美味穀物的科學

專文推薦 

在台灣學界致力於水稻基因研究，素有「水稻教母」之譽 ── 余淑美 女士 （ 中央研究院分子生物研究所 特聘研究員／教授／院士）

推薦序 

稻米是台灣、日本以及亞洲許多國家的主食，也是全球將近一半人口（約三十五億）每日獲取熱量的主要來源，更是全球農業貿易上，最重要的四種經濟作物之一（依產量，次序為玉米、稻米、小麥、黃豆）。
稻米的食用國家，百分之九十在亞洲，米食也成為這些國家，飲食文化與習俗的一部份。例如：農民曆所記載的二十四節氣，就是中國古代訂立，用來指導農事的曆法，詳載季節、氣候與溫度的變化，而這些變化與水稻種植息息相關。包括立春雨水、清明穀雨、立夏小滿、芒種夏至等，反應水稻從播種、插秧、生長、結實、到收成各時期的天候狀況。也因此，農村許多的節慶，均配合這些節氣而進行。例如：利用稻米做成各種米食點心，以祭拜神明與祖先、慶祝闔家團圓、歡迎親友、及辦喜事。包括春節的年糕與蘿蔔糕、清明節的草仔粿、端午節的粽子、宴客時的米酒、米粉、米糕、油飯、米苔目等。由此可見，稻米不只是中國人的主食，也深深融入傳統飲食文化中，其重要性不言可喻。
全球人口不斷增加，必須加緊糧食生產，但是極端氣候變化、經濟發展與工業化，卻使可耕地大幅銳減，導致糧食產量難以提升。基於稻米是重要糧食，如何提高其產量與生產效率？已成為亞洲各國政府極為重視的政策。為達到此目的，有必要研究如何提高水稻耐逆境能力與產量相關的基因，水稻基因體研究乃成為重要的課題。日本於1991年開始建立水稻基因體研究的各種遺傳與技術資源，使水稻成為穀類作物，及禾本科植物基因體研究的模式植物。一九九八年開始，日本又領導國際合作，進行水稻基因體核酸定序的浩大工程，終於二〇〇五年完成此一重大成就。而水稻基因體序列所包含的資訊，也成為其他基因體更大的重要作物—玉米、高梁、黃豆、小麥等進行基因體核酸定序的重要參考。這些資訊，對於各種作物利用育種提高產量、抗病蟲害與耐逆境能力、及改良米質等研究極具價值。由於日本學界與政府的遠見，開啟水稻基因體的研究，對全球糧食作物的育種，有無遠弗屆的影響，實在令人敬佩。
約一萬四千年前，中國長江及淮河流域，是現代水稻開始種植的起源地，而這些地區在八千年前，即有開始系統性耕作稻田的遺跡。台灣氣候高溫多濕，非常適合種植水稻，在五千年前，原住民也已開始種植野生水稻。十六世紀時，中國移民帶著印度型的長米（秈稻）到台灣，而日本人於一九八五年也帶著日本型的短米（稉稻）到台灣。經過二十五年的育種，稉稻（蓬萊米）成為台灣普遍種植的主要品系。今日，水稻仍是台灣栽種面積最廣的農作物。由於水稻對台灣的重要性，以及育種上與日本的淵源，中央研究院植物研究所（現已改名為植物暨微生物研究所）於一九九九年也加入日本所領導的國際水稻基因體核酸定序計劃，負責第五條染色體的核酸定序。與國際各國同時於二〇〇五年完成此一重大計劃，使中華民國國旗，能夠昂首懸掛於畫有參與水稻基因體核酸定序之各國國旗及十二條染色體的第五條染色體上。
水稻基因體定序完成，就好像把一本字典中的每個字母按照次序排好。但是接著需要瞭解超過四萬個水稻基因的功能，就好像需要把字典中每個字的意義加以註解，才能瞭解水稻基因體中每個基因的生物功能。因此，自二〇〇二年開始，本人領導超過五十人投入的龐大研究團隊，結合中央研究院、科技部、農委會農業試驗所、及國立中興大學的各項資源，歷經長達十三年的努力，於二〇一五年完成水稻突變種原庫及突變基因資料庫，成為全球研究水稻基因功能重要的資源，也豎立另一個與國際合作的里程碑。
中國悠久歷史深深影響日本，而日本近代文化又廣大影響台灣。中國、台灣與日本，在水稻育種、研究與文化上，有深厚的淵源、相同的耕種方式、類似的飲食習慣，交流從未間斷，甚至在面臨稻米食用人口日益下降，及國際貿易競爭上的問題也類似。井上博士的這本書，從稻米及其他穀類為主食開始，從科學角度來剖析育種栽培、型態構造、生理生化、生態環境、營養加工、及未來展望，有非常精闢的見解，深入淺出而易懂。
雖然這本「美味穀物的科學」的日文書於二〇一四年已出版，但是經過文筆洗鍊、用詞流暢的中文翻譯，連我這一生幾乎都在研究水稻的學者，也覺得獲益匪淺。這本書的內容，其實也是台灣稻米科學與文化的一面鏡子，無論是日文或中文，都非常值得兩國人民一讀。因此，我非常推薦大家也能閱讀這本書，將對我們的主要糧食有更深入的認識。除了感激大自然創造出這些特殊的植物，也對聰明的老祖先、辛勤耕作的農夫，與農業專家長期育種的豐碩成果，讓我們今日得以享受這些豐富美味營養的穀物，致上最深忱的敬意。

