功能性彩色稻物质生产及其品质特点的研究

唐建鹏，谢成林，姚 义，张明伟，秦吉洋，闵思桂

（1扬州市农业技术推广站，江苏扬州 225000；2仪征市作物栽培技术推广站，江苏仪征 211400；3高邮市作物栽培技术指导站，江苏高邮 225600）

0 引言

稻米是中国65%以上、世界近一半人口的主粮，而近年来，随着社会经济飞跃式发展，人们生活水平的提高和消费观念的转变，具有营养保健的功能性稻米及其产品受到广大消费者的青睐，但市场上能买到的彩色稻米价格高昂而且种类较少，人民对功能性稻米的认识和了解有待提高，功能性稻米产量和种类急需扩大。功能性稻米是指含有比普通稻米较多或特殊活性物质的稻米，具有保健和辅助治疗的功效，可以满足不同消费群体的需求[1]，主要有彩色稻米、高赖氨酸稻米、低谷蛋白质稻米、富硒稻米、发芽糙米、巨胚稻米等几种[2]。彩色稻米是指糙米种皮带有红色、紫色、黑色等颜色的稻米，由于花青素在种皮内大量累积，而使糙米出现不同色泽[3]。前人对彩色稻的营养品质研究较多，功能性彩色稻米中除了含有人体生长、发育所必需的蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素、矿物质、水和纤维素等七大营养素外，还含有一些对人体生理功能有调节和平衡作用的特殊成分，如膳食纤维、黄酮、强心苷、甾醇、生物碱等特殊生理活性物质。彩色稻能够起到增强生理防御机制、预防特殊疾病、延缓衰老以及控制体力和精力状况等作用，具有食药兼用的功能[4-6]，可作为功能性稻米。

彩色稻在祖先野生稻中广泛存在，但由于易落粒、种子萌芽率低等缺陷，在驯化过程中逐渐被人们选择淘汰，后选育出了一些优良的彩色稻品种在中国云南、贵州、广西、广东等地有一定规模的种植[5]。前人对彩色稻研究主要侧重于彩色稻米的种质资源、矿物质元素、花色苷和生理活性物质等方面的研究，而对其农艺性状、物质生产等生长发育特征特性研究较少，普遍认为彩色稻的产量较低，品种之间农艺性状差异大[7-8]，谢戎等[9]研究表明有色稻与杂交稻的单株生物产量差异不显著，有色稻谷草比极显著低于杂交稻，每朵颖花容积和结实率极显著低于后者，有色稻光合产物分配和源库不协调，但缺乏对彩色稻物质生产特点的深入研究，不利于进一步提高彩色稻产量和扩大推广。

本研究针对不同颜色糙米的功能性彩色稻与普通常规粳稻对比进行物质生产特点的研究，从生育期、干物质积累和转运，以及光合作用能力等方面为切入点，拟解决功能性彩色稻物质生产与产量的关系，彩色稻米品质特点等关键问题，探讨与普通粳稻之间的差异，为进一步提高功能性彩色稻产量和稳产性，扩大推广功能性彩色稻提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试品种（系）

2016—2018年从中国水稻研究所、江苏里下河地区农业科学研究所和宿迁市农科院等单位引进了一批彩色稻品种（系），进行试验示范，筛选出‘武香2 号’、‘淮紫2号’、‘京紫粳4号’、‘京紫粳2号’、‘兴紫2号’、‘寒紫2号’、‘徐黑2号’和‘淮紫4号’等8个产量较高、抗性较好、品质优的功能性彩色稻品种（系），以扬州地区种植面积最大的优质食味常规稻‘南粳9108’为对照。彩色稻因没有审定命名，为了便于记载和观察，暂时命名为以上名称。

1.2 试验地点与方法

试验于2017 年在仪征市月塘镇和高邮市送桥镇进行，2018 年在仪征市月塘镇。2017 年高邮市送桥镇：5 月16 日播种，6 月15 日移栽；行株距为30 cm×14 cm，每穴4 苗，总施氮量为216.0 kg/hm2，基蘖肥:穗肥=6.6:3.4。2017、2018 年仪征市月塘镇：2017 年于5月15日播种，6月6日机插；2018年于5月23日播种，6月10—11日机插移栽；行株距设置为30 cm×14 cm，每穴3～4苗，总施氮量246 kg/hm2，基蘖肥:穗肥=7:3。

