甘蔗制糖副产物的开发与利用

路贵龙，王朔，连玉珍，魏云飞

（1.福建农林大学/国家甘蔗工程技术研究中心，福州 350002；2.西藏自治区农牧科学院蔬菜研究所，拉萨 850032；3.西藏农牧学院高原生态研究所，西藏林芝 860000；4.山东畜牧兽医职业学院，山东潍坊261061）

0 引言

甘蔗（Saccharum officinarumL.）属于禾本科（Poaceae）甘蔗属（Sacchrum）多年生实心草本高光效C4植物，是全球最为重要的糖料与生物能源作物[1]。甘蔗副产物则主要指甘蔗采收时砍掉的蔗梢和蔗叶，及制糖中产生的蔗渣与糖蜜。目前，中国甘蔗栽培面积约140万公顷，仅次于巴西、印度，位居世界第三，年产甘蔗1.1亿t（包括果蔗）、蔗糖900 多万t[2]，并在采收和制糖中产生了高约5 000 万t 的副产物。甘蔗副产物为可再生资源，产地相对集中，收获时间又较统一，具有良好的开发与利用优势。前人对其应用已进行了大量研究，并在生产生物乙醇、动物饲料、制浆造纸、直燃发电等方面取得了一定成果[3]。为了使人们更加清晰完整地了解近些年专家学者对甘蔗副产物的研究近况，本文主要从蔗梢、蔗叶、蔗渣和糖蜜4个方面简要综述了其研究现状，及评价综合利用的成效和问题，并针对当前发展提出几点建议，以期为其进一步的高效开发利用提供理论参考。

1 蔗梢

1.1 农牧业应用

1.1.1 农业应用

蔗梢留种较全茎留种具有质量优、病毒少、用种量小、产量高、生产成本低等优点。研究表明，与全茎栽培相比，蔗梢作种可提早10～20 d 出苗，出苗率达98%，5 月时出苗数较蔗茎种植多53.46%，并可提前20～30 d 进行大培土[4]，且分蘖率、有效茎数、蔗糖分及产量均优，每公顷蔗梢可供第二年2～3 hm2新植用。现今蔗梢留种栽培已成为蔗农增产增收的有效途径之一[5]。另外，蔗梢也可用来生产有机肥，以及作食用菌（如凤尾菇、平菇、木耳、巴西蘑菇、双胞蘑菇等）的栽培基质[6]。

1.1.2 畜牧业应用

蔗梢鲜嫩多汁、养分丰富，是发展畜牧业青饲料的优选。对蔗梢进行青贮、氨化等处理，不仅可避免霉变损失、延长供饲期，而且可较好地改善贮料品质、增强饲喂效果。王文庶等[7]研究表明，对西本杂交牛饲喂120%蔗梢青贮料，较之玉米秸秆青贮料，平均每头日增重提高227 g，各部位的瘦肉率、脂肪覆盖率均优。刘建勇等[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、净肉率、眼肌面积分别为60.25%、18.45%、86.5 cm2，且牛肉质量达到优质标准。

1.2 食品应用

1.2.1 饮品开发

蔗梢富含糖分、氨基酸、维生素和矿物质等养分，及多酚、黄酮类等多种生物活性物质，是开发饮品的好材料。早在1986 年，陈俊昌等[9]就以蔗梢为原料，经压榨提汁、过滤、脱色脱蜡、调配、灭菌等工序，制成色、香、味俱佳的天然饮料，其氨基酸含量较蔗茎汁高6～8 倍。雷程等[10]认为在pH 值为7、温度80 ℃、加15%熟豆浆时蔗梢汁澄清工艺最优。罗兴华[11]并对其功效进行研究，结果表明蔗梢饮料具有改善营养、清热除燥及增强人体免疫力等效用，为开发蔗梢饮品提供了重要理论支持。