中央研究院分子生物研究所
特聘研究員／教授／院士
余淑美

台灣中文版序：台日兩國對稻作的貢獻

值此著作在台灣發行中文版之際，很榮幸能在此致上感謝之意。在各位協助本書出版的同仁努力下，很高興有機會將中文版呈獻給以中文為母語的台灣讀者以及其他中文書籍的讀者眼前。我要在此要向各位同仁致上深深的謝意。因為中文版的翻譯出版，讓我回想起一九九八年在台中農業改良場舉行的亞洲作物學會，對當時的情形內心充滿感激，同時農改場色彩豔麗的「稻田藝術節」活動也讓人回味無窮。
台灣與日本在穀物方面的聯繫非常密切。本書中也提到，日本的研究人員為了培育出適合台灣栽種的稻米品種，將台灣的品種與日本的良質米品種進行交配，培育出「台中六十五號」，並且在台灣普及開來。台灣也被稱做是神仙居住的島嶼，又名「蓬萊島」，因此在一九二六年將台灣生產的稻米命名為「蓬萊米」，成了地區特產美食品牌的先驅，對振興農業貢獻良多。目前台灣所栽培的稻米百分之九十以上都是蓬萊米的子孫。這類台灣版的「綠色革命」就是由眾多日本人與台灣人共同合力達成的。
還有一件很關鍵的事情是，在第二次世界大戰後，當時為了透過提升亞洲的稻作收穫量以解決糧食問題，新培育的稻米品種就是利用台灣本地的品種。而且，這項培育開發的工作是當時居住在台灣的日本研究人員。這項亞洲「綠色革命」利用的是帶有半矮性基因的台灣在來米品種「低腳烏尖」擔任IR種群的親種。當時，倘若台灣與日本的稻子基因群與研究人員未能相逢，恐怕就無法讓「美味穀物的科學」更上一層樓。
當今全球面臨地球暖化的嚴重問題，水田產生的溫室氣體也被列為是溫室氣體的肇因之一。在本書中，介紹了像IR品種群這類「多分蘗型」水稻品種，它們的根部活力十足，群落的光合作用極為旺盛，能提供土壤豐富的氧，並抑制水田釋出甲烷。從環保的觀點來看，台灣的基因資源以及農業技術，今後可望對亞洲的穀物科學做出更多貢獻。
在本書中雖然未提到，其實台灣有一種特有種的雜穀，名為「台灣油芒（ Eccoilopus formosanus Rendl.）」，這種雜穀是一種珍貴的作物，也是讓地區驕傲的作物。
最後，希望本書能激發台灣讀者們對各種穀物產生更多興趣，並且體會到多元思考的樂趣。

