甘薯的实用价值及其育种研究进展

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　　摘要 根据当前国内外甘薯研究和运用的状况，综述了甘薯的主要用途以及在日常生活和工业等方面的运用及其相应的育种研究进展，展望了甘薯运用和育种的前景。
　　关键词 甘薯；价值；育种；进展
　　中图分类号 S531 文献标识码B文章编号1007-5739（2008）23-0236-03
　　
　　甘薯（Ipom oea batatas）又称番薯、红山芋、甘薯、白薯、地瓜等，原产于美洲中部或南美洲西北部热带地区，属旋花科、甘薯属、甘薯种、在热带或亚热带地区能终年常绿生长，为多年生植物；在温带，遇霜易受冻害死亡，为一年生植物。1594年，甘薯传入我国。目前甘薯是重要的粮食、饲料、工业原料及新型能源用块根作物，在世界粮食生产中甘薯总产排在第7位。我国作为世界上最大的甘薯生产国，每年种植面积约为600万公顷，约占世界甘薯种植面积的65.4%（FAO，2002），年生产量约1.2亿吨，占世界甘薯总产量的85.9%，在我国粮食生产中仅次于水稻、小麦、玉米，总产量排列第4 位[1]。长期以来，甘薯一直被作为粮食作物进行栽培，但随着甘薯多元化利用的深入，甘薯新的应用途径还将不断涌现（如观赏、绿化等）。近几年来我国甘薯的研究取得了重大进展，培育出了一批具有独特性状和较高经济价值、营养价值或加工利用价值的甘薯。
　　
　　1甘薯的主要用途
　　
　　1.1药食两用
　　甘薯含有60%~80%的水分，10%~30%的淀粉，5%左右的糖分，还富含人体必需的多种维生素、氨基酸、蛋白质、脂肪、膳食纤维以及钙和铁等多种矿物质。甘薯中的蛋白质组成合理，人体必需氨基酸含量高，尤其是粮食作物中比较缺乏的赖氨酸含量较高。淀粉中以支链淀粉含量高，易被人体消化吸收[2]。甘薯在古代就已经被认识到有很好的保健功能，作为一种药材，李时珍《本草纲目》中有记载：甘薯补虚乏、益气力、健脾胃、强肾阴。《本草纲目拾遗》说：甘薯能补中、和血、暖胃、肥五脏。《金薯传习录》则认为其有“治痢疾和泄泻；治遗精和白浊；治血虚和热泻；治湿热泻；治湿热和黄疸；治小儿疳积”等6种药用价值。现代医学表明，甘薯具有消除活性氧的作用。活性氧是诱发癌症、衰老和动脉硬化的原因之一。美国费城大学生物学家于1995 年从甘薯中提取到一种活性化学物质――脱氢表雄酮，将其注射于为培养癌细胞而饲养的白鼠体内，发现有防止结肠癌和乳腺癌发生的作用，并使小白鼠的寿命延长了1/3[3，4]；并在对多种蔬菜及植物成分的抗癌试验中发现，甘薯抑制癌细胞增殖的作用最明显。中国预防医学科学院对薯叶与菠菜、芹菜、白菜、油菜、韭菜、蕹菜、黄瓜、南瓜、冬瓜、莴笋、甘蓝、茄子、番茄、胡萝卜等14种蔬菜的主要营养成分进行了比较分析，结果表明，在14种蔬菜的营养成分中，除灰分稍低外，甘薯叶片的蛋白质、脂肪、碳水化合物、纤维素、胡萝卜素、维生素B1、维生素B2、维生素C、钙、磷、铁、烟酸及热量等13项均居首位。日本国内预防研究所的研究证实，甘薯在具有防癌保健作用的12种蔬菜中功效居首位，被誉为“抗癌之王”[5]。此外，甘薯还有修复肝损伤[6]、减肥[7]、减缓人体机能的衰老[8]、抗高血压[9]、抑制胆固醇作用[10]。
　　1.2甘薯在工业上的运用
