【一起來豆陣】黑暗時代的救星 豆子重返餐桌

【觀樹教育基金會】豆科的固氮作用

豆科的固氮作用

Submitted by Ryneh on Wed, 07/25/2012 - 09:57

豆科的植物具有「固氮」的能力。正確來說，是許多種豆科植物能夠與根瘤菌（Rhizobia）共生，將空氣中的氮固定下來，供給植物利用。這個特點使得豆科的作物成為從事友善環境耕作的農夫的一大幫手，在減少外來輸入的資源的時候，可以藉由種植豆科作物來補充田地中的養分。

氮是植物成長所需要的最重要元素之一，成長需要合成蛋白質時，就需要使用氮元素。在現代農業，氮磷鉀被稱為三要素；對農夫來說，一款肥料有沒有肥，也是用裡頭含氮量多少來計算；甚至農改場推廣合理化施肥，也是以每公頃土地需要施用多少氮素來計算。當然以有機的觀點來看，這種只注重氮素而忽略其他營養成分的觀念並不可取，但無可否認氮素對植物生長的重要性。

氮對植物這麼重要，而且空氣有78%是氮氣，供給量可謂不虞匱乏。但問題是，植物無法直接利用空氣中的氮。以化學的角度來說，組成氮分子（N2）的兩個氮原子，中間是以三鍵鍵結的，這麼強的鍵結並不容易打斷。（工業上以哈伯法來固氮，每固定1公噸的氮需要1.3公噸的石油。）因此植物要獲得氮素，一個是透過打雷時，因雷電的能量所合成的氮氧化物——這也是為什麼農夫會說夏天的雷雨「有肥」的原因。另一個方式，就是透過能夠「固氮」的細菌來獲得氮素。有許多種生物都能夠固氮(link is external)，但以與豆科植物共生的根瘤菌效率最高。

以下稍微詳細一點介紹根瘤菌及其共生固氮作用，如無註明，資料均出自中興大學楊秋忠老師土壤生物技術這門課的簡報檔，原始檔案如附檔。

在1990年代，每年全球固定下來的氮素總重2.30億公噸，其中工業固氮0.80億公噸、自發性固氮（如閃電、放射線等等）0.40億公噸，其餘將近半數的1.10億公噸，都是生物性固氮的成果。1從這個數字中也看得出來，生物性固氮對全球氮循環來說的重要性。（註：在楊老師的簡報中也有關於全球固氮的數字，但因為光看簡報不太清楚楊老師的1.75億公噸是指全球、還是生物性的。為避免誤植，故在此不採用楊老師的簡報中關於固氮的數字，而是另行上網搜尋。另外也查到資料說2008年全球氮肥生產量一億三千九百八十萬噸。2）

固氮菌有很多種，但可以大致分成三種類型：非共生固氮、協生固氮、共生固氮。非共生固氮如生長於水田中的固氮螺旋藻及某些光合細菌，簡單來說就是可以自己過得很好的固氮菌。協生固氮生存於植物根系附近，靠植物根系分泌之有機物生活並進行固氮作用，例如螺旋藻對禾本科植物就有協同性固氮作用，打個比方來說應該就像住在附近互通有無的鄰居吧。共生固氮則是更緊密的結合關係，比如說本文的重點豆科與根瘤菌的共生，根瘤菌已經住到豆科植物的身體裡去了，靠豆科植物提供的養分過活。相對於非共生固氮與協生固氮，共生固氮的固氮量高出非常多，但固氮菌對宿主的專一性也非常高。