第1章 日本人與稻米
1-1為什麼日本人以稻米為主食？

加工性與保存性
「日本人經歷了什麼樣的過程，才發展出以白米為主食的習慣呢？」這個提問儘管簡單，但是越簡單的提問，答案往往越複雜。
米是水稻的果實，也稱作「穀粒」或「糙米」。今日本列島的大半居民，都是以去除了穎穀、經過精製的白米為主食。精製後的米粒經過炊煮（煮乾）即可供食用。日本人選來作為主食的稻米，是一種「黏性（粳性）」米。日本人為什麼以「粳稻」為主食？追溯歷史，背後存在各種原因。但是關於人類的飲食，除了複雜的歷史發展帶來的因果關係外，還有很大一塊難已單純從邏輯的角度來解釋。
我們在觀察飲食習慣時，還必須從「加工」的角度來思考。植物的結構大半屬纖維體，不過人類跟草食動物不同，腸胃無法消化植物的纖維體。人體仰賴的養分，是植物結構中可在體內輕易分解的澱粉等糖分。但在植物結構體當中，只有少部份的植物器官存在人體容易分解的糖，而且即使存在，所含的糖量也非常少。穀物的優點包括了含易分解性糖，穀粒小，外部有殼保護所以動物不易食用。我們的祖先在草原上蒐集這類帶有芒的稻類野草，取其果實，然後集中脫殼，取出其中可被人體消化的部份食用。從此以後，稻穀成為人類的食物，也是人類一項極為重要的發現。
光是仰賴收集糧食的方式無法為人類帶來安定的生活，為了生活，人類還須貯藏一些稻穀以備不時之須。從這個角度來看，觀察飲食習慣時，第二項須考慮的重點就是「保存性」。從保存的角度來看，穀物種子比含水量豐富的塊莖類水分更少，更有利於保存利用。而且可確定的是，早在人類開始從事農耕以前，就先行發展加工和貯藏穀物，歷史較農耕更為悠久。在全球各地的古代遺跡裡，可發現火堆中有殘留的種子存在，也有使用石頭磨碎種子的遺跡被挖掘出來。透過這些遺跡，可推斷人類先發展出稻米的加工方法與貯藏方法以後，才開始發展農耕。
動物會本能地以鼻頭或手腳去除食物中不易消化的部份，以方便食用，對稻米也一樣。人類從最早的原始加工、去除穀皮開始，後來發展到脫皮精白（去除穀物的表皮讓米變白），後來甚至還發展出製粉的技術。日本人的祖先除了利用野生的穀類外，也不斷引進其他地區發展出的各種農作物，以及它們的加工和保存方法。在這個發展過程中，人類祖先也從食用性與口味的角度挑選出各種穀物的材料。

「粳米（不黏性）」與「糯米（黏性）」
延續前述的觀點，我們在研究稻米的定位時，也從「加工性」與「保存性」的角度切入，整理了穀物的特徵。
穀物可以下列幾種區分方式分類：穎（穎殼的部份）或果皮（表皮等的組織，米糠的部份）的去除難易度、從胚乳中取出澱粉的難易度，也就是「精白的難易度」。另一方面，有些品種的穀物非常堅硬，果皮與米粒緊密黏在一起，果皮不易剝除。有些穀物即使剝掉果皮，煮熟以後穀粒依然十分堅硬。這類穀物就屬不易精白的穀類，食用時必須先碾成粉後才可供利用。
而且穀物還有「粳性」與「糯性」之分。「粳性」的稻穀黏性較低，屬「粳米」類的稻穀精白加工容易，同時不須經過製粉即可直接食用。這類穀物吸濕性低，保存容易。另外在小麥方面，雖然同為小麥，其間存在極大的差異。從質地軟到質地硬，種類繁多。所有的小麥不分種類都很難做精白處理，即使經過精白處理，小麥的芯十分堅硬，蒸煮以後也不會變軟，所以只能碾粉使用。碾粉時，須使用大型的臼或滾輪先將種子壓碎，然後再過篩。此外還有稗子，稗子的種子很小，而且果皮與種皮（種皮或外胚乳）緊密附著在一起無法剝離，因此不易精白，加工困難。蕎麥的果皮（蕎麥殼）雖然堅硬，但是內部的胚乳易碎，中心有胚，所以無法進行精白處理。具有「糯（黏）性」的穀物有稻子、高粱、玉米、小米（粟）、黍稷、薏苡、莧菜籽，它們的吸水速度快，容易變潮，因此容易發霉不利保存。這種特性是因為其中所含的澱粉結構造成，「糯性」之所以寫作「糯」也是這個緣故，其中緣由留待後面詳述。
「粳性」的優點是米粒堅硬保存容易，精白處理容易，不須額外再花力氣碾粉即可直接以穀粒的形態食用。正因如此，「粳米」的用途最為發達。
「粳性」的穀物經過炊煮就成為米飯。儘管生米粒不易吸水，但只要使用器具即可輕鬆炊煮。曾經有考古學家指出，「全世界最早發明土器，並且使用的民族是日本的繩文文化」。從這點來看，可見炊飯的普及，是拜器具製作的發達所賜。粳米通常以「煮」的方式烹調，相對地，糯米一般則採用「蒸」的方式。這樣的區別是因為糯米的吸水率比粳米高，所以蒸煮時所產生的「水氣」可補充原來米粒不足的水分，而且所用的器皿不須太堅硬即可蒸熟。
「糯性」穀物較「粳性」穀物容易被腸胃消化，快速的消化讓人體血糖值也隨之快速上升，為大腦創造一股幸福感。也因此，對人類而言「糯性」穀物屬上等食品。但是為什麼這樣的上等食品未能成為我們的日常主食呢？這當中與「糯性」的遺傳特性有很大的關連。「糯性」雖說是基因特性的結果，但這種基因特性卻是一種負面的基因特性，在自然狀態下不易自然出現。即使小心翼翼栽培，偶然突變出現了「糯性」的品種，這些品種只要與周遭的「粳性」品種一交配，下一代就幾乎見不到「糯性」的特質。而且糯米的米粒容易發霉，保存性較差。也因此，儘管「糯性」稻米屬上等食品，但基於在栽培上很難維持特性，而且存在保存性欠佳的缺點，糯米就很難成為日常的糧食。