1.2.2 菜品开发

鲜嫩的甘蔗梢（又称甘蔗笋）可食用，尤以长度7～10 cm、茎粗1～1.5 cm 的品质最佳[12]，经测定其每千克含72 g可溶性固形物、26.7 g还原糖、36.53 g蛋白质、23.5 g氨基酸、26.5 g总酸、38 mg维生素C和815 mg磷[13]。蔗梢的多酚含量更为丰富，高达2.6 g/kg，并含20多种氨基酸成分，具有较好的抗氧化和抗肿瘤活性[13]。甘蔗笋除鲜食外，又可加工成罐头长期保存，其中添加0.3%NaCl、0.02%CaCl2、0.3%柠檬酸时贮存品质最优[14]，李群林[15]还对蔗笋真空包装工艺进行了研究并获专利。甘蔗笋蔬菜现已风靡我国台湾，四川、重庆、广西、云南等地也在陆续开发，在韩国、日本、欧美等地区也深受消费者青睐[12,16]。

1.3 工业应用

蔗梢产量大、成本低且容易获取，工业开发价值较高。何雪梅等[17]采用响应面法优化蔗梢多糖超声波提取流程，其最佳工艺为：超声功率640 W、提取温度69 ℃、提取时间29 min，在该条件下多糖提取率达4.68%，DPPH 自由基清除率为74.89%。孙卫东等[18]在前人研究的基础上改良了蔗梢中酪氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、组氨酸和精氨酸等单一分离技术，大幅提高了氨基酸提取率。邓礼波等[19]并以蔗梢提取的混合氨基酸与高级脂肪酸酰氯合成了离子型表面活性物质CH3-(CH2)18-CONH-R-CONH-R’COOH，具有良好的扩散性、乳化性、均染性等性能，在农药、肥皂、纺织品及印染工业上广泛应用。

2 蔗叶

2.1 农牧业应用

2.1.1 农业应用

蔗叶含有N、P、K、Mg、Ca等多种植物生长必需元素，粉碎后还田既能有效改良土壤的团粒结构和理化性状，又能改善作物的品质与产量。研究表明，粉碎还田可使土壤中有机质、速效氮含量分别提高3.32 g/kg、28.87 mg/kg[20]；甘蔗的分蘖率、茎径及株高较焚烧处理均有提高，平均产量增加10.6%[21]。蔗叶中的纤维素和木质素含量较高，养分丰富，亦适合作栽培基料。黎金锋等[22]以蔗叶为主料栽培鸡腿菇，发现以配方50%蔗叶、25%杂木糠、10%棉籽壳的生物学转化率最高，达到104.04%，菌丝生长良好；黄华等[23]则认为将蔗叶两次发酵后，更利于养分的吸收，栽培的食用菌品质更好。

2.1.2 畜牧业应用

蔗叶富含粗纤维、粗蛋白质、维生素和脂肪等牲畜可食用的养分，且含糖量高、适口性好，消化能达5.68 MJ/kg，育肥效果好[24]。江明生等[25]通过微贮、氨化处理甘蔗叶，经60 d 饲养山羊试验表明，同等条件下微贮、氨化组的平均日增重比未处理组分别提高29.0%和42.6%，增重饲料费减少0.42～0.61元/kg，经济效益明显。吴兆鹏等[26]研究显示，在青贮蔗叶时添加15%糖蜜、5%乳酸菌液和0.5%尿素效果更好，粗脂肪与粗蛋白含量分别提高69.36%、85.92%，纤维素、酸性和中性洗涤纤维分别降低38.94%、33.44%、17.92%，能极大改善青贮料的品质和营养价值。

