劉高源，高欣欣，郭家文

（云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，云南開遠(yuǎn) 661699）

0 引言

甘蔗是我國(guó)重要的糖料作物[1]，其生產(chǎn)成本極大地左右了整個(gè)糖業(yè)的發(fā)展。甘蔗作為高纖維作物，其纖維組分在干物質(zhì)中占比最多。在制糖工業(yè)中，主要以甘蔗渣的形式成為加工副產(chǎn)物，其含量可達(dá)24%～27%[2]。纖維組分作為植物細(xì)胞壁的主要原料，在甘蔗的各類生理過程中都起著不可或缺的作用[3]。同時(shí)，纖維組分的合成又是甘蔗光合產(chǎn)物分配的重要途徑，其與甘蔗的糖代謝有著密切的關(guān)系。研究表明，纖維組分的含量與甘蔗蒸煮液錘度呈極顯著負(fù)相關(guān)[4]，還與甘蔗的產(chǎn)量、莖徑及單位含糖量呈極顯著負(fù)相關(guān)[5]，甘蔗纖維組分的研究越來越受到關(guān)注。甘蔗是收獲莖稈的作物，蔗莖是糖分和纖維主要的積累場(chǎng)所，也是纖維組分分析的主要對(duì)象。在以往的研究中，多是針對(duì)甘蔗整體纖維組分進(jìn)行研究，而對(duì)于不同部位纖維組分分布差異的研究較少。但甘蔗莖中不同部位的生理代謝特征是不同的，例如蔗糖含量在蔗莖中存在自下而上遞增的特點(diǎn)[6]，這是光合產(chǎn)物過剩并以糖分的形式積累結(jié)果[7]。纖維組分的代謝主要與細(xì)胞壁合成相關(guān)，隨甘蔗生長(zhǎng)時(shí)間的變化，細(xì)胞壁中纖維組分的成分與含量也有所不同[8]。蔗莖不同部位細(xì)胞的成熟度和生長(zhǎng)時(shí)間不同，是造成蔗莖不同部位纖維組分差異的主要原因。一方面，蔗莖纖維組分研究對(duì)甘蔗纖維副產(chǎn)物應(yīng)用有重要指導(dǎo)意義。廢棄物的分類是再利用的重要前提，蔗莖纖維組分析可明確各纖維組分集中的部位，進(jìn)而對(duì)纖維副產(chǎn)物的再利用提供理論支撐。另一方面，研究蔗莖不同部位纖維組分的差異，可幫助我們進(jìn)一步了解蔗莖中纖維組分代謝特征并為蔗莖細(xì)胞壁形成和纖維組分代謝的研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

研究材料選取云南省主栽及近年選育表現(xiàn)較好的甘蔗品種：‘新臺(tái)糖22 號(hào)’、‘粵糖93-159’、‘云蔗05-51’、‘桂糖32 號(hào)’和‘福農(nóng)39 號(hào)’。其中‘新臺(tái)糖22 號(hào)’、‘粵糖93-159’為主栽品種，‘云蔗05-51’、‘桂糖32號(hào)’及‘福農(nóng)39號(hào)’為主推品種。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 取樣

于甘蔗宿根生長(zhǎng)10個(gè)月時(shí)，選取長(zhǎng)勢(shì)正常的甘蔗，去梢，將蔗莖按長(zhǎng)度三等分，并記為上、中、下三部分。將每部分樣品烘干、研磨、混勻后備用。

1.2.2 纖維組分測(cè)定

本研究采用福斯公司的Fibertec 8000全自動(dòng)纖維分析系統(tǒng)進(jìn)行纖維組分分析。分析系統(tǒng)采用減量法測(cè)定原理，分別分析樣品中中性洗滌纖維（NDF）、酸性洗滌纖維（ADF）和酸性洗滌木質(zhì)素（ADL）含量。

（1）中性洗滌纖維（NDF）

中性洗滌纖維是用中性洗滌溶液（十二烷基硫酸鈉和EDTA）處理后的剩余物，剩余物成分為纖維素100%，半纖維素100%，木質(zhì)素100%。

（2）酸性洗滌纖維(ADF)

酸性洗滌纖維是用酸性洗滌溶液（十六烷基三甲基溴化胺的硫酸溶液）處理后的剩余物，剩余物成分為纖維素100%，木質(zhì)素100%。

（3）酸性洗滌木質(zhì)素(ADL)

酸性洗滌木質(zhì)素是在經(jīng)過ADF 方法預(yù)先處理過的剩余物，再用72%硫酸萃取掉纖維素部分的剩余物，剩余物成分為木質(zhì)素100%。馬弗爐灰化是將ADL 樣品在(525±15)℃下馬弗爐灰化至少需要3 h。等待馬弗爐溫度降至250 ℃以下時(shí)，再移出樣品。

