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技术简介：
    菊芋（Helianthus tuberosus）别名洋姜、地姜、鬼子姜，原产于北美地区，后经过欧洲传到我国，目前从江南地区到黑龙江都有分布，是很受人们欢迎的蔬菜与饲料作物。
　　菊芋为菊科向日葵属多年生草本植物。直根系，根系发达；茎有两类，根茎和直立茎，根茎膨大形成块茎，能够留在土壤中持续繁衍，地上茎直立，株高2～3米，分枝较多，茎叶上有刚毛，基生叶对生，上部叶片互生，卵形、卵圆形；头状花序，直径为5～9厘米，花有舌状和管状花两类，管状花位于花序中央，黄色，两性花，舌状花位于花序的边缘，浅黄色，单性花；瘦果，楔形，有毛，上端有短芒。
　　菊芋喜温暖湿润的气候，幼苗的抗寒能力较强，能够忍耐－2℃的低温，块茎能够忍耐－30℃的低温。它的块茎在6～7℃即可发芽，8～12℃发芽最好。块茎形成的最适温度为18～22℃。菊芋具有强大的根系，抗旱能力强，但在根茎形成期需水较多，要求土壤的相对含水量为50%～60%。
　　菊芋的适应性很强，对气候、土壤等自然条件要求很低，除了沼泽化、盐渍化土壤外，能在一般的气候和土壤下生长，但最适合水肥条件良好的沙壤土。
　　菊芋营养价值高，无论是茎叶还是根，都含有大量的糖、淀粉和维生素，地下块茎中14%～20%的无氮浸出物可转变成果糖，该糖有利于猪肠道内某些微生物的生长繁殖，减少猪不良气体的排泄，有利于减少畜场对周边环境的污染。菊芋的产量较高，在中等肥力的土壤上，每亩可收获块茎2000～4000千克，可采收茎叶2000千克。一次种植，多年收获。
　　在我国东西南北大范围区域（如江西、湖北、四川、甘肃、新疆或广东等地）都可以良好地生长。将菊芋引种在荒地、坡地，可以不占用耕地良田，还能保护生态环境。据测算，每亩普通地（非耕地良田）可产菊芋块茎2000～4000kg，至少可收入1600元，几乎没有成本付出的净收入。菊芋的块茎可制作饲料酵母，20000千克块茎能够生产13000千克的酵母蛋白。引入高新技术，实现菊芋深加工工业化，将提高对菊芋基地的需求，带动农产品菊芋种植规模化、规范化，将菊芋推进为高附加值产业。
　　二、菊粉（果糖）、低聚果糖等高值化加工与应用
　　菊粉（inulin）是由果糖经β（2→1）键连接而成的线性直链多糖，末端常带有一个葡萄糖，聚合度为2～60。菊粉实际上也是多种不同聚合度果聚糖的混合物，其中聚合度较低（DP=2～9）的果聚糖通常称为低聚果糖。根据菊粉来源不同。低聚果糖在菊粉中含量一般为5%～35%不等。菊粉在口腔、胃、小肠内不被分解、吸收。在结肠内被有益菌（双歧杆菌、乳杆菌等）利用，是一种可溶性膳食纤维，也是一种脂肪替代品，同时还是一种有效的双歧杆菌增殖因子。
　　（一）菊粉的提取及物化性质
　　菊粉又名菊糖，作为植物能量的储存方式之一，在超过三万种植物中可以找到其含量并为它们的能量储备。某些细菌和真菌中也含有菊粉，但主要来源是植物，一些常见植物中菊粉含量如表1所示：
　　表1  植物中菊粉含量（湿重）
　　植物名称 菊粉含量（%） 植物名称 菊粉含量（%）
　　小麦 1～4 菊芋 15～20
　　洋葱 2～6 大蒜 15～25
　　韭葱 10～15 婆罗门参 15～20
　　天冬 10～15 大丽花块茎 15～20
