甜高粱莖稈糖分及發(fā)酵制取乙醇研究進(jìn)展

侯 昊，李勇進(jìn)，王學(xué)華

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙410128)

能源一直都是社會發(fā)展的動力。隨著近年來能源危機(jī)、環(huán)境惡化等問題的出現(xiàn)，找到安全、可靠的能源供應(yīng)以及對能源進(jìn)行清潔、高效利用是各個國家都在探索的重要問題[1]。包括生物能源在內(nèi)的各種新型能源的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，已成為世界各國的研究重點。

甜高粱是禾本科高粱屬一年生草本植物，因其不僅能產(chǎn)出高粱籽粒，莖稈中還富含糖分而得名。甜高粱是C4植物，植株可高達(dá)3 m以上，其生物產(chǎn)量能達(dá)到63～82.5 t/hm2[2]。作為目前極具優(yōu)勢的能源作物，甜高粱吸引了世界各國科學(xué)家的目光。它莖稈中的糖分可以通過發(fā)酵迅速轉(zhuǎn)化為清潔安全的燃料乙醇，非常符合我國提出的發(fā)展生物能源產(chǎn)業(yè)“不得占用耕地，不得消耗糧食，不得破壞生態(tài)環(huán)境”的方針和“堅持以人為本，堅持保護(hù)生態(tài)和環(huán)境，堅持科學(xué)利用，堅持可持續(xù)發(fā)展”原則。因此，加強(qiáng)甜高粱轉(zhuǎn)化燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的開發(fā)與研究，能有效緩解目前我國面臨的能源供應(yīng)危機(jī)、生態(tài)環(huán)境惡化等問題，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[3]。

1 甜高粱莖稈糖分積累與分布

1.1 甜高粱糖分積累

甜高粱莖稈中何時開始有糖的積累尚有爭議。有研究認(rèn)為，在莖節(jié)停止伸長后開始積累糖分[4]。有的研究者則認(rèn)為，在營養(yǎng)生長末期或進(jìn)入生殖生長期以后莖稈才開始積累糖分。出現(xiàn)兩種意見的原因在于對莖稈中糖濃度達(dá)到多少時可以被認(rèn)為糖分開始積累沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。其實莖稈中很早就有了糖分，只是開始時積累量少，進(jìn)入開花期后糖分才迅速積累。目前大多數(shù)研究者認(rèn)為應(yīng)該是莖節(jié)停止伸長以后莖稈內(nèi)才開始積累糖分。

不同品種莖稈糖含量達(dá)到其峰值的時期是不一樣的[5]。大部分研究者認(rèn)為，糖含量一般在完熟期達(dá)到峰值[6，7]。但是在這之后如果光照與溫度適宜，莖稈中的糖含量仍然會有所升高[8]。如果外部環(huán)境不適宜，莖稈中的糖分則會被植株消耗掉一部分以維持其生理活動。這可能也是不同研究者對于含糖量達(dá)到峰值是在完熟期還是完熟期以后存在爭議的一個原因。決定甜高粱含糖量的還有莖稈鮮重。從拔節(jié)期到抽穗期莖稈鮮重增加得很快[9]，到了乳熟期以后則基本保持不變[10]，但是隨著籽粒的逐漸蠟熟，莖稈的出汁率也會逐漸下降[11]。所以，最高理論糖產(chǎn)量是在完熟期左右，收獲的最佳時間則要稍微提前一點，即在籽粒達(dá)到生理成熟時就可以開始收獲。

甜高粱莖稈內(nèi)的糖分組成也會隨著生育期而發(fā)生變化。莖稈汁液中總還原糖的濃度在早期往往較高，而蔗糖的濃度要稍低，隨著甜高粱的發(fā)育，總還原糖濃度逐漸下降，蔗糖的濃度則逐漸上升[12]。但是糖漿性品種莖稈汁液中蔗糖含量變化不大，而總還原糖、葡萄糖、果糖的濃度則有一些波動[13]。

