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NASA研究:藜麦-----美国航天局“受控生态生保系统”候选作物

(2011-11-16 10:19:08)
标签:

藜麦

nasa

分类: 藜麦知识大全

NASA研究

藜麦-----美国航天局受控生态生保系统候选作物

Greg Schlick and David L. Bubenheim

NASA研究:藜麦-----美国航天局“受控生态生保系统”候选作物

方法论

1   温室藜麦品种选择

1   人工生长箱产量研究

1   生长和产量评估

1   营养价值分析

结果与讨论

1   品种测定

1   种植密度

1   光周期和辐照度

1   营养成分

2             结论

3             参考文献

4             1

5             2

6             3

7             4

8             5

9             6

10         7

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12         1

NASA研究:藜麦-----美国航天局“受控生态生保系统”候选作物

藜麦(印第安麦,藜属)现在被美国航天局受控生态生保系统(CELSS)视为潜在的“新”作物。CELSS的理念是利用植物去除大气中的二氧化碳,同时产出食物,氧气和水供给从事长期人类太空任务的船组人员。潜力作物的选择标准包括营养成分,收成指数,植株冠层高度,以及生命周期。

CELSS选择藜麦是看中它的高生产率和理想的营养特性。特别感兴趣的是藜麦的高蛋白和高浓度矿物质,另外它的氨基酸很适合人类均衡饮食的需要。通常,在饮食中为获得合适浓度的氨基酸,CELSS需要将好几种作物的的营养结合起来;而藜麦可以为人类均衡饮食做一个很好的补充。

藜麦籽含有极为全面均衡的氨基酸,比如,大多数谷物中缺乏的一种必须氨基酸,赖氨酸,在藜麦中就超过了人体所必需的氨基酸营养的浓度。此外,比起其它植物,藜麦的含硫氨基酸,胱氨酸和蛋氨酸含量异常的高。相比大多数谷物,藜麦的矿物质浓度也高得多;假如以可吸收状态存在,钙,镁和钾的含量对于人体均衡营养是很充足的。均衡营养所必需的其它大多数矿物质,藜麦中的含量也比其它大多数作物高。藜麦麸含有的皂苷可以用在人类饮食中,在长期的太空旅行中也许还有其它应用。

 

习惯上,人们认为只有藜麦籽可食用,而忽视了藜麦叶的食用价值。藜麦叶和嫩芽能提供大量营养,可直接生吃也可以煮熟吃。与食用纯叶类或者纯籽类食物相比,把藜麦当作叶类蔬菜植物和谷物食用,可以获得丰富多样的营养。

生长在受控环境中的作物可获得巨大的增产潜力和营养成分(Bubenheim 1991)。此外,要实现CELSS充分再生,我们必须在最大限度地提高每种作物的生产率和质量的同时,将作物的体积,重量,栽培时间和能源投入最小化。由于藜麦重大的食物营养价值,其受控环境栽培的可行性已经得到了研究。本文总结了藜麦在受控环境生产中的品种选择和最佳生长条件方面所做的努力。

方法论

温室藜麦品种选择

在受控环境水培生产系统中,各种不同的藜麦品种的潜在应用受到了检测。在初步筛选中评估的基因型和它们的基因源是:英国剑桥大学的QL3QH3;科罗拉多州(Colorado)柯林斯堡市(Fort Collins)美国科罗拉多州立大学的CO407XISLUGA CO407 Heat Tolerant Population 1;玻利维亚(Bolivia)的'Real', 'Sajama', 'Cochabamba 250'; 秘鲁(Peru)的'Blanca de Junin'; 和智利的 'Faro''Temuco'. 在筛选过程中,对于基因型的提升,主要选择标准是植株冠层高度,生物产量, 结实量, 收成指数和生命周期.

