路，而是交给农民自己解决。这样不仅可节约国家投资，节约能耗，同时还可降低家庭养殖业者的生产成本，又不形成环境污染，还能减少大豆和鱼粉的进口量。农民生产出赖氨酸含量高的玉米，只需要略加调配矿物质和维生素，即可就地消化变为全价配合饲料，无须长途跋涉从农村运出常规玉米，再购入高价的配合饲料生产肉、蛋、奶，从而提高农民的收入［22］。因此，发展优质蛋白玉米可以使未来蛋白质饲料的紧缺状况得到缓解，减轻对环境的污染，增加农民收入，意义重大。 4 小结 玉米食品的消费，特别是快餐食品消费，在逐年增加。饲料工业也对玉米质量提出更高要求。优质蛋白玉米具有较高的食用价值和饲用价值，既可提高玉米的饲用营养水准，又可提高产量。

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