甜高粱茎秆糖分及发酵制取乙醇研究进展

侯 昊，李勇进，王学华

(湖南农业大学农学院，长沙410128)

能源一直都是社会发展的动力。随着近年来能源危机、环境恶化等问题的出现，找到安全、可靠的能源供应以及对能源进行清洁、高效利用是各个国家都在探索的重要问题[1]。包括生物能源在内的各种新型能源的发现和应用，已成为世界各国的研究重点。

甜高粱是禾本科高粱属一年生草本植物，因其不仅能产出高粱籽粒，茎秆中还富含糖分而得名。甜高粱是C4植物，植株可高达3 m以上，其生物产量能达到63～82.5 t/hm2[2]。作为目前极具优势的能源作物，甜高粱吸引了世界各国科学家的目光。它茎秆中的糖分可以通过发酵迅速转化为清洁安全的燃料乙醇，非常符合我国提出的发展生物能源产业“不得占用耕地，不得消耗粮食，不得破坏生态环境”的方针和“坚持以人为本，坚持保护生态和环境，坚持科学利用，坚持可持续发展”原则。因此，加强甜高粱转化燃料乙醇产业的开发与研究，能有效缓解目前我国面临的能源供应危机、生态环境恶化等问题，促进经济的可持续发展[3]。

1 甜高粱茎秆糖分积累与分布

1.1 甜高粱糖分积累

甜高粱茎秆中何时开始有糖的积累尚有争议。有研究认为，在茎节停止伸长后开始积累糖分[4]。有的研究者则认为，在营养生长末期或进入生殖生长期以后茎秆才开始积累糖分。出现两种意见的原因在于对茎秆中糖浓度达到多少时可以被认为糖分开始积累没有统一的标准。其实茎秆中很早就有了糖分，只是开始时积累量少，进入开花期后糖分才迅速积累。目前大多数研究者认为应该是茎节停止伸长以后茎秆内才开始积累糖分。

不同品种茎秆糖含量达到其峰值的时期是不一样的[5]。大部分研究者认为，糖含量一般在完熟期达到峰值[6，7]。但是在这之后如果光照与温度适宜，茎秆中的糖含量仍然会有所升高[8]。如果外部环境不适宜，茎秆中的糖分则会被植株消耗掉一部分以维持其生理活动。这可能也是不同研究者对于含糖量达到峰值是在完熟期还是完熟期以后存在争议的一个原因。决定甜高粱含糖量的还有茎秆鲜重。从拔节期到抽穗期茎秆鲜重增加得很快[9]，到了乳熟期以后则基本保持不变[10]，但是随着籽粒的逐渐蜡熟，茎秆的出汁率也会逐渐下降[11]。所以，最高理论糖产量是在完熟期左右，收获的最佳时间则要稍微提前一点，即在籽粒达到生理成熟时就可以开始收获。

甜高粱茎秆内的糖分组成也会随着生育期而发生变化。茎秆汁液中总还原糖的浓度在早期往往较高，而蔗糖的浓度要稍低，随着甜高粱的发育，总还原糖浓度逐渐下降，蔗糖的浓度则逐渐上升[12]。但是糖浆性品种茎秆汁液中蔗糖含量变化不大，而总还原糖、葡萄糖、果糖的浓度则有一些波动[13]。

1.2 甜高粱茎秆糖分的分布

甜高粱植株拥有2个库，一个是与普通高粱一样的储藏淀粉的籽粒库，另一个是储藏糖分的茎秆库。在光合产物分配方面茎秆库的分配率高、分配时间长，而且在抽穗后积累速度还在增加，籽粒库发育晚且速度较慢，光合产物的积累远少于茎秆，收获时茎秆占地上部分生物质总产量的比例大(67%)[14]。不同的甜高粱品种茎秆汁液中糖分的组成是有区别的。基于茎秆汁液中各种糖分的比例，可将甜高粱品种分为两种，还原糖较高的为糖浆型品种，而蔗糖含量较高的则是糖晶型品种[17]。在同一茎秆中不同部位的各种糖分比例也有区别。有实验发现，茎下部含葡萄糖的比例要高于茎上部，茎上部的蔗糖比例则要高于茎下部[18]。Billa等[19]分析了甜高粱茎秆干物质的构成，发现蔗糖占茎秆干物质的55%，其次是纤维素(12.4%)和半纤维素(10.2%)，而木质素、葡萄糖及灰分仅分别占4.8%、3.2%和0.3%。同时在茎皮和茎髓中各种糖分的分布也不同，茎髓中蔗糖占67.4%，葡萄糖占3.7%，而在茎皮中蔗糖只有32.4%，葡萄糖也只占到2.4%。茎秆糖分在不同的茎节间也存在着明显的差异。各个茎节的含糖量自下而上呈先升高后下降的波形变化趋势，即茎秆中上部茎节的含糖量是最高的[18～24]，但也有少数甜高粱品种会表现出一些不同的变化规律[23～25]。

