【農業英文】我們的微量營養素去哪裡了?

隨著農業技術、品種開發的進展,人們應該吃得更飽足且更健康才對,但意外的是,並沒有?(圖片來源/Daniel Fazio on Unsplash)

文/鍾慧元

2004年12月,由德州大學奧斯汀分校化學與生化學系的唐諾‧戴維斯(Donald Davis)所率領的研究團隊,在《美國營養學院期刊》發表了一篇研究,他們研究了美國農業部在1950與1999年對43種蔬果營養成分的分析資料,發現過去半個世紀以來,蔬果中的蛋白質、鈣、磷、鐵、維生素B2(riboflavin, 又稱為核黃素)和維生素C都有「明確的下降」,但另外7種營養成分則無。至於下降的幅度,蛋白質是6%,核黃素則是38%。

此文一出,眾聲譁然。科學界與民眾都開始關切,我們的農產品到底發生了什麼事?

戴維斯在報告中指出,農業界追求各種能提高產量、抗蟲害、適應氣候變化的品系,希望作物長得更大更快,好應付暴漲的糧食需求,「但作物製造養分(營養素)或吸收養分的能力卻沒有跟上。」這可能就是農產品養分減少的原因。其他營養素如鎂(magnesium)、鋅(zinc)和維生素B6跟維生素E可能有都有減少,但1950年代並沒有真正對這幾項營養素進行分析。

其他研究也有類似的發現,蔬果中的鈣、鐵、維生素A、維生素C都下降了。還有一項研究說,我們現在要吃8顆柳橙,才能吃進我們祖父母那個年代一顆柳橙所含的維生素A含量。

綠色革命

原來,在二次世界大戰之後,全世界都面臨糧食短缺問題,許多第三世界國家還同時遭逢龐大的人口壓力。美國農業專家諾曼‧布勞格(Norman Ernest Borlaug)致力培育莖桿較短、能結出較多麥粒的矮種小麥品系,讓小麥產量大幅增加,再加上農業技術與農業機械的發展、合成肥料的普及等等,農作物產量大幅提高,從1961年到2014年,全球穀物的平均產量增加了175%,在這段期間,光是小麥的產量,就從平均每公頃1.1公噸上升到每公頃3.4公噸。

布勞格(左)1940年代起在墨西哥的田間實驗可謂「綠色革命」的起點,旁邊是他的工作伙伴。(圖片來源/CIMMYT Publications Repository

諾曼‧布勞格因為培育出這些高產量小麥,並在墨西哥、印度、巴基斯坦等地推廣這些新品系和現代化的農業生產技術,讓這幾個國家躍升為小麥生產大國,協助餵養了千萬人口。這一波農業進步就稱為「綠色革命」,布勞格也被譽為「綠色革命之父」,並在1970年獲得諾貝爾和平獎。

布勞格(右一)自1980年代中開始投入改善非洲農業的活動,圖為1990年他赴非洲訪問,在高梁田中合影。(圖片來源/CIMMYT Publications Repository

但是,為什麼某些作物的營養含量會下降呢?有人認為,集約式的耕作方式、廣泛使用人工殺蟲劑、化肥和其他化學物質,破壞了土壤的精細平衡,也影響了農產品的品質。另外像氣候變遷、水土保持不良使得雨水帶走了土壤中的微量元素,也被懷疑是原因之一。

但在英國,有一項已經進行了將近180年、針對使用不同肥料的冬小麥所進行的研究則顯示,事情不是只有這樣而已。

全世界進行最久的農藝研究

英國的羅森斯德研究中心(Rothamsted Research)是全世界經營最久的農業研究機構,是1843年由約翰‧班奈‧勞斯爵士(Sir John Bennet Lawes)和喬瑟夫‧亨利‧吉伯特爵士(Sir Joseph Henry Gilbert)在家鄉赫特福夏(Hertfordshire)所創立,當年他們在布羅巴克(Broadbalk)種下了第一批冬小麥,這項針對冬小麥的栽植研究也一直延續到今天。(編按:羅森斯德研究中心本部擁有廣達330公頃的農場,布羅巴克位於農場中的一區)

約翰‧班奈‧勞斯爵士是農業科學家,他研發的過磷酸鈣(Superphosphate,又稱「過石灰」)可說是現代化學肥料工業的起點。這對研究夥伴在布羅巴克年復一年地種下冬小麥,藉以比較各種組合的無機肥(氮、磷、鉀、鈉、鎂)與有機糞肥對冬小麥的影響。另外他們還栽種了控制組的冬小麥,從1843年開始,這組冬小麥就未曾施用過任何無機或有機肥。

