甘肅省甜高粱全產(chǎn)業(yè)鏈研究現(xiàn)狀與發(fā)展對策

韋 瑛

（武威市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)督管理站，甘肅武威733000）

0 引言

全球范圍內(nèi)能源危機、氣候異常、環(huán)境污染等問題，向人類提出了經(jīng)濟發(fā)展方式與生存這兩大命題。走節(jié)能減排、清潔生產(chǎn)、資源循環(huán)利用、可持續(xù)發(fā)展的道路，必然成為中國乃至世界的共同選擇。甜高粱是目前世界上公認(rèn)的最具開發(fā)利用價值的新型能源作物之一，具有光合效率高、適應(yīng)性強、抗旱、耐澇、耐鹽堿等優(yōu)點，是一種高效節(jié)水型作物，非常適合于我國西北廣袤貧瘠土地種植。國家能源科技“十三五”規(guī)劃中，已明確把非糧作物甜高粱的應(yīng)用開發(fā)作為優(yōu)先發(fā)展方向，在這一背景下，甘肅作為我國西部重要的生態(tài)屏障和陸路樞紐，發(fā)展甜高粱循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)就顯得尤為迫切和必要。推廣種植糖用型甜高粱，可利用其生物量大、含糖量高的特點發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈，其莖稈經(jīng)壓榨后，汁液可為當(dāng)?shù)仄髽I(yè)提供深加工原料，除了生產(chǎn)乙醇、丁醇等生物燃料，還可生產(chǎn)酵母葡聚糖、谷胱甘肽、果葡糖漿、谷氨酸等系列產(chǎn)品，其殘渣可加工成飼料綜合利用；飼用型甜高粱莖葉青貯后，是牛羊等草食性動物的優(yōu)質(zhì)飼料。因此，在西北地區(qū)大面積種植甜高粱，打造甜高粱循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈，對拉動農(nóng)村經(jīng)濟、促進農(nóng)民增收、推進新農(nóng)村建設(shè)都具有重大的戰(zhàn)略意義。

1 甜高粱育種及種植進展與深加工技術(shù)研發(fā)情況

1.1 甜高粱育種及種植進展

上世紀(jì)70年代開始，歐美國家開始重離子輻照誘變植物研究。日本從上世紀(jì)90年代開始，將重離子輻照技術(shù)應(yīng)用于花卉的新品種選育，得到了多種花形、花色變異的花卉品種并開發(fā)應(yīng)用。在甜高粱新品種選育方面，美國起步較早，先后選育出洛馬（Roma）、麗歐（Rio）、雷伊（Wray）等品種；巴西也獲得了 BR-501、BR-502等一批甜高粱新品種。國際半干旱地區(qū)作物研究所（ICRISAT）的甜高粱研究工作始于上世紀(jì)80年代，但由于種植面積較小等原因，于90年代中斷，直到近幾年才恢復(fù)，現(xiàn)已育成雜交種NSSH104。澳大利亞及歐洲一些國家的科研機構(gòu)，也已選育出一些新的甜高粱品種。美國、巴西種植甜高粱主要用于燃料乙醇生產(chǎn)；澳大利亞發(fā)展甜高粱主要用作飼料，部分用于糖料和燃料乙醇生產(chǎn)。