2.2 食品应用

蔗叶由于含纤维和营养较多，在高温缺氧条件下炭化制得的生物炭粉，可作添加剂改善食品的综合品质。李明娟等[27]研究认为，在低筋面粉中添加4%的蔗叶生物炭，饼干含水率和硬度低、脆性和弹性高、口感及感官和耐贮性最好。蔗叶中还含有丰富的多糖、黄酮及多酚类等生物活性物质。桂意云等[28]研究表明蔗叶多糖不仅可抑制血糖升高、降低血清中肌钙蛋白（cTnI）含量、促进血管内皮生长因子（VEGF）的表达和微血管生成，并有较强的清除羟自由基（·OH）的能力，且对羟自由基（·OH）导致的DNA 损伤有良好修复作用。甘蔗叶中木聚糖含量达22%～25%，钱明智等[29]则通过以纯水为流动相、PCR-642 Ca2+树脂为固定相，使用连续色谱分离移动床对D-木糖和L-阿拉伯糖进行了有效分离，使回收率分别达到92.12%、93.69%。阎欲晓等[30]研究显示甘蔗叶黄酮对羟自由基（·OH）、超氧阴离子（O2-）和亚硝酸根（NO2-）也都具有清除能力，其IC50(清除率为50%时浓度)分别为0.038 mg/mL、0.092 mg/mL、0.12 mg/mL；并利用超声波辅助提取甘蔗叶黄酮，其最佳工艺为：料液比1∶40、乙醇浓度80%、提取温度60 ℃、超声提取60 min，超声波功率为104 W，提取量达22.13 mg/g。此外，Li等[31]还证实蔗叶多酚是一种稳定花生油品质的抗氧化剂。这些研究也为我们筛选天然抗氧化剂和研发保健食品提供了重要依据。

2.3 工业应用

蔗叶在工业上也有重要应用，如生物发电、建筑建材、制备活性炭和生产沼气等方面。2010 年我国首个利用蔗叶直燃发电项目在广西柳城县投产运行，年发电量约1.8亿kW，与相同效率的燃煤发电厂相比，每年可减少排放600 t SO2、10 万t CO2和400 t 粉尘，既节约了生产成本，又为当地实现创收[32]。蔗叶纤维直径0.2µm、长度1.16µm，与水泥浆结合力极强，在混凝土中可形成三维不定向的网状支撑体系，对气孔有支撑保护作用，使混凝土的力学性能增强[33]。在活化剂浓度2.5%、液料比5∶1、浸泡时间20 h、活化温度700 ℃、活化时间60 min 条件下，蔗叶可形成具有大量管束结构的活性炭，其得率、碘吸附值分别达30.9%、993.33 mg/g[34]。陈丽芬[35]则采用浓度1.5%NaOH 预处理蔗叶24 h 后，调中pH，再接入菌株YLF 和菌株WLF-2 混菌处理，继而进行厌氧发酵，使甲烷日产气量提高了4倍。

3 蔗渣

3.1 农牧业应用

3.1.1 农业应用

蔗渣透气性好、养分较丰富，长纤维所占比重高，是一种理想的新型栽培基质材料，目前在花卉、木耳、蘑菇及蔬菜工厂化育苗等栽培上已有应用。Mohan 等[36]用蔗渣代替传统琼脂培养基进行苹果微扦插结果显示，小于0.18 mm 的蔗渣扦插效果好，扦插植株长度、根系数量和根系长度分别增加20%、63%、22%，并能显著改善其离体生根状况。赵风云等[37]以蔗渣为基质栽培的灵芝，其菌丝生长速度达1.82 cm/d、生物学效率为23.71%，生长周期缩短1 d，子实体约含22.04%粗蛋白、34.19%粗纤维、4.15%多糖和2.73%粗脂肪，灵芝羧甲基纤维素酶和木聚糖酶的活性较高，与棉籽壳栽培灵芝相比均较优。

3.1.2 饲用开发

蔗渣约含2.0%的粗蛋白，水分和糖分也能够满足反刍动物需求，但由于木质素含量过高，适口性差，不能直接饲喂牲畜，而将其进行糖化、青贮等预处理后可有效提高消化率[38]。胡咏梅等[39]采用绿色木霉、黑曲霉和产朊假丝酵母3 种混合菌，蔗渣、糖蜜按8∶2 配料，料水比1:3，添加6%(NH4)2SO4，自然pH 值、30 ℃混菌发酵36 h 后，其香味、适口性较蔗渣大为改善，饲料粗蛋白含量提高到11.48%。Zhao 等[40]研究表明，干蔗渣中酚类物质含量高于4 mg/g，其中多酚槲皮素达470 mg/g，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、单增李斯特菌和伤寒沙门菌等食源性致病菌有明显的抑制作用，长期配饲可提高牲畜免疫力。美国研究人员还将蔗渣粉碎，拌入蛋白质、脂肪和矿物质，制成质量高、成本低、效益好的新型虾饲料[41]。