目前任職於羅森斯德的土壤及植物科學教授史帝夫‧麥格拉斯(Steve McGrath)說,「布羅巴克是全世界歷史最悠久的連續農藝實驗之一,從1843年開始,就持續比較無機肥和有機肥對冬小麥的影響。特別是以不同方式栽種的小麥中鐵和鋅的含量。」他們的研究結果顯示:

「農作物的營養素含量降低,並不是因為土壤中缺乏微量營養素,關鍵在於生物的可利用性(bioavailable)、也就是植物可以吸收利用的形式,並沒有跟著集約的耕作方式一起改變。」

新型的穀物收穫量更大,營養成分卻可能相對稀釋

當布勞格培育出植株矮了20%,比較不容易倒伏、也比較容易以機械收割的小麥時,這些小麥因為不需要把能量用來長出更長的莖,便將能量灌注到麥穗上,每株小麥長出來的麥粒變多、麥粒的胚乳也變大了。胚乳是植物種子供應植物發芽成長的部分,富含澱粉型態的醣分(carbohydrates,過去慣稱碳水化合物),而澱粉就是麵粉的主要成分。

小麥田,收割機
在布勞格育種後,矮化、不易倒伏的小麥,能以機械方便收穫,是現代綠色革命的一大基石。(圖片來源/Darla Hueske on Unsplash

能產出更大量、也更大顆的穀物,在那個發展中國家人口迅速成長的年代,是非常重大的農業與經濟進展。但沒有人料到的是,每顆小麥的養分含量並未跟著穀粒的大小一起等比例增加。

麥格拉斯的解釋是:

“What we end up with is a scenario where, while the nutrients remain at the same level in a single wheat kernel, the starch is up two or three-fold. This means that once the wheat is processed into flour you get a dilution effect. The ratio of carbohydrates to nutrients is down.”

「我們落入的處境,就是雖然每顆麥粒的營養含量跟以前相同,但澱粉含量卻高達二到三倍。這表示小麥一旦磨成麵粉,就會發生稀釋效應。醣分和養分的比例就變低了。」

End up 是個動詞片語,表達的是「最後的狀況」、「最後的位置」,而 what we end up with,就是「我們最後的處境」。Scenario 是場景、可能發生的狀態、局面、或是設想的情境,像是聯合國跨政府氣候變遷小組推測未來氣候暖化情境,也是用 scenario 這個字。

At the same level:有相同含量、處於相同水準、程度(我自己不喜歡用「水平」一詞,因為水平還有平面的意思)。在這裡可以用含量或濃度來表示,比較不容易搞混。Kernel 指的是堅果的核或仁、玉米或穀物的顆粒,也是核心,single wheat kernel 就是指單一一顆的小麥粒。

同樣一顆麥粒能磨成更多麵粉,其他營養素卻相對沒有增加,這種現象也有可能出現在人類改良品種的其他作物上。(圖片來源/Immo Wegmann on Unsplash

Fold 本意是摺疊、對折,前面加上了 two 或 three等數字,則是「翻倍」的意思。Up to 是形容最高可到什麼程度。用在這邊就是指starch(澱粉)的含量可以高達兩到三倍。

Once, 可以是一次、曾經,也可以是一旦、當做了什麼什麼事情的時候。processed into flour 是加工處理成麵粉,dilution effect 是稀釋效應或稀釋效果。

The ratio of A(carbohydrates) to B(nutrients) 是「A和B的比例」,此處說的是醣分(carbohydrates)和其他營養素(nutrients)的比例。

你真的吃飽了嗎?

綠色革命解決了世界的飢餓問題,卻也間接導致了一種名為「隱性飢餓」的現象。也就是說,雖然你覺得吃飽喝足,事實上卻可能並未攝取到足夠的營養。

根據世界衛生組織的定義,所謂的「隱性飢餓」指的是維生素與礦物質(合稱為營養素)的長期攝取不足,也可以稱為「慢性維生素與礦物質不足」,常見的隱性飢餓包括缺乏礦物質鐵、鈣、鋅、鉀、鎂等微量元素與主要元素,還有維生素A、B、C、E等。

缺乏這些營養素,可能會影響到我們的智力、體力和免疫力。缺鐵可能導致血紅細胞減少,造成抵抗力和注意力降低。缺鋅可能會造成發育遲緩、創傷難癒等症狀。所以營養學家呼籲,除了均衡攝取各種蔬果食物以外,也可以適量補充各種微量營養素。

