路貴龍，王朔，連玉珍，魏云飛

（1.福建農(nóng)林大學/國家甘蔗工程技術研究中心，福州 350002；2.西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學院蔬菜研究所，拉薩 850032；3.西藏農(nóng)牧學院高原生態(tài)研究所，西藏林芝 860000；4.山東畜牧獸醫(yī)職業(yè)學院，山東濰坊261061）

0 引言

甘蔗（Saccharum officinarumL.）屬于禾本科（Poaceae）甘蔗屬（Sacchrum）多年生實心草本高光效C4植物，是全球最為重要的糖料與生物能源作物[1]。甘蔗副產(chǎn)物則主要指甘蔗采收時砍掉的蔗梢和蔗葉，及制糖中產(chǎn)生的蔗渣與糖蜜。目前，中國甘蔗栽培面積約140萬公頃，僅次于巴西、印度，位居世界第三，年產(chǎn)甘蔗1.1億t（包括果蔗）、蔗糖900 多萬t[2]，并在采收和制糖中產(chǎn)生了高約5 000 萬t 的副產(chǎn)物。甘蔗副產(chǎn)物為可再生資源，產(chǎn)地相對集中，收獲時間又較統(tǒng)一，具有良好的開發(fā)與利用優(yōu)勢。前人對其應用已進行了大量研究，并在生產(chǎn)生物乙醇、動物飼料、制漿造紙、直燃發(fā)電等方面取得了一定成果[3]。為了使人們更加清晰完整地了解近些年專家學者對甘蔗副產(chǎn)物的研究近況，本文主要從蔗梢、蔗葉、蔗渣和糖蜜4個方面簡要綜述了其研究現(xiàn)狀，及評價綜合利用的成效和問題，并針對當前發(fā)展提出幾點建議，以期為其進一步的高效開發(fā)利用提供理論參考。

1 蔗梢

1.1 農(nóng)牧業(yè)應用

1.1.1 農(nóng)業(yè)應用

蔗梢留種較全莖留種具有質量優(yōu)、病毒少、用種量小、產(chǎn)量高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。研究表明，與全莖栽培相比，蔗梢作種可提早10～20 d 出苗，出苗率達98%，5 月時出苗數(shù)較蔗莖種植多53.46%，并可提前20～30 d 進行大培土[4]，且分蘗率、有效莖數(shù)、蔗糖分及產(chǎn)量均優(yōu)，每公頃蔗梢可供第二年2～3 hm2新植用?，F(xiàn)今蔗梢留種栽培已成為蔗農(nóng)增產(chǎn)增收的有效途徑之一[5]。另外，蔗梢也可用來生產(chǎn)有機肥，以及作食用菌（如鳳尾菇、平菇、木耳、巴西蘑菇、雙胞蘑菇等）的栽培基質[6]。

1.1.2 畜牧業(yè)應用

蔗梢鮮嫩多汁、養(yǎng)分豐富，是發(fā)展畜牧業(yè)青飼料的優(yōu)選。對蔗梢進行青貯、氨化等處理，不僅可避免霉變損失、延長供飼期，而且可較好地改善貯料品質、增強飼喂效果。王文庶等[7]研究表明，對西本雜交牛飼喂120%蔗梢青貯料，較之玉米秸稈青貯料，平均每頭日增重提高227 g，各部位的瘦肉率、脂肪覆蓋率均優(yōu)。劉建勇等[8]利用氨化蔗梢育肥肉牛，平均日增重超出1 000 g，其屠宰率、凈肉率、眼肌面積分別為60.25%、18.45%、86.5 cm2，且牛肉質量達到優(yōu)質標準。

1.2 食品應用

1.2.1 飲品開發(fā)