2 甜高粱糖分产量的影响因素

甜高粱植株高大，茎秆鲜产量很高，在大规模生产中茎秆的收获与集中处理存在着一定的难度。通过研究各种栽培措施对甜高粱糖分含量、收获时期等的调控作用，结合生产中的实际需要，制定出既能适应甜高粱的生产模式又不会影响最终产量的合理栽培管理模式，对于甜高粱未来的大规模生产与综合利用有着重要的意义。

2.1 播期

播期不仅仅对甜高粱的生育期有影响，而且会影响糖分积累进程，进而影响到最终的糖产量。沈飞等[26]在上海地区进行甜高粱的推迟播种实验，将播期推迟一个月，发现茎秆含糖量出现峰值的日期延迟了10～14 d。但是晚期播种(6月初)的甜高粱茎秆糖含量比早期播种(5月初)的要高出46.5%。结果的不一致可能与甜高粱生长发育过程中的光照、温度等环境因素有关。张志鹏等[27]在沈阳进行分期播种试验(分4月20、4月30、5月10和5月20共4个播期处理)，发现前2个播期茎秆含糖量在花后10～20 d(8月中下旬)达到最高，而后2个播期则在花后30～40 d(9月上中旬)才达到最高值，与前2个播期相比，到达糖含量峰值的时间延迟了20 d左右。由此可见，适当地分期播种，对于延长糖分在茎秆中的保持时间和错开甜高粱的收获时间具有重要意义和实际价值。但是，播期对甜高粱的影响应该结合当地的温度、日照等环境因子来综合评价，不能把产量的变化看成是播期这个单一因素的影响结果。

2.2 种植密度

虽然密植可以提高甜高粱单位面积的生物产量，但是种植密度对茎秆糖产量的影响还存在着分歧。有的研究认为增加密度，会显著降低茎基部含糖量而且对含糖量和糖产量也有一定的影响[28];也有报道指出，适当增加密度能使茎秆汁液中蔗糖含量升高[29]。Broadhead 等[30]认为，与常规行距(105 cm)相比，窄行距(52.5 cm)虽然可以提高甜高粱单位面积茎秆鲜产量和糖分产量，但同时会导致植株倒伏，降低了茎秆汁液锤度、出汁率、蔗糖含量。焦少杰等[31]围绕栽培密度对不同甜高粱品种产量与含糖量的影响开展了一系列研究，发现不同栽培密度下同一品种茎秆产量的差异极显著，但是含糖量差异不显著，而不同甜高粱品种与不同栽培密度随机组合后，各个处理间含糖量差异明显。因此，在甜高粱生产上，应注重品种与其对应的最优栽培密度相配套，这样才能充分发挥品种的生产力。

2.3 矿质营养

甜高粱是一种耐瘠薄的作物，但肥料对茎秆糖分还是有着显著的影响。增施磷肥可以提高甜高粱的糖产量，因为在植物体内蔗糖是由还原性糖与磷酸作用产生磷酸丙糖，再运输到细胞质中与酶作用生成的，因此在磷肥充足的情况下，蔗糖的合成加强，从而提高茎秆的糖产量[30]。Soileau 等[32]研究了种植于酸性砂壤土中的甜高粱在施入石灰及N、P、K肥料后其产量与糖含量的变化，发现施入石灰能极大的提高甜高粱汁液糖产量以及茎秆和籽粒产量，并且在施入石灰的处理中，在N、P比较充足的条件下，增加K肥施用量甜高粱的糖产量会随之逐渐增加。周鸿飞等[33]研究了 Zn、Mg、Fe几种矿质元素对甜高粱糖产量的影响，发现当Mg浓度较低，Zn浓度较高时甜高粱的糖产量要高一些，而Fe对甜高粱糖产量的影响不明显。

