以菊芋为原料的生物炼制

依托新一代工业生物技术,中国科学院启动了以果糖基能源植物——菊芋为原料的生物炼制关键技术研究。2007年7月在威海召开的第二届中国资源生物技术与糖工程学术研讨会上,项目首席科学家．项目承担单位的中国科学院大连化学物理研究所研究员杜昱光介绍了以菊芋为原料的生物炼制技术。     

菊芋粕菊粉的酶法提取、组成及抗氧化活性研究

本研究拟应用酶法提取技术解决菊芋菊粉工业化生产中的废弃物——菊芋粕再利用程度低的问题,并评价菊芋粕菊粉的抗氧化活性功效。对菊芋粕菊粉的果胶酶酶法提取的最佳条件通过响应面法进行了优化,并对菊芋初次水提菊粉(primary water-extracted inulin,PWI)和二次酶提菊粉(secondary enzymatic-extracted inulin,SEI)的组成成分和抗氧化活性进行了比较分析。响应面法优化确定的菊芋粕菊粉最佳酶法提取条件为:pH4.5、提取温度50 ℃、酶底比7.5 U/g、提取时间2 h,该提取方法所得菊芋粕菊粉的得率为35.30%±0.85%,与传统热水浸提法相比菊粉得率提高38.16%。组成分析结果显示,SEI的总糖和菊粉含量均显著高于PWI( P <0.05)。在菊粉聚合度方面,PWI中蔗果三糖和蔗果四糖含量较高,而SEI中蔗果五糖、蔗果六糖及其以上聚合度菊粉的含量较高。此外,SEI的抗氧化活性优于PWI。因此,果胶酶辅助提取方法有望为菊芋粕菊粉的再利用难题提供新的解决思路。     

热碱预处理对菊芋茎秆组成和酶水解影响

为了深入了解菊芋茎秆用于生物能源转化的潜力,在对菊芋茎秆的全秆、韧皮以及髓芯的组成分析基础上,采用不同浓度的Na OH在121℃对菊芋茎秆进行预处理,并对预处理后的茎秆进行酶水解。结果表明:菊芋茎秆具有较高木质素含量(32.0%),且韧皮中木质素含量最高;茎秆中碳水化合物总含量与传统农作物秸秆相当,但纤维素含量相对较高(40.5%),半纤维含量相对较低(19.6%)。经不同浓度Na OH预处理后,相对于未处理茎秆,全秆、韧皮以及髓芯中木质素含量分别降低13.1%–13.4%、8.3%–13.5%和19.9%–27.2%,半纤维素含量分别降低了87.8%–96.9%、87.6%–95.0%和74.0%–90.2%。纤维素含量在全秆、韧皮和髓芯中相应增加了56.5%–60.2%、52.2%–55.4%和62.7%–73.2%。酶水解的结果显示,增加预处理过程中Na OH的浓度,全秆和韧皮的水解率可被提高2.3–2.6倍和10.3–18.5倍。虽然热Na OH预处理可以有效地改善髓芯水解性能,但经过高浓度的Na OH(2.0 mol/L)预处理,髓芯的水解性能下降明显。由此可见,菊芋用于生物能源转化技术中,热碱法可较好地适用于菊芋秸秆预处理。提高碱浓度,有利于半纤维素和木质素的去除,并实现酶水解糖化产率的提高。但鉴于碱浓度过高会造成髓芯糖产率降低,热碱预处理菊芋秸秆工艺条件需进一步优化。     