	宿主專一性	固氮量 （每年每公頃的量）
共生固氮	高	100公斤以上
協生固氮	低	5公斤左右
非共生固氮	低	1公斤左右

豆科可以分為三個亞科：蝶形花亞科、蘇木亞科，及含羞草亞科。主要能夠結瘤的是蝶形花亞科和含羞草亞科。根瘤菌原本居住在土壤中，當接觸到豆科植物的根毛時，根毛會開始捲曲將根瘤菌包起來，根瘤菌就利用機會感染豆科植物。當根瘤菌進入根部皮層之後，就會增殖形成膨大的根瘤組織，讓根瘤菌住進去。而根瘤也成為專門的固氮區域，豆科植物將光合作用產生的養分分給根瘤菌，根瘤菌則提供空氣中固定下來的氮素養分作為回報。關於豆科植物與根瘤的共生作用，在楊老師的簡報檔中有包含了清楚的圖解介紹。

關於種植豆科植物可以肥沃土壤的敘述可能會讓人產生誤解。根瘤菌所固定的氮素都直接被豆科植物所吸收，只有少量會到土壤中。要讓土壤中的氮含量增加，必須等到豆科植物死亡並且分解之後。甚至，若是在豆科作物採收豆莢之後，留下根、莖、葉在田地中，這些部位的氮含量就比例上來說不見得比非豆科植物要高。3一般常說豆子富含植物性蛋白質，也就是說根瘤菌所固的氮大部分都跑到豆莢裡了。所以如果目的是要肥沃土壤，那應該在豆科植物結莢之前就把他作為綠肥掩埋。另外也有樸門的作法提到，乾脆就種植本土的豆科植物作覆蓋植物或間作吧。4不過台灣這方面的資料似乎不太多。

在根瘤之中，根瘤菌依靠固氮酶（nitrogenase）來進行固氮。但固氮酶的一個特點是，只要接觸到氧氣就會被破壞，因此豆豆和根瘤菌面臨一個問題：要怎麼取得空氣中的氮，同時避開空氣中的氧呢？他們靠一個複雜的系統來完成這個工作，其中的主角是豆血紅蛋白（leghemoglobin）。豆血紅蛋白與人體中的血紅素很像，可以與氧氣結合並且搬運走。豆血紅蛋白也是讓根瘤的內部呈現紅色或粉紅色的原因。因此，一般都說內部呈現紅色或粉紅色的根瘤才是真正在工作的根瘤。5固氮作用需要消耗大量的能源，豆血紅蛋白會把氧氣搬到細胞行呼吸作用產生能源的地方，同時也避免固氮酶遭到破壞，可謂一舉兩得。6有趣的是，豆科血紅素由原蛋白（apoprotein）和血基質（heme）組成，原蛋白由豆科植物產生，血基質則由細菌合成，只有當根瘤菌侵入豆科植物根部形成根瘤，兩種生物的共生關係建立之後，植物豆科血紅素的基因才會表現。7

相關資料：

• 影片：Rhizobium and Mycorrhizal Symbiosis(link is external)（菌根菌與根瘤菌的原理示意）
  用簡單的動畫呈現菌根菌與根瘤菌的共生原理，內容是英文的。
• 影片：Nitrogen Cycle.mov(link is external)（氮循環）
  用剪紙的方式呈現的氮循環動畫。英文。
• 照片：根瘤菌入侵豆科植物根毛的精美照片(link is external)
  拍得很漂亮的顯微鏡照片，但如果對生物學不瞭解的人可能看不懂吧。

• 1.Nitrogen Fixation(link is external)
• 2.《一座發燒小行星的未來飲食法》
• 3.Nitrogen Fixation by Legumes(link is external)
• 4.Nitrogen Fixing Bacteria - Rhizobia(link is external)
• 5.Inoculation of Forage and Grain Legumes(link is external)
• 6.豆科血紅素(Leghemoglobin)-下(link is external)
• 7.豆科血紅素(Leghemoglobin)-上