蔗梢富含糖分、氨基酸、維生素和礦物質等養(yǎng)分，及多酚、黃酮類等多種生物活性物質，是開發(fā)飲品的好材料。早在1986 年，陳俊昌等[9]就以蔗梢為原料，經(jīng)壓榨提汁、過濾、脫色脫蠟、調配、滅菌等工序，制成色、香、味俱佳的天然飲料，其氨基酸含量較蔗莖汁高6～8 倍。雷程等[10]認為在pH 值為7、溫度80 ℃、加15%熟豆?jié){時蔗梢汁澄清工藝最優(yōu)。羅興華[11]并對其功效進行研究，結果表明蔗梢飲料具有改善營養(yǎng)、清熱除燥及增強人體免疫力等效用，為開發(fā)蔗梢飲品提供了重要理論支持。

1.2.2 菜品開發(fā)

鮮嫩的甘蔗梢（又稱甘蔗筍）可食用，尤以長度7～10 cm、莖粗1～1.5 cm 的品質最佳[12]，經(jīng)測定其每千克含72 g可溶性固形物、26.7 g還原糖、36.53 g蛋白質、23.5 g氨基酸、26.5 g總酸、38 mg維生素C和815 mg磷[13]。蔗梢的多酚含量更為豐富，高達2.6 g/kg，并含20多種氨基酸成分，具有較好的抗氧化和抗腫瘤活性[13]。甘蔗筍除鮮食外，又可加工成罐頭長期保存，其中添加0.3%NaCl、0.02%CaCl2、0.3%檸檬酸時貯存品質最優(yōu)[14]，李群林[15]還對蔗筍真空包裝工藝進行了研究并獲專利。甘蔗筍蔬菜現(xiàn)已風靡我國臺灣，四川、重慶、廣西、云南等地也在陸續(xù)開發(fā)，在韓國、日本、歐美等地區(qū)也深受消費者青睞[12,16]。

1.3 工業(yè)應用

蔗梢產(chǎn)量大、成本低且容易獲取，工業(yè)開發(fā)價值較高。何雪梅等[17]采用響應面法優(yōu)化蔗梢多糖超聲波提取流程，其最佳工藝為：超聲功率640 W、提取溫度69 ℃、提取時間29 min，在該條件下多糖提取率達4.68%，DPPH 自由基清除率為74.89%。孫衛(wèi)東等[18]在前人研究的基礎上改良了蔗梢中酪氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸、組氨酸和精氨酸等單一分離技術，大幅提高了氨基酸提取率。鄧禮波等[19]并以蔗梢提取的混合氨基酸與高級脂肪酸酰氯合成了離子型表面活性物質CH3-(CH2)18-CONH-R-CONH-R’COOH，具有良好的擴散性、乳化性、均染性等性能，在農(nóng)藥、肥皂、紡織品及印染工業(yè)上廣泛應用。

2 蔗葉

2.1 農(nóng)牧業(yè)應用

2.1.1 農(nóng)業(yè)應用

蔗葉含有N、P、K、Mg、Ca等多種植物生長必需元素，粉碎后還田既能有效改良土壤的團粒結構和理化性狀，又能改善作物的品質與產(chǎn)量。研究表明，粉碎還田可使土壤中有機質、速效氮含量分別提高3.32 g/kg、28.87 mg/kg[20]；甘蔗的分蘗率、莖徑及株高較焚燒處理均有提高，平均產(chǎn)量增加10.6%[21]。蔗葉中的纖維素和木質素含量較高，養(yǎng)分豐富，亦適合作栽培基料。黎金鋒等[22]以蔗葉為主料栽培雞腿菇，發(fā)現(xiàn)以配方50%蔗葉、25%雜木糠、10%棉籽殼的生物學轉化率最高，達到104.04%，菌絲生長良好；黃華等[23]則認為將蔗葉兩次發(fā)酵后，更利于養(yǎng)分的吸收，栽培的食用菌品質更好。

