甜高粱的利用技术
李珊珊1, 李飞2, 白彦福1, 尚占环2
1.草地农业生态系统国家重点实验室 兰州大学草地农业科技学院,甘肃 兰州 730020
2.兰州大学生命科学学院,甘肃 兰州 730000
通信作者:尚占环(1978-),男,河北玉田人,教授,博士,主要从事草地生态学和生物多样性研究。E-mail:shangzhh@lzu.edu.cn

第一作者:李珊珊(1991-),女,甘肃张掖人,在读硕士生,主要从事动物营养与饲料研究。E-mail:lishsh15@lzu.edu.cn

摘要

随着经济的发展、人口的增加,耕地面积不断减少,能源危机和粮食短缺问题日渐凸显。甜高粱( Sorghum bicolor)作为一种有多重用途的作物,其茎秆能用作牧草、干草、青饲料和青贮饲料,可以缓解畜牧业饲草不足的现状;茎秆中的糖还可以用来生产乙醇,用作新型燃料;其渣可用来制酒、制糖、造纸等。其综合利用潜力大,对农业生态系统的良性循环有很大的意义。本文初步综述了甜高粱种质资源概况、栽培与管理、饲用甜高粱加工调制技术、贮藏技术、家畜饲用效果、应用等,阐明国内外甜高粱应用技术研究进展,以期为今后甜高粱的生产实践提供参考资料。

关键词: 甜高粱; 种质资源; 栽培与管理; 加工技术; 饲用效果
中图分类号:S514.099 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2017)04-0831-15 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0218
Utilisation technology of sweet sorghum
Li Shan-shan1, Li Fei2, Bai Yan-fu1, Shang Zhan-huan2
1.State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems, College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730020, China
2.Life Sciences College of Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
Corresponding author: Shang Zhan-huan E-mail:shangzhh@lzu.edu.cn
Abstract

Rapid economic development,increasing population, and decreasing arable land, are leadind to energy crisis, and food shortage problems, which are becoming serious concerns in the society. Sweet sorghum ( Sorghum bicolor) is a crop with multiple uses: its stem can be used as pasture, hay, green fodder, and for silage production, which can alleviate the current shortage of animal forage; due to its high sugar content, its stalk can be used to produce ethanol, a new biofuel; and its residue can be used to the production of wine, sugar, paper, etc. It has great importance in the virtuous cycle of agro-ecosystems. In this paper, we present a preliminary review on sweet sorghum germplasm, cultivation and management, bioprocessing technology, storage technology, livestock feeding effect, and applications. This paper elucidates advances in sweet sorghum applications in China and overseas, and provides references for future production practices of sweet sorghum.

Keyword: sweet sorghum; germplasm resources; cultivation and management; processing technology; feeding effect

甜高粱(Sorghum bicolor)是粒用高粱的一个变种, C4植物, 属禾本科一年生草本植物, 又称糖高粱、芦栗、甜秆等, 具有抗逆、抗旱、耐贫瘠、耐盐碱等生物特性, 生物产量高, 光合作用极强[1, 2]。它不但可以食用, 还可以用于酿酒, 籽粒可以制糖、用作饲料, 穗可以作扫帚等。与青饲玉米(Zea mays)相比, 甜高粱生物产量更高。在秸秆产量相等的情况下, 甜高粱可节约耕地, 降低成本, 极大地提高农业生产效益。其茎秆中含糖量很高, 可以通过发酵产生燃料乙醇, 为解决当今世界能源短缺问题提供原料物[3, 4]。甜高粱作为一种大有发展前途的作物, 将会为我国以及世界经济的发展起到积极促进作用[5]

1 甜高粱种质资源概况

国外对甜高粱的研究较早, 19世纪末澳大利亚从美国引入大量的甜高粱品种, 主要用作饲料, 目前甜高粱用来作牧草、青饲料、青贮饲料的种植面积已达到10万h m2[6-7]。我国对甜高粱的研究起步较晚, 始于20世纪80年代[7]。目前编入《中国高粱品种资源目录》的甜高粱品种共1 536份, 其中国内品种有384份, 从国外引入的品种有1 152份[8]; 甜高粱注册资源共374份, 其中59份为地方品种, 种植分布在17个省(市、区), 主要集中于长江中下游地区, 从上海到新疆, 从云南到黑龙江都有种植[9]。我国研究人员通过杂交也选育出一些新品系, 如原甜杂一号、沈农二号、辽饲杂二号等, 这些新品系在一些地区也已被逐步推广应用(表1表2)。

