低カリウム化栽培の原理を説明していきましょう。植物の生長にはカリウムは不可欠な栄養素です。そのカリウムを減らす方法とはどのようなものでしょうか。

低カリウム化栽培を説明する前に、硝酸性窒素を低減した野菜の栽培方法を説明しましょう。基本的には、低硝酸性窒素化栽培も、低カリウム化栽培も同じ原理によるものです。

低硝酸性窒素化栽培の原理

硝酸性窒素は、発がん性があるかもしれないと言われ、軽減したほうがよいと言われています。しかし、硝酸性窒素も植物の生長には欠かせない栄養素です。硝酸性窒素がないと、植物は生長することができません。

では、どうやって硝酸性窒素を減らすのでしょうか？

収穫の１週間前に、硝酸性窒素の入っていない栽培養液に変更する。たったこれだけです。植物は、硝酸性窒素が外部から吸収できなくなるので、植物体内にある硝酸性窒素を使って光合成を行うようになります。そして、植物に吸収された硝酸性窒素は、光合成によって、アミノ酸に合成されていきます。

要するに、減らしたい成分を吸収できないようにして、植物体にある成分を薄めたり、他の成分への変換を促進することになります。硝酸性窒素は、外部からの供給を遮断して、光合成を促せば、少なくなっていきます。

低カリウム化栽培の原理

カリウムは、硝酸性窒素とは異なり、光合成でアミノ酸や他の物質に変換されることはありません。カリウムイオンとして、植物体内に残ります。

植物体内のカリウムを減らすということは、カリウムが外部から取り込めないようにして、カリウム濃度を薄めるということです。カリウムの総量は変わりませんが、濃度が薄まるということです。

植物の９５％は水分でできていますから、カリウム濃度を薄めるには、大量の水分を取り込むことです。大量の水分を取り込むためには、植物体が大きく育たなければなりません。

では、カリウムが含まれない養液で、植物は生長できるのでしょうか？　外部からのカリウムの供給が途絶えても、植物体内にはカリウムが残っています。植物は、体内にあるカリウムを、必要とする部位に移動することができます。この現象を、転流といいます。転流により、不足したカリウムを補いつつ、光合成を行い、生長を続けることができます。しかし、体内のカリウムも不足してきます。すると、植物は、緊急事態に対応する遺伝子を発現させます。

先ず、養液中に僅かに含まれるカリウムを極限まで吸い上げるようになります。この時に、カリウムとよく似た成分まで吸い上げてしまいます。カリウムと類似した大きさの成分には、ナトリウムやマグネシウムがあります。

ナトリウムの吸収

水道水には、消毒のために次亜塩素酸ナトリウムが入っています。このナトリウムを全て吸い上げようとします。養液中にナトリウムがたくさん入っていた場合には、ナトリウム濃度が高くなりすぎます。植物自体が塩味ぽっくなります。透析患者や高血圧症、糖尿病患者には、ナトリウムは少ないほうがよいので、植物が吸収するナトリウムの量は制限しなければなりません。

上のグラフは、養液のナトリウム濃度を変えて栽培したものです。マグネシウムが少なく、ナトリウムが多い場合には、植物体内のナトリウムも非常に多くなります。カリウムをなくすだけでも、ナトリウムの量が増えます。これは、水道水のナトリウムを積極的に取り込むからです。養液中にナトリウムがない場合には、生育不良となります。水道水に入っているナトリウムの量だけでは不足するからです。

ナトリウムは、通常の栽培養液には入っていません。通常栽培の玉レタスやグリーンウエーブでは、ナトリウムは殆ど検出されませんが、低カリウム化養液にナトリウムが入っていた場合には、ナトリウムが大量に含まれてしまいます。生育が悪くならず、ナトリウムも増えない程度に、養液にナトリウムを投入しなければなりません。

マグネシウムの吸収

養液中のナトリウムを全て吸い上げた後は、次に、大きさが同じくらいのマグネシウムを吸い上げようとします。マグネシウムは苦土とも呼ばれ、苦味やエグ味の原因ともまります。また、病状によっては、マグネシウムの摂取を制限したほうがいい患者もいます。植物が吸収するマグネシウムの量も制限しなければなりません。

上の図は、養液中のマグネシウム量を変化させた場合の、植物体中に含まれるマグネシウムの変化です。養液中のマグネシウム量に応じて、植物体中のマグネシウムも変化することが分かります。養液中のマグネシウム量も制限しなければなりません。