1.2.3 計(jì)算公式

1.3 統(tǒng)計(jì)分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS24統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行多因素方差分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維素

經(jīng)測(cè)定5 個(gè)甘蔗品種各部位纖維素含量呈類似的趨勢(shì)。纖維素平均含量，下部（35.83%）最高，中部（27.93%）次之，上部（21.57%）的纖維素含量最低。由圖1 所示，纖維素含量由上至下整體呈依次遞增趨勢(shì)，多數(shù)品種上、中部或中、下部含量的差異不顯著，只有‘福農(nóng)39號(hào)’上、中、下部纖維素含量均有顯著差異。品種間纖維素含量也存在顯著差異，上部纖維素含量以‘福農(nóng)39 號(hào)’最高為24.94%，以‘桂糖32 號(hào)’最低為17.55%，‘福農(nóng)39 號(hào)’含量高于‘粵糖93-159’和‘桂糖32 號(hào)’，‘新臺(tái)糖22 號(hào)’和‘云蔗05-51’含量高于‘桂糖32 號(hào)’。中部纖維素含量以‘福農(nóng)39 號(hào)’最高為31.93%，以‘桂糖32 號(hào)’最低為19.84%，‘福農(nóng)39 號(hào)’、‘云蔗05-51’和‘新臺(tái)糖22 號(hào)’含量高于‘粵糖93-159’，‘粵糖93-159’含量高于‘桂糖32 號(hào)’。下部纖維素含量以‘福農(nóng)39號(hào)’最高為38.10%，以‘粵糖93-159’最低為33.25%。

圖1 5種甘蔗不同部位纖維素含量Fig.1 Cellulose content in different parts of five sugarcane varieties

可見在參試的5 個(gè)甘蔗品種中，纖維素含量分布較為均勻的為‘新臺(tái)糖22 號(hào)’、‘云蔗05-51’和‘福農(nóng)39號(hào)’?！浱?3-159’和‘桂糖32號(hào)’的纖維素主要集中于下部。各品種間纖維素差異最顯著的部位為中部，中部纖維素含量最高的‘福農(nóng)39號(hào)’和最低的‘桂糖32號(hào)’差值達(dá)到12.09個(gè)百分點(diǎn)。說明蔗莖中部可能是纖維素合成與積累最活躍且品種差異最大的部位。此外‘桂糖32號(hào)’上部與中部的纖維素含量低于多數(shù)品種，但其下部纖維素含量卻高達(dá)37.33%居于參試品種含量第二。使之成為自身部位之間纖維素含量差異最大的品種，其下部含量與中部含量差值達(dá)到17.49%。

2.2 半纖維素

如圖2所示，半纖維素含量在各品種中的分布趨勢(shì)類似。首先，各品種半纖維素平均含量最高的部位均為上部（21.30%），中部（12.19%）和下部（12.36%）半纖維素的含量較低且差異不顯著。品種間半纖維素的含量也存在差異，上部半纖維素含量以‘新臺(tái)糖22 號(hào)’最高為24.43%，以‘云蔗05-51’最低為19.54%。中部半纖維素的含量以‘福農(nóng)39 號(hào)’最高為12.92%，以‘桂糖32號(hào)’最低為9.87%，但各品種間差異不顯著。下部半纖維素含量以‘粵糖93-159’最高為14.92%，以‘桂糖32 號(hào)’最低為10.19%。上部為蔗莖中半纖維素較為集中部分，下部和中部半纖維素含量明顯低于上部且相互間差異不顯著。據(jù)此可推斷，蔗莖的上部是半纖維素合成的主要部位。

圖2 5種甘蔗不同部位半纖維素含量Fig.2 Hemicellulose content in different parts of five sugarcane varieties

2.3 木質(zhì)素

如圖3所示，木質(zhì)素含量在上、中、下3個(gè)部位及5個(gè)參試品種間均無顯著差異。同時(shí)對(duì)比于纖維素和半纖維素，木質(zhì)素的含量處于4.22%～6.00%，整體含量相對(duì)較低。說明在參試品種范圍內(nèi)，蔗莖中木質(zhì)素的含量分布均勻且品種間含量差異不顯著。據(jù)此可初步推測(cè)，木質(zhì)素可能為蔗莖中的穩(wěn)定成分且在品種間變化不明顯。

圖3 5種甘蔗不同部位木質(zhì)素含量Fig.3 Hemicellulose content in different parts of five sugarcane varieties

