从酿酒工业废弃物中获得的生物刺激素在温室番茄（Solanum lycopersicum Mill. cv. Mina）作物中的应用

《Cogent Food & Agriculture》：Application of biostimulants obtained from brewing industry waste in greenhouse tomato (Solanum lycopersicum Mill. cv. Mina) crop

　　

通过酶解生产的生物刺激素是极具农学价值的工具，因为它们提供了无机肥料的替代方案。研究人员研究了两种从酿酒工业副产物中获得的生物刺激素在温室番茄（Solanum lycopersicum Mill. cv. Mina）作物中的效果。除了用于蛋白质水解的枯草杆菌蛋白酶（subtilisin）外，其中一种生物刺激素还加入了酶混合物（enzymatic cocktail）以降解副产物中的β-葡聚糖（β-glucans）并将其转化为游离葡萄糖（free glucose）。两种生物刺激素在整个作物生长期内通过叶面（foliar）和根部（root）施用四次，剂量为2.5和5 g L^?1。在此期间，测量了株高、果实数量以及叶片中养分和光合色素（photosynthetic pigments）的含量。另一方面，在果实中测定了β-胡萝卜素（β-carotene）和番茄红素（lycopene）含量、赤道直径（equatorial diameter）以及平均鲜重和干重（fresh and dry weight）。最后，在基质中测定了脱氢酶活性（dehydrogenase activity）。结果表明，当不含β-葡聚糖的生物刺激素以较高剂量通过根部施用时，由于根系发育更好和基质中微生物活性更高，各项指标值更高。

**论文解读：基于酿酒工业废弃物的生物刺激素对温室番茄生长与品质的影响**

**研究背景与问题**
啤酒是全球消费最广泛的酒精饮料之一，其生产过程每年产生数百万吨副产物，包括啤酒糟、热凝固物和残留酵母。这些副产物富含有机质、碳水化合物、纤维、蛋白质、氨基酸、维生素、酚类化合物和矿物质，具有较高的资源化潜力。然而，目前这些副产物主要用于沼气生产、生物塑料、肥料、人类食品补充剂和蘑菇栽培基质，但利用量仍不足以显著减少其总量，亟需开发新的应用途径。同时，传统无机化肥的使用导致土壤和水体污染、肥力下降、侵蚀、酸化和盐渍化等问题。生物刺激素（biostimulants）作为化学肥料的替代品，可减轻这些负面效应，改善作物品质和产量，且对环境友好。近年来，基于蛋白质水解物（protein hydrolysate）的生物刺激素因能提高植物矿质营养、作物产量和品质而受到关注。酿酒工业副产物因其高蛋白和高β-葡聚糖（β-glucans）含量，成为开发此类生物刺激素的理想来源。研究人员假设，这些新生物刺激素能促进作物生长，改善植物矿质营养、产量和品质。

**研究内容与结论**
本研究旨在通过酶解工艺开发两种新型生物刺激素，并评估其在温室番茄（Solanum lycopersicum Mill. cv. Mina）作物上的效果。两种生物刺激素均通过酶解获得：第一种（A）仅使用枯草杆菌蛋白酶（subtilisin）水解蛋白质；第二种（B）在蛋白质水解前额外添加酶混合物（endo-β-gluconases和exo-β-gluconases）将β-葡聚糖降解为游离葡萄糖。两种生物刺激素分别通过叶面喷施和根部施用，剂量为2.5和5 g L^?1，在生长周期内施用四次。研究测量了株高、果实数量、叶片养分和光合色素、果实养分和品质指标（β-胡萝卜素、番茄红素、赤道直径、鲜重和干重）以及基质脱氢酶活性。结果表明，与对照相比，两种生物刺激素均显著提高了番茄生长、养分吸收、光合色素含量、果实产量和品质。其中，不含β-葡聚糖（即富含游离葡萄糖）的生物刺激素以5 g L^?1剂量根部施用效果最佳，归因于游离葡萄糖刺激了基质微生物活性，增强了有机质矿化，进而促进养分吸收。该研究首次将酿酒副产物通过酶解（含或不含β-葡聚糖降解）制备生物刺激素并应用于番茄生产，为未来在其他作物上的应用提供了基础。论文发表在《Cogent Food》。