3 利用甜高粱茎秆糖分生产燃料乙醇

甜高粱不但能结出3 000～7 500 kg/hm2的籽粒，而且还能产出60 000～75 000 kg/hm2的富含糖分的茎秆用于榨取糖分来制取燃料乙醇[34]。甜高粱茎秆出汁率高达60%以上，茎秆的汁液锤度(即甜高粱茎秆汁液中所含的可溶性固形物的百分率)为15%～20%。据测算在现有的技术水平下，平均每16～18 t茎秆就可以生产1 t乙醇[35]。

甜高粱制取燃料乙醇目前主要有液体发酵和固体发酵2种工艺路线。国内外研究人员对2种工艺路线中的发酵添加营养物、发酵条件、发酵菌种和发酵装置等进行了大量富有成效的研究。

3.1 液体发酵

在液体发酵工艺中，首先将茎秆汁液压榨出来，添加适量的营养盐，接种，通过一定时间的发酵得到醪液，最后经过精馏就能得到可以作为燃料使用的乙醇。沈阳农业大学于20世纪90年代设计了一套年产30 t乙醇的固定化酵母流化床生物反应器，采用液态发酵技术，乙醇转化率达到理论值的93%[36]。可见，液态发酵的乙醇转化率较高，并且工艺流程简单，适宜大规模生产。其缺点是生产过程中会产生大量蒸馏废液，这些废液需要进行环保处理才能直接排放，增加了项目投资。而且需要集中压榨大量茎秆，这样茎秆的收集、运输费用大大增加。而且压榨出的糖汁需要及时处理，否则会变酸或变色。Daeschel等[37]的研究表明，新压榨的甜高粱茎秆汁液在常温下需要在5 h内进入发酵罐。如果压榨后及时存放于4℃条件下，则可以放置14 d，这样无疑又大大增加了生产成本。

Worley等[38]设计了2种甜高粱综合利用方案:一种是将甜高粱榨汁、浓缩成糖浆后储存起来，用于乙醇的发酵生产，榨汁后的秆渣则作为饲料来喂养牲畜;另一种方案是榨取的汁液直接进入生产程序，并不进行浓缩和储存。而榨汁后的秆渣中含有丰富的纤维素，在汁液处理完以后应用纤维素水解技术转化为糖继续生产乙醇。通过研究发现，由于汁液的浓缩储存成本较高，因此方案二的能量产出要高于方案一。

由于液体发酵工艺比较成熟，对发酵方式以及发酵参数的选择和优化有助于提高乙醇产量。液体发酵使用的是甜高粱茎秆压榨出的汁液，其中缺乏一些乙醇酵母发酵过程需要的氮源以及某些矿物质元素，需要人工添加一些营养盐[39]。刘荣厚等[40]进一步研究了固定化酵母粒子强化、添加营养盐和发酵工艺参数对甜高粱茎秆乙醇发酵的影响，采用优化后的参数进行发酵，乙醇转化率达到理论值的97%以上，发酵时间减少到5～7 h。

3.2 固体发酵

固体发酵工艺则是不经过压榨，将茎秆粉碎后直接接种进行固体发酵，发酵结束后，用蒸汽吹蒸，冷凝，得到粗乙醇，然后进一步精馏脱水，得到成品乙醇。2005年农业部规划设计院结合863计划建立了年产5 000 t甜高粱茎秆乙醇发酵项目。该项目用平均糖锤度为18%的甜高粱茎秆为原料，采用固态发酵工艺，其乙醇转化率达到理论值的88%[41]。固体发酵工艺的发酵体积较小，能耗小，资金投入少，发酵工艺设备简单，易于操作，便于推广，另外由于用水少，因此废水处理问题小。但需要的生产场地较大、劳动强度较大，因而比较适宜在经济不发达地区推广。同时也可以采取分散加工的方法，在甜高粱种植基地建立生产粗乙醇的小厂，然后再建立一个精馏总厂，统一处理由小厂生产出的粗乙醇。与直接收集运输新鲜茎秆相比，这种生产模式无疑大大降低了运输成本。