リンの吸収

マグネシウムの次は、リンやカルシウムを吸収しようとします。リンも少ないほうが好ましい患者が多いために、植物が吸収するリンの量も制限しなければなりません。しかし、リンは、植物体内では、ナトリウムやマグネシウムのように、急激には増加しない傾向にあります。

養液中のリンの量を変えても、植物体中のリンの量は、あまり、大きくは変化しません。しかし、養液中にリンが多いと、カルシウムの吸収を抑制するために、カルシウム不足になりがちになります。

カルシウムの吸収

カルシウムに関しては、日本人の食生活ではカルシウムが不足しがちと言われています。そのために、野菜からカルシウムを摂取できる方が好ましいでしょう。植物体内のカルシウムは、養液のカルシウム量を増やし、リンを少なくすることで高めることができます。

上の図で、養液中のカルシウム量が多い場合には、植物体中のカルシウムも多くなることが分かります。しかし、リンの量が多い場合には、植物体中のカルシウムは少なくなります。カルシウムは、牛乳並の100mg/100g以上に増やすことができます。

低カリウム化養液

このように、単にカリウムをなくした養液で栽培すればよいというものではなく、カリウムがないために引き起こされる植物の反応に即した成分配合の低カリウム化養液を使わなければなりません。

低カリウム化栽培キットの低カリウム化養液は、このように様々な成分の配合比率を変えて栽培して、もっとも生育がよく、また、植物体中のカリウムが低くなる配合に設定してあります。

低カリウム化栽培結果

低カリウム化栽培前後の成分の変化を図で示します。低カリウム化前には、341mg/100gのカリウム濃度が、低カリウム化後は、89mg/100gまで下がっています。73％もカリウムを低下させています。ナトリウムやリンの上昇は抑えられています。カルシウムはまだまだ増やせると思われます。

但し、カリウム量は、栽培品種や食べる場所によっても変化します。生育中の葉っぱの先端ほど、カリウム濃度は高くなり、茎に近いほどカリウム濃度は低下します。水分を多く含む部分ほど、カリウム濃度は低下します。

市販されている低カリウムレタスが、茎の部分が多いのはこのためでしょう。茎の部分には、葉緑素が少ないので、抗酸化物質も少なくなっています。

通常栽培レタスの成分比較

食品成分表に、通常栽培レタスの成分が掲載されています。レタスの品種や栽培方法によっても成分量は異なっています。土耕栽培の結球レタスがもっともカリウムが少ないようです。

低カリウム化栽培の原理が理解できたところで、次は、どのようにカリウムが減少するのかを説明いたします。

先ず、低カリウム化しない場合、植物体中のカリウムは直線的に増えていきます。そして、生長が止まる頃には、一定値に到達します。

低カリウム化栽培を開始すると、最初は、植物の重量が増える毎に、直線的にカリウム濃度が低下しますが、その後、カリウム濃度が減る速度が低下します。このグラフがなだらでないのは、各測定点で個別の植物個体を測定しているための個体差と考えられます。カリウム濃度の測定は、現在のところ、破壊試験しか方法がありません。非破壊試験で同一個体を連続測定すれば、なだらかなカーブが記録されるはずです。

低カリウム化過程の定式化

植物を栽培する養液を、カリウムを含むものから、カリウムを含まない低カリウム化養液に変えた場合、植物は、養液中からカリウムを取り込めなくなります。低カリウム化する前の植物全体に含まれるカリウム総量を[mg]、カリウム濃度を[mg/100g]、重量を[g]とします。養液からカリウムを取り込めなくても、光合成ができれば植物体の体積は増えていきます。植物体の95%は水分であり、水分は十分に取り込むことができるので、体積が増えた分、重量も増加します。収穫時の重量を[g]とすると、カリウム総量[mg]は、低カリウム化前と同じなのでカリウム濃度[mg/100g]は、自重が増えるに連れ[mg/100g]よりも少なくなります。ゆえに、低カリウム化後のカリウム濃度[mg/100g]は(3)式で表すことができます。



栽培開始時と収穫時の重量比がカリウム濃度減少率となる。これより、低カリウム化前の苗の重量とカリウム濃度が既知であれば、所定の重量になるまで栽培すれば、目的の低カリウム化が達成できます。
しかし、ここでは、カリウム総量が植物全体のカリウム総量のことであり、可食部以外の根部も含まれています。可食部だけのカリウム総量に注目すると、根部からのカリウムの転流が起こるために、低カリウム化の過程で上昇すると考えられます。植物の可食部のカリウム総量を[mg]、カリウム濃度を[mg/100g]、重量を[g]とします。水分は十分に取り込むことができるので、体積が増えた分、重量も増加するでしょう。不足したカリウムは根部から転流してくると思われます。根部から転流してくるカリウム量を[mg]、収穫時の可食部の重量を[g]とすると、可食部のカリウム総量[mg]は根部からの転流量分増加するでしょう。