不同形态氮素配比对盐胁迫下菊芋幼苗生理的影响

采用砂培方法研究了不同铵硝配比(NH4+/NO3-分别为4/1、1/1、1/4)的氮素营养和盐分胁迫耦合作用下菊芋幼苗的光合作用和离子吸收运输.结果表明:低浓度的盐胁迫对植物生长的抑制作用不大,而高浓度的盐胁迫却能明显抑制菊芋幼苗生物量的积累,在同一盐浓度下,提高硝态氮比例能够缓解盐胁迫对菊芋幼苗生长的抑制,促进菊芋幼苗鲜重和干重的增加;随着盐浓度的增加,菊芋幼苗地上部和地下部的Na+含量显著增加,而K+、Ca2+含量较对照显著降低,提高硝态氮比例有利于菊芋幼苗对K+和Ca2+的吸收和向上运输,从而维持地上部较高的K+/Na+和Ca2+/Na+;在3种铵硝比的氮素营养处理下,随着盐浓度的增加,菊芋幼苗叶片叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和水分利用效率较对照均呈显著下降的趋势,细胞间隙CO2浓度则显著增加,提高硝态氮比例可显著提高盐胁迫下菊芋幼苗的叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和水分利用效率,同时也能显著降低胞间CO2浓度,其中以铵硝比为1/4的氮素营养供应对盐胁迫的缓解作用相对较好,在100 mmol·L-1NaCl处理下其叶片叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和水分利用效率分别是铵硝比为4/1的氮素营养处理值的1.63、1.57、1.39、1.37、1.2倍,而胞间CO2浓度则减少了17%.因此相对于铵态氮来说,硝态氮比例的增加有利于维持盐胁迫下菊芋幼苗体内矿质营养元素含量平衡,促进盐胁迫下菊芋光合功能的改善,增强菊芋对盐胁迫的抗性.     

一步法发酵菊芋产乙醇菌种的筛选及产酶条件、酶学性质的研究

从腐烂的菊芋及实验室保存的菌种中,选育到一株发酵菊芋产乙醇的菌株克鲁维酵母Kluyveromyces marxianus Y1。利用正交实验法对克鲁维酵母产菊粉酶的培养基组成及培养条件进行优化,确定培养基组成（g/L）为：菊粉40,酵母粉4,蛋白胨4,尿素1;初始pH5．0,温度30℃,150r／min条件下培养达到最佳产酶效果（57U／mL）。该菌株所产菊粉酶的性质测定结果表明：以菊粉为底物,该菊粉酶最适反应温度为55℃,在60℃以下稳定性很好,高于60℃时酶迅速失活;最适pH为5．0,pH4．6—5．2范围内酶稳定性很好;该酶属于外切型菊粉酶,体积分数为8％的乙醇对酶活力基本没有影响。     

海水处理下菊芋幼苗生理生化特性及磷效应的研究

种植抗盐耐海水植物是合理利用和开发海涂资源的有效措施之一。该试验研究了海水处理下菊芋(Helianthus tuberosus)幼苗生长发育、渗透物质积累、保护性酶活性、膜透性和离子吸收分布情况及磷素对其影响。结果表明:1)10%海水对菊芋幼苗生长发育没有抑制作用,甚至有一定的促进作用,25%海水胁迫对菊芋幼苗形态发育上具有一定抑制作用,增加磷素浓度后,能显著缓解其抑制作用;2)10%和25%海水处理下,脯氨酸和可溶性糖含量较对照显著增加,随着时间的延长,先增加后降低,增加磷素浓度后,能显著增加菊芋幼苗叶片脯氨酸和可溶性糖含量;3)海水处理下菊芋幼苗叶片SOD、POD和CAT活性都显著增加,增加磷素浓度后,能显著增强菊芋幼苗叶片SOD、POD和CAT活性;4)10%海水处理菊芋幼苗叶片MDA含量与对照差异不大,甚至小于对照,25%海水处理能显著增加MDA含量及膜透性,增加磷素浓度后,均降低了MDA含量和膜透性;5)随着海水浓度增加和时间延长,菊芋幼苗地上部和根部Na⁺和Cl^-含量显著增加,增加磷素浓度后,均能降低地上部和根部Na⁺和Cl^-含量,而地上部和根部K⁺、Ca²⁺和Mg²⁺含量较对照增加,增加磷素浓度后,均能增加K⁺、Ca²⁺和Mg²⁺含量。由此可见,磷素能够改善菊芋幼苗的营养状况,同时能够增强其抗盐性。     

菊粉酶水解菊芋浸汁反应条件研究

利用产紫青霉（PenicillumP.)F-7产生的胞外菊粉酶对菊芋浸汁进行了水解试验,37℃水解10h,得到含低聚寡糖74.7%(占总糖含量）的水解液;同时进行了菊粉酶水解的各项条件试验,摸索出了最适水解条件;pH5.0,温度为37℃,反应时间为10h,有Mn^2 存在（0.001M)。     