固体发酵的发酵能力依赖于底物的颗粒大小、水分含量以及接种量等因素。Kargi等[42，43]研究了利用酿酒酵母进行固体发酵生产乙醇的一些影响因素，发现底物含水量为70%，发酵温度为35℃，接种的细胞初浓度为7×108个/mL时乙醇产率是最高的。同时向发酵底物中添加一些还原剂(Na2S、盐酸、半胱氨酸)可以降低酵母细胞在发酵结束后的乙醇消耗量，可以提高乙醇产率。刘杰等[44]用九甜粱1号和九甜杂1号2个品种进行了固态发酵实验，结果表明，不同的甜高粱品种茎秆乙醇产率有一定的差异:九甜粱1号茎秆可生产99.6%的无水乙醇3.96 t/hm2;九甜杂1号茎秆可生产99.6%的无水乙醇3.75 t/hm2。

4 问题与展望

甜高粱茎秆糖分是生产燃料乙醇的原料，提高原料的产量与选育优良的品种是密不可分的。目前我国的甜高粱品种要么茎秆鲜产量高但是含糖量低，要么含糖量高但是茎秆鲜产量低，很难找到二者皆备的优良品种。而且我国现有的甜高粱种质资源中缺乏一些抗倒伏、高糖产量的关键种质资源。

随着我国人口的不断增长，耕地面积逐年缩小，这就决定了发展甜高粱产业更多的是利用荒漠、盐碱地等边际性土地。而利用边际性土地种植甜高粱，在水分管理以及病虫害、杂草等的防治方面无法与大田一样进行统一而有效的栽培管理，所以甜高粱品种除了要具有抗旱、耐涝、耐盐碱以外，还应具有一定的抗虫、抗杂草、抗鸟害等抗生物性胁迫的能力。

目前来看，应用群体改良技术选育高含糖量、耐高密度、抗倒伏、抗逆性强的高产品种才是提高甜高粱糖产量的有效途径。同时也要加强基因工程、细胞工程等先进技术在甜高粱育种中的应用，为以后甜高粱综合开发与利用提供发展的基础和充足的原料来源。

甜高粱是粒用高粱的一个变种。它的小规模种植还只有一百多年的历史，其各项研究水平都远落后于玉米、甜菜、甘蔗这些常规作物，也落后于粒用高粱。目前国内对于甜高粱的研究主要集中在栽培调控措施和燃料乙醇的生产工艺方面，而涉及到生理生化方面的研究很少，对不同品种间物质积累、分配和代谢差异的机理研究不够。所以在甜高粱方面有着广阔的研究空间。

甜高粱茎秆鲜产量很高，不易收集和运输，同时茎秆中的糖分不耐贮藏，收获以后茎秆中糖分下降速度很快。结合目前的研究成果来看，通过分期播种错开收获时期、研发小型的榨汁和浓缩制取糖浆的设备，在田间地头将大量的新鲜茎秆先转化成方便贮存和运输的糖浆可以有效解决这些问题。同时也应该看到，甜高粱可以利用的部分不仅仅局限于糖分跟籽粒，甜高粱秸秆中同时含有大量的纤维素，这些纤维素也可以通过发酵生产燃料乙醇。虽然目前纤维素发酵技术不完善，设备要求、生产成本等都比较高，但这也是我们对甜高粱进行科学综合利用的一个重要方面。在利用纤维素制取酒精技术不成熟的现在，也可以利用榨汁后的秆渣来生产纸浆、板材等纤维素产物，而且秆渣本身还是一种很好的青饲料。

在化石能源储量日趋减少，环境压力逐渐增大的背景下，甜高粱茎秆制乙醇研究已经取得较大进展。大力发展甜高粱产业，综合开发利用甜高粱，调整目前不合理的能源生产与消费模式，实现资源的再生利用及生态良性循环，有效缓解日趋严重的能源危机及环保问题，对于促进我国经济和社会可持续发展和生态环境的改善有着重大意义。

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