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鐘恬
2025-08-16 15:37
圖①：成熟的棉花纖維。
圖②：帶棉短絨的棉籽。
圖③：棉花秸稈。
圖④：棉花葉片。
圖⑤：棉鈴殼。
圖⑥：蝦青素工程棉花（右）與普通棉花對比。
以上圖片均為中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所提供
網(wǎng)友：看到最近有報道說，棉花能用于生產(chǎn)昂貴的蝦青素。我想知道，這是怎樣實現(xiàn)的？除了做衣服，棉花到底有多少“隱藏技能”？
編輯：看似普通的棉花，實際是一座“全能寶藏”。借助植物合成生物學(xué)技術(shù)，科學(xué)家不斷向深度和廣度挖掘棉花價值。本期“瞰前沿”我們邀請中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所研究員、西部農(nóng)業(yè)研究中心研究員楊作仁，請他為我們揭秘棉花的“隱藏技能”。
從“長在植物上的布”到“抗氧化劑合成工廠”
棉花是“長在植物上的布”——棉鈴裂開，露出蓬松的纖維，經(jīng)過紡紗、織布，可以變成衣服、棉被等紡織品。
棉花纖維根據(jù)長度可分為三大類：粗絨棉纖維粗短如板寸，織出的牛仔布緊密耐磨，抗撕裂強度是普通棉的兩倍；細絨棉憑借均衡的強度和透氣性，成為日常紡織品的絕對主力，應(yīng)用領(lǐng)域包括貼身服飾、家紡、醫(yī)療防護（紗布、棉球）等，我國目前種植的棉花大多屬于此類；長絨棉具有纖維長、手感好等特點，常用于紡織高支紗，是高檔家紡及服裝的材料。
棉花可不僅僅是紡織原料。借助植物合成生物學(xué)等技術(shù)，棉花正從“纖維專家”升級為“功能工廠”。今年6月，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所、生物技術(shù)研究所聯(lián)合西部農(nóng)業(yè)研究中心合作創(chuàng)制出生產(chǎn)蝦青素的工程棉花，便是這方面研究的代表性成果。
蝦青素是天然抗氧化劑之一，其抗氧化能力遠高于維生素E、β—胡蘿卜素，被譽為“超級抗氧化劑”。蝦青素具有清除體內(nèi)的氧自由基、增強細胞的再生能力、維持機體平衡、減少衰老細胞在體內(nèi)堆積等作用，被廣泛應(yīng)用于食品、飼料、制藥和化妝品領(lǐng)域。目前，天然蝦青素主要從雨生紅球藻和甲殼類生物（蝦、蟹等）中提取。然而，這些提取的產(chǎn)量有限，而且化學(xué)合成蝦青素的生物活性較低。
因棉株中含有豐富的蝦青素合成前體——類胡蘿卜素，棉花被認(rèn)為是合成蝦青素的理想“代工廠”。科研人員通過3步打通了蝦青素合成途徑：先引入“關(guān)鍵鑰匙”，從萊茵衣藻“借”β—胡蘿卜素酮化酶，從雨生紅球藻“借”β—胡蘿卜素羥化酶；再安裝“生物導(dǎo)航”，給這些外源酶裝上質(zhì)體定位信號，將其精準(zhǔn)引導(dǎo)至“生產(chǎn)車間”；最后啟動“全株流水線”，在普通棉花“中棉所49”中植入基因表達模塊，最終培育出生產(chǎn)蝦青素的“TY工程棉”。
該工程棉花植株在幼苗期和成熟期的葉片、花器官、棉鈴、棉籽及棉籽油中均呈現(xiàn)蝦青素的特征性紅色，且不同組織中的蝦青素積累呈現(xiàn)梯度分布。富含蝦青素的工程棉花有何用途？在“TY工程棉”中，棉花就像裝上了“生物芯片”，變身“抗氧化劑合成工廠”。比如，棉葉片和棉鈴殼可開發(fā)動物飼料添加劑（替代人工色素），還可作為提取蝦青素的原料等；棉籽油的功效和附加值也升級了，棉籽油中的天然維生素E結(jié)合蝦青素，可提升抗氧化協(xié)同效應(yīng)。
從棉籽到棉秸稈，棉花全身都是寶
纖維是棉花的“主業(yè)”，而棉花的“副業(yè)”早就已經(jīng)應(yīng)用在我們的生活中。
棉籽是棉花結(jié)出的“硬核果實”。棉籽油是我國傳統(tǒng)的食用植物油之一，榨油后的棉籽粕是我國種植生產(chǎn)的第二大飼用植物蛋白來源，可以作為牛羊等反芻動物和水產(chǎn)養(yǎng)殖的飼料。近年來，隨著加工設(shè)備和工藝技術(shù)的日趨成熟，棉籽蛋白產(chǎn)品的蛋白質(zhì)含量和質(zhì)量均得到顯著提升，棉籽濃縮蛋白受到很多水產(chǎn)飼料企業(yè)的歡迎。