3.2 工业应用

3.2.1 制浆造纸造板

蔗渣密度低、可降解，用作造纸和制备复合材料，能部分缓解对木材资源的需求。当前在蔗渣造纸上主要有乙醇法、醋酸法、高沸醇法等制浆方式，均能有效分离半纤维素和纤维素，但由于在制浆前需先进行除髓工艺，造成在经济效益上优势并不明显。蔗渣还有良好的延展性，且符合高密度板材要求的特性，可加工成的音箱、家具、包装箱和建筑车厢等制材，具有比重小、强度高、机械加工性强、防腐防火性能好等优点，受到许多企业的青睐，这为木质纤维质的高值化利用开辟了新方向[42]。

3.2.2 化工生产

蔗渣中的纤维素与半纤维素含量高，具有成分相对稳定、性质均一、生物产量极大、来源集中、价格低廉等特点，是发展第二代燃料乙醇的优良原料。但木质纤维素原料的天然抗性结构使其难以实现高效转化，需采取预处理提高利用率。史贝裔等[43]用烟曲霉、绿色木霉和枯草芽孢杆菌处理蔗渣，酶解还原糖得率分别为98.28%、88.74%和42.76%，其中绿色木霉和烟曲霉处理蔗渣的糖化效果较好。Harrison等[44]在相同酶解条件下，比较了甘油盐酸、盐酸、硫酸及氢氧化钠4种不同预处理的酶解转化率，其转化效果依次为甘油/HCl＞HCl＞H2SO4＞NaOH，且甘油盐酸体系预处理能得到100%的葡萄糖得率。蔗渣半纤维素通过酸水解或生物酶降解法可生产木糖和阿拉伯糖，通过加氢可生产木糖醇，在高温酸催化剂下又可生产糠醛[45]。此外，甘蔗渣通过化学处理还可以生产多种高附加值产品，如生物柴油、生物丁醇、2,3-丁二醇、生物氢、生物聚合物、各种酶、有机酸、氨基酸、类胡萝卜素、生物碱、抗生素等，但由于生物转化成本较高，至今实际应用有限[46]。

3.2.3 综合利用

甘蔗渣是蔗糖业的最主要副产物之一，年产量近2 500万t，据统计约90%蔗渣被用于糖厂锅炉发电和供应蒸汽等的燃料。虽然蔗渣发电能解决糖厂的能源问题，但利用形式简单，且对燃烧设备和环保技术要求较高，产生的价值较低，造成资源的浪费[42]。近来燃烧后的蔗渣灰也受到学者的重视研究，开始在改良酸性土壤、增强混凝土强度、处理污水和吸附苯酚，开发玻璃陶瓷材料、氧化剂载体材料及电子传输材料等邻域应用[47-52]，如基于活化的蔗渣灰开发咸水淡化的电极材料[51]；以蔗渣合成的碳量子点能够发光且无毒，可作为生物传感器和发光二极管，甚至能为人体内传送药物[53]。蔗渣在工农业上的循环利用，有效拓宽了副产物资源的应用范围，提高了利用价值。

4 糖蜜

4.1 生产乙醇

发酵乙醇是当前国内甘蔗糖蜜的主要利用方式，主要用于生产酒精类等饮品，部分用作化工用途。朗姆酒是甘蔗糖蜜最早利用的形式，它是一种以糖蜜或甘蔗汁为原料，经发酵、蒸馏、陈酿加工而成的世界名酒，颜色淡黄透明、香味独特。著名于上世纪中期，尤以牙买加、古巴生产的朗姆酒最为有名，现在我国广西、广东等地均有生产，其中广西农垦糖业集团以糖蜜为原料，已研制出city power、甘纳、桂记甘等多个朗姆酒品牌，生产规模达10 000 t/年，发展前景可观[54]。但糖蜜所含的胶体物质会影响其发酵效率，李莉等[55]研究发现，添加10%以下糖蜜与木薯混合能相互促进发酵，提高燃料乙醇的生产速度。