表1 我国引进的甜高粱品种特征(Table 1 Performance of introduction sweet sorghum varieties in China)

表2 国内甜高粱品种特征(Table 2 Performance of domestic varieties of sweet sorghum in China)

2 甜高粱栽培
2.1 栽培

由于甜高粱籽粒较小, 出苗顶土能力较弱, 因此要对土地深耕细耙, 以利出苗[13, 14]。甜高粱的种植, 应结合当地实际情况进行。以我国河西地区为例, 耕翻深度一般在30~35 cm, 播种前要根据土壤的肥力进行施肥, 一般播前施入农家肥 60 000 kg· hm-2、尿素150 kg· hm-2、磷酸二铵150 kg· hm-2、硫酸钾120~150 kg· hm-2、锌肥 15 kg· hm-2, 施基肥后翻耕, 使土肥混合[14, 15]。在我国北方, 甜高粱最适播期一般为4月下旬到5月上旬, 播种时以5 cm地温在12~13 ℃范围内较好, 0.067 hm2播种株数为5 000~8 000株, 行距40~60 cm, 播种量根据发芽率而定, 一般0.067 hm2播种量750 g较为合适[16]。在美国密西西比地区、亚拉巴马北部地区最佳播种时期为4月到5月中旬, 行距通常为90~107 cm, 若行距大于107 cm将会减产[17]

2.2 田间管理

甜高粱具有分蘖的习性, 出苗太密或分蘖过多都会影响主茎生长, 因此在苗期及拔节期应适当进行间苗和除蘖, 以保证产苗量, 为了获得高产, 需根据当地气候条件和甜高粱发育阶段适时灌水和追施肥料, 灌溉要注意前期量少, 后期量大; 结合灌水肥料追施1~2 次[18]。同时也要做好甜高粱病虫害的防治, 如最常见的黑穗病(Sphacelotheca reiliana)防治, 可以在播种前进行药物拌种, 用50%多菌灵可湿性粉剂按种子重量的0.3%~0.5%进行拌匀施加[19]; 条纹病(Drechslera graminea)防治可在播种前进行药物拌种, 可以用种子重量0.7%的50%敌克松进行拌种, 再加适量的水, 然后均匀地喷洒在种子上拌匀[19]。苗期至成株期用10%吡虫啉可湿性粉剂450~1 350 g· hm-2、3%阿维高氯乳油300~900 mL· hm-2、40%毒死蜱乳油150~450 mL· hm-2兑水450~1 350 kg进行叶面喷雾可防治蚜虫[20]

2.3 适时收获

甜高粱若用来作青绿饲料, 一年可以收割两次, 头茬在7月中旬或者下旬株高至15 cm左右收割, 收割后1~3 d内及时施肥和浇水; 第2茬在9月下旬左右早霜来临之前收获; 若用来作青贮饲料, 宜收割一次, 在9月下旬左右早霜来临之前收获, 此时甜高粱茎秆中含糖量高, 纤维含量低, 制作的青贮原料品质较好[20]。不同品种甜高粱的适宜栽培措施不同(表3)。

表3 不同品种甜高粱的栽培措施(Table 3 Cultivation practices of different sweet sorghum varieties)

3 饲用甜高粱加工调制技术

饲用甜高粱是澳大利亚培育的甜高粱杂交品种, 具有生物产量高、蛋白质含量高、单宁含量以及氢氰酸含量低等特点, 有较高的饲用价值[28]。与玉米相比, 种植成本较低, 对水和土壤肥力要求不高, 在半干旱和高盐度的土壤中生长良好, 用饲用甜高粱替代玉米来饲喂家畜能产生良好的经济效益[29, 30]。饲用甜高粱可以用作牧草、干草、青饲料和青贮饲料, 青贮是目前甜高粱作为饲料利用的主要形式[31]

