陳怡

發(fā)現(xiàn)抗性淀粉

1982年，英國科學(xué)家英格利斯特（Englyst）等人在進(jìn)行膳食纖維研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)不溶性膳食纖維中含有淀粉成分，并首先將這種淀粉定義為抗性淀粉。

與普通淀粉由α-1,4糖苷鍵鏈接而成、可分解為葡萄糖不同，纏繞成團(tuán)的抗性淀粉以直鏈淀粉分子自由卷曲相互靠近，通過分子間氫鍵形成雙螺旋，許多雙螺旋相互疊加形成許多微小的晶核，晶核不斷生長、成熟，成為更大的直鏈淀粉結(jié)晶。

直鏈淀粉結(jié)晶區(qū)阻止淀粉酶靠近淀粉結(jié)晶區(qū)域的α-1,4葡萄糖苷鍵，并阻止淀粉酶活性中心的結(jié)合部位與淀粉分子結(jié)合，從而使直鏈淀粉結(jié)晶具有抗淀粉酶消化的能力。

這種淀粉不能被小腸中的淀粉酶水解，不能在小腸中被消化吸收和提供葡萄糖，不引起血糖應(yīng)答，在人的胃腸道中可以與揮發(fā)性脂肪酸起發(fā)酵反應(yīng)。這種又被稱為“抗酶解淀粉”“難消化淀粉”的物質(zhì)，存在于馬鈴薯、香蕉、大米、玉米、小扁豆、白蕓豆、鷹嘴豆等部分天然食品中，特別是在高直鏈玉米淀粉中，抗性淀粉含量高達(dá)60%。

1992年，歐洲抗性淀粉協(xié)會(huì)（EURESTA）將抗性淀粉定義為“不被健康人體小腸吸收的淀粉及其分解物的總稱”。

而不被吸收有不被吸收的好處。人們每天攝入的營養(yǎng)素可分為6大類，包括使人體維持體溫、呼吸、心跳、胃腸蠕動(dòng)、腎臟泌尿等功能的蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等3種產(chǎn)熱（能）營養(yǎng)素和無機(jī)鹽、水、維生素等3種非產(chǎn)熱（能）營養(yǎng)素。其中，五谷雜糧等碳水化合物的消耗占每人每天供能的55%～65%。

我國傳統(tǒng)主食水稻的食用部分含有70%～80%的淀粉，但稻米中抗性淀粉的含量很低，熱米飯中一般低于1%，冷米飯中也僅占1%～2.1%，因而，米飯容易被消化吸收，糖尿病患者用餐后血糖迅速上升，體內(nèi)卻沒有足夠的胰島素應(yīng)對(duì)，容易引發(fā)高血糖。

這讓我國的糖尿病患者“望米興嘆”，以往使用糙米、燕麥、雜糧等來替代主食，是許多糖尿病患者不得不選擇的方式，但這些食物的口感、味道和稻米完全不同，更滿足不了亞洲人對(duì)稻米的“胃口依賴”。

在腸道中停留時(shí)間可達(dá)2～7個(gè)小時(shí)甚至更長的抗性淀粉既可提供飽腹感，又對(duì)大米中的普通淀粉有包埋作用，可以延緩糖的釋放和吸收，減少人體內(nèi)胰島素反應(yīng)，對(duì)非胰島素依賴型患者尤其適合，堪稱糖尿病患者的福音。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)，不同于膳食纖維被食用后由人體原樣排出，抗性淀粉能實(shí)現(xiàn)很多功能性轉(zhuǎn)化，有不少優(yōu)越的生理功能：它可以降低血清中的膽固醇和甘油三酸酯，有效降低血脂和預(yù)防脂肪肝的形成；由于體積大，吸水膨脹后能刺激腸道蠕動(dòng)，使排便變得容易，因此對(duì)防治便秘、窒息病，減輕刺激痔瘡癥狀，稀釋一些可能會(huì)刺激腫瘤細(xì)胞生長的有毒物質(zhì)具有重要作用；它還是腸道益生菌的食物來源，分解后成為乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸，可緩解腹瀉、消化不良等癥狀；抗性淀粉在結(jié)腸中的發(fā)酵則是阻止結(jié)腸癌發(fā)生的重要因素。