1.3 测定项目与方法

记载各品种（系）的生育进程，始穗期(10%)、齐穗期(80%)、成熟期，以及各个时期植株颜色。成熟期调查穴数和每穴穗数。成熟期取3穴考种，测量株高、穗长、穗总粒数、空粒数、千粒重。成熟期测实产，每品种（系）50穴，重复3次。稻谷剥壳出糙，观察糙米颜色。

2018年用LI-6400(licorn USA)光合仪和SPAD502叶绿素仪，于齐穗期（齐穗期）和灌浆期（齐穗后20天）测定水稻上三叶净光合速率及SPAD 值的变化，净光合速率每品种（系）5重复，SPAD值每品种（系）10个重复。

采用FOSS 全自动凯式定氮仪Kjltec8400 型测定含氮量，乘以大米蛋白质换算系数(5.95)得到蛋白质含量。大量元素和微量元素含量测定参照ICP测定方法。

2 结果与分析

2.1 功能性彩色稻生育期分析

年度间各试验点播种移栽时间有差异，导致全生育期不一，为统一数据，以2018 年仪征试验点数据为准，如表1。可以看出，各品种（系）都能在11月5日之前成熟。对照品种‘南粳9108’生育期最短，为157天，功能性彩色稻全生育期相对较长，比对照全生育期长2～11天，最长的为‘徐黑2号’，全生育期168天，‘武香2 号’、‘淮紫2 号’、‘淮紫4 号’和‘京紫粳4’号生育期相对较短，成熟期在11月前，生育期较适宜。

表1 功能性彩色稻生育进程和生育期

2.2 功能性彩色稻植株和稻米颜色分析

观察水稻各时期植株和稻米颜色，如表2，可以将其分为两类，一类是茎叶颜色与对照类似，以绿色、黄绿色等浅色为主，主要有‘武香2号’、‘淮紫2号’和‘京紫粳4号’；另一类是茎叶颜色比对照深，以紫绿、深绿等色为主，主要包括‘京紫粳2号’、‘兴紫2号’、‘寒紫2号’、‘徐黑2号’和‘淮紫4号’，这些深色的功能性彩色稻品种（系）全生育期茎叶颜色都呈现紫绿、深绿等较深的颜色，即使在成熟期仍是绿色，表明其彩色稻后期衰老较慢，这与前人研究一致[10]。比较同一品种（系）各个时期颜色变化，发现彩色稻茎叶颜色有逐渐变浅的趋势，如‘淮紫4号’，前期为紫色，到齐穗期、成熟期逐渐变为墨绿、绿色，颜色的变化与植株内花青素逐渐分解有关。观察稻壳、糙米颜色，功能性彩色稻品种（系）的稻壳、糙米大部分都呈现紫黑色、褐色等深色，与对照差异较大，这也是功能性彩色稻与常规稻最大的区别。

2.3 功能性彩色稻产量及其产量结构分析

调查2年3个点产量及其产量结构，如表3。常规稻‘南粳9108’产量最高，且显著高于其他彩色稻，彩色稻中只有‘淮紫2 号’产量较高，实产超过7.5 t/hm2，其余的均在6.0 t/hm2左右。分析其产量结构，‘武香2号’和‘淮紫2号’的有效穗数穗数高于对照，其他彩色稻均低于对照，表明彩色稻总体分蘖能力较弱。‘淮紫2 号’的每穗粒数稍高于对照，其他均低于对照，尤其‘武香2号’。彩色稻结实率较低，均在90%以下，大多数在79.40%和86.43%之间，相对‘南粳9108’低了5.80%到12.83%，差异显著。彩色稻结实率和千粒重相对较低是限制其产量的主要因素，这可能与彩色稻后期灌浆干物质积累或转移受阻有关。

表3 功能性彩色稻产量及其产量结构

2.4 功能性彩色稻叶绿素相对含量分析

叶绿体是进行光合作用的细胞器，叶绿体利用其叶绿素将光能转变为化学能，把CO2与水转变为糖，叶绿素含量是影响植物光合能力的重要因子之一，SPAD值与叶绿素含量极显著相关[11]。用SPAD-502 仪于齐穗期和灌浆期（齐穗后20 天）测定上三叶叶绿素相对含量，即SPAD值，如表4。‘武香2号’除齐穗期的倒三叶SPAD值显著低于对照，其余均高于对照；其他品种（系）齐穗期和灌浆期上三叶叶的SPAD 都高于对照。总得看来，功能性彩色稻各时期上三叶的SPAD 值高于对照，特别是‘京紫粳2号’、‘兴紫2号’和‘寒紫2号’等深色的彩色稻，这可能与其叶片颜色深浅有关[12]。但有研究表明彩色稻叶绿素含量高于常规稻[10]，这说明彩色稻叶绿素含量与常规稻无显著差异，这可能不是导致其产量低的主要原因，这需要进一步验证。