2.1.2 畜牧業(yè)應用

蔗葉富含粗纖維、粗蛋白質、維生素和脂肪等牲畜可食用的養(yǎng)分，且含糖量高、適口性好，消化能達5.68 MJ/kg，育肥效果好[24]。江明生等[25]通過微貯、氨化處理甘蔗葉，經(jīng)60 d 飼養(yǎng)山羊試驗表明，同等條件下微貯、氨化組的平均日增重比未處理組分別提高29.0%和42.6%，增重飼料費減少0.42～0.61元/kg，經(jīng)濟效益明顯。吳兆鵬等[26]研究顯示，在青貯蔗葉時添加15%糖蜜、5%乳酸菌液和0.5%尿素效果更好，粗脂肪與粗蛋白含量分別提高69.36%、85.92%，纖維素、酸性和中性洗滌纖維分別降低38.94%、33.44%、17.92%，能極大改善青貯料的品質和營養(yǎng)價值。

2.2 食品應用

蔗葉由于含纖維和營養(yǎng)較多，在高溫缺氧條件下炭化制得的生物炭粉，可作添加劑改善食品的綜合品質。李明娟等[27]研究認為，在低筋面粉中添加4%的蔗葉生物炭，餅干含水率和硬度低、脆性和彈性高、口感及感官和耐貯性最好。蔗葉中還含有豐富的多糖、黃酮及多酚類等生物活性物質。桂意云等[28]研究表明蔗葉多糖不僅可抑制血糖升高、降低血清中肌鈣蛋白（cTnI）含量、促進血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）的表達和微血管生成，并有較強的清除羥自由基（·OH）的能力，且對羥自由基（·OH）導致的DNA 損傷有良好修復作用。甘蔗葉中木聚糖含量達22%～25%，錢明智等[29]則通過以純水為流動相、PCR-642 Ca2+樹脂為固定相，使用連續(xù)色譜分離移動床對D-木糖和L-阿拉伯糖進行了有效分離，使回收率分別達到92.12%、93.69%。閻欲曉等[30]研究顯示甘蔗葉黃酮對羥自由基（·OH）、超氧陰離子（O2-）和亞硝酸根（NO2-）也都具有清除能力，其IC50(清除率為50%時濃度)分別為0.038 mg/mL、0.092 mg/mL、0.12 mg/mL；并利用超聲波輔助提取甘蔗葉黃酮，其最佳工藝為：料液比1∶40、乙醇濃度80%、提取溫度60 ℃、超聲提取60 min，超聲波功率為104 W，提取量達22.13 mg/g。此外，Li等[31]還證實蔗葉多酚是一種穩(wěn)定花生油品質的抗氧化劑。這些研究也為我們篩選天然抗氧化劑和研發(fā)保健食品提供了重要依據(jù)。

2.3 工業(yè)應用

蔗葉在工業(yè)上也有重要應用，如生物發(fā)電、建筑建材、制備活性炭和生產(chǎn)沼氣等方面。2010 年我國首個利用蔗葉直燃發(fā)電項目在廣西柳城縣投產(chǎn)運行，年發(fā)電量約1.8億kW，與相同效率的燃煤發(fā)電廠相比，每年可減少排放600 t SO2、10 萬t CO2和400 t 粉塵，既節(jié)約了生產(chǎn)成本，又為當?shù)貙崿F(xiàn)創(chuàng)收[32]。蔗葉纖維直徑0.2μm、長度1.16μm，與水泥漿結合力極強，在混凝土中可形成三維不定向的網(wǎng)狀支撐體系，對氣孔有支撐保護作用，使混凝土的力學性能增強[33]。在活化劑濃度2.5%、液料比5∶1、浸泡時間20 h、活化溫度700 ℃、活化時間60 min 條件下，蔗葉可形成具有大量管束結構的活性炭，其得率、碘吸附值分別達30.9%、993.33 mg/g[34]。陳麗芬[35]則采用濃度1.5%NaOH 預處理蔗葉24 h 后，調中pH，再接入菌株YLF 和菌株WLF-2 混菌處理，繼而進行厭氧發(fā)酵，使甲烷日產(chǎn)氣量提高了4倍。

