利用生物技術(shù)對(duì)木薯的應(yīng)用

生物技術(shù)對(duì)木薯的綜合利用化學(xué)化工與生物工程學(xué)院 生物1001班 胡世賢 摘要：木薯不僅作為一種農(nóng)作物來豐富人們的餐飲，還可作為重要的工業(yè)原料，塊根淀粉是工業(yè)上主要的制淀粉原料之一。作為生產(chǎn)飼料的原料，木薯粗粉、葉片是一種高能量的飼料成分。在發(fā)酵工業(yè)上，木薯淀粉或干片可制酒精、檸檬酸、谷氨酸、賴氨酸、木薯蛋白質(zhì)、葡萄糖、果糖等，這些產(chǎn)品在食品、飲料、醫(yī)藥、紡織（染布）、造紙等方面均有重要用途。關(guān)鍵字 生物技術(shù) 養(yǎng)殖 微生物 酒精 分子 標(biāo)記技術(shù)0引言：木薯(Man ihot esculen ta Crantz)又名木番薯、樹薯, 為大戟科( Euphorb iaceae) 木薯屬(Manihot P. M il.l ) 唯一的栽培種, 起源于熱帶美洲。木薯素有淀粉之王 的美稱, 是世界三大薯類作物之一 。經(jīng)過數(shù)千年的栽培, 現(xiàn)已普遍分布于30!N 30! S的熱帶和亞熱帶地區(qū)。木薯于19世紀(jì)20年代引入我國(guó), 首先在廣東省高州一帶栽培, 隨后引入海南島, 現(xiàn)已廣泛分布于華南地區(qū), 以廣西、廣東和海南栽培最多, 福建、云南、江西、四川和貴州等省南部地區(qū)亦有引種試種 。木薯在生產(chǎn)上通常采用莖段繁殖, 由于其繁殖率低、種莖運(yùn)輸量大, 嚴(yán)重影響了木薯在短期內(nèi)的大規(guī)模發(fā)展。木薯基因型高度雜合、花粉育性低、有性雜交后代分離嚴(yán)重等遺傳背景使得木薯傳統(tǒng)育種方法受到一定限制。近年來, 隨著生物技術(shù)的發(fā)展, 它在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。本文參考了大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，查詢了時(shí)下有關(guān)木薯的最新研究方向及成果，總結(jié)出了其重要的應(yīng)用方面，全面評(píng)定了其綜合價(jià)值，并作出了一定的展望。1發(fā)酵木薯渣在養(yǎng)殖上的應(yīng)用1.1木薯渣綜述木薯渣是木薯淀粉或酒精加工后的廢料，木薯渣的主要成分是淀粉和纖維素，少量的蛋白質(zhì)。許多的養(yǎng)殖戶經(jīng)常把木薯渣用來做飼料，木薯渣價(jià)格低廉，來源又廣，如經(jīng)過科學(xué)地發(fā)酵處理，再搭配適量的蛋白質(zhì)飼料和微量元素，然后用來喂豬，則可以降低成本，顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。1.2發(fā)酵木薯渣的方法 （1）第一種發(fā)酵方法（純木薯渣發(fā)酵）：取一包“粗飼料降解劑”與5公斤以上玉米面（麥粉，薯干粉，木薯粉，高粱粉也可以，數(shù)量可以用到50公斤，越多越好），攪拌均勻，用來拌和500公斤的木薯渣，食鹽1.0公斤，加入過磷酸鈣（即磷肥）和碳酸鈣（即石粉，或雙飛粉都可用）各1公斤，含水量調(diào)控在70%以內(nèi)（采用“粗飼料降解劑”對(duì)于水分含量要求的標(biāo)準(zhǔn)是：手抓一把飼料，輕輕一握，即有少量水滴出，或手指間有水印出即可，這就是最好的含水量，這個(gè)含水量一般是5070%），然后裝入池或缸內(nèi)壓實(shí)，用塑料薄膜蓋好缸口，上面再加一層紡織袋保護(hù)塑料薄膜，用繩子扎緊，一般需要發(fā)酵37天，有甜酒醇香氣味，即可用來喂豬。（2）第二種發(fā)酵方法：基本上與上述的發(fā)酵方法相同，只是另外再加入5080公斤的豆粕（菜籽粕、棉菜粕、花生麩均可，原則上可以多加一點(diǎn)，棉菜粕等有毒蛋白原料加得多的，則要多發(fā)酵幾天），利用豆粕等蛋白飼料中的蛋白質(zhì)含量高的特點(diǎn)，來彌補(bǔ)木薯渣蛋白質(zhì)含量低的缺陷，同時(shí)，“粗飼料降解劑”又可兼脫去棉菜粕中的毒素，一舉兩得。1.3發(fā)酵木薯渣的調(diào)制方法發(fā)酵完成的木薯渣飼喂動(dòng)物前需要進(jìn)行調(diào)配營(yíng)養(yǎng)，主要是要添加適量的微量元素，使發(fā)酵的木薯渣達(dá)到營(yíng)養(yǎng)全面，飼喂效果顯著的目的。 