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氨基酸基于蛋白水解產(chǎn)物的生物刺激劑

2020.03.31

在過去的幾十年中，生物刺激劑在農(nóng)業(yè)上的應用取得子快速的發(fā)展，據(jù)預測，在未來的幾十年內(nèi)，生物刺激劑將依然保持兩位數(shù)的年均增長幅度。到2050年全球人口數(shù)量將增長到93億，這勢必要求在有限的可耕作土地上繼續(xù)提高糧食產(chǎn)量，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境和人類健康的影響。實現(xiàn)上述兩點需求是對科學家和種植者提出的一項重大的長期挑戰(zhàn)，這或許可以通過使用生物刺激劑等天然產(chǎn)品來實現(xiàn)。

目前使用的生物刺激劑大部分是基于天然生物材料的生化加工或提取的有機物和化合物的復雜混合物。這些混合物的復雜性通常被認為是生物刺激劑能發(fā)揮作用所必需的。同時，生物刺激劑的功效具有整體成分疊加的正效應，這是不能通過對其單獨成分或其組合的特性來完全闡明的。

生物刺激劑的最新定義之一，也同樣契合了上述觀點，其描述為“一種生物源配方產(chǎn)品，由于成分復合物的協(xié)同效應而提高植物的生產(chǎn)效率，而非某一種已知的植物營養(yǎng)成分植物生長調(diào)節(jié)劑或植物保護化臺物的單獨作用。”

1951年，F(xiàn)ilatov教授首次嘗試對生物刺激劑進行分類，在隨后的幾十年中，不同的學者對生物刺激劑的原料或者成分進行了不同的分類，上世紀90年代末，學者們開始意識到基于蛋白水解產(chǎn)物(包含多肽、寡肽和氨基酸)的產(chǎn)品屬于生物刺激劑。2007年，Kauffman等人正式將含氨基酸產(chǎn)品納入到《生物刺激劑分類建議》中。

蛋白水解產(chǎn)物是生產(chǎn)生物刺激劑的原料之一，其定義為“多肽、寡肽和氨基酸的混合物，由富含蛋白質(zhì)的原米腸函過部分水解制得?！钡鞍姿猱a(chǎn)物的原料主要包括動物(如皮革、內(nèi)臟、毛發(fā)和血粉)或植物(如蔬菜加工)的工業(yè)副產(chǎn)品，以及特定的豆科植物，通過化學水解(強酸或強堿)或酶水解方法加工制得。

目前，市場上超過90%的蛋白水解產(chǎn)物類生物刺激劑是基于動物源材料(例如歐洲、印度和中國通過皮革副產(chǎn)品生產(chǎn)的膠原蛋白;美國通過漁業(yè)副產(chǎn)品生產(chǎn)的魚蛋白)通過化學水解而成，而采用植物源材料進行酶解生產(chǎn)的產(chǎn)品較為少見，因為這種生產(chǎn)工藝直到最近才被引入生物刺激劑行業(yè)。

化學水解需要在高溫條件下，采用酸性或堿性的化學試劑進行水解。

酶水解使用特定的酶類，在低溫和pH接近中性的環(huán)境下進行水解。

混合水解涉及到以上兩種技術(shù)的連續(xù)使用。

很明顯，不同的水解方法會使水解產(chǎn)物具有不同的特性，這些水解產(chǎn)物是如何影響最終產(chǎn)品的組分和活性的?對于所有基于蛋白水解產(chǎn)物的生物刺激劑，“水解強度”和“水解方法”是影響產(chǎn)品的關(guān)鍵因素。如前所述，蛋白水解產(chǎn)物主要由多肽、寡肽和游離氨基酸組成，“肽”通過氨基酸脫水縮合形成若干個肽鍵從而組成一個肽鍵，長度或長(多肽)或短(寡肽)。不同分子大小的肽和氨基酸構(gòu)成了蛋白水解產(chǎn)物，其中的肽的分子量大小差異極大，從幾百道爾頓至幾千道爾頓。

