生物质能源甜高粱的研究进展

黑龙江农业科学2012(2):139~141Heilongjiang Agricultural Sciences生物质能源甜高粱的研究进展姜慧,胡瑞芳',邹剑秋2,李玥莹(1.沈阳师范大学化学与生命科学学院,辽宁沈阳110034;2.辽宁省农业科学院,辽宁沈阳110161)摘要:甜高梁是全球目前最重要的能源植物之一。对甜高粱的抗逆性强、生物产量高、含糖量高、适应面广的特性和用作能源、饲料、糖料、酿酒等用途进行了归纳总结;并从甜高梁的资源、育种、生理生化三方面阐述了目前甜高粱的研究现状,在全球能源岌岌可危情况下从粮食安全、可再生的环保能源利用和产业结构的调整等方面分析了其发展前景关键词:甜高梁;生物学特征;用途;研究现状;发展前景中图分类号:S566.5文献标识码:A文章编号:1002-2767(2012)02-013903甜高粱[ Sorghum bicolor(L.) Moench]也叫甜高粱茎秆粗壮,根系发达,并且两者都有较高的芦粟、芦檫、芦黍、雅津甜高粱、甜秆、高粱甘蔗,为渗透压,因此从土壤中吸收水分的能力很强。甜粒用高粱的一个变种。甜高粱不但具有生物产量高粱的蒸腾系数为305,玉米的蒸腾的系数为高、抗逆性强和含糖量高等生物学特性,而且甜高369;甜高粱的蒸腾效率为3.28,玉米的蒸腾效率粱茎秆可用于制糖、酿酒和制酒精燃料、造纸以及为2.7101。说明甜高粱比较耐旱。其次,在耐涝用作饲料等,具有很广泛的应用价值,是近年来一方面,与其它作物相比,甜高粱的耐涝能力也是较种新兴的糖料作物、饲料作物、能源作物和产业作强的,尤其是在生长后期的耐涝能力表现最为明物,其对全球经济发展和环境保护具有重要的意显,一般情况下,只要穗部不被水淹没,基本不会义。现对甜高粱的生物学特征、用途和研究现状影响其正常的生长和发育。例如在水淹时,甜高进行了阐述,并对其发展前景进行了详细的分析。粱在抽穗期、灌浆期、乳熟期这3个时期都能维持甜高粱的生物学特征很长时间,而其它作物耐涝性较弱。第三,在耐盐1.1生物产量高碱方面,甜高粱对土壤有很强的适应能力,不同品种的甜高粱在pH5.0~8.5都能很好地生长甜高粱是一种四碳(C)作物,与三碳作物相据研究证明,甜高梁耐盐浓度为0.5%~0.9%,比,其光合效率高光呼吸弱,CO2的利用率大,并玉米为0.3%~0.7%,小麦0.3%~0.6%,水稻且其CO2补偿点低。甜高粱的干物质积累与甘0.3%~0.7%。从中可以看出,甜高粱的耐盐碱蔗、玉米相比也是很高的。此外,甜高粱不但具有度均高于其它作物,具有很强的抗逆境能力。穗和茎两个生物量贮藏库,而且有强大的杂种优1.3茎秆汁液含糖量高势,因此其生物学产量最高(。甜高粱茎秆发达,里面含的汁液也非常丰富,1.2抗逆性强汁液中含有较多种类的糖,并且其含糖量也很高,甜高粱起源于非洲热带大陆,那里气候炎热但不同种类的甜高粱含糖量不同,而且其糖分既干燥,土壤贫瘠,这种特殊复杂的环境使甜高粱具可制取食用糖也可用来制酒。有了很强的抗逆境能力。首先在抗旱方面,有人1.4适应面广称甜高粱为作物中的“骆驼”,指的是特别耐旱。由于甜高粱具有抗旱、抗涝和抗盐碱的能力,因此,甜高粱具有广泛的种植范围。无论是在干收稿日期:2011-10-2旱、半干旱易涝地区,还是在土壤贫瘠、盐碱地严基金项目:辽宁省自然科学基金资助项目(20092070);沈阳重的地区都能较好的生长。市科技局国际合作资助项目(1091241-6-00);辽宁“百千万人才工程”资助项目(2008921058)2甜高粱的用V凵中国煤化工第一作者简介:姜慧(198),女,江宁省本溪市人,硕士,从2.1甜高粱可作隼事甜高架分子标记和抗氧化酶活性的研究。 E-mail: jiangCNMHGhu1231@126.cm。随着全球经济的飞速发展,全球能源消耗过通讯作者:李玥莹(1966),辽宁省沈阳市人,博土,教授,硕大,进而导致了能源危机。因此,可再生能源的开土研究生导师,从事基因工程与植物分子生物学研究。E-mail:yueyinglicn@yahoo.com.cr发成为了全球共同关注的焦点。而甜高粱作为能源作物在世界能源紧缺的情况下发挥了重要的139综述农业科学作用。残渣和废稀可以用来制酒。还可用甜高粱制糖后甜高粱是目前最理想的能源植物,其茎秆、种的残渣和废稀制酒。一般每100kg残渣和废稀子都可以生产酒精。甜高粱茎秆中汁液丰富,含可以酿制50°白酒3~5kg。目前,我国许多省市糖量高,可以通过发酵形成酒精或酒制取的酒精都建有甜高粱酒厂t与汽油相混合来作为汽车燃料,不仅减轻了石头2.5甜高粱的其它用途的负担,而且也减少了二氧化碳的排放,起到环境甜高粱茎秆中的糖可用来制取味精,其优点保护的作用,因此甜高粱是一种取之不尽的再生是可省去由淀粉转化为葡萄糖的工序,只需将汁而又环保的能源库。