※資料來源：觀樹教育基金會  http://www.kskk.org.tw/food/node/87

豆知識

聯合國指定2016年為國際豆類年， 希望藉此活動來呼籲各國重視油料作物大豆、落花生以外，各類乾豆對人類營養、農作物生產與農村經濟的重要性。

我們翻譯了聯合國國際豆類年的資料，希望更多朋友了解豆類的優點喲~~

資料及圖片來源：

http://www.fao.org/…/info…/infographics-details/zh/c/382094/

國際豆類年談糧食多樣性

【里仁為美季刊】2016國際豆類年 一起來吃豆

營養價值高、遺傳多樣性、土壤保護、環保節能

2016國際豆類年 一起來吃豆

文/ 楊鎮宇  、  圖片提供/慈心有機農業發展基金會、Shutterstock

聯合國把2016年訂為「國際豆類年」，強調豆類對土壤、農業，以及人體營養的好處。多樣化的豆類作物，除了讓民眾攝取營養，兼具環保節能與經濟效益，也能在國內的雜糧復興運動中增加豆類作物種類。

豆類含有高蛋白質，被稱為「窮人的肉食」，而且種植特性為耐旱、有固氮作用，有助於土壤肥沃。不過近幾十年來，隨著人類飲食習慣改變、農耕作物趨向大量、單一化，許多豆類品種日漸消失，因此聯合國以豆類為年度主題，呼籲各國農業相關人士關注各類豆類！

「雖然台灣不是聯合國會員，但是這是對地球永續重要的議題，所以我覺得台灣也需要參與這個議題的討論跟行動。」慈心有機農業發展基金會執行長蘇慕容認為，豆類的蛋白質含量約20%～25%，是一般穀類蛋白質含量的兩倍，而且鼓勵種植多樣化的豆類，可以維持豆類基因，「認識、種植或吃豆類，這些行動本身就是好的價值。」

保護少量多樣化的乾豆種植

豆類指的是產生豆莢的豆科植物，在上千種豆科植物中，普遍栽培的豆類作物約20種，最主要為大豆與落花生。豆類作物可以分成，以豆類乾種子為食用部位的乾豆，像是紅豆、綠豆、米豆、樹豆、花豆、鷹嘴豆、扁豆等，以鮮果筴、鮮種子為食用部位的，例如皇帝豆、豌豆、菜豆、萊豆、長豇豆、鵲豆等，以及作為牧草或覆蓋作物的苜蓿、紫雲英、三葉草等。

今年的國際豆類年，是聯合國第5次以農作物為國際年主題，不過在國際豆類年的界定範圍上，聯合國認為大豆、落花生的產量非常大，鮮果筴、鮮種子的豆類不容易儲存，因此國際豆類年只以「乾豆」作為推廣對象，不納入黃豆與落花生。

台灣常見的豆類作物有黃豆、紅豆、綠豆、花豆、米豆、樹豆等，不過黃豆並不在國際豆類年的界定範圍內，蘇慕容解釋說，目前全球的黃豆產量非常大，不需特別維護，而且國外黃豆用途以飼料為主。此外，還有基因改造黃豆、大量使用除草劑等問題，「國際豆類年要保護的是，少量多樣化的豆類種植」。

台灣的豆類攝取以黃豆為主，市面上也有各式黃豆加工品，不過黃豆九成以上都是進口，同樣面臨基改黃豆、除草劑的問題。「台灣無基改推動聯盟」設立的國際豆類年網站便撰文強調，印度、土耳其等國家取食多樣化的豆類作物，不但能獲取豆類的營養，也能達到多元風味的飲食需求。因此在台灣推廣「國際豆類年」活動便具有雙重的目標，一是鼓勵國人多方攝取不同豆類食物，二是在國內的雜糧復興運動上增加豆類作物種植。

豆類適旱作　有助水資源維護

台灣早期其實栽種多種豆類作物，以1972年為例，紅豆、綠豆、花豆的種植面積各為5千、3千、5千公頃，此外，其他豆類種植面積共9千多公頃，代表很多農家種植各式乾豆。但如今台灣的豆類作物大多仰賴進口，根據農委會農糧署2015年統計數據，只有本土紅豆產量稍微提升至6,089公頃，而綠豆、花豆的種植面積各為3及129公頃，其他豆類種植面積加總才249公頃，大幅銳減。