3 蔗渣

3.1 農(nóng)牧業(yè)應用

3.1.1 農(nóng)業(yè)應用

蔗渣透氣性好、養(yǎng)分較豐富，長纖維所占比重高，是一種理想的新型栽培基質材料，目前在花卉、木耳、蘑菇及蔬菜工廠化育苗等栽培上已有應用。Mohan 等[36]用蔗渣代替?zhèn)鹘y(tǒng)瓊脂培養(yǎng)基進行蘋果微扦插結果顯示，小于0.18 mm 的蔗渣扦插效果好，扦插植株長度、根系數(shù)量和根系長度分別增加20%、63%、22%，并能顯著改善其離體生根狀況。趙風云等[37]以蔗渣為基質栽培的靈芝，其菌絲生長速度達1.82 cm/d、生物學效率為23.71%，生長周期縮短1 d，子實體約含22.04%粗蛋白、34.19%粗纖維、4.15%多糖和2.73%粗脂肪，靈芝羧甲基纖維素酶和木聚糖酶的活性較高，與棉籽殼栽培靈芝相比均較優(yōu)。

3.1.2 飼用開發(fā)

蔗渣約含2.0%的粗蛋白，水分和糖分也能夠滿足反芻動物需求，但由于木質素含量過高，適口性差，不能直接飼喂牲畜，而將其進行糖化、青貯等預處理后可有效提高消化率[38]。胡詠梅等[39]采用綠色木霉、黑曲霉和產(chǎn)朊假絲酵母3 種混合菌，蔗渣、糖蜜按8∶2 配料，料水比1:3，添加6%(NH4)2SO4，自然pH 值、30 ℃混菌發(fā)酵36 h 后，其香味、適口性較蔗渣大為改善，飼料粗蛋白含量提高到11.48%。Zhao 等[40]研究表明，干蔗渣中酚類物質含量高于4 mg/g，其中多酚槲皮素達470 mg/g，對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、單增李斯特菌和傷寒沙門菌等食源性致病菌有明顯的抑制作用，長期配飼可提高牲畜免疫力。美國研究人員還將蔗渣粉碎，拌入蛋白質、脂肪和礦物質，制成質量高、成本低、效益好的新型蝦飼料[41]。

3.2 工業(yè)應用

3.2.1 制漿造紙造板

蔗渣密度低、可降解，用作造紙和制備復合材料，能部分緩解對木材資源的需求。當前在蔗渣造紙上主要有乙醇法、醋酸法、高沸醇法等制漿方式，均能有效分離半纖維素和纖維素，但由于在制漿前需先進行除髓工藝，造成在經(jīng)濟效益上優(yōu)勢并不明顯。蔗渣還有良好的延展性，且符合高密度板材要求的特性，可加工成的音箱、家具、包裝箱和建筑車廂等制材，具有比重小、強度高、機械加工性強、防腐防火性能好等優(yōu)點，受到許多企業(yè)的青睞，這為木質纖維質的高值化利用開辟了新方向[42]。

3.2.2 化工生產(chǎn)

蔗渣中的纖維素與半纖維素含量高，具有成分相對穩(wěn)定、性質均一、生物產(chǎn)量極大、來源集中、價格低廉等特點，是發(fā)展第二代燃料乙醇的優(yōu)良原料。但木質纖維素原料的天然抗性結構使其難以實現(xiàn)高效轉化，需采取預處理提高利用率。史貝裔等[43]用煙曲霉、綠色木霉和枯草芽孢桿菌處理蔗渣，酶解還原糖得率分別為98.28%、88.74%和42.76%，其中綠色木霉和煙曲霉處理蔗渣的糖化效果較好。Harrison等[44]在相同酶解條件下，比較了甘油鹽酸、鹽酸、硫酸及氫氧化鈉4種不同預處理的酶解轉化率，其轉化效果依次為甘油/HCl＞HCl＞H2SO4＞NaOH，且甘油鹽酸體系預處理能得到100%的葡萄糖得率。蔗渣半纖維素通過酸水解或生物酶降解法可生產(chǎn)木糖和阿拉伯糖，通過加氫可生產(chǎn)木糖醇，在高溫酸催化劑下又可生產(chǎn)糠醛[45]。此外，甘蔗渣通過化學處理還可以生產(chǎn)多種高附加值產(chǎn)品，如生物柴油、生物丁醇、2,3-丁二醇、生物氫、生物聚合物、各種酶、有機酸、氨基酸、類胡蘿卜素、生物堿、抗生素等，但由于生物轉化成本較高，至今實際應用有限[46]。