我國甜高粱的研究始于20世紀(jì)80年代，遼寧、吉林等數(shù)十家科研單位，陸續(xù)選育出了一些具有自主知識產(chǎn)權(quán)的甜高粱品種。2006年。中國科學(xué)院蘭州近代物理研究所（以下簡稱“近物所”）采用重離子輻照誘變技術(shù)，結(jié)合農(nóng)學(xué)、遺傳學(xué)、植物生理學(xué)及分子生物學(xué)手段，篩選到1株比對照品種生育期縮短29 d的甜高粱突變株，經(jīng)過不斷的系統(tǒng)篩選，其早熟性狀能夠穩(wěn)定地遺傳。持續(xù)進行擴繁并開展品種比較試驗、多點區(qū)域試驗和生產(chǎn)試驗測定，表現(xiàn)為早熟、高產(chǎn)、含糖高（達22%）、抗倒伏、抗病、抗旱等優(yōu)點。2013年，該甜高粱新品種通過了甘肅省農(nóng)作物品種審定委員會品種認(rèn)定，定名為“近甜1號”。鑒定委員會認(rèn)為，該品種是我國首次利用重離子貫穿處理技術(shù)選育出的農(nóng)藝綜合性狀優(yōu)良、有產(chǎn)業(yè)開發(fā)價值的甜高粱新品種，成果達到國際先進水平。目前，“近甜1號”與中科院近物所從國外引進并認(rèn)定的糖用型甜高粱品種“BJ0602”、“KF0608-1”及飼用型甜高粱品種“BJ0603”，正在武威市“甘肅省輻照誘變育種工程實驗室”育種基地加速繁育種子。2014年，近物所又從中國科學(xué)院植物研究所等單位新引進大卡、海牛、SF82000等15個甜高粱雜交種，同時引入了不育系和保持系，并同武威市農(nóng)業(yè)科學(xué)院聯(lián)合開展甜高粱雜交制種工作。

2008—2014 年期間，中科院近代物理研究所陸續(xù)在甘肅、新疆、青海、內(nèi)蒙古等地布點試種甜高粱，但除甘肅外，其他省區(qū)多為農(nóng)戶小規(guī)模零星種植，難以形成規(guī)模效應(yīng)。

甘肅省甜高粱推廣工作起步于2012年，中科院近代物理研究所提供糖用型BJ0602和飼用型BJ0603兩個甜高粱新品種在武威市試種，經(jīng)涼州、民勤、古浪三縣區(qū)7個示范點匯總分析，飼用型甜高粱在武威大部分地區(qū)生長旺盛，生物產(chǎn)量高，平均株高309.7 cm，莖稈汁液平均含糖量達到13.2%，平均鮮莖稈產(chǎn)量123 675 kg/hm2，平均收入30 945元/hm2。搭配其他精、粗飼料，畝產(chǎn)量可飼養(yǎng)15個羊單位牲畜。用水量4 500m3/hm2左右，具有較高的經(jīng)濟效益和良好的節(jié)水效果。糖用型甜高粱（BJ0602）在武威市各試種點平均株高299.4 cm、莖稈汁液平均含糖量為19.3%，鮮莖葉畝產(chǎn)7419 kg。2013—2017年期間，武威市委、市政府將甜高粱作為加快農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革，發(fā)展高效生態(tài)農(nóng)業(yè)，提升畜牧業(yè)飼草料供給保障能力，促進農(nóng)民穩(wěn)步增收的一項重要舉措，舉全市之力，5年累計推廣種植甜高粱達78.8 khm2。

1.2 中科院近物所甜高粱深加工技術(shù)研發(fā)情況

1.2.1 燃料乙醇制備生產(chǎn)

從2007年開始，中科院近物所就開展了以甜高粱為原料生產(chǎn)系列高附加值產(chǎn)品的技術(shù)開發(fā)工作?，F(xiàn)燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)已成功通過中試、示范生產(chǎn)，工藝成熟。2014年，近物所在武威甜高粱試驗田收獲甜高粱秸稈約600 t，在中試試驗基地使用重離子輻照選育的優(yōu)良釀酒酵母菌株，用16m3發(fā)酵罐示范生產(chǎn)取得成功，發(fā)酵生產(chǎn)乙醇濃度可達13%以上，蒸餾后得到95%乙醇30 t，產(chǎn)品經(jīng)甘肅省輕工業(yè)研究院檢測，各項指標(biāo)均達到國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB10343-2008）。目前計劃與武威合作建設(shè)規(guī)?；鸶吡灰掖忌a(chǎn)線，大力發(fā)展和推廣以甜高粱為原料生產(chǎn)乙醇的循環(huán)經(jīng)濟生產(chǎn)模式。

1.2.2 酵母及酵母抽提物示范生產(chǎn)