由于缺乏藜麦水培的经验,初期实验集中于提供一个合适的营养管理体制。几轮一一选种之后,候选目录里的名单就削减到了四个:'Real', CO407, CO407 Heat Tolerant Population 1, QL3。其它品种在各种条件下都表现出了极端的生长习性,它们在筛选过程早期被淘汰了。通过利用四个品种,观察到了生长在受控环境中的藜麦的作物生理的详尽特征,实现了水培生产,只展示了那些基因型的实验结果。通过一系列的生产研究,建立起了一项排名,同时也测定了藜麦对诸如光周期,营养液成分,种植密度,和温度这些环境因子的一般回应。排名第一的品种是第一个被用到生长箱试验中去的。

1,表2展示的温室研究结果,全部来自生长在温室里的植物。 温室里采用的的是深水循环水培系统,温度保持在摄氏21度(± 3.0°C ),同时二氧化碳水平提高到1000豪摩尔/每摩尔(1000mmol mol-1 (Schlick and Bubenheim 1993)。植物在长白昼和在短白昼两种条件下生长(日光子通量分别为49.715.3 mol m-2 d-1 )。培养液(表1)保持的PH值为5.8,前20天导电率为0.50毫秒(幼苗溶液),之后试验期内导电率增加到1.50毫秒。营养液以14L/min 的流速被送到水培箱里。

生长箱产量研究

定义藜麦在高度受控环境中的生产潜力,最初的努力集中在一系列为测定光周期和辐照度反应而设计的试验上。三个生长箱(EGC Model M-12),几乎完全相同,每个大约有0.8平方米的生长区域,被改进来增加环境受控变量(environmental variables controlled),更好地保持生长环境条件。标准的C-3微处理器(标准EGC控制系统)被移除,换成了奥普图模拟和数字智能模板(Optomux analog and digital brain board /Opto 22),它提供和接收从运转Paragon 500控制软件(Intec Controls Corp.)的电脑输入/输出的信号。控制程序包允许对所有环境参数精密完全的电脑控制。

通过三个光周期处理(16128小时)同时在所有光周期内保持每日恒定光合光子通量(photosynthetic photon flux51.8 mol m-2 d-1 ,藜麦的光周期反应得到了量化。生长箱内的瞬间光合光子通量水平分别保持在800, 1200, and 1800 µmol m-2 s-1 在随后为量化藜麦辐照度反应而设计的试验中,光周期保持为8小时,辐照度为800, 1200, and 1800 µmol m-2 s-1。每日光合光子通量分别为25.9, 34.6 and 51.8 mol m-2 d-1

所有的生长箱研究中,相对湿度保持在80% (±0.1% RH),温度21°(±0.5°C),二氧化碳水平为1000 mmol mol-1 (±10 mmol mol-1) 根部区域环境由不断再循环的输出流量为14L/min的深水溶液组成。培养液(表1 PH值保持为5.8,前20天电导率保持在0.50Ms,之后在余下的试验中增加到1.50 mS

生长状况及产量评估

在温室试验和生长箱试验中,生长,发育和形态都随着时间的推移得到了表征。群落中的个体植物,每周测量一次其高度,分枝数量,节间长度和叶面积指数。同时测定了花芽发育的天数,开花天数,种子填充的持续天数和成熟天数。收获时,在测定种子,叶,茎和根的干质量和产量分析之前,植株在60°C 下烘干成统一重量。

营养价值分析

每一个分离的组织都进行了全部的工业分析,矿物成分和氨基酸结构测定:根,叶,茎和种子。脂肪酸组成,碳水化合物(糖类)组成,总淀粉含量,维生素C,维生素B1,维生素B2,维生素B3,维他命A,维生素E,β-胡萝卜素分析,这些只在种子和叶组织上进行。

