蔗梢綜合利用研究進展

孫健，何雪梅，趙謀明，*，董怡，李麗，李昌寶

（1.華南理工大學輕工與食品學院，廣東廣州 510640；2.廣西農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，廣西南寧 530007；3.廣西作物遺傳改良重點開放實驗室，廣西南寧 530007）

甘蔗是禾本科（Graminaeeae）甘蔗屬（SaccharumL.）植物，是我國制糖的主要原料。我國是世界三大甘蔗起源中心之一，目前已成為居巴西、印度之后的世界第三大食糖生產(chǎn)國，其中廣西為我國甘蔗生產(chǎn)第一大省，約占全國總面積的50%[1]。蔗梢，又稱甘蔗尾葉，是收獲甘蔗時頂上最嫩節(jié)和青綠葉片的統(tǒng)稱，不同于其他部位葉片，是甘蔗生產(chǎn)中的主要副產(chǎn)物之一，約占甘蔗生物總量的20%[2]，我國每年有幾千萬噸的蔗梢廢棄物，如能加以合理利用，將避免大量的資源浪費和生態(tài)環(huán)境污染。本文就近年來國內(nèi)外蔗梢的綜合加工利用現(xiàn)狀進行了綜述，分析了存在的主要問題，對提高我國蔗梢的綜合利用程度，促進甘蔗產(chǎn)業(yè)高效、可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 我國甘蔗種植現(xiàn)狀與蔗梢資源

甘蔗主要分布在北緯33°至南緯30°之間，其中以南北緯25°之間面積比較集中。作為重要的能源和糖料作物，甘蔗在世界農(nóng)業(yè)經(jīng)濟中占有重要地位。我國自2000年開始一直保持甘蔗種植面積和總產(chǎn)量世界第三的位置[3]。圖1為2004年～2011年份我國甘蔗種植面積趨勢圖。

由圖1可知2004年～2009年之間，甘蔗種植面積逐年遞增，2009年后有小幅的回落。根據(jù)我國農(nóng)業(yè)部公布的“雙高”甘蔗優(yōu)勢區(qū)域規(guī)劃，我國甘蔗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展未來主要集中在“桂中南優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)帶”、“滇西南優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)帶”以及“粵西優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)帶”等3個產(chǎn)業(yè)帶區(qū)，制糖基地移向廣東、廣西、云南3個省份。圖2即顯示了這種趨勢的變化，2011年廣西、云南、廣東等優(yōu)勢蔗區(qū)的種植面積由2004年的107萬hm2增加到145萬hm2。

圖1 2004年~2011年我國甘蔗種植面積變化趨勢圖Fig.1 Change trend graph of China’s sugarcane planting area of from 2004 to 2011

圖2 2004年~2011年我國各主產(chǎn)區(qū)甘蔗種植面積Fig.2 The sugarcane planting area of main producing areas of China from 2004 to 2011

2 蔗梢的營養(yǎng)價值

對鮮甘蔗稍進行營養(yǎng)測定，結(jié)果表明鮮甘蔗梢含干物質(zhì)（DM）22.6%，干物質(zhì)中粗蛋白（CP）、粗脂肪（EE）、粗纖維（CF）、無氮浸出物（NFE）的含量分別為5.1%、2.0%、41.5%、47.8%[4]，其所含營養(yǎng)成分絕大部分可被動物吸收利用。蔗梢是蔗莖生長點所在部位，在甘蔗發(fā)育過程中（除開花以后），蔗莖的養(yǎng)料盡量提供給生長點，故含有多種無機元素、蛋白質(zhì)、淀粉、維生素、氨基酸、酚類、酶類等。蔗梢成分與蔗莖成分比較，蔗糖含量、纖維含量較低，而單糖、蛋白質(zhì)、氨基酸、酚類、礦物質(zhì)含量較高[5]，見表1。

表1 蔗梢與蔗莖中營養(yǎng)成分的對比Table 1 The nutrient component comparison of sugarcane tops and sugarcane stems