提高水稻中抗性淀粉含量

如何提高大米中的抗性淀粉含量，讓人們吃得更健康？分子生物學(xué)為21世紀(jì)的水稻遺傳改良提供了可能。

多年來，上海市農(nóng)科院作物育種栽培研究所水稻中心特種稻研究團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)健康主食方向，長期潛心在功能水稻育種和品種改良等研究領(lǐng)域探索，創(chuàng)新培育了適合不同亞健康人群食用的低谷蛋白水稻、高營養(yǎng)巨胚水稻以及有色水稻等一批功能水稻種質(zhì)資源，育成了數(shù)十個(gè)功能水稻新品系并推廣應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

特別是團(tuán)隊(duì)經(jīng)過20余年攻關(guān)研究，首次在國內(nèi)外通過正向遺傳學(xué)定位的方法，定位了控制抗性淀粉合成的基因sbe3-rs并獲得授權(quán)發(fā)明專利，建立了高抗性淀粉水稻品種選育的分子標(biāo)記輔助選擇育種體系，成功培育出了“降糖稻1號(hào)”（商品名為“優(yōu)糖米”）。相關(guān)科研項(xiàng)目“調(diào)節(jié)餐后血糖的水稻高抗性淀粉的基因發(fā)掘及新品種選育”獲得2017年度上海市技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

此前，2005年，浙江大學(xué)以我國主推雜交水稻恢復(fù)系R7954為起始材料，經(jīng)航天搭載誘變，篩選創(chuàng)造了富含抗性淀粉的突變體RS111，其抗性淀粉含量高達(dá)7.0%，采取優(yōu)化蒸煮方法，其熱米飯中抗性淀粉含量可達(dá)10%。

2006年，浙江大學(xué)通過輻照誘變?cè)缍i稻新品系201獲得高抗性淀粉早秈稻突變新品種“浙201”，其抗性淀粉含量為3.6%。

2011年，浙江大學(xué)以R7954為親本，與源于美國的高抗性淀粉含量粳稻突變體RS102雜交，育成了糖尿病患者專用的水稻品種“宜糖米1號(hào)”，其生米中抗性淀粉含量為0.68%，通過煮制，米飯中抗性淀粉含量高達(dá)10.17%，并被加工成產(chǎn)品第三代“宜糖米”進(jìn)行銷售。

云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院2008年從云南稻種及其初級(jí)核心種質(zhì)資源“新平早秈”群體中系統(tǒng)選育出高抗性淀粉秈稻“功米3號(hào)”，并用于商業(yè)開發(fā)，商品名為“適糖米”，該品種生米抗性淀粉含量為8.0%～8.5%，煮制的米飯抗性淀粉含量高達(dá)10%～13%。

上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院培育的“降糖稻1號(hào)”為國內(nèi)首個(gè)采用化學(xué)誘變和常規(guī)育種結(jié)合選育的高抗性淀粉含量粳稻品系。

據(jù)復(fù)旦大學(xué)附屬華東醫(yī)院對(duì)其進(jìn)行的血糖指數(shù)（GI）測試，普通白米飯的GI可達(dá)80以上，GI低于55的屬于低生糖食品，“降糖稻1號(hào)”的GI只有48.53。以“降糖稻1號(hào)”為供體，科研人員又成功選育了功能性和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)兼顧的新高抗性淀粉含量的水稻品種“優(yōu)糖稻2號(hào)”和“優(yōu)糖稻3號(hào)”等系列品種（系），其抗性淀粉含量經(jīng)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部稻米及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心檢測達(dá)15.2%，為普通水稻品種的20多倍。