　　菊苣 13～20
　　其中菊芋（helianthus tuberosus）和菊苣（Chicory）最适合作为生产菊粉的原料，它们资源丰富，菊粉含量高，约占其块茎干重的70%。菊芋是菊科向日葵属多年生植物，地下茎含果糖多聚物。按块茎皮色可分为红色、白色、紫红色、黄色等不同品种，耐贫瘠和干旱，适应性很强，我国有零星种植。从2001年起，受国家经贸委和地方政府的大力支持，青海、宁夏、甘肃、江西、湖北等省将菊芋作为新的农业经济作物加以推广种植，发展种植面积几十万亩，在西宁市生物园区建成国内第一家菊粉工业化加工生产基地。菊苣是菊科菊苣属多年生草本植物，茎直立，中空具条棱，分枝较多，花舌状，蓝色，种子楔形，千粒重1。2～1。5克。它适于生长在海洋气候条件下，在西欧国家是一种普遍种植的经济作物品种，目前世界上主要有三家公司从事以菊苣为原料的菊粉生产销售，其中ORAFTI公司年处理菊苣40万吨以上，其次是比利时Cosucra公司、荷兰Sensus公司，我国年生产菊粉5000吨以上。菊粉可溶于水，10%的水溶液pH呈中性，熔点178℃，溶解度随温度的升高而增大，10℃时溶解度为6%，90℃为35%，菊粉在高温和pH＞4的条件下化学性质稳定，pH＜3。7时有少量分解，菊粉提取工艺如下：菊芋块茎→清洗→切片→沸水提取→净化浓缩→喷雾干燥→菊粉成品。
　　菊粉是性能优异的脂肪替代物。在高浓度时，菊粉具备胶化特性，剪切后能形成离子胶体网状结构，当它与水混合时，就会产生乳脂般结构，能轻易的与食品融合，替代脂肪提供光滑的口感和平衡圆润的风味。获得的胶体的强度取决于菊粉的浓度、总干物质含量和剪切系数，但是pH不会对其影响。大量的水被网状结构固定，保证了胶体长时间物理稳定性。
　　菊粉系果糖聚合物，经菊粉内切酶的酶解后，可制得低聚果糖、高果糖浆、结晶果糖，被称为继蔗糖、淀粉糖之后的第三代糖源。2003年美国FDA已确认菊粉为GRAS（公认安全物质），日有效摄入量为5克，推荐最大日摄入量为15～20克。
　　（二）菊芋高值化加工与应用
　　据专家介绍，全世界对菊芋、菊苣加工的高纯度菊粉及相关产品需求量很大。欧洲是菊粉最集中的产区，欧洲菊芋（苣）种植基地由1990年的几百公顷增加到2003年的2万多公顷。特别是土地相对贫瘠的荷兰，大力推广种植菊芋（苣），已成为最重要的菊粉出口国。在欧洲，菊粉及其相关产品已成为很大一个产业，发展前景广阔，年生产能力已达到100万吨左右。
　　与国外相比，菊芋在我国只有零星种植，多用来加工腌菜食用，附加值低，利用量小。相关产品低聚果糖、高果糖浆因采用不适合的原料、工艺，而出现纯度低、成本高等瓶颈。所以，尽管国际市场需求旺盛，国产产品却缺少市场，甚至我国目前目前食品产业使用的高纯度菊粉、高纯度低聚果糖都依靠进口，使用量每年约有8000吨。
　　采用现代生物技术和膜分离技术进行高效加工，一条生产线可同时生产出高纯度菊粉、高纯度低聚果糖及超高果糖三种保健食品原料。目前，国内加工菊粉多采用的是酒精沉淀法，存在得率低、纯度低、产品有怪味、成本高等一系列问题，难以被食品工业作为大宗原料接受。现有的低聚果糖生产线都是利用蔗糖经β-呋喃果糖苷酶转化而得，由于此工艺会同时生成大量的葡萄糖，故产品纯度一般只有50%左右，生理功效很差。该难题已成为制约我国低聚果糖发展的主要瓶颈，一直没有突破。至于国内现有的高果糖浆，是采用双酶法转化玉米淀粉生产的。在分离提纯方面需要工业色谱，固定资产投入过大，生产成本过高，许多企业濒临停产的边缘。