蘇慕容解釋，這幾年台灣紅豆種植面積逐年攀升，以屏東地區為主要產地，但紅豆以外的豆類，像是綠豆、花豆、樹豆等作物，早期有不少農家種植，但是因為經濟與人力等考量，現在很少農家願意種了。不過他認為豆類是對環境很友善的作物，豆類可固氮，同一塊農地之後種植其他作物，能減少施用氮肥，降低農家種植成本。

此外，豆類屬旱作，適合在缺水區種植，有助於水資源維護。根據聯合國糧農組織分析，產出1公斤的豆類，平均要消耗50公升的水，而生產1公斤的雞肉，則需4,300公升的水，生產1公斤牛肉則需要13,000公升的水。

▲豆類屬旱作，適合在缺水區種植，有助於水資源維護。

▲在印度、土耳其等國家食用多樣化的豆類作物，兼顧營養及多元風味的飲食需求。

今年，慈心與其他民間團體將共同推廣「國際豆類年」活動，鼓勵料理界研發豆類創意料理，也邀請一般民眾、上班族用盆栽種植各式豆類。對農家而言，蘇慕容認為農家若種植各種豆類，不僅可銷售，也可自給自足，種更多自己可以食用的作物。對消費者來說，則建議「少吃肉，多吃豆」，可以嘗試不同豆類作物，例如鷹嘴豆、樹豆等。以實際行動響應活動，多吃豆類，好處多多，邀請您一同支持！

◎ 原文刊登於第42期里仁為美季刊p18~p19

◎原文連結：https://www.leezen.com.tw/article_organic.php?id=109

環境資訊中心：「豆」本非豆 你不知道的豆類小知識

國際豆類年與糧食安全

乾豆類作物的環境效益

國際豆類年：首推樹豆

乾豆類作物於農業生產的重要性

乾豆類作物與某些類型的細菌共生，如根瘤菌或者慢生根瘤菌屬等，能將大氣中的氮轉化成植物可利用的氮化合物，不但種子提供豐富的蛋白質來源，同時也增加土壤肥力。有些豆類品種還能釋放土壤中的結合態磷，讓其他或下一季作物來吸收。在農業生態系統中種植豆類有助於維持、提高土壤中微生物的數量與活性，滋養各種生物體，促進土壤的健康。

全球農地種植了約1.9 億公頃的豆類作物，估計製造了500-700 萬噸的氮給土壤，減少化學肥料的需求，有助於減少溫室氣體排放。
豆類是間作、輪作和複合農林系統的重要組成部分。這些作物生產系統的物種多樣性程度高於單一作物系統，不僅能更有效地用資源，即光照、水源和營養物質，還能因為增加收成、降低整體顆粒無收的風險而實現產量的提高。

將豆類加入輪作能降低土壤侵蝕和耗竭的風險。耐旱和深根系的品種，如樹豆，還能向間作種植的其他作物供應地下水。在輪作加入豆類就能利用共生微生物固氮，提高其他作物或後續作物產量。在混合種植飼料用豆類/草料時，氮可從豆類轉移至草料，提高牧草產量。在家畜飼料中添加豆類，豆類的高蛋白含量有助於提高飼料轉化率，同時減少反芻動物的甲烷排放量，降低溫室氣體的排放。

在全球逐漸暖化的將來，耐熱、耐旱、耐澇的作物品種愈顯重要。國際作物種原庫藏有各色各樣的不同物種與品種，遺傳多樣性廣泛，若能從中選育改良的品種，可培育更能適應氣候變化的乾豆品種。

由於全球糧食的需求不斷增加，因此飲食革新的要求正加步進行中。肉類、乳製品和魚類的價格日益昂貴，乾豆能夠提供豐富蛋白質，可以在維持均衡營養的前提下，取代各種肉類來源，減輕糧食需求的壓力。