用復(fù)旦大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院營養(yǎng)與食品衛(wèi)生教研室教授厲曙光的話說：“吃普通米飯，患者的胰腺受不了，分泌不出那么多胰島素，吃‘優(yōu)糖稻’對(duì)胰島就像一種安撫、撫摸，不需要它分泌那么多，胰島的壓力自然就降低了。”

靈感來自韓國實(shí)驗(yàn)室

對(duì)于“優(yōu)糖稻”品種的最初設(shè)想可以追溯至20世紀(jì)80年代，主人公是后來成為上海市農(nóng)科院作物育種栽培研究所的樸鐘澤研究員。

朝鮮族的樸鐘澤出生、成長于盛產(chǎn)水稻的吉林延邊農(nóng)村。20世紀(jì)80年代，在日本研修期間，他第一次記住了“功能水稻”這個(gè)名詞——原來水稻除了滿足口糧需要，還可以用來研發(fā)各種保健功能。

他琢磨，隨著人們生活水平的提高，飲食結(jié)構(gòu)已發(fā)生巨大變化，因膳食結(jié)構(gòu)不平衡和營養(yǎng)過剩而造成的糖尿病、肥胖癥、高血壓、高血脂、冠心病等“文明病”已成為危害我國人民健康的主要疾病，且呈逐年擴(kuò)大趨勢。而水稻作為三大糧食作物之一，稻米淀粉含量最高，是人類最重要的碳水化合物和能量來源之一。改良稻米中的營養(yǎng)成分，有利于降低人體對(duì)碳水化合物的吸收，從而可能降低“文明病”的發(fā)病率。

普通稻米和優(yōu)糖稻米對(duì)比

韓國首爾大學(xué)農(nóng)學(xué)系作物育種實(shí)驗(yàn)室是韓國農(nóng)業(yè)學(xué)界享有盛譽(yù)的一家作物育種實(shí)驗(yàn)室，在水稻誘變技術(shù)領(lǐng)域特別知名，樸鐘澤曾在那里研修化學(xué)誘變技術(shù)。

樸鐘澤在優(yōu)糖米產(chǎn)品上市發(fā)布會(huì)上

辛苦又危險(xiǎn)的化學(xué)誘變工作需科研工作者長時(shí)間彎著腰、踩在水田里，用肉眼在田間尋找外觀發(fā)生目標(biāo)突變的植株，并帶到室內(nèi)檢測，觀察其成分是否有變。等到收獲的季節(jié)，這些突變的植株種子都要收集起來，次年再種下去，看是不是還保有相關(guān)性狀。如此反復(fù)驗(yàn)證的過程，再加上中途各種研究訴求，從開始處理到發(fā)現(xiàn)想要的品種，往往需要四五年或更多的時(shí)間。整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期相當(dāng)漫長，研究者沒有足夠的熱愛和耐心，很難完成這樣清苦的堅(jiān)守。

育種生涯中，樸鐘澤有心在田間收集了1萬多個(gè)外觀發(fā)生突變的水稻植株，將籽粒一部分打成稻米，一部分留作種子，剝掉硬殼的稻米用于觀察籽粒的突變，種子用于后續(xù)種植、觀察。他獲得了500多份突變植株，并把它們分別裝進(jìn)種子袋，帶在身邊。當(dāng)時(shí)中國人的飲食健康觀念還遠(yuǎn)沒有像現(xiàn)在這樣科學(xué)、普及，后來進(jìn)入課題組的楊瑞芳說起自己的這位恩師，認(rèn)為他特別具有前瞻性。

回國后，樸鐘澤將突變的種子播進(jìn)實(shí)驗(yàn)田，經(jīng)過三四年時(shí)間，定型了幾個(gè)品種。條件差的時(shí)候，他身邊只有一名臨時(shí)工伴隨。2003年，在所里領(lǐng)導(dǎo)的支持下和別的水稻研究團(tuán)隊(duì)廢棄的實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上，他才建起一個(gè)實(shí)驗(yàn)室。但相關(guān)研究需要的測試、分析費(fèi)用都很昂貴，負(fù)責(zé)后勤的同事經(jīng)常打電話對(duì)他說：“樸博士，錢又不多了，你要想想辦法?。　彼陀炙奶幦ァ盎墶?。