　　甘薯在工业上的运用主要加工成淀粉、酒精、酱油、食醋、味精、柠檬酸、果糖、葡萄糖、饴糖等；在生产乳酸、丁酸、丁醇、丙酮、氨基酸、酶制剂、淀粉衍生物以及深加工系列产品方面也有所发展。淀粉及淀粉衍生物是2 000多种工业产品的原料[11]，由于甘薯淀粉产量高、成本低，因而具有广阔的应用前景。尤其是变性淀粉，不但物理性能优于原淀粉，有的产品还具有特殊性能，广泛应用于造纸、食品、纺织、环保、医药、化工等领域。例如：在酶工业中，甘薯可用于制取酶制剂；用于溶剂发酵工业，可制取青霉素、灰黄霉素、庆大霉素等；在生物发酵工业中，可制取生物抗菌素[12]（如井冈霉素和植物激素等）。据报道，1t薯干可酿出酒精370kg，可生产汽酒近3t。近年来，国内亦有用鲜甘薯为主要原料加工乳酸发酵甘薯饮料的研究。日本已经利用黄心甘薯品种、紫心甘薯品种和烤甘薯品种生产出3 种甘薯啤酒Satsuma Gold、Satsuma Purple 和Satsuma Black。此外，还有利用薯叶、薯藤、甘薯为原料生产出了甘薯藤叶保健酒。但其中比较成熟的工业运用主要体现在以下几个方面。
　　1.2.1提取甘薯淀粉。在所有加工农产品中，淀粉的应用范围最为广泛。于食品加工业而言，淀粉除可制薯脯、薯酱、食品加工原料外，同时还是一种不可缺少的添加成分，在各种添加剂中通常名列前三甲。在美国，基于淀粉的葡萄糖几乎已经全部替代了价格昂贵的用蔗糖作为原料生产的葡萄糖。由于各国政府大力鼓励可再生燃料的生产，酒精生产也正在迅速成为主要的淀粉消费大户，有些国家在汽油中掺10%～15%的酒精作为汽车燃料，有些国家甚至完全使用酒精，而不改变发动机和降低马力。目前有关淀粉的新技术和用淀粉开发的新产品还在不断涌现，如将淀粉用于可生物降解的塑料、生物聚合体塑料、吸水聚合物材料，用于胶囊封装的淀粉基质[13，14]。
　　1.2.2提取其他有效成分。色素与人们的日常生活息息相关，然而我们通常所用的色素均为化工制品，长久使用会对人体的健康产生不利的影响。因此，从植物中提取无毒副作用的天然色素引起了人们的兴趣，其开发和利用成为一大研究热点。由于紫甘薯色素是一种以花青素为主要成分的红色素，其中最主要的是酰基化了的氰定酰基葡萄苷和甲基花青定酰基葡萄苷，所以其稳定性较强，与葡萄、浆果类、紫玉米为原料制造的产品相比，从紫甘薯中提取的食用色素具有更好的耐光性和耐热性，紫甘薯红色素能够经受食品工业上的巴氏法消毒[15]。由于紫甘薯红色素还具有抗氧化、清除自由基等作用，含紫甘薯红色素的护肤品可抑制由于紫外线照射产生的氧自由基引起过氧化物的生成，对改善皮肤炎症、抗氧化等有一定的作用[16]。
　　胡萝卜素是维生素A的前体物，维生素A能维持正常的视觉功能。甘薯中桔红肉型品种的类胡萝卜素含量较高，而类胡萝卜素包括胡萝卜素和叶黄素。甘薯中的胡萝卜素主要是β-胡萝卜素及其近似衍生物，其含量一般占总胡萝卜素的80%～90%，而且胡萝卜素基本上是全反式的。全反式β-胡萝卜素表现出了最大的维A原活性。因此，这种容易获得的块根作物，就成为β-胡萝卜素的优良来源。
　　此外，刘法锦[17]、向仁德[18]、邹耀洪[19]、台湾Yah-Hwa Chu等先后从甘薯组织中提取到了有效的药用成分。
　　1.2.3副产品综合利用。甘薯块根、茎叶或加工后的副产品（如甘薯渣），可通过简单的加工制成各种畜禽的良好饲料，不仅营养丰富，而且还可延长饲料供应期。此外，除了可制作青贮饲料和发酵饲料外，还可利用甘薯和薯藤等加工成配合饲料，取代一部分玉米。如在35~60kg育肥猪的配合饲料中，薯干占10.5%、藤叶占5%；在蛋鸡、种鸡配合饲料中，薯干占8%，茎叶占3%；在种鸡配合饲料中，薯干占7%，这些成分都是饲料中能量和纤维素的重要来源[20]。一种甘薯打浆塑料薄膜青贮技术，是运用饲料青贮原理，将甘薯打成浆，贮存在厌氧环境中，通过乳酸发酵作用，产生大量乳酸，抑制有害微生物的滋生，达到长期保存的目的[21]。通过鲜贮法和综合加工法[22]，也可有效地解决利用甘薯提取淀粉过程中产生的大量甘薯粉渣容易酸败霉变、造成饲料浪费的现象。
　　
　　2甘薯品种选育研究进展
　　