结果与讨论

品种选择

CELSS的候选作物来说,能够满足包括小冠层,高收成指数和丰富的营养成分在内的这些标准,是很重要的。虽然受检验的大部分品种都对受控环境生产的高收成率和营养成分作出了积极的反应,但是很多品种长得非常高,有些高达2.5米。图1显示了受检验目录里四个品种的高度特性。受控环境箱的尺寸限制和最终的地外作物生产系统的尺寸制约强迫在品种选择中对体积/高度的考虑。在受检品种中,'Real' QL3在冠层高度,生物质划分和种子产量上,显示出了最大的发展前景(表2)。'Real'植株矮(60厘米),在短白昼条件下保持了相对种子产量。在短白昼条件下,QL3 冠层高度为相近的58厘米,但是在长白昼条件下,它也是最矮的。此外,与其它受评估的品种相比,在长白昼和短白昼条件下,QL3都表现出很少分支,始终有最高的种子产量和收成率。这里展现的QL3在受控环境生产中的性能,等同于或者超过了受控生态生保系统所挑选的作为主要候选作物的其它作物。冠层高度,产量,生物量积累速度,生命循环周期和收成指数,这些对于继续把藜麦作为CELSS作物考虑,全部都很适合。进一步界定其生产潜力也是有道理的。

 

种植密度

此前利用受控环境水培系统的作物生产研究 (Bubenheim 1991)表明,产量和收成指数的显著增长部分源于比田间平均种植密度更高的种植密度。在受控环境中,更高的度种植密度会增加光能截留量和产量。报告说藜麦的最佳田间种植密度大约为32/ 平方米(Johnson 1985)。从我们的单位面积产量,收成指数和生物量积累数据来看,很明显,大约140/平方米的种植密度对于水培受控环境生产是最佳的(无显示数据)。

光周期和辐照效应与冠层高度,生物量积累和分配,产量

QL3看起来对高辐照度(1800 µmol m-2 s-1)I和短白昼(8小时)的结合反应良好。保持每日51.8 mol d-1 的光子通量和增加光周期会导致冠层高度的增加。保持同样的光周期而改变瞬间通量导致相似的冠层高度反应。这个表明,保持藜麦矮小的植株,高种子产量和最大的收成指数的最佳光条件是短白昼和高瞬间光子通量。

生物量生产和分配也受到光周期和辐照度的影响(表3,表4)。长白昼(12小时,16小时)和低瞬间光子通量水平会促进生物量生产。然而,生物量分配会因光周期和辐照度环境的不同而产生很大差异。虽然茎叶产量(包括种子)和根产量都随着生物量积累的增加而提高了,但是在短光周期和高辐照度环境中,茎叶产量划分到种子产量的比例更大了。生长在短光周期的植物根冠比相对比较恒定。生长在长白昼条件下的植物根冠比小些。与其它处理相比,收成指数在8 小时光周期和1800 µmol m-2 s-1辐照度的条件下是最高的。对这个作物大部分的注意力都集中在了种子上,但叶子也可以成为食物和营养的额外来源是合乎情理的。如果可食用的叶子也算在收成指数里,那么收成指数就可以超过80%。需要检查交替收获技术,比如在营养生长阶段收叶子,以便测定这些技术对种子填充和产量和影响,假如有影响的话。

营养成分

生长在受控环境中的藜麦籽中蛋白质含量(20.9%)(表5)始终比从田间研究中得出的平均值高(16.5%)。种子蛋白质值的提高很可能归功于循环水培系统特有的养分有效性的提高和受控环境压力的减小。表5中的值已取值至零水分含量。由于缺乏一种特殊的氮:蛋白质兑换率,一个用来计算蛋白质含量的系数6.25。(一 份氮素相当于6.25份蛋白质,此数值(6.25)称为蛋白质系数)

种子和叶的油脂浓度与报告的田间数据一致。对于种子,油脂的64%是以多不饱和物形式存在,17% 形式为单一不饱和化合物,剩下的19%是饱和的。

受控环境生产的植物种子含灰量与田间数据中的含灰量一致(分别为5.5%6.4%),但是受控环境植物叶子含灰量比田间试验所观察到的要高(分别为24.7% 19.1%)。