　　菊芋高值化开发项目利用菊芋内源性菊粉酶，对菊芋内的菊粉进行生物降解，生成低聚果糖和果糖。利用两级膜分离装置对经过精制后的菊粉降解产物进行分离，制得高纯度菊粉（≥95%）、高纯度低聚果糖（≥95%）和超高果糖（≥86%）。该工艺节能、高效、方便、成本低、得率高、纯度高，达到了国际先进水平。由于该产品质量达到欧洲同类产品标准，生产成本却仅为进口产品的一半以下。专家预计，这一项目将在国内外市场具有明显竞争优势。
　　专家估计，菊粉及聚果糖相关产品的市场潜力巨大。目前，我国食品产业每年进口的高纯度菊粉、高纯度低聚果糖使用量均8000吨。但如能实现国产化，切实降低生产成本，我国每年对这些高纯度原料的总需求量约在20万吨以上。
　　同时，高纯度菊粉、高纯度低聚果糖和超高果糖都是有益于身体健康的食品和医药工业原料，具有促进双歧杆菌生长、提高免疫力、调节血脂、减肥、辅助调节血糖等多种明显的生理功效。
　　据统计，我国拥有7000万的肥胖症患者、4000万的糖尿病患者，2亿～3亿人有高脂血症，相关营养保健食品的需求不断上扬。这三种高纯度原料的生产和应用符合产业发展的趋势，还有很大的发展空间。该项目的启动有望带动我国菊粉产业的整体兴起，激发出我国该领域的产业潜能。
　　三、菊芋糖蜜发酵燃料乙醇
　　菊芋是一种来源广泛，含糖量高，占其块茎干重的70%以上。是菊科多年生草本植物，耐贫瘠和干旱，适应性强，适合我国广泛种植，可以作为一种新的能源作物。用菊芋生产燃料乙醇可以采用制糖的废糖液制备，也可以用菊芋直接生产。
　　（一）采用提取制菊粉（糖）的废糖液发酵制备燃料乙醇。
　　废糖蜜是制糖工业产生的副产品，含有很丰富的可发酵糖，它是菊芋炼制菊粉、低聚果糖、高果糖浆、结晶果糖过程中的副产品，其产率为粗糖量的2%～3%。
　　糖蜜稀释接入培养成熟的大酵母后，糖分在酵母菌的作用下反应生成乙醇。
　　酒化酶
　　C6H12O6-----→ 2C2H5OH ＋ 2CO2
　　葡萄糖、果糖           乙醇   二氧化碳
　　（二）菊芋直接发酵生产燃料乙醇
　　菊芋是糖料生物质原料，含有大量的可以直接被酵母等微生物直接利用，用于生产乙醇的原料。使用糖类生物质原料生产乙醇和淀粉质原料相比，可以省去蒸煮、制曲、糖化等工序，其工艺过程和设备比较简单，生产周期较短。但由于糖类生物质原料的干物质浓度大、糖分高、产酸细菌多、灰分和胶体物质多。因此，对糖类生物质原料发酵前必须进行预处理。糖类生物质原料的预处理程序主要包括：糖的制取、稀释、酸化、灭菌、澄清和添加营养盐等。糖类生物质原料所采用的发酵工艺和蒸馏工艺与常规的糖化醪的乙醇发酵基本上相同。
　　菊芋原料乙醇生产效果：
　　理论出酒率
　　单糖（葡萄糖、果糖）乙醇发酵：
　　C6H12O6-----→ 2C2H5OH ＋ 2CO2
　　180。16            92。14     88。02
　　100                X         Y
　　X=51。14             Y=48。86
　　即100份的单糖理论上能发酵产生100%纯乙醇51。14份和48。86份二氧化碳，51。14/100或0。5114称为单糖理论醇糖比，也可称为单糖理论出酒率。