如果是用來養(yǎng)豬，一噸發(fā)酵完成的木薯渣需要添加百日出欄加強(qiáng)型預(yù)混料2包（因?yàn)槭菨窳?，所以添加兩包即可），免疫多維（金賽維）200克， 100克生物催肥精，視發(fā)酵產(chǎn)酸情況，加入木薯渣的量的1%的小蘇打粉進(jìn)行中和，或每100公斤發(fā)酵木薯渣添加10克糖精，（其實(shí)不酸的情況下也可以加，小蘇打粉本身是一種健胃劑），混勻即可與其他飼料飼喂，采用以上調(diào)制方法后將完全杜絕因?yàn)轱曃鼓臼碓鸬拿L(zhǎng)問題。飼喂牛羊馬也可以采用這種調(diào)制方法。具體見下面將要介紹的各種動(dòng)物的喂養(yǎng)配方表。 如果是用來飼喂家禽（雞鴨鵝等），一噸發(fā)酵的木薯渣添加一包家“家禽營(yíng)養(yǎng)寶”預(yù)混料（500克）與100克“生物催肥精”，即可達(dá)到良好飼喂效果。2利用木薯渣對(duì)微生物的培養(yǎng)2.1木薯渣混合培養(yǎng)基由于木薯應(yīng)用廣泛，經(jīng)深加工后產(chǎn)生富含大量纖維素的廢物，可以其為發(fā)酵原料，加入另外的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)自然界篩選出的自然互無拮抗作用的菌種進(jìn)行混合發(fā)酵，可以大幅度提高其附加值，同時(shí)降低了生產(chǎn)菌種的成本。2.2發(fā)酵纖維素分解菌2.2.1原理以木薯粉為原料，將多種在自然界混生的微生物純化后在再混合發(fā)酵，混合發(fā)酵可以保持持續(xù)的纖維素降解能力以及對(duì)酶反饋抑制物有較高的耐受力。而且各種菌種產(chǎn)生的纖維素酶在不同溫度和酸堿度下起作用，可以在較粗放的環(huán)境中降解纖維素。2.2.2培養(yǎng)基木薯渣4 g,黃豆粉0.75 g,KH2PO40.20 g,NaCl 0.02 g,MgSO4.7H2O 0.015 g,蒸餾水1 000 mL;發(fā)酵工藝為初始pH=7.0,培養(yǎng)溫度402.2.3菌種篩選初篩：從土壤，堆肥，木薯渣中取樣，用篩選培養(yǎng)基分離出長(zhǎng)勢(shì)旺盛，透明圈大的菌落。純化后分別點(diǎn)中于篩選基培養(yǎng)，40下培養(yǎng)3天后測(cè)定透明圈直徑。復(fù)篩：將初篩得的單株細(xì)菌接入液體搖床發(fā)酵培養(yǎng)基中,140 r /min振蕩培養(yǎng)8 d。第2 d 起每24 h 取10 mL發(fā)酵液4 000 r/min離心10min, 上清液即為粗酶液2.2.4纖維素分解菌的混合發(fā)酵培養(yǎng)將復(fù)篩得到的單株細(xì)菌、霉菌、放線菌制成菌懸液, 按表1所示的接入量分別接入液體培養(yǎng)基和固體發(fā)酵培養(yǎng)基 。液體發(fā)酵的試驗(yàn)方法同復(fù)篩。固體發(fā)酵則在接種后 靜培養(yǎng)14 d, 每天攪拌1次, 每次5m in。從培養(yǎng)的第3天起每隔48 h取1次固體發(fā)酵物, 40 恒溫水浴浸提1 h, 每隔15 min搖勻1次, 浸提液4 000 r /m in離心10m in, 上清液即為粗酶液。分別測(cè)CMC酶活、FAP酶活, 選出酶活較高的組合。2.2.5濾紙條降解試驗(yàn) 濾紙是聚合度和結(jié)晶度都居中等的纖維素材料 , 通過對(duì)其形態(tài)變化的觀察可以定性分析菌株分解能力的高低。取經(jīng)液體發(fā)酵培養(yǎng)3 d的菌懸液,按10%接種量接種于濾紙條鑒定培養(yǎng)基 , 50 、140 r /m in振蕩培養(yǎng)14 d。每日觀察濾紙條崩解情況, 14 d后用濾紙過濾發(fā)酵液, 用稀的鹽酸和硝酸混合液沖洗去除菌體, 反復(fù)緩慢沖洗過濾破碎的濾紙條,烘干稱量。用減重法計(jì)算濾紙失重率, 以不接菌的培養(yǎng)基作為對(duì)照。、濾紙失重率=降解前濾紙重量- 降解后濾紙重量/降解前濾紙重量3木薯分子標(biāo)記技術(shù)3.1 遺傳圖譜的構(gòu)建遺傳圖譜是通過遺傳重組交換結(jié)果進(jìn)行連鎖分析所得到的基因在染色體上相對(duì)位置的排列圖。將分子標(biāo)記技術(shù)應(yīng)用于遺傳圖譜的構(gòu)建是遺傳界的又一重大進(jìn)展。