种子中粗纤维含量和由Koziol (1992)提出的田间结果相当(分别为2.8% 3.3%)。生长在受控环境中的藜麦叶纤维含量(8.4%)比以前任何田间研究报告的纤维含量都低得多(13.7%)。造成水培藜麦叶纤维含量低的原因,现在还不得而知,但是有可能跟受控环境中压力的减小有关。

在受控环境中生长的藜麦糖浓度(种子78.5%; 52.8%) 比田间条件下的高(种子69.3%; 35.0%)(Koziol 1992)。种子中的糖质量不受受控环境生产的影响;大约47.5%的糖是以淀粉形式存在,与田间研究结果相似。

6从多个田间试验和在美国宇航局艾姆斯研究中心完成的受控环境研究中总结了藜麦氨基酸成分(Risi and Galwey 1984)CELSS最感兴趣的是高赖氨酸和含硫氨基酸(蛋氨酸和胱氨酸)浓度。当前,在长期太空旅行中要得到一份合适的,能满足人体需要的氨基酸配比,CELSS认为有必要把作物的营养价值结合起来,比如大豆和小麦。田间试验的氨基酸分析表明,藜麦是赖氨酸,蛋氨酸,胱氨酸和所有其它必需氨基酸很好的来源,它满足或超过了适当氨基酸营养的推荐量。在水培生产中,除含硫氨基酸之外,所有氨基酸浓度都保持相似或者有所增加。胱氨酸和蛋氨酸的相对减少可能是一些因素造成的,比如培养液中次佳硫含量或者是对可能抑制硫代谢分子形成的受控环境生产的一种反应。现在正在研究培养液的硫浓度和特殊的压力反应,以便更好地理解影响藜麦含硫氨基酸合成的因素。

藜麦矿物质价值很高,可能对长期人类太空旅行有益。报告的藜麦矿物质浓度似乎有显著的不同。这个可能是由土壤类型,地区矿物质成分和/或者施肥造成的。在受控环境中,为满足最佳植物生长或人体营养需求,营养组成可以很容易地改进和保持。为操纵藜麦组织中矿物质浓度,改变培养液也是有可能的。表7提供了水培藜麦和由Koziol (1992) Souci (1994)报告的田间种植的藜麦的对比。表8 比较了藜麦和其它主要谷物和叶类蔬菜作物的矿物质浓度。藜麦是钙,磷,铁,钠和钾很好的来源。培养液的改变直接影响了组织中的矿物质浓度。为执行太空任务的船组人员提供满足人体营养需求的合适的矿物质,这可能证明是很好的方法。

藜麦是维生素E很好的来源(10.04 mg/100 g),实质上维生素E含量比其它谷物要高;维生素B1含量充足(0.68 mg/100 g),与其它谷类作物浓度相似;烟酸(1.53 mg/100 g)含量比其它谷类作物的低,但是从生物学角度看,仍然大量存在。生长在受控环境中藜麦的很多维生素浓度,虽然没有在此展示,但是都在田间生长研究所展示的测试值基础上增加了。藜麦也许是太空旅行中人体营养所需求的一些维生素的很好的来源。

藜麦麸含有皂苷,是一种植物苷。皂苷是一组结构多样的自然产生的化合物,主要发现在植物中(Price et al. 1987)。这些皂苷透出一股苦味,在水溶液中容易起泡沫。Koziol (1992) 报告藜麦皂苷(干重)浓度,从0.01%-4.65%不等。直到最近,皂苷被认为是剧毒的。然而,对冷血动物是剧毒的,对哺乳类动物的口服毒性却是很低的。普通食物中的皂苷,包括藜麦,在人身上似乎没有明显的口服毒性(Oser 1966; Ishaaya et al. 1969; Phillips et al. 1979; Malinow 1982 and 1984; Oakenfull and Sidhu 1990)。在食品中天然存在的皂苷是无毒的,甚至可能对人类饮食有益。Ruales (1992) 显示藜麦蛋白质的可消化性比得上其它高品质食物蛋白质,其中皂苷没有对蛋白质品质产生负面影响。然而,由于皂苷可能透出一股苦味,藜麦籽用冷碱水清洗或者用机械磨,可以很容易地把皂苷从藜麦中分离出来。皂苷可用于生产肥皂,洗涤剂,洗发量,化妆品和药物(Johnson and Ward 1993)。用皂苷做出的用途广泛的产品可能对长期太空居住有益。

