中国发展生物强化功能食品的机遇与挑战

一、“隐性饥饿”与“生物强化”世界范围内的绿色革命虽然促进了水稻、小麦、玉米和豆类等作物全面高产,提高了人类食物水平的数量,但这些增产幅度较大的农作物往往面临着营养品质下降的难题,表现最为突出的是这些高产作物本身矿物质元素含量降低,致使人们对矿物质元素尤其是微量元素铁、锌等营养成分摄入量大幅度下降,缺铁性贫血(IDA和缺锌引发的营养不良、生长发育迟缓、免疫力下降、智力低下和内分泌、心脑血管疾病等一系列与微量元素缺乏有关的病症日趋严重,尤其是在婴幼儿、妇女和老年人群中,此类病症已相当普遍。目前,全球约有30亿人不同程度存在微量元素缺乏问题,这个数字仍有上升趋势,其中有21.5亿人(占世界人口的40%缺铁,尤其是发展中国家的妇女和儿童缺铁问题尤为突出。目前,中国居民特别是贫困人群的微量营养元素缺乏状况也非常严重。以铁元素为例,缺铁是导致贫血的主要原因。据统计,全国居民平均贫血患病率为20.1%。其中,婴幼儿和老年人贫血患病率较高,分别为31.1%和29.1%;育龄期妇女贫血患病率达19.9%(朴建华等,2005。1998和2000年全国营养状况调查结果表明,中国儿童贫血患病率分别为16.8%和21.7%,其中2000年农村为26.7%,城市为12.3%。缺锌问题也很突出,大约有30%60%儿童缺锌(兰晓霞,2003。中国疾病预防控制中心陈春明教授指出,中国微量营养元素缺乏(尤其是铁、锌、维生素A等现状不容乐观,某些地方的缺铁性贫血高达20%以上,据此测算,中国由缺铁性贫血(IDA所导致的经济损失相当于国民生产总值(GDP的3.6%(成人占0.7%,儿童占2.9%。今后10年由于成年人缺铁性贫血造成的生产能力的下降而导致的经济损失将达到7020亿元,如果使缺铁性贫血患病率降低30%,其所产生的经济价值将达到1070亿元,净产值相当于2001年GDP的0.73%;如果儿童的缺铁性贫血状况得不到改善,所造成的损失将达21787亿元,相当于2001年GDP的2.9%。他还强调,食品的多样化并不能有效解决中国人的铁缺乏问题,提高食品中人体可吸收的营养元素含量才是目标,而不是食物中营养元素含量的总和,因此,在食品中进行补充或强化是必需的。虽然缺铁性贫血和边缘性缺锌中国发展生物强化功能食品的机遇与挑战*!何一哲1,2宁军芬1,2郭仲民2赵晖2摘要:人体缺乏铁、锌、维生素A等微量营养元素被称之为“隐性饥饿”,发展富含铁、锌、维生素A等微量营养成分的生物强化功能食品是替代化学强化的安全、有效而经济的途径。本文通过对国内外微量营养研究发展现状及其存在问题的具体分析,探讨了开展生物强化功能性作物品种培育及其相关功能性食品产业化发展的途径,并着重阐述了中国抢占生物强化功能食品先机已具备的优势和重要意义。*国家航天育种工程项目(2006HT10-0058;国家星火计划项目(2005EA;西北农林科技大学植物育种专项(06YZ00153-的防治已成为世界性的难题,但国内外防治此类疾病仍主要采用无机或有机化合物药品,即“化学强化”仍然是最主要、最普遍的应用手段,其有效性和毒副作用一直是人们担忧的焦点。随着现代医学、营养学对人体补充铁、锌等微量营养元素的深入研究和人类“回归自然”的追求日趋强烈,人类已经认识到只有通过食用富含生物铁、锌等微量元素的食物或生物药品,才是解决缺铁性贫血和边缘性缺锌问题的安全、有效的方法。而培育富含铁、锌等微量营养元素的特异质功能性粮食作物新品种,既是经济和易于推广的途径,也是解决人体缺铁少锌问题的最根本的途径(石荣丽等,2006。