經(jīng)過幾年的篩選、育種，在樸鐘澤培育出來的種子中，有四五種的膳食纖維含量高達(dá)5%～7%，而當(dāng)時(shí)一般功能性水稻中的膳食纖維含量，大概在0.5%～1%。由于當(dāng)時(shí)沒有更多的資金去做交叉驗(yàn)證，相關(guān)數(shù)字又遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了樸鐘澤自己的想象，這個(gè)驚人的檢測結(jié)果不了了之。

2006年底，樸鐘澤再次獲得上海市財(cái)政資助到韓國研修時(shí)，陰差陽錯(cuò)地沒有被安排去育種實(shí)驗(yàn)室，而到了品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室。有一天他發(fā)現(xiàn)同實(shí)驗(yàn)室的一位博士在做一種名叫“抗性淀粉”的物質(zhì)研究。這種淀粉較其他淀粉難降解，在體內(nèi)消化緩慢，吸收和進(jìn)入人體血液都較緩慢。

“如果能夠種出抗性淀粉含量高的水稻，糖尿病患者不就可以痛痛快快地吃飽米飯了嗎？”樸鐘澤興奮地想。

當(dāng)時(shí)，高抗性淀粉含量的水稻資源在國內(nèi)外都還鮮見報(bào)道，樸鐘澤卻已預(yù)感到在這個(gè)方向上的研究將會(huì)有大的進(jìn)展。

那次到韓國，他隨身帶了15種種子樣品，原本想測一下膳食纖維的含量，在實(shí)驗(yàn)室同行博士研究的啟發(fā)下，他馬上請(qǐng)博士幫忙改測種子的抗性淀粉含量。結(jié)果讓兩個(gè)人都大為吃驚，樸鐘澤更是欣喜若狂！

在這些種子中，有5種的抗性淀粉含量超過13%，最高的一種竟高達(dá)14.1%！而普通大米的抗性淀粉含量只有0.5%。

上天給樸鐘澤的這個(gè)驚喜，是近10年來他通過對(duì)幾十個(gè)品種的誘變處理，反復(fù)觀察和分析鑒定，最終在十幾萬個(gè)突變?nèi)后w中得到的高膳食纖維含量的遺傳穩(wěn)定突變體。

隨后，團(tuán)隊(duì)針對(duì)性地對(duì)高抗性淀粉水稻的外觀特性做了系統(tǒng)研究，并選取其他水稻品種雜交育種，確定了育種路線，育種效率大大提高。2009年，課題組的第一個(gè)“孩子”——“降糖稻1號(hào)”正式誕生。

尋找水稻抗性淀粉基因位置

遺憾的是，“降糖稻1號(hào)”產(chǎn)量較低，且熟期晚、不抗病、不抗倒伏、出糙率和出米率低，稻米口感差，吃起來比較硬。

又由于每畝稻米產(chǎn)量不足500斤，相應(yīng)的生產(chǎn)成本和銷售價(jià)都偏高，市場上以每千克上百元的超高價(jià)格銷售，嚴(yán)重影響了該品種的推廣。

此外，由于樸鐘澤最初使用的是化學(xué)誘變材料，發(fā)現(xiàn)屬于偶然，可重復(fù)性受到質(zhì)疑，專利也沒能獲得批復(fù)。

樸鐘澤陪同外賓專家參觀優(yōu)糖稻3號(hào)展示田

研究從光明跌入黑暗

傳統(tǒng)育種方法是通過表現(xiàn)型間接對(duì)基因型進(jìn)行選擇，這種選擇方法存在周期長、效率低等許多缺點(diǎn)，一直沒有取得突破性的進(jìn)展。分子標(biāo)記技術(shù)的出現(xiàn)，生物信息學(xué)的發(fā)展，為人們從分子水平上研究水稻性狀的基因定位提供了技術(shù)支撐，為人們利用分子標(biāo)記輔助選擇水稻品種提供了可能。