NaCl胁迫对菊芋幼苗生长及其离子吸收运输的影响

在温室采用砂培试验,比较研究了NaCl胁迫对2个菊芋(Helianthus tuberosusL.)品种‘南芋8号’(Ht 1,耐盐性较强)和‘南芋1号’(Ht 2,耐盐性较弱)幼苗生长及其离子吸收运输的影响。结果表明:(1)与对照相比,低浓度NaCl处理(255、0 mmol.L-1)促进了Ht 1根干物质积累和根冠比增加,有利于其养分吸收;较高浓度NaCl处理(1002、00 mmol.L-1)均显著降低2个品种的总干物质重以及叶片、茎、根干物质重,且Ht 2降幅较Ht 1大;(2)NaCl处理对菊芋幼苗根部相对含水量(RWC)没有显著影响,但对叶片和茎部RWC的影响较大,而且高浓度盐胁迫(200 mmol.L-1)下,耐盐品种Ht 1较Ht 2叶片能够保持较高的RWC;(3)NaCl处理下,Ht 1比Ht 2根部对K 的选择性较强,且由根部吸收的大量Na 和Cl-在运输过程中被区域化在茎部,因而向代谢活性较高的叶片运输量相对较少,这是Ht 1耐盐能力较强的一个重要原因。     

钙离子对菊芋海水胁迫的缓解效应研究

以南芋2号为材料,设计1/2Hoagland(H)、1/2H 10mmol·L-1CaCl2、1/2H 30%海水、1/2H 30%海水 10mmol·L-1CaCl2、1/2H 30%海水 5mmol·L-1EGTA5个处理水平,研究了Ca2 对海水胁迫下菊芋鲜重以及菊芋叶片中MDA含量、相对电导率、叶绿素含量和净光合速率(Pn)的影响,以探索Ca2 对缓解植物海水胁迫作用机制。结果表明:正常生长条件下外施10mmol·L-1Ca2 对菊芋的生长没有显著影响;在1/2H 30%海水处理下,菊芋的正常生理代谢明显受到抑制;在1/2H 30%海水 10mmol·L-1CaCl2处理下,与1/2H处理相比菊芋生物产量、叶绿素含量和Pn显著增加,与1/2H 30%海水相比菊芋生物产量、叶绿素含量和Pn显著增加,MDA含量和相对电导率显著降低。由此证明外源Ca2 可有效缓解海水胁迫所致的氧化损伤,抑制脂质过氧化作用,增加叶绿素含量,维持较高的光合速率,促进干物质积累,从而使生物产量增加。     

莱州海涂海水灌溉下菊芋生理生态特性研究

 在山东莱州对菊芋(Helianthus tuberosus)进行了海水灌溉浓度及其灌溉次数的田间试验,结果表明：1） 灌溉1次的处理中,全淡水同海淡水比例为1∶9、1∶4、1∶3的3种处理的菊芋块茎产量（鲜重）没有显著差异;菊芋生长中灌溉2次,以海淡水比例为1∶3处理的菊芋块茎产量最高,但各处理间菊芋块茎产量差异没有达到显著水平;无论何种比例海淡水灌溉,在莱州湾,灌溉两次菊芋块茎产量显著高于灌溉1次;2） 灌溉处理后连续5天内,菊芋光合速率与土壤表层盐分动态变化趋势一致：第一、二天,1∶9比例海淡水灌溉菊芋光合速率显著高于其它处理,而1∶4、1∶3比例海淡水处理在前二、三天光合速率同全淡水灌溉处理基本没有差异,第五天时,海淡水比例为1∶3的处理,菊芋光合速率显著低于其它处理;在灌溉后盐分变化达到平稳的较长时间内,土壤水分含量成为影响菊芋光合速率的主导因子,1∶3处理因土壤表层土壤水吸力较低而菊芋光合速率显著高于其它处理;3） 第一次灌溉60 d后,以全淡水灌溉处理菊芋的叶面积指数显著高于其它处理,1∶3处理显著低于其它处理,1∶9、1∶4两处理间没有差异。