糖型与淀粉型木薯后代块根品质与发酵特性

于博涵，韩冰莹，朱作言，王文泉，张家明

（1.南京农业大学 生命科学学院，江苏 南京 210059；2.中国热带农业科学院热带生物技术研究所 农业部热带作物生物学与遗传资源利用重点实验室 海南省热带生物质能源工程技术研究中心，海南 海口 571101）

燃料乙醇的发展原则为“不与人争粮，不与粮争地”[1-2]。木薯（Manihot esculentaCrantz）原产巴西，是大戟科木薯属双子叶植物，世界三大薯类（马铃薯、木薯、红薯）之一，在全世界热带地区均有种植[3]。与甘蔗、玉米和小麦相比，木薯具有耐旱耐贫瘠、产量高、病虫害少、淀粉含量高等优良生物特性[4]，是热带干旱和半干旱国家和地区约7.5亿人的主要粮食作物[5]。我国以广东、广西、海南种植较多，主要用于饲料和淀粉工业，其中约30%的鲜木薯被用作饲料，70%被用来加工淀粉和酒精[6]，因此，在我国木薯属于非主粮作物[7]。以木薯为原料生产酒精和燃料乙醇有单位面积酒精产量高、不与粮争地、符合国家产业发展政策等独特优势，是最经济最适合的非粮燃料乙醇生产原料[8]。

我国木薯种植面积约30万hm2，年产鲜薯500万t，约占世界产量的1.8%[9]。我国用于制备酒精的木薯原料主要是自产的鲜木薯或木薯干。由于鲜木薯保鲜时间不长，以木薯干片为原料生产酒精可以确保周年生产。不过，在收获季节，木薯酒精厂一般以鲜木薯为原料生产酒精，可以节省原料成本[10]。

乙醇生产是高耗能产业，其原因很大程度上是发酵醪浓度低，成熟发酵醪酒精度一般在8%vol左右。通过预处理工艺提高木薯发酵醪的初始总糖浓度，进行浓醪发酵，可以提高酒度。李克林等[11]利用α-淀粉酶预处理鲜木薯浆，将其液化，然后将鲜木薯和液化滤液按1.0∶1.2的比例混合，获得初始总糖浓度在22%以上的木薯浆，再进行浓醪发酵，成熟醪酒度达到13.1%vol。但也有研究表明[12]，发酵初期总糖浓度过高会抑制酵母生长及其发酵作用。另外，利用优良的木薯品种作为原料生产酒精，也可以达到降低能耗，提高酒精生产率的目的[13]。

目前乙醇生产需要对原料进行糊化处理，是一个高耗能过程。本团队前期研究表明，利用糖木薯发酵，可以不经过糊化，获得较高的乙醇转化效率。但是，原始的糖木薯由于淀粉含量过低，导致酒精总产量不高，在大规模推广应用之前，需要对其进行遗传改良。这就需要在木薯品种选育时对品种进行多种品质性状，多种因素的综合评定。能源木薯最终以高产酒精为目标，因此，研究与高产酒精相关的品质性状及其重要。中国热带农业科学院热带生物技术研究所王文泉研究组将国内木薯品系与从巴西引进的糖型木薯品系杂交，获得一系列木薯新品系。本研究拟通过对其中28个品系（8个糖型、20个淀粉型）的品质性状及发酵特性评价，研究品质性状与发酵特性的相互关系，为能源木薯品种选育提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

28个木薯品系（包括8个糖型、20个淀粉型）的块根：取自中国热带农业科学院热带生物技术研究所（以下简称“生物所”）木薯品系比较试验地，地点为海南省澄迈县白莲镇。SM是来自巴西的糖型木薯自然突变体；SMH是以SM为亲本，与巴西本地品种杂交选育的品系。SM和SMH块根中还原糖含量（以鲜质量计，下同）＞2%，淀粉含量＜4%，其发现单位（巴西国家农牧研究院）称其为糖型木薯（sugary cassava）[14]。其他糖型木薯后代品系均为以SM或SMH为亲本与国内木薯品系杂交所获得的后代。SC205木薯是湖南农业大学、湖南省马铃薯工程技术研究中心选育的淀粉型木薯代表品系，其还原糖含量＜0.5%，淀粉含量＞15%。其余淀粉型木薯品系均为以SC205为亲本与国内其他木薯品种杂交选育的后代品系。

