甘肃省甜高粱全产业链研究现状与发展对策

2019-01-04韦瑛

中国糖料 2019年2期

韦瑛

（武威市农产品质量安全监督管理站，甘肃武威733000）

0 引言

全球范围内能源危机、气候异常、环境污染等问题，向人类提出了经济发展方式与生存这两大命题。走节能减排、清洁生产、资源循环利用、可持续发展的道路，必然成为中国乃至世界的共同选择。甜高粱是目前世界上公认的最具开发利用价值的新型能源作物之一，具有光合效率高、适应性强、抗旱、耐涝、耐盐碱等优点，是一种高效节水型作物，非常适合于我国西北广袤贫瘠土地种植。国家能源科技“十三五”规划中，已明确把非粮作物甜高粱的应用开发作为优先发展方向，在这一背景下，甘肃作为我国西部重要的生态屏障和陆路枢纽，发展甜高粱循环经济产业就显得尤为迫切和必要。推广种植糖用型甜高粱，可利用其生物量大、含糖量高的特点发展循环经济产业链，其茎秆经压榨后，汁液可为当地企业提供深加工原料，除了生产乙醇、丁醇等生物燃料，还可生产酵母葡聚糖、谷胱甘肽、果葡糖浆、谷氨酸等系列产品，其残渣可加工成饲料综合利用；饲用型甜高粱茎叶青贮后，是牛羊等草食性动物的优质饲料。因此，在西北地区大面积种植甜高粱，打造甜高粱循环经济产业链，对拉动农村经济、促进农民增收、推进新农村建设都具有重大的战略意义。

1 甜高粱育种及种植进展与深加工技术研发情况

1.1 甜高粱育种及种植进展

上世纪70年代开始，欧美国家开始重离子辐照诱变植物研究。日本从上世纪90年代开始，将重离子辐照技术应用于花卉的新品种选育，得到了多种花形、花色变异的花卉品种并开发应用。在甜高粱新品种选育方面，美国起步较早，先后选育出洛马（Roma）、丽欧（Rio）、雷伊（Wray）等品种；巴西也获得了 BR-501、BR-502等一批甜高粱新品种。国际半干旱地区作物研究所（ICRISAT）的甜高粱研究工作始于上世纪80年代，但由于种植面积较小等原因，于90年代中断，直到近几年才恢复，现已育成杂交种NSSH104。澳大利亚及欧洲一些国家的科研机构，也已选育出一些新的甜高粱品种。美国、巴西种植甜高粱主要用于燃料乙醇生产；澳大利亚发展甜高粱主要用作饲料，部分用于糖料和燃料乙醇生产。

我国甜高粱的研究始于20世纪80年代，辽宁、吉林等数十家科研单位，陆续选育出了一些具有自主知识产权的甜高粱品种。2006年。中国科学院兰州近代物理研究所（以下简称“近物所”）采用重离子辐照诱变技术，结合农学、遗传学、植物生理学及分子生物学手段，筛选到1株比对照品种生育期缩短29 d的甜高粱突变株，经过不断的系统筛选，其早熟性状能够稳定地遗传。持续进行扩繁并开展品种比较试验、多点区域试验和生产试验测定，表现为早熟、高产、含糖高（达22%）、抗倒伏、抗病、抗旱等优点。2013年，该甜高粱新品种通过了甘肃省农作物品种审定委员会品种认定，定名为“近甜1号”。鉴定委员会认为，该品种是我国首次利用重离子贯穿处理技术选育出的农艺综合性状优良、有产业开发价值的甜高粱新品种，成果达到国际先进水平。目前，“近甜1号”与中科院近物所从国外引进并认定的糖用型甜高粱品种“BJ0602”、“KF0608-1”及饲用型甜高粱品种“BJ0603”，正在武威市“甘肃省辐照诱变育种工程实验室”育种基地加速繁育种子。2014年，近物所又从中国科学院植物研究所等单位新引进大卡、海牛、SF82000等15个甜高粱杂交种，同时引入了不育系和保持系，并同武威市农业科学院联合开展甜高粱杂交制种工作。

2008—2014 年期间，中科院近代物理研究所陆续在甘肃、新疆、青海、内蒙古等地布点试种甜高粱，但除甘肃外，其他省区多为农户小规模零星种植，难以形成规模效应。

甘肃省甜高粱推广工作起步于2012年，中科院近代物理研究所提供糖用型BJ0602和饲用型BJ0603两个甜高粱新品种在武威市试种，经凉州、民勤、古浪三县区7个示范点汇总分析，饲用型甜高粱在武威大部分地区生长旺盛，生物产量高，平均株高309.7 cm，茎秆汁液平均含糖量达到13.2%，平均鲜茎秆产量123 675 kg/hm2，平均收入30 945元/hm2。搭配其他精、粗饲料，亩产量可饲养15个羊单位牲畜。用水量4 500m3/hm2左右，具有较高的经济效益和良好的节水效果。糖用型甜高粱（BJ0602）在武威市各试种点平均株高299.4 cm、茎秆汁液平均含糖量为19.3%，鲜茎叶亩产7419 kg。2013—2017年期间，武威市委、市政府将甜高粱作为加快农业供给侧结构改革，发展高效生态农业，提升畜牧业饲草料供给保障能力，促进农民稳步增收的一项重要举措，举全市之力，5年累计推广种植甜高粱达78.8 khm2。