**关键技术与方法**
研究人员采用pH-stat法（Adler-Nissen, 1979）在生物反应器中进行酶解。首先，对酿酒副产物（啤酒发酵废弃物）进行自溶（50°C，24小时，pH 5–6），以分解分子结构。随后，使用枯草杆菌蛋白酶（subtilisin，来自地衣芽孢杆菌 Bacillus licheniformis ATTC^? 21415）进行蛋白质水解（55°C，0.3%酶浓度，pH 9，180分钟）。对于生物刺激素B，在自溶阶段额外添加酶混合物（Ultraflo Max 1%和Vinotaste 1%）以降解β-葡聚糖。水解后离心（8000 g，4°C，30分钟），取上清液在80°C旋转蒸发浓缩，同时灭活酶。所有生物刺激素均来自同一批酿酒副产物，无特殊样本队列来源。

**研究结果**
**3.1 新型生物刺激素的制备**
酶解后，两种生物刺激素（A和B）的钾（K）含量显著高于原始副产物（p<0.05）。生物刺激素B因使用葡聚糖酶，产生了大量游离葡萄糖，而副产物和生物刺激素A中未检测到。蛋白质分子量分布方面，与副产物相比，生物刺激素A和B中大于1000 kDa的蛋白质分别降低26.6%和27.4%（p<0.05），而1000–300 Da和小于300 Da的蛋白质分别增加26.6%/27.4%和60.3%/60.9%（p<0.05）。

**3.2 番茄植株参数分析**
与对照（CF和CS）相比，两种生物刺激素均提高了番茄株高和单株果实数，且随剂量增加而增加，根部施用效果优于叶面喷施。例如，在95天时，根部施用生物刺激素B（5 g L^?1）比叶面施用使株高增加12.6–14.6%，果实数增加25.7–28.2%。叶片养分（N、P、K、S、Ca、Mg、Fe、Mn等）含量在生物刺激素处理下显著升高（p<0.05），其中生物刺激素B根部施用5 g L^?1处理（B2）最高。与叶面施用的最高值（B1）相比，B2处理使叶片N、K、S、Ca、Mg、Fe、Mn分别增加19.0%、13.3%、19.3%、18.2%、17.3%、25.5%、14.6%。光合色素（叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素）含量在生物刺激素处理下增加，且不含β-葡聚糖的生物刺激素效果更优，根部施用高于叶面。果实养分含量同样在生物刺激素处理下显著提高，B2处理（根部施用5 g L^?1）最高；与B1相比，果实中N、P、K、S、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu分别增加26.3%、12.2%、13.6%、23.1%、37.5%、12.3%、16.3%、16.5%、30.8%。果实中番茄红素和β-胡萝卜素含量在生物刺激素处理下增加，不含β-葡聚糖的生物刺激素效果更优，根部施用优于叶面；例如，B2比B1使番茄红素增加19.5%，β-胡萝卜素增加23.8%。果实赤道直径、鲜重和干重也在生物刺激素处理下增大，B2处理表现最佳。基质脱氢酶活性在根部施用生物刺激素后均升高，其中不含β-葡聚糖的生物刺激素5 g L^?1处理活性最高。PERMANOVA分析显示，生物刺激素类型（31.7%）、施用剂量（22.7%）和施用方式（27.0%）是主要解释变量，三者共同解释了81.3%的总变异。RDA分析表明，生物刺激素类型贡献39%的解释方差，施用剂量33.1%，施用方式27.9%。

**讨论与结论**
本研究表明，两种基于酿酒副产物的生物刺激素通过根部施用（5 g L^?1）显著改善了番茄的矿质营养、产量和品质。其中，不含β-葡聚糖（即富含游离葡萄糖）的生物刺激素效果更佳，因为游离葡萄糖刺激了基质微生物活性，促进了有机质矿化和养分吸收。此前未见有研究将此类副产物通过酶解（含或不含β-葡聚糖降解）制备生物刺激素并应用于作物。该研究为未来在其他作物上评估此类生物刺激素（包括不同施用方式、剂量、地点和环境条件）提供了起点。

**研究结论部分翻译**：
本研究结果表明，在番茄栽培中，以5 g L^?1的剂量根部施用两种从酿酒工业副产物中获得的生物刺激素，改善了植物的矿质营养，进而提高了果实产量和品质。当植物施用β-葡聚糖被酶解为碳水化合物（主要是葡萄糖）的生物刺激素时，这种改善更为显著。这是因为游离葡萄糖刺激了生长基质中的微生物活性，导致有机质矿化增加，从而促进养分吸收，最终实现上述植物改善。此外，本研究具有新颖性，因为此前未见有研究通过酶解从这类副产物中获取含或不含β-葡聚糖的生物刺激素。因此，这些生物刺激素在作物（本例中为番茄）生产中的农艺价值化也属首次。这些发现可为未来评估这类生物刺激素在其他作物上的反应（通过根部和叶面施用）以及确定最佳施用剂量、不同地点和环境条件提供起点。