1.2 甜高粱莖稈糖分的分布

甜高粱植株擁有2個庫，一個是與普通高粱一樣的儲藏淀粉的籽粒庫，另一個是儲藏糖分的莖稈庫。在光合產(chǎn)物分配方面莖稈庫的分配率高、分配時間長，而且在抽穗后積累速度還在增加，籽粒庫發(fā)育晚且速度較慢，光合產(chǎn)物的積累遠(yuǎn)少于莖稈，收獲時莖稈占地上部分生物質(zhì)總產(chǎn)量的比例大(67%)[14]。不同的甜高粱品種莖稈汁液中糖分的組成是有區(qū)別的?；谇o稈汁液中各種糖分的比例，可將甜高粱品種分為兩種，還原糖較高的為糖漿型品種，而蔗糖含量較高的則是糖晶型品種[17]。在同一莖稈中不同部位的各種糖分比例也有區(qū)別。有實驗發(fā)現(xiàn)，莖下部含葡萄糖的比例要高于莖上部，莖上部的蔗糖比例則要高于莖下部[18]。Billa等[19]分析了甜高粱莖稈干物質(zhì)的構(gòu)成，發(fā)現(xiàn)蔗糖占莖稈干物質(zhì)的55%，其次是纖維素(12.4%)和半纖維素(10.2%)，而木質(zhì)素、葡萄糖及灰分僅分別占4.8%、3.2%和0.3%。同時在莖皮和莖髓中各種糖分的分布也不同，莖髓中蔗糖占67.4%，葡萄糖占3.7%，而在莖皮中蔗糖只有32.4%，葡萄糖也只占到2.4%。莖稈糖分在不同的莖節(jié)間也存在著明顯的差異。各個莖節(jié)的含糖量自下而上呈先升高后下降的波形變化趨勢，即莖稈中上部莖節(jié)的含糖量是最高的[18～24]，但也有少數(shù)甜高粱品種會表現(xiàn)出一些不同的變化規(guī)律[23～25]。

2 甜高粱糖分產(chǎn)量的影響因素

甜高粱植株高大，莖稈鮮產(chǎn)量很高，在大規(guī)模生產(chǎn)中莖稈的收獲與集中處理存在著一定的難度。通過研究各種栽培措施對甜高粱糖分含量、收獲時期等的調(diào)控作用，結(jié)合生產(chǎn)中的實際需要，制定出既能適應(yīng)甜高粱的生產(chǎn)模式又不會影響最終產(chǎn)量的合理栽培管理模式，對于甜高粱未來的大規(guī)模生產(chǎn)與綜合利用有著重要的意義。

2.1 播期

播期不僅僅對甜高粱的生育期有影響，而且會影響糖分積累進(jìn)程，進(jìn)而影響到最終的糖產(chǎn)量。沈飛等[26]在上海地區(qū)進(jìn)行甜高粱的推遲播種實驗，將播期推遲一個月，發(fā)現(xiàn)莖稈含糖量出現(xiàn)峰值的日期延遲了10～14 d。但是晚期播種(6月初)的甜高粱莖稈糖含量比早期播種(5月初)的要高出46.5%。結(jié)果的不一致可能與甜高粱生長發(fā)育過程中的光照、溫度等環(huán)境因素有關(guān)。張志鵬等[27]在沈陽進(jìn)行分期播種試驗(分4月20、4月30、5月10和5月20共4個播期處理)，發(fā)現(xiàn)前2個播期莖稈含糖量在花后10～20 d(8月中下旬)達(dá)到最高，而后2個播期則在花后30～40 d(9月上中旬)才達(dá)到最高值，與前2個播期相比，到達(dá)糖含量峰值的時間延遲了20 d左右。由此可見，適當(dāng)?shù)胤制诓シN，對于延長糖分在莖稈中的保持時間和錯開甜高粱的收獲時間具有重要意義和實際價值。但是，播期對甜高粱的影響應(yīng)該結(jié)合當(dāng)?shù)氐臏囟?、日照等環(huán)境因子來綜合評價，不能把產(chǎn)量的變化看成是播期這個單一因素的影響結(jié)果。