根部からの転流があるので、カリウム濃度減少率は栽培開始時と収穫時の重量比よりも小さくなる。
根部の総カリウム量は可食部の総カリウム量に等しく、根部からの転流は可食部の重量増加に比例すると仮定すると、

となる。(6)式に（7)式を代入すると（8)式になる。

これより、低カリウム化前の苗の可食部の重量とカリウム濃度と根部からの転流が既知であれば、可食部が所定の重量になるまで栽培すれば、目的の低カリウム化が達成できる。ところが、収穫時の重量を[g]は容易に測定できるが、可食部の重量[g]は地上部を切断しなければ測定できない。一度、切断したら、さらに生育させることができなくなる。そこで、切断することなくを推定する。根部の重量は、根と苗カップとスポンジ培地、及び、スポンジ培地が含む養液で決まる。苗カップとスポンジ培地が含む養液の重量が支配的であるために、低カリウム化栽培前の根部重量とほとんど変わらないのでとすることができます。


(8)式より、収穫時の可食部の重量が推定可能になるでしょう。(8)式に(10)式を代入すると(11)式になります。

,,は事前に計測可能であるので既知の値にできる。なお、カリウム濃度や転流量は栽培品種によって異なるので、品種毎の測定が必要になります。

上の図の緑色が、11式を適用した結果です。黄色は、根部からの転流を無視した場合の結果です。根部からのカリウムの転流があることが分かります。

以上で、低カリウム化栽培中の植物の重量から、その時のカリウム濃度が推定できます。収穫して可食部を切り離して、8式で再度、カリウム値を推定すれば、より正確な結果が得られます。

低カリウム化後の可食部と根部のカリウム濃度の比較

小さな苗の可食部と根部のカリウム濃度の測定は、複数の個体の平均になるので、正確には測定できないが、可食部と根部のカリウム濃度は、ほぼ同じと考えられる。低カリウム化養液で栽培した後、可食部と根部のカリウム濃度を測定してみた。

可食部：根部＝２：１

つまり、根部のカリウムの５０％の濃度が可食部に移動したと考えられる。

一方、可食部よりも根部の総重量が小さいので、総カリウム量でみると根部の方が少なくなる。

15.5 : 1 の割合になる。しかし、根部は培地に入り込んでいるので、完全に取り出すことは難しく、正しい値とはいえない。

植物体のカリウム量の変化

植物体が保持するカリウムの総量は、種の時に持っているカリウム量から始まって、外部からのカリウムを吸収してカリウム量が増えていく。

十分なカリウム量に達してから、低カリウム化養液に切り替えると、外部からのカリウム供給が途絶えるので、植物体のカリウム総量は一定値のままになる。

可食部の生長に連れ、不足するカリウムは根部から転流してくるので、可食部のカリウム総量は増加し、根部のカリウム総量は減少していく。

植物体のカリウム濃度の変化

カリウム濃度で見てみると、低カリウム化養液に切り替えた後、植物の生長につれて、カリウム濃度が低下する。しかし、根部からのカリウムの転流がある分だけ、カリウム濃度の低下が少なくなる。

透析患者が摂取できるカリウム量

血清カリウム値が、7.5mEq/L以上になると心停止に至ると言われている。血清カリウム値の正常範囲は、3.5mEq/L〜5.5mEq/Lと言われている。正常な範囲にするには、１日のカリウム摂取量を1500mg以下にすべきと言われている。

１日のカリウム摂取量1500mgなら血清カリウム値 5mEq/Lになるすると、カリウムを300mgとるたびに、1mEq/Lの血清カリウム値が上昇するとして、2250mgのカリウムを摂取すると7.5mEq/Lになり、心停止のおそれがある。

カリウム濃度が300mg/100gの生野菜の場合、750gを摂取すると2250mgのカリウムを取ったことになる。生野菜だけで、750gも摂取するのは大変であろう。３食、生野菜を食べたとしても、毎食、250g食べなければならない。通常、そんなに生野菜ばかりを食べないだろう。

しかし、生野菜だけの食事をしている訳ではない。カリウムは生野菜だけでなく、肉や魚にも含まれている。やはり、生野菜に含まれるカリウムは少ないほうがよさそうである。

背景

目的

対象と実験方法

対象

順天堂大学医学部附属練馬病院人工腎臓センターに通院する維持透析患者６名。

実験方法