　　2.1药食两用甘薯品种选育研究进展
　　中国大陆地区菜用甘薯新品种选育起步较晚，最早在20世纪80年代后期开始对一些已育成的品种进行叶菜用目的的筛选，选育出叶、薯两用品种如鲁薯7号、北京553、莆薯53 等；90 年代，福建省经过10余年的努力，成功地选育出了全国第1个通过省级审定的叶菜专用型甘薯新品种福薯7-6，于2005年通过国家鉴定，这是目前国内选育出最好的菜用甘薯品种之一，并作为国家区域试验对照品种使用。近几年，正在进行国家区域试验的材料越来越多，主要有福建、广东、安徽等地的莆薯53、福薯10、福薯11号、广薯菜1号、广薯菜2号、阜菜薯1号等。
　　我国台湾地区很早就进行了菜用甘薯的品种选育，从较早的台农2号、台农68到现在大面积推广的台农71（福建称为“富国菜”），尤其台农71现已在大陆许多地区种植[23]。近年日本推出的茎尖用甘薯品种有关东109、翠王，叶柄用甘薯品种有农林48号等。韩国则育成了绿色茎尖、紫色茎尖菜用甘薯品种。
　　水果用甘薯新品种选育方面，国内近年取得了许多成果，如南京市农科所最近选育的水果甘薯新品系南京01-110具有水果般特性，口感好，含糖量5%左右，含水量高达84%，接近西瓜的水平；湖北省农科院育成的鄂薯3号，薯形长纺锤形，薯皮深红色，薯肉乳白色，蛋白质含量4.34%，可溶性糖含量5.64%，维生素C含量0.21mg/g，薯肉细腻脆嫩，肉质不易褐变，水分足，清甜爽口，风味独特。
　　另外，药用特种甘薯品种的选育也已开始得到人们的重视，早在20世纪80年代巴西联邦国立农科大学郑西蒙教授发现的一种具独特医疗保健作用的特种甘薯[24 ，25 ]西蒙1 号（Simon No.1）就引起了世人的广泛关注。据报道，西蒙1 号对治疗原发性和继发性血小板减少症、过敏性紫癜、各种内外出血症、胰岛素非依赖型糖尿病等疾病以及提高免疫功能效果显著，该品种于1982 年引入我国。
　　2.2工业甘薯育种研究进展
　　适宜提取淀粉类的甘薯品种要求干物质产量高，淀粉含量高（薯块淀粉>25%）。由于高淀粉甘薯极具产业化开发的潜力，日本早在20世纪70年代和90年代分别选育出了“南丰”和“金千贯”等高淀粉高产品种。我国的高淀粉育种始于“六•五”期间，早年育成的高淀粉品种有淮薯3号、烟薯3号、浙薯1号、胜南、绵粉1号、冀薯2号、苏薯2号、鲁薯6号、鲁薯7号、苏薯5号、绵粉3号等[11]。而在2007年四川省农科院通过生物技术育成的高淀粉品种甘薯也已经通过相关技术鉴定，正面向全省推广。
　　提取色素的甘薯紫红色薯肉颜色越深，花青素含量越高。日本现已培育出紫色的高花青色素品种，“山川紫”和“种子岛紫”的花青素含量均为20mg/100g[26]。目前我国已着手高紫色素甘薯品种的选育，并育成了一批有希望的品系。在胡萝卜素类甘薯育种方面，日本1985年选育成农林37号（胡萝卜素含量12mg/100g），20世纪90年代又育成农林44号和农林49号（12mg/100g）。台湾1976～1977年育成台农63号（22～25mg/100g）和台农64号（15~20mg/100g），近年来又育成台69和台70等。我国大陆的高胡萝卜素甘薯品种的改良起步较迟，直到“九•五”才提出食用型亲本材料的胡萝卜素含量为10mg/100g。20世纪80年代以后，全国各育种单位才先后育成一批胡萝卜素含量相对较高的品种，如：大南伏、苏薯4号、鲁薯8号、徐43-14、岩薯5号、岩薯27、烟薯27、绵薯4号、瑞薯1号、福薯26、丽群6号等[11]。
　　20世纪80年代以来，许多饲料用甘薯新品种被相继育成，如浙江省农科院作物所和浙江省瑞安农业局合作选育的瑞薯1号、丽群6 号等兼用型饲料用品种；四川省绵阳市农业科学研究所选育的绵薯4号，其鲜薯、藤叶产量均较高，且其藤叶纤维含量少、脆嫩、不早衰，是优良的饲用型甘薯品种。