利用分子標(biāo)記技術(shù)建立DNA 指紋圖譜是鑒別品種(系)的有力工具。由于指紋圖譜具有高度的基因型特異性,結(jié)果易分析且穩(wěn)定。付瑜華等利用蛋黃木薯、華南7 號(hào)、華南124等10個(gè)木薯品種進(jìn)行SSR 分析, 從40對(duì)引物中篩選出多態(tài)性好的22對(duì)引物進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)SSRy13和SSRy23。引物可以將10個(gè)木薯品種區(qū)分開來 。吉家敏等采用SSR、ESTSSR、SRAP標(biāo)記技術(shù)對(duì)木薯群體的遺傳圖譜進(jìn)行構(gòu)建, 用49對(duì)引物進(jìn)行分析時(shí)共得到多態(tài)性位點(diǎn)241個(gè), 其中以SSR引物的多態(tài)性位點(diǎn)最多, 具有108個(gè); 利用所建木薯遺傳連鎖圖譜, 對(duì)群體的淀粉率含量、單株產(chǎn)量、收獲指數(shù)和干物質(zhì)率進(jìn)行QTL分析, 共獲得44個(gè)QTL位點(diǎn), 分屬在6個(gè)連鎖群上, 其中 50%的QTL 有27個(gè), 其中收獲指數(shù)的QTL有11個(gè), 貢獻(xiàn)率在7. 43% 24. 07%3.2遺傳多樣性研究分子標(biāo)記技術(shù)可以用來建立DNA指紋庫(kù)。在同一物種的各個(gè)品種間存在大量的多態(tài)性標(biāo)記。某一品種具有區(qū)別于其他品種的獨(dú)特DNA譜帶。這些具有該品種特異性譜帶的DNA 片段被稱為該品種的指紋 。某一物種的所有品種的指紋片段就可以構(gòu)成該物種的DNA 指紋庫(kù)。在農(nóng)業(yè)生物領(lǐng)域研究中, 為了對(duì)植物進(jìn)行遺傳多樣性分析, 就需要DNA指紋圖譜。鄒積鑫等采用28 對(duì)微衛(wèi)星標(biāo)記對(duì)我國(guó)現(xiàn)存的89個(gè)木薯品種進(jìn)行遺傳多樣性分析, 共獲得93個(gè)基因位點(diǎn), 其中多態(tài)性位點(diǎn)88個(gè), 平均多態(tài)性水平為94. 6%; 同時(shí), 采用NTYSpc軟件計(jì)算品系間的遺傳相似系數(shù), 結(jié)果表明供試品系間的GS 值變化范圍為0. 4320952, 當(dāng)平均遺傳相似系數(shù)為0. 58時(shí), 供試品系可聚類為4大類, 除第4類只有1個(gè)品系外, 其余3大類均包含來自不同國(guó)家的品系, 表明供試品種具有較豐富的遺傳多樣性 。4木薯原料酒精生產(chǎn)中的應(yīng)用4.1、原料除雜：對(duì)木薯進(jìn)行初步除雜，除去泥塊、石子、繩線等雜物及金屬體。4.2、原料粉碎：是為了減少蒸煮時(shí)間、便于機(jī)械化和連續(xù)化生產(chǎn)及提高淀粉出酒率等。木薯干的水分較低，淀粉含量高，容易破碎。采用一級(jí)粉碎，負(fù)壓送料。4.3、拌料預(yù)煮：拌料水用蒸餾室冷卻余水，水溫控制在70左右，溫度過低，加熱時(shí)震動(dòng)大，對(duì)原料的均勻糊化不利，溫度過高，料液粘稠。料水比控制在1：2.53。拌料完成后，加-淀粉酶（加入量為0.2L/T淀粉原料）液化15min，主要目的是降低預(yù)煮醪的粘度，對(duì)濃醪發(fā)酵有利。4.4、蒸煮：液化完成后，迅速將醪液升溫至92，蒸煮時(shí)間應(yīng)在90min以上。蒸煮醪要呈微黃色，不含顆粒，定時(shí)檢測(cè)化驗(yàn)。4.5、糖化：先準(zhǔn)備好20倍糖化酶的稀釋液，再將蒸煮液經(jīng)由真空冷卻器進(jìn)入已徹底冷卻并殺菌的糖化罐內(nèi)，控制溫度為5860，同時(shí)按100u/g原料流加糖化酶進(jìn)行糖化，時(shí)間應(yīng)保持30min。糖化指標(biāo)為：總糖10-13；總還原糖5-6；糖化率45%；酸度4.3。4.6、發(fā)酵：將糖化醪液冷卻后泵入發(fā)酵罐內(nèi)，同時(shí)加入10酒母醪進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵溫度3034，發(fā)酵時(shí)間控制在50h左右。發(fā)酵成熟醪檢測(cè)指標(biāo)為：酸度6.2，殘?zhí)?