3 蔗梢的綜合利用現(xiàn)狀

3.1 留種

蔗梢最傳統(tǒng)的利用方式就是留種。梢頭部分葡萄糖多數(shù)還未轉(zhuǎn)化為蔗糖，能夠直接被蔗芽吸收，具有出苗快，出苗齊的特點。試驗表明，用蔗梢（蔗莖生長點70 cm左右的部分）作種，一個月就可以出苗，出苗率達98%，在出苗速度和出苗率方面遠優(yōu)于用蔗莖中段和老頭作種[6]。

3.2 粉碎還田

蔗莖收獲后，廢棄的蔗梢通過粉碎還田技術(shù)返回到田里，蔗梢中富含的氮、磷、鉀、鎂、鈣等多種營養(yǎng)元素回歸土壤中，可有效地改善土壤的團粒結(jié)構(gòu)和理化性狀，增加土壤有機質(zhì)含量，并可改善土壤生物環(huán)境和土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤自身調(diào)節(jié)水、肥、濕、氣的能力，增加土壤孔隙度和含水率，對甘蔗長年連作的可持續(xù)穩(wěn)定增產(chǎn)具有非常重要的意義[7]。近年來，蔗梢粉碎還田技術(shù)越來越成熟，國內(nèi)多家研究單位都致力于改進機械的撿拾性、粉碎效果及對宿根的保護。在國外北昆士蘭，種植者將蔗梢粉碎回田覆蓋地表來控制雜草和保持水分[8]。

3.3 用作飼料

蔗梢收獲期在11月至翌年4月，正值枯草期，利用蔗梢做動物飼料，可以解決牲畜越冬飼料不足矛盾。蔗梢干物質(zhì)含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，含糖量高，適口性好，是一種良好的飼料資源[9]。蔗梢用作飼料的主要方式是青貯或氨化，還有將蔗梢與其他飼料配比，提高飼料的營養(yǎng)價值和利用率。研究發(fā)現(xiàn)，利用氨化的蔗梢飼喂肥肉牛，發(fā)現(xiàn)氨化后的蔗梢可以改善飼料的適口性，提高消化率和采食量，提高飼料的營養(yǎng)價值，帶來了可觀的經(jīng)濟效益，并解決了秋冬季節(jié)青綠飼料不足的問題[10]。韋正宇等利用鮮甘蔗尾葉添加尿素為主育肉牛，每天每頭補充精飼料0.4 kg～0.5 kg，每頭?？稍黾?00多元收益[11]。Puga等用60%蔗梢、30%玉米茬、10%牧草，并添加不同量的尿素飼喂綿羊，研究了瘤胃的發(fā)酵[12]。結(jié)果顯示，高纖維飼料添加尿素能改善瘤胃的發(fā)酵，氨的供給和揮發(fā)性脂肪酸的產(chǎn)生。Ortiz-Rubio證實了蔗梢是一種潛在的肉牛飼料資源，但是作為單一的飼料是不足的，要適當添加不同氮源，每公斤干蔗梢添加家禽肥料100 g、尿素8 g、500 g高氮補充物就能滿足瘤胃微生物發(fā)酵[13]。日本模擬了一種將肉牛幼崽飼育與甘蔗生產(chǎn)有機結(jié)合的模式，調(diào)查了甘蔗作為替代飼料的可行性和這種模式的經(jīng)濟效益。模式分為兩個子系統(tǒng)：肉牛幼崽飼育與甘蔗生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)，肥料生產(chǎn)，該模式能模擬在成牛的生殖循環(huán)和幼崽的生長過程中能量、蛋白質(zhì)的總需求和隨后經(jīng)糞便和尿液排出的氮損耗，蔗梢作為主要的粗飼料來源，牛糞便作為甘蔗種植的無機肥料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)此方案中飼育與肥料消耗要低，綜合利用蔗梢和肥料是經(jīng)濟可行的[14]。