　　
　　3展望
　　
　　甘薯加工利用方面：虽然甘薯在产后加工方面取得了长足的进步，但总体上产后加工利用水平不高。制粉业以传统加工为主，厂小而分散，机械化程度低；酿造业设计生产能力虽大，但因原料分散、质量差，限制了产品产量和市场竞争力，影响了企业的经济效益。近年来，甘薯食品加工业发展很快，但因起步晚，加工和干燥技术水平较低，设备差，适于加工用品种的选育和推广相对滞后，导致产品种类少、质量较差、档次不高，影响了经济效益的提高；还由于深加工技术不配套，使许多有用成分作为废品浪费，且造成污染。在促进现有科技成果转化的同时，要进一步加大科技投入与开发的力度，依靠科研单位的技术优势和加工企业的自主创新能力，开展甘薯产品加工工艺研究；在注重传统技术改良的同时，开展甘薯新用途，特别是开展甘薯保健作用及其新产品加工工艺的研究开发，以及诸如食用色素的提取和开发研究等，生产高附加值的甘薯制品，提高经济效益。
　　甘薯育种方面：甘薯与小麦、水稻等自花授粉作物不同，它是一种遗传上高度杂合的作物，有性杂交实生苗当代F1 即发生广泛的分离，经过选择之后可通过无性繁殖将优良性状和杂种优势固定下来，从而育成能在生产上较长时间利用的新品种。由于F1 实生系世代株系多，每系株数少，表型易受环境影响，应用正确的选择指标尤其重要，与优良性状连锁的分子标记由于其不受环境的影响而受到重视。通过在F1代对分子标记进行选择，可以提高选拔的准确性，加快育种进度，缩短育种周期。
　　优质专用型品种是发展甘薯产业的基础。要针对不同需求，开发相应的优质专用型甘薯品种，如适合淀粉生产的高淀粉、低多酚氧化酶型的甘薯，适宜食品加工的高糖型甘薯，适宜生产保健食品的药用甘薯，适合茎尖加工的蔬菜型甘薯，适合鲜食的水果型甘薯等。与此同时，还应酌情开展双用途或多用途甘薯品种的选育。相比而言，具有多用途特点的甘薯品种，对市场经济的适应能力强，经济效益高而稳定。此外，还应开展甘薯品种的品质普查工作，充分发挥现有优质品种的作用。从我国这些年来甘薯育种的成就来看，首先积累了一批具有特色的种质资源材料，目前用于育种的甘薯种质资源多半是通过常规方法获得的材料及引进的品种，利用生物技术获得的品种还比较少；加之对甘薯遗传规律了解的不彻底，许多遗传性状特性还不是很清楚，对生物技术育种造成了一定的局限。从育种手段来看，常规育种依赖于表型的选择，耗时费力、盲目性大、变异难以控制，很难提高杂交育种的效率。而通过分子标记选育甘薯品种同样存在诸如周期长、优良的品种（高淀粉、抗病、耐储藏）难以获得的缺点。然而，在基因工程育种方面则呈现出另外一片新的景象。之前美国的Demeter Biotechnology 公司和Tuskegee 大学合作，已成功地将控制植物贮藏蛋白的基因（asp-1）导入甘薯，并获得转基因植株，这种转基因甘薯中的蛋白质质量和数量都有明显的提高。刘庆昌等用品种栗子香等的胚性悬浮细胞作受体，建立了一个农杆菌介导的甘薯遗传转化体系，并用该遗传转化体系转化OCI 基因获得的部分转基因植株的抗性有所提高。Takiko Shimada等通过RNAi的方法抑制IbSBEII在甘薯中的表达进而提高了直链淀粉的含量[27]。Motoyasu Otani等研究表明GBSSI在甘薯的表达与直链淀粉的合成也紧密相关[28]。从诸多的研究成果来看，基因工程在作物育种中的运用有着广阔的前景。因此，随着甘薯遗传转化体系的不断完善，我们有理由相信，通过基因工程获得独特性质的甘薯品种成为一种可能，这将使甘薯育种和综合利用上升到一个新的台阶。

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