近物所以甜高粱為原料生產(chǎn)酵母系列產(chǎn)品現(xiàn)已成功通過產(chǎn)業(yè)化中試、示范生產(chǎn)，工藝成熟。制備的粉狀酵母抽提物經(jīng)甘肅省輕工研究院檢測，各項指標(biāo)均達到國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T23530-2009），其中總氮含量為9.9%、氨基氮含量為5.4%，氨基氮含量明顯高于同類產(chǎn)品，達到了國際水解蛋白委員會所規(guī)定的指標(biāo)。2011年，“高氮鮮酵母和抽提物的制備方法”獲得國家發(fā)明專利。

1.2.3 酵母葡聚糖生產(chǎn)

酵母葡聚糖是一種免疫調(diào)節(jié)劑，具有提高人體免疫力、調(diào)節(jié)血糖、抗輻射、抗腫瘤等作用，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、化妝品、飼料等行業(yè)。國家衛(wèi)生部將酵母葡聚糖列為新資源食品，具體規(guī)定了來源、結(jié)構(gòu)、分子量、理化指標(biāo)、服用量及人群等。近物所以甜高粱汁液為原料，采用酶解法進行了酵母葡聚糖試生產(chǎn)，產(chǎn)品經(jīng)過甘肅省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局的測定，達到國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 22491-2008）。2011年，“用甜高粱汁液生產(chǎn)酵母葡聚糖的方法”獲得國家發(fā)明專利。2014年8月，“重離子改良面包酵母菌種及甜高粱汁液生產(chǎn)酵母葡聚糖的研究”項目通過中國科學(xué)院科技成果鑒定，研究成果達到了同類研究的國際先進水平。

1.2.4 酵母谷胱甘肽生產(chǎn)

谷胱甘肽是一種具有特殊活性基團的三肽（簡稱GSH），由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸組成。GSH具有諸多生理特性，包括參與細(xì)胞內(nèi)代謝與調(diào)控，從而達到清除體內(nèi)自由基、結(jié)合體內(nèi)有害物質(zhì)并排除體外，起到解毒和增強機體免疫力作用。因此，GSH廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品等各個行業(yè)。2010年我國GSH的需求量為70 t，價格達到了250萬元/t，基本依賴進口，且每年的需求量按20%～25%的速度遞增，具有廣闊的市場發(fā)展前景。目前，近物所已對面包酵母提取GSH工藝進行了研究，在實驗室制備出了GSH樣品，能為后續(xù)GSH產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)支撐。

1.2.5 谷氨酸生產(chǎn)

傳統(tǒng)的發(fā)酵工業(yè)以淀粉為原料，糧耗高；淀粉需經(jīng)過液化、糖化等復(fù)雜的處理過程才能發(fā)酵，周期長、能耗高。甜高粱汁液含糖量高，主要成分為蔗糖、葡萄糖、果糖等，是優(yōu)良的發(fā)酵原料，利用其作為原料發(fā)酵生產(chǎn)生物產(chǎn)品，處理方法簡單，滅菌后即可發(fā)酵，周期短，成本低。目前，近物所和武威榮華集團合作，共同開發(fā)以甜高粱汁液替代淀粉生產(chǎn)谷氨酸工藝已進入中試階段，將明顯降低生產(chǎn)成本，提升企業(yè)核心競爭力，形成以甜高粱汁液為主要原料生產(chǎn)谷氨酸的新模式。

1.2.6 果葡糖漿制備

甜高粱含糖量高，經(jīng)高效液相檢測分析，各種糖含量分別為：蔗糖49.7%、葡萄糖21.4%、果糖17.7%，是制備果葡糖漿的優(yōu)質(zhì)原料。果葡糖漿廣泛應(yīng)用在藥品、保健品、飲料及食品等行業(yè)。果糖在人體營養(yǎng)代謝中不需要胰島素的輔助，果糖的服用和吸收不會引起低血糖。目前，近代物理所承擔(dān)的榮華集團的甜高粱汁液糖成分轉(zhuǎn)化項目，經(jīng)過努力，已制備出果葡糖漿系列產(chǎn)品（F42、F55、F70和F90），經(jīng)檢測符合國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 20882-2007），對甜高粱產(chǎn)業(yè)鏈的延伸將起到積極的推動作用。