2.2 種植密度

雖然密植可以提高甜高粱單位面積的生物產(chǎn)量，但是種植密度對莖稈糖產(chǎn)量的影響還存在著分歧。有的研究認(rèn)為增加密度，會顯著降低莖基部含糖量而且對含糖量和糖產(chǎn)量也有一定的影響[28];也有報道指出，適當(dāng)增加密度能使莖稈汁液中蔗糖含量升高[29]。Broadhead 等[30]認(rèn)為，與常規(guī)行距(105 cm)相比，窄行距(52.5 cm)雖然可以提高甜高粱單位面積莖稈鮮產(chǎn)量和糖分產(chǎn)量，但同時會導(dǎo)致植株倒伏，降低了莖稈汁液錘度、出汁率、蔗糖含量。焦少杰等[31]圍繞栽培密度對不同甜高粱品種產(chǎn)量與含糖量的影響開展了一系列研究，發(fā)現(xiàn)不同栽培密度下同一品種莖稈產(chǎn)量的差異極顯著，但是含糖量差異不顯著，而不同甜高粱品種與不同栽培密度隨機(jī)組合后，各個處理間含糖量差異明顯。因此，在甜高粱生產(chǎn)上，應(yīng)注重品種與其對應(yīng)的最優(yōu)栽培密度相配套，這樣才能充分發(fā)揮品種的生產(chǎn)力。

2.3 礦質(zhì)營養(yǎng)

甜高粱是一種耐瘠薄的作物，但肥料對莖稈糖分還是有著顯著的影響。增施磷肥可以提高甜高粱的糖產(chǎn)量，因為在植物體內(nèi)蔗糖是由還原性糖與磷酸作用產(chǎn)生磷酸丙糖，再運輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)中與酶作用生成的，因此在磷肥充足的情況下，蔗糖的合成加強(qiáng)，從而提高莖稈的糖產(chǎn)量[30]。Soileau 等[32]研究了種植于酸性砂壤土中的甜高粱在施入石灰及N、P、K肥料后其產(chǎn)量與糖含量的變化，發(fā)現(xiàn)施入石灰能極大的提高甜高粱汁液糖產(chǎn)量以及莖稈和籽粒產(chǎn)量，并且在施入石灰的處理中，在N、P比較充足的條件下，增加K肥施用量甜高粱的糖產(chǎn)量會隨之逐漸增加。周鴻飛等[33]研究了 Zn、Mg、Fe幾種礦質(zhì)元素對甜高粱糖產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Mg濃度較低，Zn濃度較高時甜高粱的糖產(chǎn)量要高一些，而Fe對甜高粱糖產(chǎn)量的影響不明顯。

3 利用甜高粱莖稈糖分生產(chǎn)燃料乙醇

甜高粱不但能結(jié)出3 000～7 500 kg/hm2的籽粒，而且還能產(chǎn)出60 000～75 000 kg/hm2的富含糖分的莖稈用于榨取糖分來制取燃料乙醇[34]。甜高粱莖稈出汁率高達(dá)60%以上，莖稈的汁液錘度(即甜高粱莖稈汁液中所含的可溶性固形物的百分率)為15%～20%。據(jù)測算在現(xiàn)有的技術(shù)水平下，平均每16～18 t莖稈就可以生產(chǎn)1 t乙醇[35]。

甜高粱制取燃料乙醇目前主要有液體發(fā)酵和固體發(fā)酵2種工藝路線。國內(nèi)外研究人員對2種工藝路線中的發(fā)酵添加營養(yǎng)物、發(fā)酵條件、發(fā)酵菌種和發(fā)酵裝置等進(jìn)行了大量富有成效的研究。

3.1 液體發(fā)酵

在液體發(fā)酵工藝中，首先將莖稈汁液壓榨出來，添加適量的營養(yǎng)鹽，接種，通過一定時間的發(fā)酵得到醪液，最后經(jīng)過精餾就能得到可以作為燃料使用的乙醇。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)于20世紀(jì)90年代設(shè)計了一套年產(chǎn)30 t乙醇的固定化酵母流化床生物反應(yīng)器，采用液態(tài)發(fā)酵技術(shù)，乙醇轉(zhuǎn)化率達(dá)到理論值的93%[36]?？梢?，液態(tài)發(fā)酵的乙醇轉(zhuǎn)化率較高，并且工藝流程簡單，適宜大規(guī)模生產(chǎn)。其缺點是生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量蒸餾廢液，這些廢液需要進(jìn)行環(huán)保處理才能直接排放，增加了項目投資。而且需要集中壓榨大量莖稈，這樣莖稈的收集、運輸費用大大增加。而且壓榨出的糖汁需要及時處理，否則會變酸或變色。Daeschel等[37]的研究表明，新壓榨的甜高粱莖稈汁液在常溫下需要在5 h內(nèi)進(jìn)入發(fā)酵罐。如果壓榨后及時存放于4℃條件下，則可以放置14 d，這樣無疑又大大增加了生產(chǎn)成本。