表4 功能性彩色稻不同时期叶绿素绿素相对含量

2.5 功能性彩色稻净光合速率分析

进一步分析其净光合速率，净光合速率是植物光合作用积累物质的速率，直接影响物质积累和产量形成。由表5 可以看出，彩色稻齐穗期和灌浆期上三叶净光合速率与对照‘南粳9108’存在差异。‘淮紫4 号’齐穗期和灌浆期上三叶净光合速率均低于对照，光合能力较弱。‘淮紫2号’灌浆期的倒二叶、倒三叶净光合速率显著低于对照，这与前人证明紫叶稻光合能力较弱一致[13]。‘京紫粳4 号’齐穗期上三叶净光合速率均低于对照，说明齐穗期光合能力较差。‘寒紫2 号’和‘徐黑2号’与对照净光合速率差异不显著。‘武香2号’齐穗期和灌浆期倒一叶的净光合速率均高于对照，‘京紫粳2 号’除灌浆期倒二叶低于对照，其他均高于对照。‘兴紫2号’除齐穗期倒三叶低于对照外，其他也都高于对照。由此可见，‘武香2号’、‘京紫粳2号’和‘兴紫2号’的光合能力较强。综上所述，彩色稻净光合速率比对照总体偏低，但差异不显著，齐穗期彩色稻净光合速率低于对照，灌浆期彩色稻倒二叶、倒三叶净光合速率偏低。

表5 功能性彩色稻不同时期上三叶净光合速率

2.6 功能性彩色稻干物质积累分析

于齐穗期、灌浆期和成熟期测定干物质重，如表6。比较各时期干物质积累发现，彩色稻，各时期干物质重均低于对照，尤其是成熟期显著低于对照，这表明彩色稻总体生长量不足，齐穗期干物质量低于常规稻‘南粳9108’，表明彩色稻前期生长偏慢。灌浆期干物质积累量与常规稻总体差异不明显，‘京紫粳2 号’、‘京紫粳4号’和‘兴紫2号’大于对照，而‘寒紫2号’和‘淮紫4 号’显著低于对照，不同品种表现不一。齐穗期到灌浆期干物质积累量，彩色稻显著高于常规稻，只要‘淮紫4 号’小于常规稻，说明彩色稻在灌浆前期干物质积累较多，这与净光合速率表现一致。比较成熟期干物质量发现，彩色稻均显著低于常规稻，这与产量结果一致，分析灌浆期到成熟期干物质积累量，彩色稻干物质积累显著低于对照。从收获指数来看，彩色稻也均低于对照。进一步分析不同时期茎叶干物质转运量（表7），可以看出，不管是齐穗期到灌浆期，还是灌浆期到成熟期，彩色稻茎叶干物质转运量均低于常规稻‘南粳9108’，彩色稻茎叶总转运量也均低于对照，这可能是彩色稻产量显著低于常规稻‘南粳9108’的主要原因。综上所述，彩色稻前期生长慢，后期转运不畅，总干物质积累少是影响其产量低的主要因素。

表6 功能性彩色稻不同生育阶段干物质积累

表7 功能性彩色稻齐穗期后茎叶干物质转运量

2.7 功能性彩色稻糙米的蛋白质和矿物质含量分析

测定糙米营养品质，从表8 可知，彩色稻米蛋白质含量和微量元素Fe、Cu、Mn、Se、Zn含量均显著高于常规稻‘南粳9108’，这一点验证了前人的观点[4]，。大量元素Ca、K 和P 含量与常规稻‘南粳9108’相比，有高有低，差异不显著，P含量稍低于‘南粳9108’。从不同彩色稻品种（系）来看，除‘淮紫2号和‘徐黑2号’的蛋白质含量低于对照外，其他均高于‘南粳9108’。‘兴紫2号’、‘寒紫2号’和‘淮紫4号’除大量元素外，其他所有营养物质均高于对照，营养丰富。所有彩色稻米的Fe、Mn、Zn含量均高于对照。‘寒紫2号’、‘武香2号’、‘淮紫2号’、‘兴紫2号’和‘淮紫4号’的Se含量均高于对照。除‘武香2 号’和‘淮紫2 号’外，其余彩色稻的Cu 含量均高于常规稻‘南粳9108’。‘淮紫2 号’和‘淮紫4号’好的Ca含量，‘寒紫2号’和‘淮紫4号’的K含量，以及‘淮紫4号’的P含量较高，其他彩色稻米的大量元素含量均低于或相当于常规稻。综上所述，彩色稻在微量元素Fe、Mn、Zn 含量表现突出，蛋白质、Cu、Se 含量显著高于常规稻，大量元素Ca、K、P 与常规稻持平。

