不同甘蔗品種蔗莖纖維組分差異分析

劉高源，高欣欣，郭家文

（云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，云南開遠(yuǎn) 661699）

0 引言

甘蔗是我國(guó)重要的糖料作物[1]，其生產(chǎn)成本極大地左右了整個(gè)糖業(yè)的發(fā)展。甘蔗作為高纖維作物，其纖維組分在干物質(zhì)中占比最多。在制糖工業(yè)中，主要以甘蔗渣的形式成為加工副產(chǎn)物，其含量可達(dá)24%～27%[2]。纖維組分作為植物細(xì)胞壁的主要原料，在甘蔗的各類生理過(guò)程中都起著不可或缺的作用[3]。同時(shí)，纖維組分的合成又是甘蔗光合產(chǎn)物分配的重要途徑，其與甘蔗的糖代謝有著密切的關(guān)系。研究表明，纖維組分的含量與甘蔗蒸煮液錘度呈極顯著負(fù)相關(guān)[4]，還與甘蔗的產(chǎn)量、莖徑及單位含糖量呈極顯著負(fù)相關(guān)[5]，甘蔗纖維組分的研究越來(lái)越受到關(guān)注。甘蔗是收獲莖稈的作物，蔗莖是糖分和纖維主要的積累場(chǎng)所，也是纖維組分分析的主要對(duì)象。在以往的研究中，多是針對(duì)甘蔗整體纖維組分進(jìn)行研究，而對(duì)于不同部位纖維組分分布差異的研究較少。但甘蔗莖中不同部位的生理代謝特征是不同的，例如蔗糖含量在蔗莖中存在自下而上遞增的特點(diǎn)[6]，這是光合產(chǎn)物過(guò)剩并以糖分的形式積累結(jié)果[7]。纖維組分的代謝主要與細(xì)胞壁合成相關(guān)，隨甘蔗生長(zhǎng)時(shí)間的變化，細(xì)胞壁中纖維組分的成分與含量也有所不同[8]。蔗莖不同部位細(xì)胞的成熟度和生長(zhǎng)時(shí)間不同，是造成蔗莖不同部位纖維組分差異的主要原因。一方面，蔗莖纖維組分研究對(duì)甘蔗纖維副產(chǎn)物應(yīng)用有重要指導(dǎo)意義。廢棄物的分類是再利用的重要前提，蔗莖纖維組分析可明確各纖維組分集中的部位，進(jìn)而對(duì)纖維副產(chǎn)物的再利用提供理論支撐。另一方面，研究蔗莖不同部位纖維組分的差異，可幫助我們進(jìn)一步了解蔗莖中纖維組分代謝特征并為蔗莖細(xì)胞壁形成和纖維組分代謝的研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

研究材料選取云南省主栽及近年選育表現(xiàn)較好的甘蔗品種：‘新臺(tái)糖22 號(hào)’、‘粵糖93-159’、‘云蔗05-51’、‘桂糖32 號(hào)’和‘福農(nóng)39 號(hào)’。其中‘新臺(tái)糖22 號(hào)’、‘粵糖93-159’為主栽品種，‘云蔗05-51’、‘桂糖32號(hào)’及‘福農(nóng)39號(hào)’為主推品種。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 取樣

于甘蔗宿根生長(zhǎng)10個(gè)月時(shí)，選取長(zhǎng)勢(shì)正常的甘蔗，去梢，將蔗莖按長(zhǎng)度三等分，并記為上、中、下三部分。將每部分樣品烘干、研磨、混勻后備用。

1.2.2 纖維組分測(cè)定

本研究采用福斯公司的Fibertec 8000全自動(dòng)纖維分析系統(tǒng)進(jìn)行纖維組分分析。分析系統(tǒng)采用減量法測(cè)定原理，分別分析樣品中中性洗滌纖維（NDF）、酸性洗滌纖維（ADF）和酸性洗滌木質(zhì)素（ADL）含量。

（1）中性洗滌纖維（NDF）

中性洗滌纖維是用中性洗滌溶液（十二烷基硫酸鈉和EDTA）處理后的剩余物，剩余物成分為纖維素100%，半纖維素100%，木質(zhì)素100%。

（2）酸性洗滌纖維(ADF)

酸性洗滌纖維是用酸性洗滌溶液（十六烷基三甲基溴化胺的硫酸溶液）處理后的剩余物，剩余物成分為纖維素100%，木質(zhì)素100%。

（3）酸性洗滌木質(zhì)素(ADL)

酸性洗滌木質(zhì)素是在經(jīng)過(guò)ADF 方法預(yù)先處理過(guò)的剩余物，再用72%硫酸萃取掉纖維素部分的剩余物，剩余物成分為木質(zhì)素100%。馬弗爐灰化是將ADL 樣品在(525±15)℃下馬弗爐灰化至少需要3 h。等待馬弗爐溫度降至250 ℃以下時(shí)，再移出樣品。