3.4 直燃發(fā)電

利用農(nóng)業(yè)廢棄物取代石油、煤炭等資源是能源短缺的國家正在研究的熱點。利用甘蔗副產(chǎn)物直燃發(fā)電能較好地回收利用甘蔗，帶來良好的環(huán)保效應和經(jīng)濟效應。我國首個利用甘蔗葉進行直燃發(fā)電項目于2010在廣西壯族自治區(qū)柳城縣正式投產(chǎn)[3]，以2008年的蔗葉總量計算，如果蔗葉全部用來發(fā)電，可供應約93個年發(fā)電量1.8×109kW·h的電廠，總發(fā)電量約167.4×109kW·h，與同等發(fā)電廠相比年可減少二氧化碳排放量約930萬t、二氧化硫排放量約5.58萬t、煙塵排放量約3.72萬t。毛里求斯糖廠利用甘蔗梢和甘蔗渣生物發(fā)電，每噸原料蔗有565 kg纖維性甘蔗生物質(zhì)可用來發(fā)電。僅用蔗渣發(fā)電，其每噸原料蔗利用率為28%，能提供60 kW·h～180 kW·h的電力。在利用蔗渣的同時，把蔗梢和蔗葉也加以利用，每噸原料蔗的利用率可達 60%，能提供 146 kW·h～401 kW·h的電量[15]。澳大利亞東南部的新南威爾士州在2009年11月建成了世界上第一座以甘蔗葉直燃發(fā)電的工廠，年發(fā)電量為4.2×109kW·h，每年減少約40萬t溫室氣體的排放，同時也因收購甘蔗葉為當?shù)剞r(nóng)民增加了收入[16]。

3.5 生產(chǎn)工業(yè)乙醇

Raveendran等首次報道了利用蔗梢生產(chǎn)生物乙醇的研究，作者用響應面分析法優(yōu)化了工藝中的各影響因素，包括生物質(zhì)上樣量、加酶量、表面活性劑濃度和孵育溫度[17]。在最佳水解條件下，還原糖得率為0.685 g/g預處理生物質(zhì)。利用酵母對水解產(chǎn)物發(fā)酵，得到11.365 g/L生物乙醇，效率達到50%左右。Raveendran又用一種新的表面活性劑輔助超聲波預處理蔗梢，能有效地去除半纖維素和木質(zhì)素，并能提高蔗梢還原糖得率[18]。研究并優(yōu)化了預處理和水解的操作因素，在優(yōu)化水解條件下，預處理的生物質(zhì)中還原糖的得率為0.661 g/g表面活性劑輔助超聲預處理蔗梢是一種潛在的制造生物乙醇的原料。

3.6 生產(chǎn)蔗梢汁飲料

蔗汁性寒味甘，具有清熱生津、潤燥止渴、消積下氣的功能，是四季保健的佳飲。廣州甘蔗糖業(yè)研究所檢測中心比較了蔗汁和蔗梢汁中氨基酸、有機酸、礦物質(zhì)等的含量，發(fā)現(xiàn)蔗梢汁營養(yǎng)更為豐富，蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素、多酚類、酶類的含量是蔗汁中的幾倍[19]，可生產(chǎn)風味獨特的蔗梢汁保健飲料。藥理研究結(jié)果表明，蔗梢汁具有抗癌作用[20]，蔗梢汁對小白鼠肉瘤S180的生長有明顯的抑制作用，能延長艾氏腹水小鼠的純活期，其抗癌作用與其富含天門冬酰胺、天門冬氨酸、谷氨酸等20多種氨基酸和豐富的多酚類物質(zhì)有關(guān)。蔗梢汁富含礦物質(zhì)，作為飲料可補充人體需要的微量元素。蔗梢汁飲料的制造工藝為提汁后采用石灰法或加豆?jié){加熱法澄清，以保持風味，澄清后可配VC等抗氧化和酸味劑護色，榨汁后可先濃縮成糖漿貯存，入夏季再稀釋裝瓶[21]。