Worley等[38]設(shè)計了2種甜高粱綜合利用方案:一種是將甜高粱榨汁、濃縮成糖漿后儲存起來，用于乙醇的發(fā)酵生產(chǎn)，榨汁后的稈渣則作為飼料來喂養(yǎng)牲畜;另一種方案是榨取的汁液直接進(jìn)入生產(chǎn)程序，并不進(jìn)行濃縮和儲存。而榨汁后的稈渣中含有豐富的纖維素，在汁液處理完以后應(yīng)用纖維素水解技術(shù)轉(zhuǎn)化為糖繼續(xù)生產(chǎn)乙醇。通過研究發(fā)現(xiàn)，由于汁液的濃縮儲存成本較高，因此方案二的能量產(chǎn)出要高于方案一。

由于液體發(fā)酵工藝比較成熟，對發(fā)酵方式以及發(fā)酵參數(shù)的選擇和優(yōu)化有助于提高乙醇產(chǎn)量。液體發(fā)酵使用的是甜高粱莖稈壓榨出的汁液，其中缺乏一些乙醇酵母發(fā)酵過程需要的氮源以及某些礦物質(zhì)元素，需要人工添加一些營養(yǎng)鹽[39]。劉榮厚等[40]進(jìn)一步研究了固定化酵母粒子強(qiáng)化、添加營養(yǎng)鹽和發(fā)酵工藝參數(shù)對甜高粱莖稈乙醇發(fā)酵的影響，采用優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行發(fā)酵，乙醇轉(zhuǎn)化率達(dá)到理論值的97%以上，發(fā)酵時間減少到5～7 h。

3.2 固體發(fā)酵

固體發(fā)酵工藝則是不經(jīng)過壓榨，將莖稈粉碎后直接接種進(jìn)行固體發(fā)酵，發(fā)酵結(jié)束后，用蒸汽吹蒸，冷凝，得到粗乙醇，然后進(jìn)一步精餾脫水，得到成品乙醇。2005年農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計院結(jié)合863計劃建立了年產(chǎn)5 000 t甜高粱莖稈乙醇發(fā)酵項目。該項目用平均糖錘度為18%的甜高粱莖稈為原料，采用固態(tài)發(fā)酵工藝，其乙醇轉(zhuǎn)化率達(dá)到理論值的88%[41]。固體發(fā)酵工藝的發(fā)酵體積較小，能耗小，資金投入少，發(fā)酵工藝設(shè)備簡單，易于操作，便于推廣，另外由于用水少，因此廢水處理問題小。但需要的生產(chǎn)場地較大、勞動強(qiáng)度較大，因而比較適宜在經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)推廣。同時也可以采取分散加工的方法，在甜高粱種植基地建立生產(chǎn)粗乙醇的小廠，然后再建立一個精餾總廠，統(tǒng)一處理由小廠生產(chǎn)出的粗乙醇。與直接收集運輸新鮮莖稈相比，這種生產(chǎn)模式無疑大大降低了運輸成本。

固體發(fā)酵的發(fā)酵能力依賴于底物的顆粒大小、水分含量以及接種量等因素。Kargi等[42，43]研究了利用釀酒酵母進(jìn)行固體發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的一些影響因素，發(fā)現(xiàn)底物含水量為70%，發(fā)酵溫度為35℃，接種的細(xì)胞初濃度為7×108個/mL時乙醇產(chǎn)率是最高的。同時向發(fā)酵底物中添加一些還原劑(Na2S、鹽酸、半胱氨酸)可以降低酵母細(xì)胞在發(fā)酵結(jié)束后的乙醇消耗量，可以提高乙醇產(chǎn)率。劉杰等[44]用九甜粱1號和九甜雜1號2個品種進(jìn)行了固態(tài)發(fā)酵實驗，結(jié)果表明，不同的甜高粱品種莖稈乙醇產(chǎn)率有一定的差異:九甜粱1號莖稈可生產(chǎn)99.6%的無水乙醇3.96 t/hm2;九甜雜1號莖稈可生產(chǎn)99.6%的無水乙醇3.75 t/hm2。