4.2 生产单糖和多糖

甘蔗糖蜜中糖分含量较高，可用于直接生产单糖和多糖。Paterson 等[56]用胞外多糖生产菌Zoogloea 水解糖蜜得到88%可溶性物质，其单糖主要为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现为74.7% 2,3,6-三-O-甲基己醇和17.7% 2,3-二-O-甲基己醇。王兰等[57]以甘蔗糖蜜为碳源，接种28 g/L鲜酵母，采用流加式培养，于28～30℃培养11 h后调pH至5.0，加入1.5%NaCl，升温至39℃继续培养3 h，获得海藻糖产量达9.4 g/L。

4.3 生产氨基酸及废液利用

采用生化法处理糖蜜及发酵废液，可获得多种附加值较高的氨基酸产品。何海燕等[58]利用啤酒酵母SP3于12°Bx 糖度、2.5%硫酸铵、发酵液初始pH 5.5、28℃条件下发酵糖蜜，96 h 后生成的谷胱甘肽产量为75.33 mg/L。杨芳等[59]则以谷氨酸温度敏感型突变株发酵糖蜜，在发酵培养基中添加20 mL/L 玉米浆、5 mL/L液体甜菜碱，L-谷氨酸平均产量高达125 g/L，糖酸转化率为60.14%。糖蜜发酵后的废液也有一定利用价值，不仅可提取绿原酸、色素、钾盐及甘油等成分，而且可生产氢气、沼气，还可稀释作肥[60]。韦绍龙等[61]在蕉园施用120 t/hm2的废液，结果表明其有利于提高蕉园土壤肥力，对香蕉生长和产量有明显的促进作用。

4.4 饲用及其他

甘蔗糖蜜具有甘美香甜、高能量、高矿物质、易消化吸收等特点，也可作牲畜等草料的添加料，以改善饲用品质。吴兆鹏等[26]研究表明，在青贮甘蔗叶时添加15%糖蜜，粗脂肪和粗蛋白含量分别增加36.42%和20.42%，纤维素、酸性和中性洗涤纤维分别降低54.04%、45.72%和28.30%，蔗叶的消化利用率显著提高。此外，糖蜜还可制备乳酸、丁二酸、柠檬酸、不饱和脂肪酸以及培养饲用酵母菌等，甘蔗糖蜜在生产中不但实现了“变废为宝”，而且延长了产业链，促进了糖业循环经济发展[62]。

5 问题与展望

近年来，随着人们对资源综合利用意识的增强，甘蔗的副产物已在农业、工业、食品等领域开始大量应用。这在一定程度上不仅节约了资源、保护了生态环境，而且增加了蔗农收益，提升了甘蔗产业抵抗市场风险的能力。但在开发中同时也面临着很多挑战，仍存在：产业扶持力度不够，缺乏技术支持跟进；利用率虽有所提高，应用范围却有限；研究多集中在基础阶段，产品附加值低；分离提取工艺有待完善，综合利用较少等不足，亟需寻找切实高效的系统性开发新模式，以形成产业合力，充分带动甘蔗产业全面发展。

目前，可再生资源在社会发展中的作用日益突出，针对现今甘蔗副产物的研究现状，笔者建议：（1）持续加大产业研发力度、重视科研团队培养。国家相关部门给予政策、科研经费等支持，科研单位和企业高度重视科研团队培养与人才引进，为产业创新注入活力。（2）拓宽利用形式、提高资源利用率。因地制宜地合理开发，继续完善青贮技术、探索最佳饲料配方，并向食品、医药、建材等领域应用拓展。（3）增加产品附加值、深度延长产业链。加大副产物高附加值产品的提取与合成工艺研究，积极开发功能食品及抗氧化新药等高精端产品。（4）加强资源循环利用、促进甘蔗产业持续发展。不断促进副产物资源利用的良性循环，深入挖掘产业增值潜力，多措并举提高综合利用价值。综上所述，中国甘蔗副产物资源丰富，可利用形式多样，尽管现在仍存在一些困难和问题，但相信随着科学研究的不断深入，其开发价值和应用前景广阔。