3.7 提取抗氧化活性成分

現(xiàn)代醫(yī)學研究證明，人體許多疾病與生物氧化及過剩的自由基有關(guān)，當人體內(nèi)的自由基產(chǎn)生過多或清除過慢的時候就會對各種細胞器官造成損傷，從而加速機體衰老并誘發(fā)各種疾病，抗氧化劑能清除人體內(nèi)的自由基而具有抗衰老和預防疾病的作用[22-24]。抗氧化活性成分主要是酚類化合物，甘蔗中含有豐富的多酚類化合物，具有較強的抗氧化作用。通過測定多種蔬菜水果的自由基清除能力發(fā)現(xiàn)，水果以梅子最高，為5 770/100 g，蔬菜最高為甘藍1 770/100 g，而蔗莖壓榨汁為26 400/100 g，其抗氧化能力極為可觀[25]。蔗梢雖然只占蔗莖的小部分，但多酚類物質(zhì)含量比蔗莖還多，且比較集中[26]。Li等比較了中國甘蔗蔗梢、蔗莖、蔗根和蔗葉中黃酮和花青素的含量，發(fā)現(xiàn)蔗梢和蔗根中黃酮含量高于蔗莖[27]。以上研究都表明，蔗梢的抗氧化能力非常強，是一種潛在的抗氧化劑資源。孫曉雪等對蔗梢中酚類物質(zhì)進行了定性和定量分析，并對其抗氧化和保鮮應用做了研究，結(jié)果顯示，蔗梢多酚的得率為185 mg/100 g蔗梢，富含表兒茶素，蔗梢多酚可以抑制花生油的氧化、延長冷鮮肉的貨架期，對胡蘿卜汁的護色有一定作用[28]。

3.8 其他利用方式

蔗梢還可用于生產(chǎn)廄肥，將干燥好的蔗梢放在廄棚內(nèi)，經(jīng)牲畜踩踏，混合吸收其糞便，掏出堆集自然漚制，然后還田，這種方法雖效果好，但效率低。蔗梢汁富含氨基酸，可用于提取氨基酸生產(chǎn)混合或單一的氨基酸提取液，目前仍限于實驗室規(guī)模研究與應用階段。

4 蔗梢綜合利用中存在的問題與對策建議

4.1 基礎(chǔ)研究薄弱

我國是甘蔗種植大國，制糖工業(yè)發(fā)達，甘蔗產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)研究主要集中在甘蔗品種改良和制糖工藝的改進上，對甘蔗副產(chǎn)物開發(fā)利用的研究很少，甘蔗副產(chǎn)物的基礎(chǔ)研究則更少。如蔗梢的營養(yǎng)功能性成分、加工特性，蔗梢青貯或氨化過程中營養(yǎng)成分的變化及飼喂效果等的基礎(chǔ)研究缺乏或不夠深入，限制了蔗梢精深加工，致使蔗梢的價值得不到充分的開發(fā)。國家應加大對此類方向的科研投入，支持深入開展蔗梢的基礎(chǔ)研究工作，為進一步提高甘蔗的附加經(jīng)濟效益奠定理論基礎(chǔ)。

4.2 重視度不足

目前蔗梢最主要的處理方式還是最傳統(tǒng)的焚燒、簡單的堆漚等，利用程度非常低，既造成了資源浪費又污染環(huán)境，副產(chǎn)物綜合利用的觀念比較淡薄。隨著國家對可再生資源開發(fā)利用的重視，我們應對蔗梢的再利用重新認識，使廢棄物的剩余價值得到充分開發(fā)，實現(xiàn)資源的高效利用。

4.3 關(guān)鍵技術(shù)亟待解決

蔗梢的精深加工與開發(fā)利用方式由于涉及的技術(shù)問題較多，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益不好，被擱置在實驗室探索階段，無法進一步工業(yè)化生產(chǎn)應用，很大程度上制約了蔗梢綜合利用的開展。因此，今后我們要集中力量在這些領(lǐng)域解決關(guān)鍵問題，促進蔗梢綜合利用的快速發(fā)展。

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