此外,生产甜高粱的成本低、液中部分蔗糖转化为葡萄糖即可。如果甜高粱可产量高,这大大降低了生产乙醇的成本。利用玉产茎秆为75000kg·hm2,那么便可生产味精米作原料生产乙醇,每升乙醇需玉米2.4kg,原3657kghm2料费4.5元,而利用甜高粱每升需秸秆12kg,原甜高粱茎秆汁液生产糖和酒精后的废渣液还料费仅3元{2。由此可见,甜高粱是一个很好的可生产优质纸浆来造纸并且还可用作建板材的优能源作物。质原材料。用甜高粱造纸的好处是不需要漂白就2.2甜高粱可作饲料可生产出低亮的印刷纸,而且减少了造纸过程中甜高粱作为饲料有以下优势:首先,甜高粱生对环境造成的污染。此外甜高粱具有高密度的纤物学产量高,国外高产纪录为169005kg·hm2,维结构,可以制造出高质量的纸张,每产一吨酒精国内高产纪录产量157500kg·hm2;其次,甜的甜高粱秆渣便可产5t的纸浆。因此甜高粱为高粱的营养丰富,其体内含糖量、蛋白含量、无氮造纸业提供了丰富的原材料浸出物都比其它农作物高4;再次,甜高粱的叶片甜高粱还可用作锅炉的燃料,其热值为大而柔软,叶汁丰富,茎秆鲜嫩且含糖量高,是喂7531kJ·kg,每千克秆渣可生产2.4kg蒸气,养家畜的优良饲料,同时也提高了家畜的质量。只要燃烧一半的秆渣即可完成加工自身的任务而此外,甜高粱生产酒精后的茎秆余渣也可以喂养无须别的能源,另一半秆渣还可用以造纸,而玉牲口,因为余渣有香味,易消化,富含营养,家畜喜米、木薯在这方面却远不及甘蔗和甜高粱。另外,食。而酿酒后的酒糟也是奶牛的好饲料,喂牛既甜高粱经榨汁后的废渣可以作为食用菌的栽培原省成本,还可增加鲜奶量。因此甜高粱作为一种料,在阴郁潮湿的甜高粱地里栽培黑木耳,可节省优良的饲料作物对于发展畜牧业具有重要的很多原料和成本2意义。3甜高粱的研究现状2.3甜高粱可作糖料3.1资源研究甜高粱茎秆中汁液丰富,约占80%。水分中甜高粱资源丰富,既可作为能源开发利用,也溶有蔗糖、葡萄糖、果糖等糖分,含糖量高,可榨取可用作饲料,制酒等。甜高粱起源于非洲,在非洲糖液,可用来生产糖浆和结晶糖。甜高粱作为糖已经有五干多年的栽培历史,并先后传入各国料作物的利用已有很长一段历史,早在18世纪国外已经有很多国家收集并保存了一批甜高粱的40年代,美国就用甜高粱制取砂糖。近年来,澳品种资源,并进行性状鉴定研究。例如美国已经大利亚、墨西哥、意大利、以色列、印度、巴西、阿根对收集到的甜高粱品种的相关指标进行了检测,廷、前苏联等国都把甜高粱作为糖料作物栽培。并筛选出了39个优良品种。而我国目前已经有在我国,制糖业开始于20世纪70年代,由于当时19个省、市、区收集到384份甜高粱品种资源,并食糖量供应不足,因此引起了国家有关部门的重对它们进行了初步的鉴定。据资料报道,甜高粱视,并先后开展了制糖试验,取得了一定的成品种资源的主要性状变异幅度较大:生育期在果。甜高粱由于其抗逆性强,因此在广大中原85~146d,株高在167.4~384.9cm,茎秆锤度在地区和缺乏糖源作物地区都可以种植,此外,甜高5%~22%。单株秆重在0.1~1.1kg;茎秆出汁粱适应性广,凡能种甘蔗和甜菜的地区,都适合生率在45%~70%;单穗粒重在20~70g11。长,这大大提高了甜高粱的种植面积,为我国提供3.2育种研究了大量的食糖原料。为了提生枷立和增加茎秆汁2.4甜高粱可制酒液含糖量,很中国煤化工批新品种。甜高粱茎秆中含有丰富的糖分汁液,可用来如美国的MCNMHG3R501,前苏制酒,将其鲜秆粉碎加大曲发酵制酒,其经济效益联的 Slaropolskoe59等,印度的SSV2525等,甜更高,发酵时间一般只需4~6d,每公顷甜高粱可高粱杂交种有SS12B×296B等。自从在国外生产60°的白酒3000kg。此外,甜高粱制糖后的引入新品种丽欧后,我国便开始了对甜高粱应用2期姜慧等:生物质能源甜高粱的研究进展综述的大量研究。随后,我国先后引进了凯勒雷伊和空气中二氧化碳的含量,从而起到了环保的作用M28E等。并且还自主研发了许多新品种,包括近年来,由于工业化的进程不断加快,大气中二氧不育系和恢复系等化碳的含量过大,对环境造成了严重的污染。专3.3生理生化研究家指出,如果温室气体在大气中增长速度保持在甜高粱生理方面的硏究近几年主要集中在抗目前态势,那么至2100年温度将上升1.5氧化酶系统中,通过多甜高粱抗氧化酶的研究,从4.5℃,全球海平面将可上升1m左右。世界上而得到甜高粱的抗性大小,例如在逆境环境中,抗有些城市和岛屿,有可能招来灭顶之灾。