3.1 饲用甜高粱青贮

饲用甜高粱青贮就是在厌氧条件下通过发酵将青贮原料中的碳水化合物(主要是糖类) 变成以乳酸为主的有机酸的过程[6]。甜高粱青贮后, 不但可以长时间的保存, 其营养成分不会流失, 而且有较好的适口性, 还能促进家畜消化腺的分泌活动、增强动物免疫力、提高消化率、防止家畜便秘[32, 33]

3.1.1 青贮步骤

收割:有研究[34]表明, 甜高粱在灌浆期、乳熟期和完熟期整株干物质产量分别为 14.25、18.0、15.0t· hm-2, 籽粒产量分别为 2.636、5.649、6.402 kg· hm-2; 完熟期籽粒产量最高, 但此时期的粗纤维含量较高, 动物消化率下降, 故青贮甜高粱在乳熟晚期收获最宜。

切短:收割后的甜高粱晒至水分60%~70%时切短, 喂牛的茎和叶片可切成 2~3 cm, 喂马、羊、猪、禽可切成1~2 cm, 对老弱幼畜应切得更短, 以便于家畜咀嚼, 促进营养物质的消化吸收[6]

装填:将食盐磨成细末, 按照甜高粱添加量的3%~5%进行添加; 乳酸菌干粉按3 g中加入2 L清水的比例混合后, 放置2 h左右, 每吨青贮甜高粱上喷洒2 L左右; 每吨甜高粱添加尿素2.5~5 kg; 将甜高粱与食盐、乳酸菌、尿素混合均匀进行装填[32]。装填时为了防止漏气, 在青贮窖四周铺上塑料薄膜, 原料装填到高出窖口1~1.5 m时为止[35]。青贮时添加不同的添加剂对青贮效果有不同影响(表4)。

表4 不同添加剂对甜高粱青品质的影响(Table 4 Effects of different additives on sweet sorghum silage quality)

密封:乳酸菌活动的最适温度范围为20~30 ℃, 发酵温度控制在19~37 ℃, 当甜高粱添加至青贮窖口30 cm时, 用塑料薄膜铺盖后再压土30~50 cm, 拍实[40]

3.1.2 饲用甜高粱青贮品质评定 一般青贮较好的原料颜色为绿色或黄色, 有一种酸香味, 茎叶质地柔软, 湿润; 中等品质的青贮原料颜色呈黄褐色或墨绿色, 有一种刺鼻的酸味; 若颜色为褐色或黑色, 质地易松或茎、叶等结构破坏, 有苦味或腐臭味, 则判定为劣质[32]

3.2 饲用甜高粱混贮

混合青贮是指将两种或两种以上的青贮原料混合贮存在密闭容器中制作青贮原料的一种方法, 其原料作用相互弥补, 发酵品质较好, 是一种高效的青贮方式[41, 42]。韩润英等[41]研究表明, 饲用甜高粱和全株青贮玉米混贮后可以弥补饲用甜高粱淀粉含量不足的缺点, 提高全株玉米青贮的总糖含量, 适口性好, 营养价值全面。罗登等[43]将大力士甜高粱和拉巴豆(Dolichos lablab)按3∶ 7、4∶ 6、5∶ 5、6∶ 4、7∶ 3的比例分别混合青贮, 对青贮品质不同指标进行分析, 最终试验结果表明, 甜高粱和拉巴豆比例为5∶ 5混贮时青贮料蛋白含量和无氮浸出物含量较高, 粗纤维含量较低, 青贮效果较好。李川东等[44]的研究表明, 野生大豆(Glycine soja)单独青贮发酵品质不佳, 但与饲用甜高粱混贮后不但青贮发酵品质较好, 而且混合青贮显著提高了青贮饲料的粗蛋白质含量。

3.3 饲用甜高粱调制干草

甜高粱茎秆富含糖分, 鲜嫩多汁。调制干草时为了防止茎秆中糖分损失应避免在雨天刈割或刈割后避免淋雨, 调制后的干草粉碎后贮存, 最好和其它牧草混合饲喂动物, 提高饲料利用率[16]