3.2.3 綜合利用

甘蔗渣是蔗糖業(yè)的最主要副產(chǎn)物之一，年產(chǎn)量近2 500萬t，據(jù)統(tǒng)計約90%蔗渣被用于糖廠鍋爐發(fā)電和供應蒸汽等的燃料。雖然蔗渣發(fā)電能解決糖廠的能源問題，但利用形式簡單，且對燃燒設備和環(huán)保技術要求較高，產(chǎn)生的價值較低，造成資源的浪費[42]。近來燃燒后的蔗渣灰也受到學者的重視研究，開始在改良酸性土壤、增強混凝土強度、處理污水和吸附苯酚，開發(fā)玻璃陶瓷材料、氧化劑載體材料及電子傳輸材料等鄰域應用[47-52]，如基于活化的蔗渣灰開發(fā)咸水淡化的電極材料[51]；以蔗渣合成的碳量子點能夠發(fā)光且無毒，可作為生物傳感器和發(fā)光二極管，甚至能為人體內(nèi)傳送藥物[53]。蔗渣在工農(nóng)業(yè)上的循環(huán)利用，有效拓寬了副產(chǎn)物資源的應用范圍，提高了利用價值。

4 糖蜜

4.1 生產(chǎn)乙醇

發(fā)酵乙醇是當前國內(nèi)甘蔗糖蜜的主要利用方式，主要用于生產(chǎn)酒精類等飲品，部分用作化工用途。朗姆酒是甘蔗糖蜜最早利用的形式，它是一種以糖蜜或甘蔗汁為原料，經(jīng)發(fā)酵、蒸餾、陳釀加工而成的世界名酒，顏色淡黃透明、香味獨特。著名于上世紀中期，尤以牙買加、古巴生產(chǎn)的朗姆酒最為有名，現(xiàn)在我國廣西、廣東等地均有生產(chǎn)，其中廣西農(nóng)墾糖業(yè)集團以糖蜜為原料，已研制出city power、甘納、桂記甘等多個朗姆酒品牌，生產(chǎn)規(guī)模達10 000 t/年，發(fā)展前景可觀[54]。但糖蜜所含的膠體物質會影響其發(fā)酵效率，李莉等[55]研究發(fā)現(xiàn)，添加10%以下糖蜜與木薯混合能相互促進發(fā)酵，提高燃料乙醇的生產(chǎn)速度。

4.2 生產(chǎn)單糖和多糖

甘蔗糖蜜中糖分含量較高，可用于直接生產(chǎn)單糖和多糖。Paterson 等[56]用胞外多糖生產(chǎn)菌Zoogloea 水解糖蜜得到88%可溶性物質，其單糖主要為87.6%葡萄糖、8.6%木糖、1.7%核糖、0.8%甘露糖、0.8%葡萄糖醛酸、0.4%阿拉伯糖和0.1%半乳糖，多糖甲基化分析主要表現(xiàn)為74.7% 2,3,6-三-O-甲基己醇和17.7% 2,3-二-O-甲基己醇。王蘭等[57]以甘蔗糖蜜為碳源，接種28 g/L鮮酵母，采用流加式培養(yǎng)，于28～30℃培養(yǎng)11 h后調pH至5.0，加入1.5%NaCl，升溫至39℃繼續(xù)培養(yǎng)3 h，獲得海藻糖產(chǎn)量達9.4 g/L。