由於豆類耐貯存，因此在消費環節因腐敗造成的浪費比例極低，地產地消乾豆是降低碳足跡、確保區域糧食安全的極佳選擇。

1.FAO (2016) Pulses and Biodiversity. Fact Sheet, FAO, Rome. http://www.fao.org/3/a-i5389e.pdf
2.FAO (2016) Pulses and Climate Change. Fact Sheet, FAO, Rome. http://www.fao.org/3/a-i5426e.pdf
3.FAO (2016) Pulses Contribute to Food Security. Fact Sheet, FAO, Rome. http://www.fao.org/3/a-i5387e.pdf

乾豆類種子的營養價值

乾豆類種子的蛋白質含量為禾穀類的2-3倍，是重要的蛋白質來源。

乾豆少油脂熱量很低，每100 克乾豆僅260-360 千卡，多纖維消化會比較慢，讓人具有飽足感，可增加排便量，更能夠結合腸道中的毒素和膽固醇，將這些物質帶出體內。

乾豆碳水化合物含量約50-65%，但分解較慢，因此升糖指數比禾穀類與薯類低，有益糖尿病患者。(罐頭乾豆製品的升糖指數會提高)。在含澱粉類較高的食物中，乾豆類的抗性澱粉含量較高。在胃與小腸中抗性澱粉不易分解吸收，保留到大腸中經過發酵作用產生有機酸(如丁酸)，創造腸內酸性環境，不但滋養大腸表皮細胞外面黏膜，加強其保護功能，更有利於益生菌的生長，降低大腸癌發生機率。

乾豆含有維生素A、B、E等，例如B 族維他命就含有硫胺素(B1)、核黃素(B2)、菸鹼酸(B3)、比哆醇(B6)、葉酸(B9)。葉酸有助於減少神經管(胎兒的中樞神經系統)缺陷，預防初產兒發生脊柱裂。乾豆雖然缺乏維他命C，但做成芽菜就可以產生。

乾豆含有各種微量元素，如硒、鐵等。鐵量通常較高，與其他食物的維他命C可相輔相成，預防貧血症，特別是孕婦。乾豆的鐵主要存在植酸中，不易利用，不過料理前進水、做成芽菜或發酵食品就可以釋出鐵以利吸收。

乾豆常含有豐富的抗氧化能力成分，有助於防癌。

乾豆與其他食物有加乘效果。例如禾穀類與乾豆類合吃，蛋白質中的20餘種胺基酸會有互補的作用，例如禾榖欠缺的離胺酸在豆類較多，而乾豆較少的甲硫胺酸與色胺酸在禾榖類則較多。乾豆灑些檸檬可以幫助吸收鐵質。

流行病學的研究顯示，以乾豆為食物，可以預防心臟病與一些癌症的發生。包括世界癌症研究基金會、加拿大癌症學會與美國癌症研究所都推薦乾豆類為食物以防癌。此外採用乾豆食譜部分替代肉品，也有助於降低肥胖症。

來源：

1.       FAO (2016) Nutritional Benefits of Pulses. Fact Sheet, FAO, Rome.  http://www.fao.org/3/a-i5388e.pdf

2.       A.N. Mudryj, N. Yu, and H.M. Aukema (2014) Nutritional and health benefits of pulses. Applied Physiology, Nutrition, and Metabolism 39: 1197-1204. http://www.nrcresearchpress.com/doi/abs/10.1139/apnm-2013-0557

3.       C.J. Rebello, F.L. Greenway and J.W. Finley (2014) A review of the nutritional value of legumes and their effects on obesity and its related co-morbidities. Obesity Reviews 15, 392–407.

4.       C.J. Rebello, F.L. Greenway and J.W. Finley (2014) Whole grains and pulses: A comparison of the nutritional and health benefits. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jf500932z