结论

对于长期太空探索,作为受控生态生保系统的一部分,藜麦无疑是这组要栽培的作物中的候选。与田间种植相比,藜麦对受控环境生产反应良好,种子产量大幅提高,保持了小冠层高度,提高了收成指数。藜麦生产率和当前其它的候选品种相似。此外,对于藜麦,最初引起大家兴趣的理想的营养成分,似乎在受控环境生产中被加强了。蛋白质价值提高,除半胱氨酸和蛋氨酸外,氨基酸相对比例满足或者超过了人体需求。矿物质浓度是个例外,但是它很有潜力,改变其浓度来满足人体营养饮食需要是很容易的。藜麦的高蛋白质水平,独特的氨基酸模式,各种维他命,矿物质和理想的生长和收益特点,让它成为受控生态生保系统应用的一个合适的候选。

参考文献

·             Bubenheim, D. 1991. Plants for water recycling, oxygen regeneration, and food production. Waste Management Res. 9:435-443.

·             Ishaaya, I., Y. Birk, A. Bondi, and Y. Tencer. 1969. Soyabean saponins IX. Studies of their effect on birds, mammals and cold blooded organisms. J. Sci. Food Agr. 20:433-436.

·             Johnson, D.L. and R. Croissant. 1985. Quinoa production in Colorado. Service In Action no.112. Colorado State Univ., Cooperative Extension, Fort Collins.

·             Johnson, D.L. and S. Ward. 1993. Quinoa. p. 222-227. In: J. Janick and J.E. Simon (eds.), New crops. Wiley, New York.

·             Koziol, M.J. 1992. Chemical composition and nutritional evaluation of quinoa. J. Food Comp. Anal. 5:35-68.

·             Malinow, M., W. McNulty, D. Houghton, S. Kessler, P. Stenzel, S. Goodnight, E. Bardana, J. Polatay, P. McLaughlin, and A. Livingston. 1982. Lack of toxicity of alfalfa saponins in monkeys. J. Med. Primatol. 11:106-118.

·             Malinow, M., P. McLaughlin, E. Bardana, S. Craig. 1984. Elimination of toxicity from diets containing alfalfa seeds. Food Cosmet. Toxicol. 22:583-587.

·             Oakenfull, D. and G. Sidhu. 1990. Could saponins be a useful treatment for hypercholesterolaemia? Eur. J. Clin. Nut. 44:79-88.

·             Oser, B. 1966. An evaluation of Yucca mohavensis as a source of food grade saponin. Food. Cosmet. Toxicol. 4:57-61.

·             Phillips, J. K., Butterworth, I. Gaunt, J. Evans, and P. Grasso. 1979. Long-term toxicity study of quillaja extract in mice. Food Cosmet. Toxicol. 17:23-27.

·             Risi, J. and N.W. Galwey. 1984. The Chenopodium grains of the Andes: Inca crops for modern agriculture. Adv. Appl. Biol. 10:145-217.

·             Ruales, J. and B.M. Nair. 1992. Nutritional quality of the protein in quinoa (Chenopodium quinoa Willd) seeds. Plant Foods Hum. Nutr. 42(1):1-12.

·             Schlick, G. and D.L. Bubenheim. 1993. Quinoa: An emerging "new" crop with potential for CELSS. NASA Tech. Paper #3422.

·             Scott, M.L. 1986. Nutrition of humans and selected animal species. Wiley, New York.

·             Souci, S.W., W. Fachmnn, and H. Kraut. 1994. Food composition and nutrition tables. CRC Press, Boca Raton, FL.

 

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