3.4 饲用甜高粱饲喂注意事项

饲用甜高粱在苗期含有氰糖苷(cyanogenic glucoside), 在生长过程会产生氢氰酸, 氢氰酸有毒, 牲畜饲用后会有中毒的危险。有报道[45]称, 饲料中氰化物的浓度超过 200 mg· kg-1时会对动物产生毒害。饲用甜高粱做成青贮饲料后氢氰酸会分解, 不会对牲畜产生不利影响[32]。甜高粱中含有抗营养因子单宁, 它可以影响动物的消化吸收, 甜高粱籽实作为精料饲喂动物时可用加热的方法减少单宁的含量, 饲喂时最好和其它饲料配合使用[16]

4 甜高粱贮藏方法

甜高粱茎秆糖汁丰富, 易于转化, 应及时进行加工, 减少糖分和养分的损失, 但是甜高粱成熟期较集中, 收割时间短, 受加工条件的限制, 不能在很短的时间内将其进行加工处理, 因此需要对原料进行贮藏。根据不同的甜高粱贮存方式, 整体可分为田间自然贮存和榨汁贮存。

4.1 田间自然贮存

田间自然贮存是目前甜高粱最常用的一种贮存方式, 因受到地域、气候、人为因素的影响, 其具体贮存形式也不尽相同。严洪冬等[46]将15个甜高粱品种分别冷冻15、30、45 d后对茎秆含糖量进行研究, 结果表明, 在冷冻45 d内甜高粱茎秆的含糖量没有显著变化, 农业生产过程中可以采用打捆冷冻贮存的方式对甜高粱茎秆进行贮藏。我国北方地区就可以很好地利用这一特性, 从秋末冬初气温快速下降至枯霜冻, 直到翌年2月上旬平均气温回升到0 ℃以上为止, 这一时期, 甜高粱茎秆都可以在田间自然冷冻贮藏。在此期间, 加工企业可到田间按需收割, 此方法可以减少环境污染, 节约贮藏空间和成本[47]。田间收割捆扎后的甜高粱, 不同的堆垛方式亦会影响其营养成分。用竖立堆垛和捆扎横放堆垛两种方式贮藏甜高粱157~199 d后, 测定其总糖、可溶性糖、还原糖、蔗糖及纤维素含量的变化, 结果表明, 贮藏期间横放条件下的甜高粱茎秆总糖、可溶性糖、还原糖、蔗糖含量比竖放的高, 竖放与横放的甜高粱茎秆纤维素含量无变化, 因此建议甜高粱在捆扎贮存时横放堆垛[48]。也有人利用秸秆揉搓机、打捆机、包膜机及发酵剂等设备, 将甜高粱秸秆切碎, 打捆, 加入发酵剂再包膜打捆, 若用4层膜包装, 在露天保存, 不受自然环境影响, 保质期在 1年以上; 若膜不破裂损坏, 保质期可达到2年[49]。这种经过简单包膜处理的贮存方式, 对于甜高粱的长期保存很有帮助, 非常值得借鉴。

4.2 榨汁贮存

甜高粱榨汁贮存就是用特殊的设备将收获的甜高粱秸秆压榨成汁液进行贮存的一种方式。汪彤彤等[50]研究了苯甲酸钠、漂白粉、尼泊金乙酯 3 种防腐剂对甜高粱茎秆汁液贮存的影响, 结果表明, 添加防腐剂后, 茎秆汁液中总糖含量变化不大, 茎秆汁液至少可贮存1个月, 但防腐剂的添加会抑制酒精的发酵, 副作用较大。将甜高粱汁发酵贮存, 对甜高粱汁进行杀菌, 加入酵母, 然后密封后进行保存, 结果表明, 发酵液在贮藏 6 个月后不发生变质, 与秸秆贮藏相比, 榨汁发酵贮藏法更具有安全、经济的特点[51], 但该方法所需设备的投入量较大, 成本较高。