這個(gè)過程先要通過水稻雜交、自交，產(chǎn)生基因的分離和交換，再利用分子生物學(xué)技術(shù)，大致確定目標(biāo)基因范圍，并運(yùn)用現(xiàn)代科技手段，不斷縮小距離。將它確定在一個(gè)相當(dāng)小的范圍之內(nèi)，然后再比對(duì)基因庫信息，最終找到那個(gè)神秘的“達(dá)?芬奇密碼”。

白建江和從浙江大學(xué)水稻分子遺傳育種方向博士畢業(yè)的楊瑞芳等課題組成員的加入，推動(dòng)了研究的進(jìn)展，他們6月插秧、7月取樣、8月雜交，在實(shí)驗(yàn)室與稻田之間來回穿梭，將采集來的植株葉片在實(shí)驗(yàn)室磨好，提取DNA，做分子標(biāo)記，再根據(jù)分子標(biāo)記多態(tài)性和抗性淀粉含量表型做關(guān)聯(lián)分析……從海量的工作中一步步縮小目標(biāo)區(qū)段。

功夫不負(fù)有心人，他們發(fā)現(xiàn)了突變后使抗性淀粉含量升高的基因的具體位置！這一原創(chuàng)成果使未來的育種和檢驗(yàn)方便了很多。

課題組在2015年系統(tǒng)建立了“高抗性淀粉水稻品種選育的分子標(biāo)記輔助選擇育種和常規(guī)育種相結(jié)合的技術(shù)體系”，同時(shí)從全國收集優(yōu)質(zhì)、抗病、高產(chǎn)和抗倒伏的品種，一次次種植、篩選、淘汰，再種植、篩選、淘汰，循環(huán)往復(fù)地開展高抗性淀粉雜交改良水稻的培育嘗試。最終成功選育的功能性和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)兼顧的新高抗性淀粉含量水稻品種“優(yōu)糖稻2號(hào)”和“優(yōu)糖稻3號(hào)”中，抗性淀粉含量高達(dá)13%，是普通水稻品種的20多倍，且畝產(chǎn)都接近或超過了千斤，價(jià)格也比“降糖稻1號(hào)”降低了許多，更多的糖尿病患者得以從中受益。

據(jù)悉，高抗性淀粉粳稻新品種“優(yōu)糖稻”近期已進(jìn)入大規(guī)模育種階段，市農(nóng)科院牽手上海新成食品有限公司在上海浦東新區(qū)祝橋鎮(zhèn)建立了1 000畝“優(yōu)糖稻”種源基地，并將依托該基地，5年內(nèi)將種植規(guī)模擴(kuò)大到10萬畝。

“優(yōu)糖稻”有望走上百姓餐桌

為了讓“糖友”們吃上更好吃的“優(yōu)糖稻”，研究者還變身“大廚”，嘗試各種“燒飯”方式，包括與不同比例稻米混配后蒸煮、膨化、制作米粉及發(fā)酵等加工方式。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)篩選出的“優(yōu)糖稻”米粉、餅干、“麥稻米”等越來越多既不影響抗性淀粉含量，又可改善食用品的食用形態(tài)，有望為調(diào)整人們的膳食結(jié)構(gòu)，應(yīng)對(duì)不斷攀升的“文明病”做貢獻(xiàn)。

中國食品科技學(xué)會(huì)名譽(yù)副理事長潘迎捷表示，我國自主研發(fā)的膳食食品產(chǎn)業(yè)目前還是一片藍(lán)海，90%被國外壟斷。“優(yōu)糖稻”成果轉(zhuǎn)化開啟了產(chǎn)學(xué)研合作開發(fā)特殊膳食食品的先河。