培育富含微量营养元素的功能性粮食作物新品种作为21世纪一项新的研究领域已经引起了国内外相关科研机构和专家学者的高度关注。国际农业研究协作组织(CGIAR、国际热带农业研究中心(CIAT与国际食物政策研究所(IFPRI已于2004年1月发起、组织了一项全球性的旨在通过育种手段提高现有农作物中微量营养元素含量的国际生物强化(HarvestPlus项目,并作为国际“挑战计划”的一个主要部分。同年5月该项计划亦开始在中国启动,中国生物强化项目(HarvestPlus-China,HP-C成为该项国际计划的组成部分。由于该项计划对发展中国家具有特别意义,特别是对解决贫困地区人群微量营养元素缺乏问题将更为经济而有效,中国著名农业生物工程专家、国家“973计划”专家顾问组成员、HarvestPlus项目中国负责人范云六院士在2007年2月26日光明日报上以“隐性饥饿与中国生物强化”一文予以重点推介,并认为此计划将为“提高当代及后代劳动大军的健康和生产效率以及社会主义和谐社会的建设作出贡献”。二、国内外微量营养研究发展现状分析1.国内外微量营养研究新进展IFPRI于20世纪末制定了“矿物质强化谷物研究开发计划”和“富含铁、锌等微量营养元素的谷物品种培育计划”,要求重点研究培育铁、锌及其他矿质微量元素含量显著高于普通谷物的特种谷物品种,并专门组织了12个国家的专家联手开展合作研究。IFPRI的研究员、国际HarvestPlus项目负责人Howarth Bouis指出,此类品种无论对富有还是贫穷国家的人们来说都是理想健康食品的来源,选育铁、锌等矿物质强化特种谷物的计划是解决营养发育不良问题最经济有效的途径。中国食品、营养和医学界对微量营养元素研究在20世纪上半叶开始有零星报道,但主要的、大规模的研究起始于20世纪7080年代,现已发展成为现代生命科学和现代医学的前沿学科之一;从20世纪90年代开始中国一些农作物遗传育种工作者开始进行富含铁、锌、硒、钙等微量和常量营养元素的特异质高营养作物新品种探索性育种工作,并在短期内取得了较大进展,引起了国内外广泛关注。如山西省农业科学院作物所孙善澄研究员育成的“黑小麦76”微量营养元素硒、铁等含量高于普通小麦2倍以上;河南漯河农科所育成的“漯珍1号”黑小麦其铁、钙等营养元素含量也比普通小麦高2倍以上;笔者育成的高铁锌小麦“秦黑1号”其微量营养元素铁、锌含量是普通小麦品种的19.2倍和4.1倍,被国内外有关学者誉之为“血麦”(一种能补铁、补血的小麦;最近也有研究小组报道找到了高铁含量的稻米。2004年1月,国际HarvestPlus项目进入实施阶段。该计划是CGIAR的一个全球性项目,由CIAT与IFPRI组织、发起和实施,其第一阶段的目标作物是水稻、小麦、玉米、木薯、甘薯和大豆等,目标元素是铁、锌、维生素A等(即六类作物三种元素;第二阶段将扩大到大麦、香蕉、高粱、花生、马铃薯等作物。旨在通过生物强化即通过传统育种和现代生物技术相结合等途径,培育富含微量营养素元素的优新作物品种,提供给低收入人群,供他们种植和食用,试图有效地解决广大发展中国家贫困人口的微量营养元素缺乏问题。中国生物强化项目于2004年5月开始启动,并成立了以中国农业科学院生物技术研究所范云六院士领导的、由包括袁隆平院士、李振声院士等中国著名农作物遗传育种专家、陈春明教授等营养专家和3位国际HarvestPlus项目专家组成的HP-C项目办公室。首期设立了8个资助课题,包含4种作物,分别是水稻(4个课题、玉米(2个课题、小麦(1个课题和甘薯(1个课题。