高温α-淀粉酶（4万U/g）：成都西亚化学科技有限公司；酿酒高活性干酵母：安琪酵母有限公司；3,5-二硝基水杨酸（dinitrosalicylic acid，DNS）：国药集团化学试剂有限公司；糖化酶（10万U/g）、还原糖含量检测试剂盒（货号：BC0235）、总糖含量检测试剂盒货号（货号：BC2710）、淀粉含量检测试剂盒（货号：BC0705）：北京索莱宝科技有限公司。

1.2 仪器与设备

Kjeltec8400全自动凯氏定氮仪：丹麦FOSS分析仪器公司；DHG-9240电热鼓风干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司；5415D离心机：德国Eppendorf公司；Epoch酶标仪：美国Biotek仪器有限公司；DK-420S三用恒温水箱：上海精宏实验设备有限公司；JP05D-1300破壁料理机：浙江苏泊尔股份有限公司；TC-15套氏恒温器：海宁新华医疗器械厂。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

从收获的鲜木薯中，每个品系选取3～5条外表无破损、无病虫害的块根，洗净、去皮、切成1 cm见方小块，混匀，于-80 ℃冰箱保存备用。

1.3.2 测定方法

还原糖含量采用DNS法，用检测试剂盒（货号：BC0235）进行测定[15]；总糖含量采用检测试剂盒货号（货号：BC2710）测定[16]；淀粉含量采用检测试剂盒（货号：BC0705）测定[17]；干物质量采用烘干法[18]；灰分含量采用马弗炉灼烧法[19]；粗蛋白含量采用凯氏定氮法[20]。

酒精产率的测量和计算参考钟坤等[21]的方法，根据各品系木薯干物率，将鲜木薯酒精产率换算为每100 g干质量的酒精产率。

1.3.3 酒精发酵

从28个木薯品系中分别选取了3个糖型（SM、SM03、56-7）和5个淀粉型（SC205、ITBB01、27-4、S05、S16）品系，每次取100 g鲜木薯块根，加10 mL蒸馏水，用匀浆机粉碎，分别进行糊化糖化、只糖化不糊化以及不做任何预处理的发酵产酒精实验。

（1）糊化＋糖化

参考易戈等[22]的方法，将粉碎的木薯浆装于三角瓶内，按10 U/g木薯添加高温α-淀粉酶，60 ℃水浴30 min；升温至100 ℃糊化2 h，自然冷却至60 ℃。调pH至4.5，按150 U/g加入糖化酶，搅拌均匀，待其冷却至35 ℃。按10%接种量加入安琪酿酒高活性干酵母，封口后按照使用说明书，在33 ℃恒温发酵3 d。

（2）无糊化＋糖化

将粉碎的木薯浆装于三角瓶内，60 ℃水浴30 min。调pH至4.5，按150 U/g加入糖化酶，搅拌均匀待其冷却至35 ℃。按10%接种量加入安琪酿酒高活性干酵母，封口后按照使用说明书，在33 ℃恒温发酵3 d。

（3）无糊化＋无糖化

将粉碎的木薯浆装于三角瓶内，按10%接种量加入安琪酿酒高活性干酵母，封口后按照使用说明书，在33 ℃恒温发酵3 d。

1.3.4 数据分析

采用Excel 2007和SPSS Statistics 17.0软件对实验数据进行统计分析，差异显著性分析采用新复极差法。

2 结果与分析

2.1 木薯品系块根品质性状分析

根据杂交组合亲本来源和块根外观品质，将28个木薯品系分为淀粉型和糖型两类，其淀粉、总糖、干物质、粗蛋白、还原糖及灰分含量测定结果见表1。

表1 28个木薯品系块根品质性状比较Table 1 Comparison of quality traits of storage roots of 28 cassava varieties

2.1.1 淀粉含量

由表1可知，28个品系淀粉含量在0.70%～20.24%之间，平均含量12.26%，品系间差异巨大。淀粉型和糖型品系的平均淀粉含量分别为14.52%、6.62%。

淀粉型木薯对照品种SC205的淀粉含量为15.40%。在淀粉型杂交后代中，淀粉含量显著高于对照的品系有08-6，47-18，50-2，48-23（P＜0.05），占淀粉型杂交后代总数的21.05%。它们的淀粉含量分别是20.24%、19.58%、17.69%、17.16%，分别比SC205高31.4%、27.1%、14.9%、11.4%。淀粉含量显著低于SC205的品系有8个（P＜0.05），占淀粉型后代总数的42.11%。其中，淀粉含量最低的品系03-11仅含5.09%的淀粉。与SC205淀粉含量没有显著差异的品系有7个（P＞0.05），占淀粉型品系总数的36.84%。