1.2 中科院近物所甜高粱深加工技术研发情况

1.2.1 燃料乙醇制备生产

从2007年开始，中科院近物所就开展了以甜高粱为原料生产系列高附加值产品的技术开发工作。现燃料乙醇生产技术已成功通过中试、示范生产，工艺成熟。2014年，近物所在武威甜高粱试验田收获甜高粱秸秆约600 t，在中试试验基地使用重离子辐照选育的优良酿酒酵母菌株，用16m3发酵罐示范生产取得成功，发酵生产乙醇浓度可达13%以上，蒸馏后得到95%乙醇30 t，产品经甘肃省轻工业研究院检测，各项指标均达到国家质量标准（GB10343-2008）。目前计划与武威合作建设规模化甜高粱乙醇生产线，大力发展和推广以甜高粱为原料生产乙醇的循环经济生产模式。

1.2.2 酵母及酵母抽提物示范生产

近物所以甜高粱为原料生产酵母系列产品现已成功通过产业化中试、示范生产，工艺成熟。制备的粉状酵母抽提物经甘肃省轻工研究院检测，各项指标均达到国家质量标准（GB/T23530-2009），其中总氮含量为9.9%、氨基氮含量为5.4%，氨基氮含量明显高于同类产品，达到了国际水解蛋白委员会所规定的指标。2011年，“高氮鲜酵母和抽提物的制备方法”获得国家发明专利。

1.2.3 酵母葡聚糖生产

酵母葡聚糖是一种免疫调节剂，具有提高人体免疫力、调节血糖、抗辐射、抗肿瘤等作用，广泛应用于医药、食品、化妆品、饲料等行业。国家卫生部将酵母葡聚糖列为新资源食品，具体规定了来源、结构、分子量、理化指标、服用量及人群等。近物所以甜高粱汁液为原料，采用酶解法进行了酵母葡聚糖试生产，产品经过甘肃省质量技术监督局的测定，达到国家质量标准（GB/T 22491-2008）。2011年，“用甜高粱汁液生产酵母葡聚糖的方法”获得国家发明专利。2014年8月，“重离子改良面包酵母菌种及甜高粱汁液生产酵母葡聚糖的研究”项目通过中国科学院科技成果鉴定，研究成果达到了同类研究的国际先进水平。

1.2.4 酵母谷胱甘肽生产

谷胱甘肽是一种具有特殊活性基团的三肽（简称GSH），由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成。GSH具有诸多生理特性，包括参与细胞内代谢与调控，从而达到清除体内自由基、结合体内有害物质并排除体外，起到解毒和增强机体免疫力作用。因此，GSH广泛应用于食品、医药、化妆品等各个行业。2010年我国GSH的需求量为70 t，价格达到了250万元/t，基本依赖进口，且每年的需求量按20%～25%的速度递增，具有广阔的市场发展前景。目前，近物所已对面包酵母提取GSH工艺进行了研究，在实验室制备出了GSH样品，能为后续GSH产业化提供技术支撑。

1.2.5 谷氨酸生产

传统的发酵工业以淀粉为原料，粮耗高；淀粉需经过液化、糖化等复杂的处理过程才能发酵，周期长、能耗高。甜高粱汁液含糖量高，主要成分为蔗糖、葡萄糖、果糖等，是优良的发酵原料，利用其作为原料发酵生产生物产品，处理方法简单，灭菌后即可发酵，周期短，成本低。目前，近物所和武威荣华集团合作，共同开发以甜高粱汁液替代淀粉生产谷氨酸工艺已进入中试阶段，将明显降低生产成本，提升企业核心竞争力，形成以甜高粱汁液为主要原料生产谷氨酸的新模式。

1.2.6 果葡糖浆制备

甜高粱含糖量高，经高效液相检测分析，各种糖含量分别为：蔗糖49.7%、葡萄糖21.4%、果糖17.7%，是制备果葡糖浆的优质原料。果葡糖浆广泛应用在药品、保健品、饮料及食品等行业。果糖在人体营养代谢中不需要胰岛素的辅助，果糖的服用和吸收不会引起低血糖。目前，近代物理所承担的荣华集团的甜高粱汁液糖成分转化项目，经过努力，已制备出果葡糖浆系列产品（F42、F55、F70和F90），经检测符合国家质量标准（GB/T 20882-2007），对甜高粱产业链的延伸将起到积极的推动作用。