精白米與「美感」
稻米去殼後所得的果實就是「糙米」。我們來看看糙米需要經過精白處理的理由。
稻米的色素也存在米糠中，除了「綠米」這種連胚乳內部都含綠色色素的特殊品種外，所有的米經過精白後都會變成白米。過去稻米的品種有各種顏色，只是發展到了最後以白米為主流。這當中的原因包括j經過精白的米較為柔軟美味，k純白的食品具有「稀少性」，越是稀少越容易受到重視。換言之，食味與美感是重要的因素。
包含日本在內，喜歡白色是一種文化所產生的現象。例如在開發中國家因為蔬菜供應的不足，導致因缺乏維他命A的夜盲症問題非常普遍。若要仰賴食物預防夜盲症，只需食用能製造維他命A、含有豐富黃色植物色素的玉米即可。但是在東非的許多國家，卻認為黃色玉米品種是飼料用玉米，拒絕食用。對人類而言，白色品種彷彿是種讓人無法妥協的界線
但是這類不帶紅色色素的穀物保存效果低，也不耐環境壓力，很容易喪失發芽能力。不僅如此，也缺乏維持人體健康所需的營養素。儘管如此，為什麼世界各地的人類仍然執著於白色的稻米、小麥以及玉米呢？原因之一應該是美感意識在作祟吧！

穀物如何適應環境推進進化？
到底日本人是怎麼選擇稻米作為主食呢？在回答這個問題以前，首先必須先了解穀物的狀況。
穀物的進化十分複雜，儘管稻米馴化成為人類栽培的農作物，但是馴化以後經過一萬年，稻米的性質並未出現太大的變化。例如，蕎麥栽種在「水田轉換田」中時，蕎麥很容易因為濕害導致農穫量大減。若將蕎麥年年栽種在「水田轉換田」的話，蕎麥是否就會因此進化成在濕地也能輕鬆栽培的品種呢？答案是否定的。即使長期持續在含水量少的乾地栽培水稻，也很難栽培出適合乾旱莽原用的乾季品種。
穀物進化的環境，決定了穀物的基因特質。從其他地區傳播到日本列島栽種了數千年的穀物品種，其基本的生理特質、生態特質只會出現少許的改變。植物耗費數千萬年適應環境所發展出的基因特性，強度遠超過為適應人類栽培環境所發展出的基因突變特性。
影響植物成長最大的環境因素是溫度和水分。在日本，夏季作物與冬季作物的栽培期完全相反，稻米適合在高溫多濕的夏季栽種，麥類則適合在低溫與略微潮濕的冬季栽種。稗子在低溫的夏季也能栽種，這一點與稻米很不同。高粱、玉米、黍稷、小米在高溫的乾燥地帶也能栽培，但不適合多濕的環境。適合栽種小麥與玉米的地區分佈極廣，這些地區也能栽種小麥玉米以外的其他作物。低溫水分低的環境最適合栽種蕎麥與裸麥。同樣是乾燥地區，大麥適合較高溫地區，最高溫、最乾燥地區則以珍珠粟為最適合栽種的穀類，例如西非薩吧納（Sabana）這樣的莽原地區尤其適合栽種珍珠粟。

穀物的兩大系統
這些穀物群的進化系統可分為兩大類。一類是適合高溫、乾燥環境植物的亞科所構成的群體，在系統分類學上稱作「PACCAD系統」。另一類為適應寒冷乾燥地區或高溫多濕地區的群體，稱作「BEP系統」。稻子與麥子都從BEP系統進化而來。稻科系統可分類為亞科，穀物對溫度與水環境的反應會因亞科的種類大不相同。
除了稗子外，所有的穀物都是透過歐亞大陸從世界各地傳到日本。日本列島的環境南北迥異，而且海拔高度變化多端，所以除了稻子外，各種環境提供了栽培各種作物的條件，當然農民也必須順應環境選擇作物栽種。缺乏水資源的乾燥地區，主要栽種的是黍亞科或硬質早熟禾亞科作物。但是高溫多濕的環境則只能栽種Ehrhartoideae（稻亞科）以及部份的黍亞科作物。日本的平原與盆地多雨而炎熱，而且河水經常暴漲氾濫，最適合這種土地特性栽種的就是水稻。日本人之所以選擇稻米栽培，正是因為水稻在進化過程中所發展出來的生理生態特性。
在日本的國土中，東北或北海道這些寒冷的地區並不適合栽種水稻，因此自繩文時代以來，就一直有在濕地裡栽種稗子，在乾燥地區栽種蕎麥的習慣。