希望通过35年的研究,初步解决中国一定地区、一定人群(低收入人群中营养缺乏问题(铁、锌、维生素A,并获得一些科学数据。项目组在云南、贵州和四川等贫困地区完成了目标人群的营养状况分析,筛选出了微量营养元素严重缺54 -乏的人群,为利用这些生物强化培育的新型作物进行人体营养实验奠定了基础。中国生物强化取得的进展得到了国内外专家的认可,中国生物强化项目将列入国际生物强化第二期(20082011的资助项目。2.国内外微量营养研究的不足之处分析(1富含微量营养元素的功能性作物品种研究工作起步晚、底子薄、基础差。国际上从20世纪末开始将解决问题的焦点瞄准了培育富含微量营养元素的粮食作物新品种的方向;中国虽然在微量元素与健康方面的研究已有20多年的历程,但多集中在食品、营养和医学领域,仅有个别农业科研育种单位于20世纪90年代初开展了富含微量营养元素的作物新品种培育研究工作。因此,可供参考的文献资料极少,急需对该项科研工作进行深入、系统的育种理论(基本概念与原理、育种目标、规范化育种程序、育种技术以及配套推广利用途径等基础研究工作。(2可供育种利用的富含微量营养元素的种质材料和遗传、基因资源稀缺。由于产量育种、常规品质育种长期以来成为国内外作物育种发展的主流,对富含微量营养成分的特异作物种质资源发掘、研究甚少,甚至逐渐丢失了一些稀特农家资源和地域性资源。一些稀特基因资源的丢失已无法挽回,我们现在能做到的也只能是对现存稀特遗传种质基因资源的尽可能搜集、保护、研究与利用(如笔者利用秦巴山区紫粒小麦孑遗种资源育成高铁锌小麦“秦黑1号”,进一步对紫粒、蓝粒和远缘杂交育种获得的白粒特异质小麦资源的育种利用研究,证实彩粒小麦是富含多种微量和常量营养元素的良好种质资源,以及在此基础上应用现代生物技术、生物工程手段创制新的特异质基因资源。这些育种研究的基础材料将比育种理论和育种技术的研究更为重要。(3传统的作物育种技术、方法与现代作物育种技术、方法在富含微量营养元素的功能性作物育种工作中如何正确、高效地应用尚需深入研究。与作物产量、品质相关的农艺性状往往在外观上具有可观测性,而微量营养成分因其量甚微在作物中具有外观上的不可观测性,加之与土壤等环境条件的相关性更为密切,即使借助仪器设备检测的难度也较大。因此,传统的作物育种技术、方法与现代作物育种技术、方法在富含微量营养元素的功能性作物育种工作中只有加以具体分析研究并改进后方能正确、高效地应用。(4对育成品种的区域试验设置方法、检测技术、方式、鉴定、审(认定指标、标准等以及品种推广应用途径等方面研究欠缺。作物中微量元素含量研究难度最大的就是如何准确地确认其微量元素含量水平,品种间微量元素含量的可比性尤为重要。因此,微量营养成分的测定方法应实现规范化、标准化,并与国际测定方法保持一致。因此,对品种区域试验和检测技术、审(认定标准、指标以及品种推广利用途径等进行深入、系统研究极为必要。(5对农学、食品、营养、医药等不同行业、专业、学科的交叉以及不同层次单位、人员的协作、联合方式等研究不足。富含微量营养元素的功能性作物育种工作是一项涉及农学、食品、营养、医药等行业、专业、学科交叉性极强的系统工程,这是该项目与产量育种、品质育种等常规育种工作最大的区别。因此,从研究工作启动之日起就应该建立起系统工程的思维方式。富含微量营养元素的功能性作物育种及其品种推广利用工作离不开营养学家、食品科学与食品工程学家、医药学专家等的大力协助,单一的或缺少这些学科某方面的知识只能导致该项目误入歧途。