1.2.7 优质青贮饲料的生产及饲喂效果

（1）重离子诱变选育优良复合微生物菌剂：近年来，近物所利用重离子辐照诱变技术，获得了生长周期短、适合生产高菌体蛋白甜高粱青贮饲料的微生物菌株，经其发酵的青贮饲料粗蛋白含量比对照提高15%。在2013年武威市完成50 t微生物菌剂的生产及转化、5万t青贮甜高粱饲料（添加复合微生物菌剂）示范推广工作；2014年8月，“微生物菌剂及甜高粱青贮饲料的应用技术”项目通过中国科学院科技成果鉴定，研究成果达到了同类研究的国际先进水平。

（2）甜高粱青贮饲料提高奶牛产奶量及肉牛育肥效果：2014年，在甘肃农业大学奶牛实验基地，完成了甜高粱青贮饲料（添加复合微生物菌剂）奶牛饲喂试验。结果表明：甜高粱青贮饲料具有较好的适口性，可使奶牛产奶量提高14.2%；肉牛饲喂甜高粱青贮饲料后，经测定平均日增重1.3 kg，促进生长效果明显。

2 存在的主要问题

一是育种及制种力量薄弱。在甜高粱整个产业链中，优良品种合格种子的供应是建立稳定甜高粱原料生产基地和深加工的关键，但目前适用于西北地区种植的甜高粱品种有限，推广局限性大，中科院近代物理所的自主品种“近甜1号”制种生产尚处在试验探索阶段，严重制约甜高粱产业的规模化生产。

二是甜高粱专用播种、收割、加工等环节机械设备的研发和引进工作还没有同步跟进，甜高粱生物产品次级代谢产物转化、回收等关键技术的研发还不成熟或尚处于空白状态。

三是甜高粱青贮复合微生物菌剂需进一步筛选和优化，甜高粱种植、青贮等技术标准还需修订和完善。

3 发展对策

3.1 抓好武威核技术应用综合产业园建设

2013年，中国科学院近代物理研究所武威核技术应用综合产业园已开始启动。产业园占地213.3 hm2，“甘肃省重离子生物育种工程技术研究中心”、“甘肃省辐照诱变育种工程实验室”已入驻园区。其中，甘肃省辐照诱变育种工程实验室总占地面积53.3 hm2，建筑面积19.82万m2，土建工程投资估算约5.05亿元，设备投入约为2.25亿元。该产业园工作内容包括甜高粱制种，重离子辐照育种，工业微生物新菌种的选育研究，以及新型饲料、有机酸、生物肥料、生物农药、酵母系列产品以及乙醇等精细化工产品生产。园区分三期建设完成，一期建设需要经费投入约0.6亿元，项目建设完成后，预计每年产值10亿元，并在近期内建成甘肃省重离子辐照生物技术研发及产业孵化基地，起到引领示范作用。二期建设需要经费投入3亿元，三期需投入3.7亿元，打造乙醇、酵母葡聚糖、优质饲料等生物产品的产业链，逐步形成高科技产业集群，全面带动甜高粱产业发展。项目完全建成后，预计每年产值100亿元以上。未来将建成国家级的集科学研究、生产加工、技术培训、教育示范、观光旅游、休闲度假、农事体验为一体的现代化园区。

3.2 积极开展重离子辐照诱变育种

重离子是指原子序数大于2的具有能量的带电离子。它们可以存在于太空中，也可以通过地面加速器得到。近物所在世界上首先将重离子诱变技术用于育种领域。其原理是：可诱发DNA链断裂，通过易位、倒位、重复和缺失等基因重组产生多种形式的染色体结构变异，将紧靠的连锁基因拆开，引起基因突变，获得新的变异类型。随着武威重离子加速器项目的顺利进行，近物所与武威市已启动开展重离子诱变作物新品种、微生物新菌种研发和中试示范基地建设等方面的实质性合作。计划利用其现有的重离子加速器和武威即将建成的专用加速器提供的重离子，辐照诱变甜高粱等农作物材料，丰富种质资源，建立突变体观察筛选基地，加速杂交种亲本选育，推动具有自主知识产权的新品种研发工作；同时对新品种有计划地进行开发，与相关科研、种子机构联合研究杂交制种技术；以自主创新为纽带，用好重离子这个强有力工具，带动产业升级，打造高新技术、高新产业和高新企业基地，逐步形成高科技产业集群，建设世界一流的核技术应用综合产业园，促进近物所科技成果产业化，推动武威地方经济全面协调和可持续发展。