4 問題與展望

甜高粱莖稈糖分是生產(chǎn)燃料乙醇的原料，提高原料的產(chǎn)量與選育優(yōu)良的品種是密不可分的。目前我國的甜高粱品種要么莖稈鮮產(chǎn)量高但是含糖量低，要么含糖量高但是莖稈鮮產(chǎn)量低，很難找到二者皆備的優(yōu)良品種。而且我國現(xiàn)有的甜高粱種質(zhì)資源中缺乏一些抗倒伏、高糖產(chǎn)量的關(guān)鍵種質(zhì)資源。

隨著我國人口的不斷增長，耕地面積逐年縮小，這就決定了發(fā)展甜高粱產(chǎn)業(yè)更多的是利用荒漠、鹽堿地等邊際性土地。而利用邊際性土地種植甜高粱，在水分管理以及病蟲害、雜草等的防治方面無法與大田一樣進(jìn)行統(tǒng)一而有效的栽培管理，所以甜高粱品種除了要具有抗旱、耐澇、耐鹽堿以外，還應(yīng)具有一定的抗蟲、抗雜草、抗鳥害等抗生物性脅迫的能力。

目前來看，應(yīng)用群體改良技術(shù)選育高含糖量、耐高密度、抗倒伏、抗逆性強(qiáng)的高產(chǎn)品種才是提高甜高粱糖產(chǎn)量的有效途徑。同時也要加強(qiáng)基因工程、細(xì)胞工程等先進(jìn)技術(shù)在甜高粱育種中的應(yīng)用，為以后甜高粱綜合開發(fā)與利用提供發(fā)展的基礎(chǔ)和充足的原料來源。

甜高粱是粒用高粱的一個變種。它的小規(guī)模種植還只有一百多年的歷史，其各項研究水平都遠(yuǎn)落后于玉米、甜菜、甘蔗這些常規(guī)作物，也落后于粒用高粱。目前國內(nèi)對于甜高粱的研究主要集中在栽培調(diào)控措施和燃料乙醇的生產(chǎn)工藝方面，而涉及到生理生化方面的研究很少，對不同品種間物質(zhì)積累、分配和代謝差異的機(jī)理研究不夠。所以在甜高粱方面有著廣闊的研究空間。

甜高粱莖稈鮮產(chǎn)量很高，不易收集和運輸，同時莖稈中的糖分不耐貯藏，收獲以后莖稈中糖分下降速度很快。結(jié)合目前的研究成果來看，通過分期播種錯開收獲時期、研發(fā)小型的榨汁和濃縮制取糖漿的設(shè)備，在田間地頭將大量的新鮮莖稈先轉(zhuǎn)化成方便貯存和運輸?shù)奶菨{可以有效解決這些問題。同時也應(yīng)該看到，甜高粱可以利用的部分不僅僅局限于糖分跟籽粒，甜高粱秸稈中同時含有大量的纖維素，這些纖維素也可以通過發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇。雖然目前纖維素發(fā)酵技術(shù)不完善，設(shè)備要求、生產(chǎn)成本等都比較高，但這也是我們對甜高粱進(jìn)行科學(xué)綜合利用的一個重要方面。在利用纖維素制取酒精技術(shù)不成熟的現(xiàn)在，也可以利用榨汁后的稈渣來生產(chǎn)紙漿、板材等纖維素產(chǎn)物，而且稈渣本身還是一種很好的青飼料。

在化石能源儲量日趨減少，環(huán)境壓力逐漸增大的背景下，甜高粱莖稈制乙醇研究已經(jīng)取得較大進(jìn)展。大力發(fā)展甜高粱產(chǎn)業(yè)，綜合開發(fā)利用甜高粱，調(diào)整目前不合理的能源生產(chǎn)與消費模式，實現(xiàn)資源的再生利用及生態(tài)良性循環(huán)，有效緩解日趨嚴(yán)重的能源危機(jī)及環(huán)保問題，對于促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善有著重大意義。

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