%，殘余還原糖0.3%，酒精份1012%（v/v）。4.7、蒸餾工序：發(fā)酵成熟醪液經(jīng)預(yù)熱器加熱后，從粗餾塔頂部進(jìn)入，粗餾塔塔底通入蒸汽，控制粗塔塔底溫度為108-111，頂溫為9698，酒精糟液從粗餾塔底部排出進(jìn)入污水處理場(chǎng)進(jìn)行處理。酒精含量約50%的粗酒精蒸氣從粗餾塔頂部進(jìn)入精餾塔中部，精塔底溫為108109，中溫為8485，進(jìn)行精餾，精塔底部廢水排入污水處理場(chǎng)，然后再經(jīng)水洗、脫醇等工序制成成品，成品酒精和雜醇油分別經(jīng)冷卻進(jìn)入成品儲(chǔ)罐。5木薯生物技術(shù)應(yīng)用前景5.1經(jīng)濟(jì)效益當(dāng)前，新能源燃料酒精的推廣以及新品種養(yǎng)殖飼料的研發(fā)帶動(dòng)了木薯產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展，廣東、廣西、云南、海南等地都在擴(kuò)大木薯種植面積，木薯酒精、木薯淀粉等加工企業(yè)紛紛擴(kuò)大規(guī)模，國(guó)內(nèi)酒精生產(chǎn)第一大縣江蘇省連云港市贛榆縣2006年木薯酒精產(chǎn)量已達(dá)到40萬噸，2007年將達(dá)到100萬噸，山東省每年木薯酒精產(chǎn)量也達(dá)100萬噸，僅此兩地的木薯渣即可生產(chǎn)200萬噸生物有機(jī)肥，有機(jī)飼料，創(chuàng)產(chǎn)值20億元，利稅4億元，可用于30萬公頃的蔬菜種植，減少18000噸化學(xué)農(nóng)藥的用量。大量的木薯皮、木薯酒精渣、木薯淀粉渣為當(dāng)前農(nóng)業(yè)上急需的商品有機(jī)肥的生產(chǎn)創(chuàng)造了條件，也為無公害綠色食品的生產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)。5.2. 社會(huì)效益采用生物技術(shù)生產(chǎn)的木薯有機(jī)飼料，成本低，效果好，增加農(nóng)民收入。因此，對(duì)于發(fā)展農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化以及農(nóng)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)調(diào)整、品牌培植、出口貿(mào)易等都會(huì)產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用，對(duì)于促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高農(nóng)民農(nóng)業(yè)科技水平具有重要意義，會(huì)帶來良好的社會(huì)效益。5.3. 環(huán)保效益生物技術(shù)對(duì)木薯的再利用有非常重要的意義，徹底解決困繞釀造企業(yè)的環(huán)境污染問題，使廢棄的資源得到合理利用，生產(chǎn)出具有高附加值的產(chǎn)品，適合市場(chǎng)需求，使其變廢為寶，給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，產(chǎn)生巨大的環(huán)保效益，形成了生產(chǎn)與環(huán)保的良性循環(huán)。同時(shí)，該項(xiàng)目的實(shí)施將改變傳統(tǒng)工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式（“資源產(chǎn)品廢物和污染排放”的線性特征），向循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式（“資源產(chǎn)品再生資源”的技術(shù)特征）轉(zhuǎn)變，以最小的資源和環(huán)境成本，取得最大的綜合效益。參考文獻(xiàn) 1 莫饒, 吳繁花, 葉劍秋, 等. 木薯離體培養(yǎng)的研究 J. 華南熱帶農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003 2 邵乃凡. 我國(guó)木薯產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) J. 淀