　　菊芋制备燃料乙醇的基本工艺为：
　　菊芋块茎→清洗→块片→沸水提取→净化
　　↓
　　精馏←-原酒←-蒸馏←-发酵←-酵母液←-酵母
　　↓              ↓
　　乙醇            糟渣
　　四、菊芋生态产业的发展
　　以山区、丘陵、高原等人少地多的发达地区，采用规模化种植，产业化经营，采用高值化加工，实现工业化生产。
　　（一）年加工1万吨菊粉、低聚果糖等产品
　　高新技术实现菊芋深加工产业化将提高对菊芋基地的需求，带动农产品菊芋种植规模化、规范化，可能将菊芋推进为高附加值的产业。
　　菊芋是菊科多年生草本植物的块茎，耐贫瘠，对气候、土壤等自然条件要求低，抗逆性很强，几乎不需肥料和田间管理。将菊芋引种在荒山、荒坡，可以不占用耕地良田，还能保护生态环境。据测算，每亩普通地（非耕地良田）可产菊芋块茎2～4吨，茎叶2吨，每亩地收益至少1600元，几乎是没有成本的净收入。
　　"菊芋的高值化开发"项目推广种植菊芋4万亩可以为当地农村带来6400万元的净收入。今后通过优化育种，还可将菊芋亩产量提高至4吨，其直接收入将翻一番。
　　该项目首期拟建设年处理8万吨菊芋加工厂，年生产高纯度菊粉3000吨、高纯度低聚果糖3000吨和超高果糖3000吨。项目总投资11。2亿元，其中自有资金6071万元，申请银行贷款5147万元。项目建成后，每年将新增销售收入20亿元，新增利润5139万元。

技术的应用领域前景分析：

　　随着改革的不断深入，我国将有计划地开发可利用的土地资源发展能源农林业，促进生物质能产业快速健康发展。形成一条新型的能源农业产业链，带动传统农业向现代农业转变，创造大量就业机会，促进新农村的产业建设，必将为中国农村的城镇化建设提供强有力的支持。据曾麟、王革华等的研究，生物燃油开发量能达到1。05亿吨（其中生物乙醇0。16亿吨，生物柴油0。89亿吨），将创造5000亿元左右的年产值，吸纳1000万个以上的劳动力，特别是农村地区的劳动力，为带动农村经济发展起到极大的促进作用。同时，利用荒山荒地种植能源作物，还能增加植被覆盖面积，起到绿化的作用，可以减轻土壤侵蚀和水土流失，改善农业生态环境和农村的村容村貌。燃料乙醇作为燃料具有节省和环保的优点，可以节省石油资源，促进农业发展，具有显著的经济效益，该技术在国际上受到广泛的重视。
　　该项目拟建设年处理80万吨菊芋加工厂20万亩，年产燃料乙醇10万吨，项目总投资6。2亿元，首期投资3亿元，吨生产成3500元，国家对部分燃料乙醇企业实行不同幅度补贴，我们生产后的残渣可生产饲料，每吨价格至少可减少500元，因此综合计算，每吨燃料乙醇生产成本可降至3000元。
　　我国可再生能源中长期发展规划指出，2010年生物原料替代石油200万吨，2020年生物原料年替代石油1000万吨。其于环境保护的需要，我国也将逐渐禁用MTBE，这将会给乙醇汽油提供一个大的市场。因此，我国生物乙醇燃料的发展前景十分广阔，发展潜力巨大。但目前我国燃料乙醇发展还处于起步阶段，原料资源的不确定，产业化技术基础薄弱，产品缺乏市场竞争力，以及政策和市场环境不完善都制约了燃料乙醇产业的快速健康发展的快速解决。我国新能源政策的调整将迎来生物燃料乙醇发展的春天。
经济收益分析：


厂房条件建议：


备注：