2.4 相關(guān)性分析

統(tǒng)計(jì)分析中部位（上、中、下）為分層變量，由上至下分別記為1、2、3。由表1可知，纖維素與部位呈極顯著正相關(guān)，說明纖維素由上至下呈遞增趨勢(shì)。半纖維素與部位呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明半纖維素由上至下呈遞減趨勢(shì)。木質(zhì)素與部位相關(guān)性不顯著，說明木質(zhì)素在蔗莖中分布均勻。纖維素與半纖維素呈極顯著負(fù)相關(guān)，半纖維素與木質(zhì)素呈極顯著正相關(guān)，木質(zhì)素與纖維素相關(guān)性不顯著。

表1 各因素間相關(guān)性分析Table 1 Correlation among three fiber components in sugarcane

3 討論與結(jié)論

本文基于蔗莖不同部位的纖維組分進(jìn)行了研究，反映了甘蔗整體纖維組分在蔗莖中合成和積累的趨勢(shì)；同時(shí)蔗莖的不同部分，又對(duì)應(yīng)了不同的蔗莖生長(zhǎng)時(shí)間和成熟程度。所以本研究還在一定程度上，反映了蔗莖中不同成熟度部位纖維組分分布特征。

纖維組分的主要功能是組成細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，并對(duì)植物體起支撐作用[9]。植物細(xì)胞壁分為初生壁和次生壁[10-11]，初生壁是植物細(xì)胞伸長(zhǎng)過程中的細(xì)胞壁，其結(jié)構(gòu)更具彈性且活性較強(qiáng)[12]，能較好適應(yīng)生長(zhǎng)中細(xì)胞的體積變化。初生壁中半纖維素含量較高，其主要作用是交連纖維素微絲[13]。本研究中蔗莖中纖維素含量由上至下遞增，說明次生壁的合成由上至下依次增多；上部半纖維素含量顯著高于中部和下部，說明蔗莖上部細(xì)胞中初生壁所占比例顯著高于中、下部；而中部和下部半纖維素含量較低且相互差異不顯著，說明從中部開始蔗莖中細(xì)胞多數(shù)已停止初生壁生長(zhǎng)，細(xì)胞伸長(zhǎng)停止。次生壁是成熟細(xì)胞壁繼續(xù)增厚形成的結(jié)構(gòu)[14]。其強(qiáng)度更高，能更好地對(duì)植物細(xì)胞起固定和保護(hù)的作用[15-16]。次生壁中纖維素的含量更高，且有木質(zhì)素存在[17]，與纖維素結(jié)合成機(jī)械強(qiáng)度更高的結(jié)構(gòu)[18-19]。本研究中蔗莖下部的纖維素含量最高，是由于下部為蔗莖中生長(zhǎng)時(shí)間最長(zhǎng)的部分，細(xì)胞壁次生化成度最高。各品種中部纖維組分差異顯著，說明品種間次生壁形成的速度和次生壁強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)都存在差異?；诖?，研究可進(jìn)一步細(xì)化蔗莖部位切分，明確蔗莖細(xì)胞停止伸長(zhǎng)并開始次生壁積累的具體位點(diǎn)并進(jìn)行品種間特性分析，進(jìn)而為評(píng)價(jià)品種特性提供幫助。而木質(zhì)素于蔗莖各部位的均勻分布則說明甘蔗蔗莖在成熟期整體細(xì)胞的次生壁木質(zhì)化程度不高。由于上部細(xì)胞多處于伸長(zhǎng)期，故細(xì)胞壁多為不含木質(zhì)素的初生壁。因此推測(cè)在上部檢出的木質(zhì)素含量主要來源于甘蔗表皮，可進(jìn)一步分離表皮進(jìn)行檢測(cè)加以驗(yàn)證。而各部分木質(zhì)素含量相同則說明各部分木質(zhì)素的含量均源于表皮組織。故蔗莖內(nèi)主要組織的次生壁應(yīng)以纖維素為主，而木質(zhì)素含量不高。蔗莖中部為各品種間纖維素和半纖維素差異最顯著部位，說明基于種性的不同，各品種甘蔗纖維素和半纖維素代謝程度不同，且在蔗莖中部體現(xiàn)最為明顯。由于細(xì)胞壁由初生壁到次生壁存在纖維素合成過程[20]，所以蔗莖中部為初生壁向次生壁轉(zhuǎn)化最活躍的部位。因此，可以以蔗莖中部纖維組分含量作為甘蔗種性評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)之一。

綜上所述，本研究明確了蔗莖中纖維素、半纖維素及木質(zhì)素3 種纖維組分含量分布特征：蔗莖中纖維素含量由上至下呈遞增趨勢(shì)；蔗莖上部的半纖維素含量最高為21.3%，下部含量次之為12.36%，中部半纖維素含量最低為12.19%；木質(zhì)素分布均勻。蔗莖中部為次生壁開始形成的主要部位。