1.2.3 計(jì)算公式

1.3 統(tǒng)計(jì)分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS24統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行多因素方差分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維素

經(jīng)測(cè)定5 個(gè)甘蔗品種各部位纖維素含量呈類似的趨勢(shì)。纖維素平均含量，下部（35.83%）最高，中部（27.93%）次之，上部（21.57%）的纖維素含量最低。由圖1 所示，纖維素含量由上至下整體呈依次遞增趨勢(shì)，多數(shù)品種上、中部或中、下部含量的差異不顯著，只有‘福農(nóng)39號(hào)’上、中、下部纖維素含量均有顯著差異。品種間纖維素含量也存在顯著差異，上部纖維素含量以‘福農(nóng)39 號(hào)’最高為24.94%，以‘桂糖32 號(hào)’最低為17.55%，‘福農(nóng)39 號(hào)’含量高于‘粵糖93-159’和‘桂糖32 號(hào)’，‘新臺(tái)糖22 號(hào)’和‘云蔗05-51’含量高于‘桂糖32 號(hào)’。中部纖維素含量以‘福農(nóng)39 號(hào)’最高為31.93%，以‘桂糖32 號(hào)’最低為19.84%，‘福農(nóng)39 號(hào)’、‘云蔗05-51’和‘新臺(tái)糖22 號(hào)’含量高于‘粵糖93-159’，‘粵糖93-159’含量高于‘桂糖32 號(hào)’。下部纖維素含量以‘福農(nóng)39號(hào)’最高為38.10%，以‘粵糖93-159’最低為33.25%。

圖1 5種甘蔗不同部位纖維素含量Fig.1 Cellulose content in different parts of five sugarcane varieties

可見在參試的5 個(gè)甘蔗品種中，纖維素含量分布較為均勻的為‘新臺(tái)糖22 號(hào)’、‘云蔗05-51’和‘福農(nóng)39號(hào)’?！浱?3-159’和‘桂糖32號(hào)’的纖維素主要集中于下部。各品種間纖維素差異最顯著的部位為中部，中部纖維素含量最高的‘福農(nóng)39號(hào)’和最低的‘桂糖32號(hào)’差值達(dá)到12.09個(gè)百分點(diǎn)。說(shuō)明蔗莖中部可能是纖維素合成與積累最活躍且品種差異最大的部位。此外‘桂糖32號(hào)’上部與中部的纖維素含量低于多數(shù)品種，但其下部纖維素含量卻高達(dá)37.33%居于參試品種含量第二。使之成為自身部位之間纖維素含量差異最大的品種，其下部含量與中部含量差值達(dá)到17.49%。

2.2 半纖維素

如圖2所示，半纖維素含量在各品種中的分布趨勢(shì)類似。首先，各品種半纖維素平均含量最高的部位均為上部（21.30%），中部（12.19%）和下部（12.36%）半纖維素的含量較低且差異不顯著。品種間半纖維素的含量也存在差異，上部半纖維素含量以‘新臺(tái)糖22 號(hào)’最高為24.43%，以‘云蔗05-51’最低為19.54%。中部半纖維素的含量以‘福農(nóng)39 號(hào)’最高為12.92%，以‘桂糖32號(hào)’最低為9.87%，但各品種間差異不顯著。下部半纖維素含量以‘粵糖93-159’最高為14.92%，以‘桂糖32 號(hào)’最低為10.19%。上部為蔗莖中半纖維素較為集中部分，下部和中部半纖維素含量明顯低于上部且相互間差異不顯著。據(jù)此可推斷，蔗莖的上部是半纖維素合成的主要部位。

圖2 5種甘蔗不同部位半纖維素含量Fig.2 Hemicellulose content in different parts of five sugarcane varieties

2.3 木質(zhì)素

如圖3所示，木質(zhì)素含量在上、中、下3個(gè)部位及5個(gè)參試品種間均無(wú)顯著差異。同時(shí)對(duì)比于纖維素和半纖維素，木質(zhì)素的含量處于4.22%～6.00%，整體含量相對(duì)較低。說(shuō)明在參試品種范圍內(nèi)，蔗莖中木質(zhì)素的含量分布均勻且品種間含量差異不顯著。據(jù)此可初步推測(cè)，木質(zhì)素可能為蔗莖中的穩(wěn)定成分且在品種間變化不明顯。

圖3 5種甘蔗不同部位木質(zhì)素含量Fig.3 Hemicellulose content in different parts of five sugarcane varieties