表8 功能性彩色稻糙米营养品质

2.8 功能性彩色稻精米的蛋白质和矿物质含量分析

人们食用稻米通常是食用精米，在这进一步测定了精米的营养品质（表9）。彩色稻精米的蛋白质含量总体高于常规稻，其余大量元素Ca、K、P 和微量元素Fe、Cu、Mn、Se、Zn 含量均于对照差异不明显，表明彩色稻精米与常规稻精米矿质元素含量无明显差异，说明彩色稻矿质元素主要存在于糙米种皮和胚中。其中个别彩色稻精米的矿物质元素含量高于常规稻，‘京紫粳2号’、‘兴紫2号’的Fe含量，‘寒紫2号’、‘徐黑2号’和‘淮紫4 号’的Cu 含量，‘淮紫4 号’的Mn 含量，‘武香2号’、‘淮紫2号’和‘寒紫2号’的Se含量，‘京紫粳4号’的含Zn量均显著高于对照。综上所述，彩色稻精米蛋白质含量较高，矿物质元素含量与常规稻差异不显著，个别品种（系）的个别营养元素含量高于常规稻。

表9 功能性彩色稻精米营养品质

3 讨论

3.1 功能性彩色稻物质生产与产量关系

彩色稻属于特种水稻资源，大部分品种产量水平较低[14-16]，与常规稻差异明显，但可以通过调整栽培措施适当提高彩色稻产量[14]，所以研究彩色稻物质生产与产量的关系，探明彩色稻生理特性十分必要。从产量结构分析，结实率和千粒重较低是其产量偏低的主要原因，说明彩色稻“库源”关系不协调，与前人研究一致[7]。比较彩色稻与常规绿稻叶绿素相对含量，功能性彩色稻SPAD 值比对照‘南粳9108’相对较高，尤其是颜色较深的彩色稻，明显高于对照，彭长连[17]、余显权等[18]也研究表明，紫叶稻叶绿素含量高于或相当于常规绿稻，但史慧琴等[12]研究表明SPAD 值与叶片颜色深浅有关，并不能完全代表叶绿素含量，这需要进一步测定其叶绿素含量。在净光合速率方面，净光合速率与对照相比总体偏低，但差异不显著。‘淮紫4号’各时期各张叶片均低于对照，光合能力不足，‘京紫粳2号’和‘兴紫2号’的净光合速率稍高于对照，但差异不显著，而彭长连等[17]研究证明，紫叶稻剑叶的最大光合放氧速率比绿叶稻相高出28%，说明彩色稻的净光合速率与常规稻相比，有高有低，可能主要受品种特性影响。从叶绿素相对含量和净光合速率两个物质生产能力分析可以看出，彩色稻的物质生产能力与常规绿稻差异不明显，甚至有些品种（系）可能高于常规绿稻，说明彩色稻物质生产能力不是影响其产量低的原因。

水稻产量的高低取决于水稻干物质、生产量及其向籽粒转运分配的比例[19]，比较彩色稻和对照干物质积累发现，彩色稻在灌浆期之前，彩色稻干物质积累与对照差异不显著，特别是‘武香2号’、‘淮紫2号’等绿色植株的彩色稻与对照相差很小，但从灌浆期到成熟期干物质积累却明显低于常规绿稻（表6），但王玉娟[7]研究表明有色稻与常规稻的单株生物产量差异不显著，但常规粳稻平均值大于有色稻，可能是样本数多，导致差异不显著。进一步分析发现主要是彩色稻穗重较低（表7），这与其结实率和千粒重偏低一致，这也造成了彩色稻收获指数偏低（表6），这与前人研究是一致的。说明彩色稻后期物质积累少，光合产物的分配不协调，向产量器官中的分配量少，从茎叶转运量分析验证了这一结果（表7），抽穗期到灌浆期和灌浆期到成熟期，彩色稻茎叶转运量均显著低于常规稻，‘淮紫2 号’和‘京紫粳4 号’高于其他彩色稻的茎叶转运量，这与其产量较高一致，述说明彩色稻后期积累少，茎叶干物质转运不畅是影响其产量低的主要因素。了解彩色稻物质生产、干物质积累和转运特点，可以通过调整栽培措施适当提高彩色稻产量[20-21]，但主要还是由品种特性决定[21]。