1.2.7 優(yōu)質(zhì)青貯飼料的生產(chǎn)及飼喂效果

（1）重離子誘變選育優(yōu)良復(fù)合微生物菌劑：近年來，近物所利用重離子輻照誘變技術(shù)，獲得了生長周期短、適合生產(chǎn)高菌體蛋白甜高粱青貯飼料的微生物菌株，經(jīng)其發(fā)酵的青貯飼料粗蛋白含量比對照提高15%。在2013年武威市完成50 t微生物菌劑的生產(chǎn)及轉(zhuǎn)化、5萬t青貯甜高粱飼料（添加復(fù)合微生物菌劑）示范推廣工作；2014年8月，“微生物菌劑及甜高粱青貯飼料的應(yīng)用技術(shù)”項目通過中國科學(xué)院科技成果鑒定，研究成果達到了同類研究的國際先進水平。

（2）甜高粱青貯飼料提高奶牛產(chǎn)奶量及肉牛育肥效果：2014年，在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)奶牛實驗基地，完成了甜高粱青貯飼料（添加復(fù)合微生物菌劑）奶牛飼喂試驗。結(jié)果表明：甜高粱青貯飼料具有較好的適口性，可使奶牛產(chǎn)奶量提高14.2%；肉牛飼喂甜高粱青貯飼料后，經(jīng)測定平均日增重1.3 kg，促進生長效果明顯。

2 存在的主要問題

一是育種及制種力量薄弱。在甜高粱整個產(chǎn)業(yè)鏈中，優(yōu)良品種合格種子的供應(yīng)是建立穩(wěn)定甜高粱原料生產(chǎn)基地和深加工的關(guān)鍵，但目前適用于西北地區(qū)種植的甜高粱品種有限，推廣局限性大，中科院近代物理所的自主品種“近甜1號”制種生產(chǎn)尚處在試驗探索階段，嚴(yán)重制約甜高粱產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；a(chǎn)。

二是甜高粱專用播種、收割、加工等環(huán)節(jié)機械設(shè)備的研發(fā)和引進工作還沒有同步跟進，甜高粱生物產(chǎn)品次級代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)化、回收等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)還不成熟或尚處于空白狀態(tài)。

三是甜高粱青貯復(fù)合微生物菌劑需進一步篩選和優(yōu)化，甜高粱種植、青貯等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還需修訂和完善。

3 發(fā)展對策

3.1 抓好武威核技術(shù)應(yīng)用綜合產(chǎn)業(yè)園建設(shè)

2013年，中國科學(xué)院近代物理研究所武威核技術(shù)應(yīng)用綜合產(chǎn)業(yè)園已開始啟動。產(chǎn)業(yè)園占地213.3 hm2，“甘肅省重離子生物育種工程技術(shù)研究中心”、“甘肅省輻照誘變育種工程實驗室”已入駐園區(qū)。其中，甘肅省輻照誘變育種工程實驗室總占地面積53.3 hm2，建筑面積19.82萬m2，土建工程投資估算約5.05億元，設(shè)備投入約為2.25億元。該產(chǎn)業(yè)園工作內(nèi)容包括甜高粱制種，重離子輻照育種，工業(yè)微生物新菌種的選育研究，以及新型飼料、有機酸、生物肥料、生物農(nóng)藥、酵母系列產(chǎn)品以及乙醇等精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)。園區(qū)分三期建設(shè)完成，一期建設(shè)需要經(jīng)費投入約0.6億元，項目建設(shè)完成后，預(yù)計每年產(chǎn)值10億元，并在近期內(nèi)建成甘肅省重離子輻照生物技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)孵化基地，起到引領(lǐng)示范作用。二期建設(shè)需要經(jīng)費投入3億元，三期需投入3.7億元，打造乙醇、酵母葡聚糖、優(yōu)質(zhì)飼料等生物產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈，逐步形成高科技產(chǎn)業(yè)集群，全面帶動甜高粱產(chǎn)業(yè)發(fā)展。項目完全建成后，預(yù)計每年產(chǎn)值100億元以上。未來將建成國家級的集科學(xué)研究、生產(chǎn)加工、技術(shù)培訓(xùn)、教育示范、觀光旅游、休閑度假、農(nóng)事體驗為一體的現(xiàn)代化園區(qū)。