2.4 相關(guān)性分析

統(tǒng)計(jì)分析中部位（上、中、下）為分層變量，由上至下分別記為1、2、3。由表1可知，纖維素與部位呈極顯著正相關(guān)，說(shuō)明纖維素由上至下呈遞增趨勢(shì)。半纖維素與部位呈極顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明半纖維素由上至下呈遞減趨勢(shì)。木質(zhì)素與部位相關(guān)性不顯著，說(shuō)明木質(zhì)素在蔗莖中分布均勻。纖維素與半纖維素呈極顯著負(fù)相關(guān)，半纖維素與木質(zhì)素呈極顯著正相關(guān)，木質(zhì)素與纖維素相關(guān)性不顯著。

表1 各因素間相關(guān)性分析Table 1 Correlation among three fiber components in sugarcane

3 討論與結(jié)論

本文基于蔗莖不同部位的纖維組分進(jìn)行了研究，反映了甘蔗整體纖維組分在蔗莖中合成和積累的趨勢(shì)；同時(shí)蔗莖的不同部分，又對(duì)應(yīng)了不同的蔗莖生長(zhǎng)時(shí)間和成熟程度。所以本研究還在一定程度上，反映了蔗莖中不同成熟度部位纖維組分分布特征。

纖維組分的主要功能是組成細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，并對(duì)植物體起支撐作用[9]。植物細(xì)胞壁分為初生壁和次生壁[10-11]，初生壁是植物細(xì)胞伸長(zhǎng)過(guò)程中的細(xì)胞壁，其結(jié)構(gòu)更具彈性且活性較強(qiáng)[12]，能較好適應(yīng)生長(zhǎng)中細(xì)胞的體積變化。初生壁中半纖維素含量較高，其主要作用是交連纖維素微絲[13]。本研究中蔗莖中纖維素含量由上至下遞增，說(shuō)明次生壁的合成由上至下依次增多；上部半纖維素含量顯著高于中部和下部，說(shuō)明蔗莖上部細(xì)胞中初生壁所占比例顯著高于中、下部；而中部和下部半纖維素含量較低且相互差異不顯著，說(shuō)明從中部開始蔗莖中細(xì)胞多數(shù)已停止初生壁生長(zhǎng)，細(xì)胞伸長(zhǎng)停止。次生壁是成熟細(xì)胞壁繼續(xù)增厚形成的結(jié)構(gòu)[14]。其強(qiáng)度更高，能更好地對(duì)植物細(xì)胞起固定和保護(hù)的作用[15-16]。次生壁中纖維素的含量更高，且有木質(zhì)素存在[17]，與纖維素結(jié)合成機(jī)械強(qiáng)度更高的結(jié)構(gòu)[18-19]。本研究中蔗莖下部的纖維素含量最高，是由于下部為蔗莖中生長(zhǎng)時(shí)間最長(zhǎng)的部分，細(xì)胞壁次生化成度最高。各品種中部纖維組分差異顯著，說(shuō)明品種間次生壁形成的速度和次生壁強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)都存在差異?；诖?，研究可進(jìn)一步細(xì)化蔗莖部位切分，明確蔗莖細(xì)胞停止伸長(zhǎng)并開始次生壁積累的具體位點(diǎn)并進(jìn)行品種間特性分析，進(jìn)而為評(píng)價(jià)品種特性提供幫助。而木質(zhì)素于蔗莖各部位的均勻分布則說(shuō)明甘蔗蔗莖在成熟期整體細(xì)胞的次生壁木質(zhì)化程度不高。由于上部細(xì)胞多處于伸長(zhǎng)期，故細(xì)胞壁多為不含木質(zhì)素的初生壁。因此推測(cè)在上部檢出的木質(zhì)素含量主要來(lái)源于甘蔗表皮，可進(jìn)一步分離表皮進(jìn)行檢測(cè)加以驗(yàn)證。而各部分木質(zhì)素含量相同則說(shuō)明各部分木質(zhì)素的含量均源于表皮組織。故蔗莖內(nèi)主要組織的次生壁應(yīng)以纖維素為主，而木質(zhì)素含量不高。蔗莖中部為各品種間纖維素和半纖維素差異最顯著部位，說(shuō)明基于種性的不同，各品種甘蔗纖維素和半纖維素代謝程度不同，且在蔗莖中部體現(xiàn)最為明顯。由于細(xì)胞壁由初生壁到次生壁存在纖維素合成過(guò)程[20]，所以蔗莖中部為初生壁向次生壁轉(zhuǎn)化最活躍的部位。因此，可以以蔗莖中部纖維組分含量作為甘蔗種性評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)之一。

綜上所述，本研究明確了蔗莖中纖維素、半纖維素及木質(zhì)素3 種纖維組分含量分布特征：蔗莖中纖維素含量由上至下呈遞增趨勢(shì)；蔗莖上部的半纖維素含量最高為21.3%，下部含量次之為12.36%，中部半纖維素含量最低為12.19%；木質(zhì)素分布均勻。蔗莖中部為次生壁開始形成的主要部位。