糖型木薯对照品系为SM，其淀粉含量极低，仅为0.70%。糖型木薯杂交后代淀粉含量都得到显著提升（P＜0.05），平均为6.62%。其中，49-17更是达到了19.13%，比淀粉型对照品种SC205都要高24.22%，可见杂交筛选的作用极为显著。

2.1.2 总糖含量

由表1可知，28个木薯品系总糖含量为6.15%～40.89%，品系间差异巨大。淀粉型和糖型品系的平均总糖含量分别为27.48%、13.28%。

淀粉型对照品种SC205总糖含量为32.34%。在淀粉型杂交后代中，总糖含量显著高于对照的品系有16-13、47-23和47-18（P＜0.05），占淀粉型木薯品系的15.8%；其总糖分别为40.89%、36.40%和35.96%。品系16-13、47-23和47-18总糖分别比对照高26.4%、12.6%和11.2%。总糖比对照低的品系有11个，占总数的57.9%。其他品系（6个，31.6%）与对照无显著差异（P＞0.05）。

糖型木薯对照品系SM总糖含量较低，仅为8.18%。其杂交后代中，两个品系（SM3、49-17）总糖含量显著高于对照（P＜0.05），分别是21.13%和25.87%，比糖型木薯对照提高了2.6和3.2倍。但是，都比淀粉型对照木薯品种SC205低。其他品系（6个）除56-2外总糖含量都比糖型木薯对照高。

2.1.3 干物质含量

由表1可知，28个木薯品系干物质含量为8.27%～52.17%，品系间差异巨大。淀粉型和糖型品系的平均干物质分别为41.24%、24.03%。

SC205干物质含量为42.46%。在淀粉型杂交后代中，干物质含量显著高于对照的品系有08-6、19-9、48-23、47-18、50-2、ITBB01、27-4等7个品系（P＜0.05），占淀粉型木薯品系的36.8%。上述品系干物质含量分别比对照高8.5%～22.9%。干物质含量最高的品系为27-4，其含量为52.17%。6个品系干物质含量比对照低，占淀粉型木薯品系的31.6%。其他6个品系干物质含量与对照没有显著差异（P＞0.05）。

糖型木薯对照品系SM干物质含量极低，仅为8.27%，是典型的“水木薯”。糖型杂交后代平均干物质含量达到24.03%，是对照的2.9倍。其中，干物质含量最高的是49-17，为35.45%，但与淀粉型木薯对照还有一定差距。

2.1.4 粗蛋白含量

由表1可知，各木薯品系的粗蛋白总体上偏低，含量在0.59%～3.13%之间，平均含量为1.51%。淀粉型和糖型品系的平均粗蛋白分别为1.67%、1.09%。

SC205粗蛋白含量为1.09%。在淀粉型杂交后代中，粗蛋白平均含量有所提高。粗蛋白含量显著高于对照的品系有05-22、03-11、16-14、16-13、14-19、17-11、17-10、47-30、48-23、28-1、47-18、47-11、50-2、ITBB01、SC05 等15个品系（P＜0.05），占淀粉型木薯品系的78.9%。粗蛋白含量最高的品系为47-18，其含量为3.13%，是对照的2.9倍。其他4个品系粗蛋白含量比对照低。

糖型木薯对照品系SM粗蛋白含量较低，仅为0.79%。糖型杂交后代平均粗蛋白量达到1.09%，有所提高。其中，粗蛋白含量最高的是49-17，为1.72%。

2.1.5 还原糖含量

由表1可知，各木薯品系的还原糖含量在0.03%～2.72%之间，平均含量为1.01%。淀粉型木薯总体上还原糖含量较低，淀粉型木薯对照品种SC205还原糖含量为0.17%。通过杂交育种，各品系平均还原糖含量提高到0.61%，提高了3.6倍。在淀粉型杂交后代中，还原糖含量显著高于对照的品系有11个品系（P＜0.05），占淀粉型木薯品系的57.9%。其中ITBB01还原糖含量达到1.35%，是对照的7.9倍。其他8个品系还原糖含量与对照无显著差异（P＞0.05）。

糖型木薯还原糖含量高于淀粉型木薯。其对照品系SM还原糖含量最高，为2.72%，是淀粉型对照品种SC205的16倍。糖型杂交后代平均还原糖含量为2.01%，比糖型对照明显下降（P＜0.05）。所有7个糖型木薯品系的还原糖含量都低于对照，其中，SMH和SM03降低不显著（P＞0.05），分别是2.64%、2.54%。