5 甜高粱的饲喂效果研究

甜高粱与玉米相比, 含糖量和粗纤维、含氮浸出物含量均高出玉米, 无论是青贮, 还是作青饲料, 用来饲喂畜禽, 适口性较好, 且易于动物的消化吸收[35]。饲用高粱在养牛业中表现出了显著的经济效益, 美国内华达州生物技术研究室的研究人员 Henderson声称, 饲用与常规的高粱相比, 饲用高粱BMR100可提高消化率40%, 并且还能提高蛋白质含量[33]。有研究表明, 用甜高粱作青贮饲料来喂养奶牛, 每头奶牛每天产奶量增加0.55 kg, 乳脂率提高0.12%[5]; 用“ 大力士” 甜高粱饲草替代在奶牛日常饲喂草料中一部分干草饲喂奶牛后, 日产奶量增加2.84 kg[52]; 初产母羊补饲青贮甜高粱秸秆, 比饲喂青贮玉米秸秆母羊的繁育率高出12.5%, 母羊泌乳力、羔羊总增重分别高出3.93和9.71 kg[53]; 用青贮甜高粱饲喂奶牛比青贮玉米饲喂每头奶牛日产奶量增加2.19 kg; 用青贮甜高粱饲喂3~5月龄羊比饲喂青贮玉米每只日多增重2.01 g, 2~3岁龄羊每只日多增重 29.27 g[54]。用青贮甜高粱饲喂肉牛比玉米秸秆饲喂肉牛每头平均日多增重0.47 kg, 净收益每头每天比饲喂玉米秸秆多9.78元[55]

图1 草地放牧系统中硒元素的循环流动图(Fig.1 The cyclic route of selenium in grassland grazing system)

用甜高粱蔗渣饲料喂养年龄约为3月大的公羊羔, 通过测定采食量、养分利用率、营养物质的摄入以及钙、磷等指标, 结果表明, 甜高粱蔗渣含量超过60%时小羊表现为蛋白不足[56]。因此, 建议在含甜高粱蔗渣50%以上的饲料中添加一种蛋白质源, 来确保瘤胃微生物的最佳活动。

无论是羔牛、肉牛, 还是奶牛, 饲用甜高粱都表现出良好的饲用效果(表5)。

表5 甜高粱饲草饲喂效果(Table 5 Feeding effcet of sweet sorghum forage)

表5 甜高粱饲草饲喂效果 Table 5 Feeding effcet of sweet sorghum forage

6 甜高粱生物加工技术

近几年, 利用生物技术生产多种产品和副产品, 如生物乙醇、热、电和饲料等越来越受关注[60, 61]。有研究表明, 利用甜高粱生产聚乙烯材料来代替传统的塑料可以减少化石能源的消耗和温室气体的排放[62]。利用甜高粱秸秆厌氧发酵可以产生氢气, 氢气作为一种能源物质比传统的化石燃料更环保、更高效[63]; 将甜高粱秸秆处理后加入辅料, 再经过微生物发酵后可以将甜高粱转化为蛋白质饲料, 可以缓解蛋白质饲料缺乏的现状[64]; 将生产乙醇后的酒糟与饲料按一定比例混合后可以制成适口性好、价格低廉, 有饲用价值的粗饲料[65]

甜高粱的综合利用可以带动粮食、饲料、养殖、能源、造纸等一系列产业的发展, 形成甜高粱生态循环综合利用体系, 使农、牧、副、渔得到可持续发展, 为农民和社会带来巨大的经济效益。因此, 其加工技术和工艺流程越来越重要(表6)。

表6 甜高粱加工工艺流程(Table 6 Sweet sorghum porcessing process)

7 甜高粱的应用
7.1 甜高粱在能源方面的应用

甜高粱是一种高效的能源作物, 茎秆中的糖经生物发酵产生乙醇, 乙醇和汽油混合成为很受欢迎的汽车燃料, 综合利用价值高, 很有发展潜力[72]。乙醇汽油属于可再生能源, 与常规汽油相比使用方便, 储存容易, 环保性能好, 能够减少汽车尾气等有害气体的排放[73]。如今巴西已成为全球乙醇生产和消费大国, 据不完全统计, 目前巴西全国使用乙醇汽油汽车约l 600万辆[74]。印度、加拿大、日本、澳大利亚等国都已种植甜高粱, 并相继开展了以甜高粱秸秆为主要原料来生产燃料乙醇的研究与开发[75]。据统计, 2013年, 我国乙醇汽油消耗量达到2 040万t, 占全国汽油总消耗量的1/4左右[76]。与其它作物比较, 甜高粱在能源方面的应用具有其独特优势(表7)。