4.3 生產(chǎn)氨基酸及廢液利用

采用生化法處理糖蜜及發(fā)酵廢液，可獲得多種附加值較高的氨基酸產(chǎn)品。何海燕等[58]利用啤酒酵母SP3于12°Bx 糖度、2.5%硫酸銨、發(fā)酵液初始pH 5.5、28℃條件下發(fā)酵糖蜜，96 h 后生成的谷胱甘肽產(chǎn)量為75.33 mg/L。楊芳等[59]則以谷氨酸溫度敏感型突變株發(fā)酵糖蜜，在發(fā)酵培養(yǎng)基中添加20 mL/L 玉米漿、5 mL/L液體甜菜堿，L-谷氨酸平均產(chǎn)量高達125 g/L，糖酸轉化率為60.14%。糖蜜發(fā)酵后的廢液也有一定利用價值，不僅可提取綠原酸、色素、鉀鹽及甘油等成分，而且可生產(chǎn)氫氣、沼氣，還可稀釋作肥[60]。韋紹龍等[61]在蕉園施用120 t/hm2的廢液，結果表明其有利于提高蕉園土壤肥力，對香蕉生長和產(chǎn)量有明顯的促進作用。

4.4 飼用及其他

甘蔗糖蜜具有甘美香甜、高能量、高礦物質、易消化吸收等特點，也可作牲畜等草料的添加料，以改善飼用品質。吳兆鵬等[26]研究表明，在青貯甘蔗葉時添加15%糖蜜，粗脂肪和粗蛋白含量分別增加36.42%和20.42%，纖維素、酸性和中性洗滌纖維分別降低54.04%、45.72%和28.30%，蔗葉的消化利用率顯著提高。此外，糖蜜還可制備乳酸、丁二酸、檸檬酸、不飽和脂肪酸以及培養(yǎng)飼用酵母菌等，甘蔗糖蜜在生產(chǎn)中不但實現(xiàn)了“變廢為寶”，而且延長了產(chǎn)業(yè)鏈，促進了糖業(yè)循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展[62]。

5 問題與展望

近年來，隨著人們對資源綜合利用意識的增強，甘蔗的副產(chǎn)物已在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、食品等領域開始大量應用。這在一定程度上不僅節(jié)約了資源、保護了生態(tài)環(huán)境，而且增加了蔗農(nóng)收益，提升了甘蔗產(chǎn)業(yè)抵抗市場風險的能力。但在開發(fā)中同時也面臨著很多挑戰(zhàn)，仍存在：產(chǎn)業(yè)扶持力度不夠，缺乏技術支持跟進；利用率雖有所提高，應用范圍卻有限；研究多集中在基礎階段，產(chǎn)品附加值低；分離提取工藝有待完善，綜合利用較少等不足，亟需尋找切實高效的系統(tǒng)性開發(fā)新模式，以形成產(chǎn)業(yè)合力，充分帶動甘蔗產(chǎn)業(yè)全面發(fā)展。

目前，可再生資源在社會發(fā)展中的作用日益突出，針對現(xiàn)今甘蔗副產(chǎn)物的研究現(xiàn)狀，筆者建議：（1）持續(xù)加大產(chǎn)業(yè)研發(fā)力度、重視科研團隊培養(yǎng)。國家相關部門給予政策、科研經(jīng)費等支持，科研單位和企業(yè)高度重視科研團隊培養(yǎng)與人才引進，為產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新注入活力。（2）拓寬利用形式、提高資源利用率。因地制宜地合理開發(fā)，繼續(xù)完善青貯技術、探索最佳飼料配方，并向食品、醫(yī)藥、建材等領域應用拓展。（3）增加產(chǎn)品附加值、深度延長產(chǎn)業(yè)鏈。加大副產(chǎn)物高附加值產(chǎn)品的提取與合成工藝研究，積極開發(fā)功能食品及抗氧化新藥等高精端產(chǎn)品。（4）加強資源循環(huán)利用、促進甘蔗產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展。不斷促進副產(chǎn)物資源利用的良性循環(huán)，深入挖掘產(chǎn)業(yè)增值潛力，多措并舉提高綜合利用價值。綜上所述，中國甘蔗副產(chǎn)物資源豐富，可利用形式多樣，盡管現(xiàn)在仍存在一些困難和問題，但相信隨著科學研究的不斷深入，其開發(fā)價值和應用前景廣闊。