3.2 功能性彩色稻米品质特点

本研究彩色稻糙米均为紫黑色或黑色，彩色稻糙米蛋白质和人体必需矿物质元素Fe、Cu、Mn、Se、Zn含量都显著高于常规稻‘南粳9108’，‘兴紫2号’和‘淮紫4 号’除大量元素，其他所有营养物质均高于对照，验证了前人的观点[22-23]，。特别需要指出的是，Fe对人体造血有重要作用，所有彩色稻的Fe 含量均高于常规稻，游月华总结前人研究结果表明紫黑米含有丰富的Fe 元素和较高的蛋白质含量[24]。Se 作为人体重要的抗癌物质，彩色稻‘武香2号’、‘淮紫2号’、‘兴紫2号’和‘淮紫2 号’的Se 含量均高于常规稻‘南粳9108’。郭咏梅等[4]研究证明有色稻米中Fe、Mn、Cu、Zn含量均显著高于普通稻米，而裘凌沧等[22]研究证明紫米和红米中的Cu含量低于正常白米。精米品质分析表明，精米营养品质蛋白质含量高于常规稻，而其他营养品质指标与常规稻差异不明显。比较糙米和精米营养品质发现，糙米Mn含量远高于精米，这与前人研究一致[25]，糙米在加工中，微量元素会发生严重的损失[26]。前人还证明，彩色稻米富含维生素B1、B2和一般稻米缺乏的维生素C、花色苷、胡萝卜素、黄酮、生物碱等生物活性物质，由于试验条件有限，这些物质还需我们进一步测定[27-28]。

3.3 功能性彩色稻开发和利用前景

发展功能性彩色稻米，通过优化主食结构，把吃饭与健身防病结合起来，强化人民健康饮食。但现在市面上彩色稻米售价偏高，而且由于缺乏宣传，销售有限，如何将彩色稻米普及大众，需要政府部门的推广，农业企业的配合，科研单位的技术，功能稻米知识的普及。

加强功能性彩色稻品种选育、推广和宣传。功能性彩色稻米的推广需要有好品种，虽然中国有丰富的彩色稻种质资源，各地都有育成的功能性彩色稻品种，如上海农科院育成的‘上农黑糯’、常熟农科所育成的‘矮血糯’，吉林选育的‘龙锦1号’，贵州的‘黑糯93’，浙江的‘舟山红米’、广东的‘软红米’，湖南的‘红米湘晚籼12 号’，江苏武进的‘香血糯335’等[29]各种品种。但综合性状优异的品种十分稀少，缺乏大面积推广应用的品种。

对彩色稻米进行深加工。人们习惯于消费精米，但糙米的营养价值远高于精米。稻米中64%以上的营养元素和生理活性物质集中在胚和种皮中[3]，在加工中被损失掉[24]。比较遗憾的是，由于口感不佳，消费者难以接受糙米。建议将彩色稻糙米进行深加工，比如彩色稻米酒、粥、米糊、烘烤制品、米粉、饮料、色素和药用产品等，加长产业链，增加消费群体，提高效益[30-31]。

4 结论

从叶绿素相对含量和净光合速率分析彩色稻的物质生产能力与常规稻差异不明显，而影响其产量低的主要原因是彩色稻后期干物质积累和转运量较少，导致其结实率和千粒重较低，“源不足”，“流不畅”，导致“库不满”。彩色稻米的蛋白质含量显著高于常规稻，因彩色稻种皮富含花色苷而呈现紫色或黑色等深颜色，糙米中矿物质元素Fe、Cu、Mn、Se、Zn 等人体必需的营养元素含量均显著高于常规稻‘南粳9108’，而精米中则差异不显著，说明彩色稻矿物质元素主要存于彩色稻种皮中，所以在发展功能性彩色稻米的过程中，应注意选育产量高、品质好的品种，加强彩色稻糙米深加工，延长产业链，提高附加值。