表7 甜高粱和其他作物在能源方面的比较[77](Table 7 Comparison of sweet sorghum and other crops in the energy sector)

7.2 甜高粱造酒

生物酿酒离不开糖, 而甜高粱茎秆中含有丰富的糖汁, 因此, 甜高粱是生物酿酒的好原料, 具有很高的经济效益[78]。每公顷甜高粱可生产60° 的白酒3 t, 而且制糖后的残渣可被重复利用来造酒[79]。目前, 用甜高粱不但酿造出了白酒— — 凯勒酒, 又在其基础上研制出百余个系列产品, 同时所制出的酒还可以进一步蒸馏成为酒精, 供其它用途[78]

7.3 甜高粱造纸

甜高粱作为锅炉的燃料, 燃烧后的残渣一半可以用来气化发电, 一半可以用来造纸, 每1.3 t甜高粱茎秆生产乙醇后的干渣, 可以生产出1 t的高档纸浆, 利润在 1 000元以上, 造纸过程中不需要漂白, 减少了对环境的污染[87]

7.4 甜高粱制糖

在产糖作物中, 甜菜只能在我国北方种植, 甘蔗只能在南方种植, 而甜高粱没有地域限制, 且单位面积甜高粱产糖量是甜菜的1.3倍[80]。在所有能源作物中, 甜高粱最显著的特征在于它的高糖和高生物产量[81, 82]。甜高粱茎秆中含糖量高达18%~24%, 每公顷茎秆可以产糖900~1 500 kg[83]。早在18世纪, 美国、巴西等国家就种植甜高粱用来制糖。

7.5 甜高粱其它用途

甜高粱渣可以被燃烧来提供热量(蒸汽), 多余的电力可以出售给当地公用事业[84]。在巴西和印度, 甜高粱渣不但可以作为生产生物能源的原料, 还可以作为牲畜饲料, 其具有比甘蔗渣更高的饲喂价值[85, 86]。从2011年开始, 我国许多工厂就将甜高粱渣用来生产家畜饲料[87]。甜高粱穗可以用来做扫帚, 666.7 m2甜高粱产的穗可制造扫帚300把以上[78]。甜高粱汁作为碳源, 在生产生物聚合物中也具有很大的潜力[88]。另外, 甜高粱还可合成树脂, 降解塑料, 作培育蘑菇的基质等, 在工业、食品行业上都有用到。

8 展望

在美国、加拿大、澳大利亚等发达国家, 高粱籽粒主要用于配合饲料, 通常在饲料里加入10%~25%高粱籽粒作为配料[33]。在我国, 高粱籽粒主要以直接饲喂牲畜的形式进行利用, 是一种原始的、未经加工的粗饲料, 其用量约占总量的1/3。而且目前推广的甜高粱品种穗小, 粮食产量低, 青贮饲料的精料比重不够, 不得不补充其它精料。我国的大型畜牧场一般用饲用玉米或干草作饲料, 尚未完全把甜高粱纳入到全饲料当中, 基于目前的现状, 需要政府加大宣传力度, 积极示范推广, 建立甜高粱示范性基地, 开发甜高粱的经济潜能[89], 进一步带动种植业、畜牧业、食品加工业、能源化工业、生态旅游业等的发展, 促进五大循环产业持续协调发展。

甜高粱耐干旱、耐盐碱, 在我国北方地区, 气候干燥, 盐碱地较多, 如果能够大面积推广种植甜高粱, 不仅能够缓解畜牧业饲草短缺的状况, 而且还可以充分利用滩涂、盐碱地, 增加经济效益。随着现代生物技术的发展, 分子生物技术在农作物的研究中成为一种有效的工具, 可在分子水平上, 利用分子技术发掘出优异的基因, 选育出适用于不同地区高产、高糖、抗逆性较高、综合利用价值较高的甜高粱优质品种[90], 有研究表明将bmr基因突变可以降低饲草高粱体内木质素的含量, 提高饲用价值[91]。在加工方式上, 对甜高粱秸秆进行碱化、酸化、高温、磨碎、蒸汽压片的方式来提高其利用效率, 同时不断优化现有甜高粱加工调制技术的条件, 使其更好地服务于社会的经济与发展。

The authors have declared that no competing interests exist.

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