可幸的是人類對微量營養素的重要已經有更多認識,也嘗試在農業生產上改善,如國際稻米研究所(IRRI)已試驗培育種植微量營養素更多的稻米。(圖片來源/IRRI Photos BY-NC-SA 2.0

此外,俄勒岡健康與科學大學、國立自然醫學大學赫爾夫戈特研究所(Helfgott Research Institute, National University of Natural Medicine)的兒童和青少年精神科助理教授珍妮特‧強斯通(Jeanette Johnstone)博士,她在《美國兒童和青少年精神病學會雜誌》(Journal of the American Academy of Child and Adolescent Psychiatry, JAACAP)發表的論文也提出關於微量營養素的發現。

他們在俄勒岡州波特蘭市、俄亥俄州哥倫布市和加拿大的阿爾伯塔省等三個地方招募了135名沒有用藥的注意力不足過動症(ADHD)及情緒失調兒童和他們的雙親,進行了補充微量營養素、為期8周的三盲研究。參加者拿到的可能是微量營養素膠囊,也可能是安慰劑膠囊。父母、孩子和臨床的醫生都不知道膠囊是如何分配的。

而他們得到的結果顯示,與安慰劑組相比,服用微量營養素配方膠囊的ADHD與情緒障礙兒童,在臨床醫生的盲評(醫師並不知道受試孩童服用的是哪一種膠囊)中出現症狀改善的可能性是安慰劑組的3倍(54%:18%)。而他們服用的微量營養素膠囊,則包括了所有已知的微量維生素和礦物質。最令人興奮的是,這樣的治療方式可以避免現有的ADHD一線治療藥物在情緒、食慾和生長方面的副作用。所以微量元素對人類的影響,可能比我們以為的更為深切。

植物也需要微量元素

微量營養素不只對人類重要,對植物也非常重要。大家可能只知道植物需要氮、磷、鉀等三種主要元素,而不知道植物也需要如硼(B)、氯(Cl)、銅(Cu)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鉬(Mo)、鎳(Ni)、鋅(Zn)等微量元素。少了這些微量元素,就會影響植物的成長與開花結果。若是缺硼,會造成幼苗生長遲緩、生長點掛掉、葉片變形、葉片出現深褐色病斑等等。缺鐵則可能會影響葉綠素的生成,進而影響光合作用的效能、能量的轉移、還有氮的還原和固定和木質部的形成。

不同營養素的缺乏在植物身上也會有不同反應。(圖片來源/SOWEGROW

現在已有許多農業技術機構、植物園藝相關網站,會詳細列出植物缺乏這些微量元素時會出現的症狀,也提醒大家,微量元素其實是讓農作物高產的祕訣。了解施用的時機和缺乏各種微量元素時的症狀,能讓作物更健康,收成也更好。所以不要只記得施氮磷鉀肥,也要注意補充其它微量元素。例如AGRIVICROPNUTSSOWEGROW等等,甚至如新加坡國家公園局都公開過教學文章

專家對植物缺乏特定營養素的影響已有一定程度的了解,除了重視肥培管理,檢測土壤狀況也是改善的基礎。(圖片來源/CROPNUTS

美國賓州羅代爾研究所(Rodale Institute)的土壤科學家葛拉蒂絲‧辛那提(Gladis Zinati)的研究顯示,土壤中的真菌和微生物愈多,就愈能協助把養分分解成方便植物吸收的形式,栽植出的作物也就愈健康。而土壤中由真菌菌絲形成的菌根網路,可能就是協助植物吸收養分的祕密。這項研究正在等待同儕審閱,預計將於明年發表。

人類推動了農作物的改變,但最後影響到的也是食用這些農作物的我們自己。新一代的科學家發現,自然環境與各種生物之間擁有精細微妙的關係與平衡,或許我們更需要了解的,是作物與環境、其他生物和土壤之間的關係,並認清人類並不是能夠獨立存在於大自然之外的獨特物種,追求科技發展的同時,我們終究必須回頭探索大自然真正的樣貌。


延伸閱讀

參考資訊

【作者簡介】

鍾慧元/自由譯者、國家地理雜誌資深特約編輯,輔仁大學中文系、愛丁堡大學東亞學系碩士。大地無條件支持所有生命,而農業實為一切的基礎。希望能認識這塊土地上更多故事,也分享其他國家的故事。

編輯/陳大中