甜高粱氧化酶活性随着逆境的增加而增加,但是当逆境作为一种能源作物,其含硫量低,种植1hm2甜高达到一定的程度,抗氧化酶活性就会受到抑制,从梁,每年可吸收45t的CO2,种1hm2甜高粱可生而活性减弱。甜高粲的生化研究,主要集中在甜产11t油当量的净能而没有任何CO2散发到大高粱的结构和化学成分,各种糖的分析上,例如蔗气中。糖、还原糖、纤维素等的分析研究。4.3发展甜高粱有助于产业结构的调整4甜高粱的发展前景我国人口众多,而耕地面积却不断地减少4.1甜高粱与能源危机及粮食安全甜高粱抗逆性强,生物产量高,用同样的土地种植由于经济的飞速发展,能源的利用不断加剧粮食作物,甜高粱的产量比玉米、甘蔗等高出很多导致全球能源供不应求,尤其是石油的消耗速度倍。此外,甜高粱除了作为粮食外,还可以制酒、更为迅速。据石油储量的综合估算,可支配的化制糖,作为饲料和造纸的原料。甜高粱的诸多用石能源的极限,大约为1180亿~1510亿t,以1995年世界石油的年开采量33.2亿t计算,石油在全球能源紧缺的大形势下,甜高粱以其独储量大约在2050年左右宣告枯竭。这就要求人特的优势在粮食作物中发挥着重要的作用,并且类急需开发一种新型能源代替石油。而开发新型甜高粱的诸多特性也为全球的资源提供了良好的能源带来的环境污染也是人们急需面对的一大课原材料,因此,发挥甜高粱的资源优势,对于解决题。那么,解决这一系列问题的重点在于开发利能源以及其它一些问题提供了基本保障。用可再生能源,而生物能源是目前最理想的一种参考文献:能源。我国是一个人口庞大的国家,与此同时,我[1]卢庆善.甜高粲研究进展[冂.世界农业,1998(5):21-23[2]郭平银,齐士军,徐宪斌,等.能源植物甜高粱的研究利用现国的耕地面积也不断的减少,粮食产量供不应求状及展望[]].山东农业科学,2007(3):125-128据研究表明,到2030年中国人口将超过16亿,粮[3]刘晓辉高士杰杨明,等浅谈甜高粱的利用价值[冂种食的年需求量将达到6.4×108t,如果想通过扩子,2006,25(9)大生产面积来提高产量是不现实的,唯一的出路[4]石龙阁.我国甜高粱产业发展前景分析[].杂粮作物,2007,27(3):242-243就是提高单位面积的生产量。现阶段,要想解决[5]鲁巍,程哲明,甜高梁制糖大有作为[J].中国糖料,能源危机和粮食安全问题的关键是种植高能植物2002(1);37-39甜高粱。过去我们国家曾用陈粮来生产燃料,但[6]卢庆善甜高粱及其产业化问题和方略[J,辽宁农业科学,是其效率远不及甜高粱。因此利用甜高粱生产燃1998(5);24-28料乙醇是目前一项重大课题。[7]王艳秋,朱翠云,卢峰,等.甜高粱的用途及其发展前景[杂粮作物,2004,24(1):55-56.4.2甜高粱是减排的优良作物8]石永顺,王艳秋,王立新,等、加快甜高粱科研和生产开用甜高粱制作酒精燃料的最大特点是降低了发[冂].辽宁农业科学,2004(3):30-31Research Advances of Sweet SorghumJIANG Hui, HU Rui-fang, ZoU Jian-qiu, LI Yue-ying(l Chemistry and Life Science College of Shenyang Normal University, Shenyang, Liaoning110034; 2. Liaoning Academy of Agricultural Sciences, Shenyang, Liaoning 110161)Abstract: Sweet sorghum is one of the important energy plants in the world中国煤化工wide range of applications and applications for energy, feed, sugar, wine and otheCNMHGThe current status of resources, breeding, physiology and biochemistry of sweetming at the global energy crisis, the developing prospect was analyzed from food security, environmental protec-tion, renewable energy and industrial structure adjustment and soKey words: sweet sorghum; biological characteristics; purpose; main research: prospects141