因此,有必要通过天然铁锌功能性食品研制、开发的实践对不同行业、专业、学科领域、不同层次(管理、科研、企业单位、人员的配合、协作方式、方法等进行系统完善的分析研究,从而为建立协调、配套的富含微量营养元素的功能性作物品种研究、推广种植以及功能性食品产业化开发利用的良性循环系统提供科学依据。三、发展生物强化功能性作物品种及其功能食品,中国已具备了可靠的工作基础(1陕西省洋县是富含微量营养元素的黑米品种原产地,在黑米栽培与产品开发、加工利用等方面已有多年的工作基础,并组建了相关的研究所和一些有影响的企业;广东省农业科学院、广西黑五类食品集团等也在黑米、黑芝麻等富含微量元素的黑色食品开发、生产、销售方面积累了许多宝贵的成功经验。通过创新富含微量元素的黑色食品产业化发展思路,拓展开发利用新途径,黑色食品产业在国内外仍然大有可为。(2陕西省紫阳县和湖北省恩施州是中国著名的两大富硒区,有“硒都”的美名。目前已成为国内著名品牌的“紫阳富硒茶”、“恩施富硒55-茶”等产品为富硒产业的发展展现了广阔的前景。妥善管理、安全、有效地利用好该自然富硒资源这个双刃剑(“富硒”而不“过硒”,或通过将育成的富铁、锌粮食作物新品种引入该区种植,转“自然硒”为“生物硒”,生产富铁锌硒功能食品等途径,亦将为中国微量营养食品、饮品产业的发展作出重要贡献。(3紫粒小麦、蓝粒小麦等彩粒小麦是小麦属、小麦种中的变种,长期以来人们多认为这些带色小麦难以被大众食用习惯接受,商品性差,对其研究、利用很少。但近年来中国一些科研工作者对彩粒小麦营养成分深入研究表明,彩粒小麦富含铁、锌、锰、铜、硒、碘等对人体有益的微量元素和钙、镁、磷、钾等常量营养元素,特别是在微量营养元素方面比普通小麦更为优越,是珍贵的微量营养元素新资源食物。中国著名小麦遗传育种学家李振声院士曾在陕西省从事了多年蓝粒小麦的遗传研究,不仅开创了蓝粒小麦的染色体工程研究新领域,还创制了一系列珍贵的蓝粒小麦新种质。赵秀英等曾对这些蓝粒小麦所含的微量营养成分进行了分析,证实其微量营养元素含量明显优于普通小麦。笔者在原中国科学院西北植物研究所植物遗传育种室、陕西省植物遗传工程育种重点实验室工作期间,于1993年开始了对紫粒小麦的遗传育种和开发利用研究,1995年开始了对蓝粒小麦的育种改良研究。目前已经育成了高铁锌食药兼用小麦“秦黑1号”(血麦、秦黑2号、秦黑3号、秦黑4号、秦黑5号等紫粒系列和小偃乌麦、植洛乌麦等蓝粒系列特异质高营养小麦新优品种10多个,各种类型的新品系300多个,并拥有了数千份引进和新创制的紫粒、蓝粒和白粒特异质小麦种质资源材料。这些紫粒小麦、蓝粒小麦等彩粒小麦将成为开发生产系列天然微量营养元素功能食品的独特原料,为安全、有效而经济地解决“隐性饥饿”难题作出贡献。四、发展生物强化功能性作物品种及其功能食品,将有力促进中国建设小康社会的进程1.发展生物强化功能性作物品种及其功能食品,将成为21世纪农作物育种和食品科学发展的主流方向之一笔者在20世纪90年代初开展富铁锌特异质小麦营养育种工作时即认为,“营养育种”将是继“产量育种”、“品质育种”之后21世纪作物育种发展的又一个主流方向,将成为作物育种发展的第三个标志性阶段或“里程碑”。鉴于人类对微量营养素缺乏现状严重性认识的很快提高和国内外相关研发计划的启动、实施,现在应该确切地说“作物营养功能育种”将成为21世纪作物育种发展的第三个“里程碑”,成为作物育种的又一主流方向,也将发展成为作物学领域的一门二级学科。通过相关项目在中国的首先设立和实施,也将为“作物营养功能育种”学科的创立起到抛砖引玉的作用。2.发展生物强化功能性作物品种及其功能食品,中国具有得天独厚的客观条件由于历史和地域等原因,中国微