3.2 積極開展重離子輻照誘變育種

重離子是指原子序數(shù)大于2的具有能量的帶電離子。它們可以存在于太空中，也可以通過地面加速器得到。近物所在世界上首先將重離子誘變技術(shù)用于育種領(lǐng)域。其原理是：可誘發(fā)DNA鏈斷裂，通過易位、倒位、重復(fù)和缺失等基因重組產(chǎn)生多種形式的染色體結(jié)構(gòu)變異，將緊靠的連鎖基因拆開，引起基因突變，獲得新的變異類型。隨著武威重離子加速器項目的順利進行，近物所與武威市已啟動開展重離子誘變作物新品種、微生物新菌種研發(fā)和中試示范基地建設(shè)等方面的實質(zhì)性合作。計劃利用其現(xiàn)有的重離子加速器和武威即將建成的專用加速器提供的重離子，輻照誘變甜高粱等農(nóng)作物材料，豐富種質(zhì)資源，建立突變體觀察篩選基地，加速雜交種親本選育，推動具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新品種研發(fā)工作；同時對新品種有計劃地進行開發(fā)，與相關(guān)科研、種子機構(gòu)聯(lián)合研究雜交制種技術(shù)；以自主創(chuàng)新為紐帶，用好重離子這個強有力工具，帶動產(chǎn)業(yè)升級，打造高新技術(shù)、高新產(chǎn)業(yè)和高新企業(yè)基地，逐步形成高科技產(chǎn)業(yè)集群，建設(shè)世界一流的核技術(shù)應(yīng)用綜合產(chǎn)業(yè)園，促進近物所科技成果產(chǎn)業(yè)化，推動武威地方經(jīng)濟全面協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。

3.3 抓好甜高粱種子繁育工作

整合現(xiàn)有科技力量，進一步加強院地、院企合作，細(xì)化分工，各有側(cè)重，通過本地保護地育苗移栽和建立海南島甜高粱種子繁育基地等方式，對近物所選育的“近甜1號”等醇用型和飼用型品種在武威和南方擴繁，滿足甜高粱生產(chǎn)基地用種需要。

3.4 加快微生物菌種的研發(fā)及生產(chǎn)，滿足工農(nóng)業(yè)微生物菌種需求

利用重離子輻照誘變技術(shù)獲得工業(yè)發(fā)酵用微生物及制作青貯飼料用復(fù)合微生物新菌種，并配套建立菌種工廠生產(chǎn)和供應(yīng)市場，利用專用菌種來有效縮短發(fā)酵周期，提高糖汁利用率、產(chǎn)品分離度、回收率和青貯飼料綜合質(zhì)量。

3.5 修訂標(biāo)準(zhǔn)化種植、養(yǎng)殖技術(shù)規(guī)范

修訂甜高粱種植、養(yǎng)殖和使用復(fù)合微生物菌劑青貯秸稈的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過加大科技培訓(xùn)力度，建立示范點，以點帶面，從整體上提高其加工技術(shù)水平。

3.6 加快甜高粱生物產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)及市場開拓

加強甜高粱工業(yè)化生產(chǎn)酵母葡聚糖、谷胱甘肽、谷氨酸、乙醇、果葡糖漿等新產(chǎn)品的科技研發(fā)工作，優(yōu)化相關(guān)產(chǎn)品分離度、純度、結(jié)晶等工藝技術(shù)指標(biāo)，并開展前期市場開拓，力爭盡快推出符合市場預(yù)期的甜高粱系列加工產(chǎn)品，達到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和銷售雙贏的目的。