只有小分子物質(zhì)可被植物組織直接吸收，因其能夠穿透植物細胞壁和細胞膜，從而直接或間接作用于植物代謝。因此，除了游離氨基酸外，只有小分子的肽(分子量小于5000D的氨基酸鏈)具有“生物刺激”的特性。

根據(jù)水解強度，非常徹底的水解作用的最終產(chǎn)物全部為游離氨基酸和寡肽，而較低的水解強度下水解產(chǎn)物中高分子量的多肽比例更高。

在采用不同的水解方式下化學水解以不規(guī)則和無序的方式打破肽鍵，這將使最終產(chǎn)物中的右旋氨基酸(D-氨基酸)的數(shù)量提升，該種構(gòu)型的氨基酸不易被作物吸收同化，甚至可造成植物毒性。相比之下，酶水解則利于產(chǎn)生左旋氨基酸（L-氨基酸)，這是天然存在的并可被植物吸收的氨基酸構(gòu)型，因此在植物體內(nèi)起效，且無毒副作用。

2015年，DuJardin提出應強調(diào)生物刺激劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最終影響的重要性，他建議“對生物刺激劑給出的任何定義，都應側(cè)重于生物刺激劑的農(nóng)藝功效，而不是其成分的性質(zhì)或作用機理?！?/span>

許多研究已經(jīng)證實了基于蛋白水解產(chǎn)物的生物刺激劑的多種農(nóng)藝功效，例如促進生長、提高產(chǎn),改善品質(zhì)、提高養(yǎng)分利用率，以及提升對環(huán)境和土壤肋迫的耐受性的好處。

對植物葉片和根系使用蛋白水解產(chǎn)物類生物刺激劑，己經(jīng)證實了能夠促進Fe和N的代謝，加強養(yǎng)分吸收，以及提升大量元素、微量元素和水分的利用率。這是因為，使用蛋白水解產(chǎn)物處理后:

（1）土壤微生物活性和土壤酶類物質(zhì)活性增強;

（2）改善微量元素的移動性和溶解性，特別是Fe,Zn,Mn和Cu;

（3）改善植物根系結(jié)構(gòu)，特別是根系長度、密度和側(cè)根數(shù)量;

（4）硝酸酸還原酶、谷氨酞胺合成酶和鐵((III)-鰲合還原酶的活性增強。

蛋白水解產(chǎn)物能夠調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的激素平衡，從而影響植物的生長發(fā)育，這是因為某些特定的肽或氨基酸是植物內(nèi)源激素生物合成的主要前體物質(zhì)(例如色氨酸是生長素合成的主要前體物質(zhì))。在一些植物體內(nèi)合成的幾種多肽，已經(jīng)被證實具有類激素作用，例如，已有多篇論文研究了植物源蛋白水解產(chǎn)物的使用可起到類生長素和類赤霉素的功效，并因此改善植物的生長狀態(tài)。

研究表明，蛋白水解產(chǎn)物不僅能夠促進植物的營養(yǎng)生長，還能夠通過促進多種化學物質(zhì)(例如類胡蘿L-素、類黃酮和多酚等)的合成來改善水果和蔬菜的品質(zhì)，并且可以降低體內(nèi)的某些有害物質(zhì)的含量，例如硝酸鹽。此外，蛋白水解產(chǎn)物也被證實可以避免或降低因不良土壤和環(huán)境脅迫造成的損失，這些脅迫因素包括高溫、干旱、土壤鹽堿化和營養(yǎng)缺乏等。

但是，蛋白水解產(chǎn)物類在較低用量情況下的功效最大化取決于作物/品種、環(huán)境條件、生理階段、使用時機和使用方式(葉面或根部使用)，以及葉片對產(chǎn)品的吸收利用情況。最后一個因素至關(guān)重要，因為這類生物刺激劑通常采用葉面處理，因此，有效成分能否被葉片有效吸收是其發(fā)揮功效的必要條件。

參考文獻

【1】Vittorio Volpicelli.氨基酸基于蛋白水解產(chǎn)物的生物刺激劑[J].特肥觀察.2019,冬季.

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