棉籽殼也大有用途。棉籽殼含有4%—6%粗蛋白，含有43%—48%粗纖維，是食用菌栽培最主要的原材料之一。據(jù)報道，每100公斤棉籽殼，可分別用于生產(chǎn)平菇100公斤、香菇150—200公斤、金針菇160公斤、靈芝7—10公斤，是食用菌培養(yǎng)料的好選擇。此外，棉籽殼還可作為活性炭、糠醛、木糖、木糖醇等精細化工的原料，增值潛力大。
棉籽中還有“甜蜜素”——棉子糖。棉子糖是一種“低卡功能性低聚糖”，具有低熱量、不被人體消化吸收卻能促進腸道健康的特性，是健康食品的理想添加劑，適用于減肥食品、低糖食品，以及糖尿病患者的特殊膳食。另外，棉子糖在腸道內(nèi)能被雙歧桿菌等有益菌優(yōu)先利用，促進這些有益菌的增殖，從而改善腸道微生態(tài)環(huán)境，有助于增強免疫力，預(yù)防便秘、腹瀉等問題。
如果說對棉籽、葉片的利用是“挖掘內(nèi)部潛力”，那么對棉短絨、棉秸稈等“廢料”的開發(fā)，則讓棉花向“全生物質(zhì)利用”邁進。
軋棉機從棉籽剝離長纖維之后，棉籽上還留存大量的棉短絨，過去多被當(dāng)作廢料，但它的用途實則不容小覷。棉短絨可被廣泛用于食品、醫(yī)藥、日化、塑料、電子、造紙、冶金、航空航天等領(lǐng)域，被譽為“特種工業(yè)味精”。用棉短絨制作的無煙火藥還是國防工業(yè)的重要原料。近年來，國外科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，棉籽絨還可用于生產(chǎn)和制備可降解塑料薄膜。
棉花秸稈占棉花總生物量的50%以上，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，這些組分可以轉(zhuǎn)化為生物基材料、化學(xué)品和生物燃料等高價值產(chǎn)品。在畜牧生產(chǎn)上，棉花秸稈可作為牛、羊飼料使用。粉碎的棉花秸稈纖維配以水泥和砂，可制備水泥砌塊，有良好的力學(xué)性能。棉花秸稈還可作為固體發(fā)酵原料，用于生產(chǎn)高質(zhì)量生物炭。
從“單一產(chǎn)出”到“多功能高值化”轉(zhuǎn)變
當(dāng)一片棉葉、一粒棉籽都可以成為蝦青素的“微型工廠”，科學(xué)家開始不斷挖掘棉花這種古老作物的應(yīng)用價值。在實驗室與產(chǎn)業(yè)界，棉花的應(yīng)用范圍不斷拓展，編織著一張聯(lián)結(jié)農(nóng)業(yè)、食品、保健品、能源、環(huán)保的立體網(wǎng)絡(luò)。
推動棉花從“單一產(chǎn)出”到“多功能高值化”轉(zhuǎn)變，合成生物學(xué)是關(guān)鍵技術(shù)支撐。除了創(chuàng)制可生產(chǎn)蝦青素的工程棉花外，科研人員還進行了諸多探索。
例如，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所通過將火龍果里甜菜紅素的合成途徑導(dǎo)入棉花，培育出粉紅色纖維棉花；河南大學(xué)通過提高類胡蘿卜素合成強度，培育出金色纖維棉花。這些新型彩色棉花的培育，有望減少染料對環(huán)境的污染，并為消費者提供更多選擇。
基于合成生物學(xué)技術(shù)，以棉花為載體將會編寫更多高附加值產(chǎn)品的基因圖譜。例如，研發(fā)藍色、紫色、橙色等多彩棉；將棉纖維、棉葉片等作為細胞工廠，生產(chǎn)更多高附加值功能性化合物。隨著研究的深入，我們期待更多功能多樣、色彩豐富、環(huán)?？沙掷m(xù)的棉花品種問世。
從“單一產(chǎn)出”到“全能型選手”，棉花插上科技的翅膀，應(yīng)用場景將持續(xù)擴大，覆蓋更多領(lǐng)域。
（作者為中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所研究員、西部農(nóng)業(yè)研究中心研究員，本報記者喻思南采訪整理）