2.1.6 灰分

由表1可知，淀粉型木薯的灰分普遍高于糖型木薯，其中SC16灰分最高，为0.48%，灰分较高的有淀粉型杂交后代有08-6、47-11、27-4、SC05，灰分分别为0.36%、0.37%、0.42%、0.36%，灰分最低的为糖木薯对照SM、淀粉型杂交后代03-11，两个品系的灰分均为0.06%。

2.2 各成分间的相关性分析

鲜木薯块根中各成分之间的相关性分析结果见表2。

表2 成分间相关性分析Table 2 Correlation analysis between components

由表2可知，除粗蛋白与灰分之间无相关性外，其他成分之间都存在显著相关关系。其中，淀粉、总糖、干物质、粗蛋白等含量之间呈显著正相关（P＜0.05）。还原糖与其他成分之间都呈极显著负相关（P＜0.01）。因此，提高木薯块根中还原糖含量，往往会降低淀粉等其他成分的含量。

2.3 木薯品系块根酒精发酵特性

8个代表性木薯品系的大田产量数据以及块根酒精发酵的实验结果见表3。

表3 代表型木薯品系块根在三种预处理后酵母发酵酒精产率和产量比较Table 3 Comparison of ethanol yield and production of typical cassava storage roots after three pretreatments fermented by yeast

由表3可知，原始糖木薯突变体SM具有极高的酒精产率，经过糖化和糊化处理后，酒精产率达到82 mL/100 g；即使不进行糊化和糖化处理，也有约25 mL/100 g的产酒率，这是淀粉型木薯所不具有的优势。淀粉型木薯不经过糖化和糊化处理直接发酵，几乎产不出酒精。这些结果说明木薯块根中还原糖含量是与高产酒精相关的品质性状。然而，SM的淀粉含量太低，仅0.70%，导致干物质含量仅8.27%。虽然其鲜薯亩产量有2 295 kg，干物质产量才12.65 kg/hm2，远低于其他品系。其酒精亩产量在块根干粉糖化糊化处理后发酵，只有10.4 L/hm2。由于还原糖含量与干物质含量及淀粉等性状呈负相关，通过育种技术打破负相关是培育能源木薯新品种的必要手段。

经过对SM进行杂交改良，糖木薯新品种SM03，淀粉含量提高到7.69%，是SM的10倍；干物质含量提高至29.12%，是SM的3.5倍；鲜薯产量也显著提高，达到222.13 kg/hm2。虽然发酵后酒精产率下降至53.7 mL/100 g（下降了34.5%），酒精产量上升至34.73L/hm2，比对照品种SC205提高了54.6%。SM03不经过高耗能的糊化处理，只进行糖化预处理，酵母发酵产酒精达到31.13 L/hm2，比SC205经过糖化糊化处理后发酵的酒精产量（22.47 L/hm2）还高，高出38.6%。另外，新品种S16号，在只进行糖化预处理的实验中，也达到达到较高的产量，产酒精27.80 L/hm2的水平，比SC205经过糖化糊化处理后发酵的酒精产量高出23.7%。由于省略糊化步骤可以节省能源，降低加工成本，因此，SM03和S16是两个具有极大推广价值的能源木薯新品种。

3 结论

本研究测定了28个木薯品系块根的干物质、淀粉、总糖、还原糖、粗蛋白和灰分等主要品质性状。结果表明，糖型木薯总体上还原糖含量高、淀粉含量低；其中SM还原糖含量最高，达到2.72%。淀粉型木薯总体上具有较高的淀粉、总糖、干物质和粗蛋白含量；其中16-13总糖含量最高，达到40.89%；08-6的淀粉含量最高，达到20.24%，比淀粉型对照SC205高31%，属于适用于淀粉加工的木薯品系；47-18粗蛋白含量最高达到3.13%，适用于食用或饲料用途。糖型木薯酒精产率高，其中SM酒精产率达到82.29 mL/100 g。提高还原糖含量有利于木薯生物质转化为乙醇，然而，还原糖含量与淀粉和干物质含量呈显著负相关（P＜0.05）。通过杂交育种，可以打破这种负相关，其中，品系49-17在维持了较高的还原糖含量的同时，淀粉含量提高到高于淀粉型木薯对照品种的水平；改良型糖木薯SM03，其块根转化乙醇的效率达到53.7 mL/100 g，虽然比糖型木薯SM转化乙醇效率大幅降低，但产量是SM的6.28倍，产酒精34.7 L/hm2，因此，SM03可作为乙醇专用木薯新品种。另外，新品种S16在只糖化不糊化预处理的发酵实验中，达到了产酒精27.8 L/hm2的水平，比SC205提高了27.1%。由于省略糊化步骤可以节省能源，降低加工成本，S16也可作为能源木薯新品种推广应用。