菊芋的研究現(xiàn)狀及開(kāi)發(fā)潛力

烏日娜，朱鐵霞，于永奇，高 凱

(內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028043)

菊芋(Helianthustuberosus)為菊科向日葵屬植物，又被稱為鬼子姜或洋姜，主要分布在北美溫帶地區(qū)，以塊莖繁殖為主，對(duì)生境要求較低。菊芋塊莖中含大量碳水化合物，約占鮮質(zhì)量的18%～20%，果聚糖含量占碳水化合物的80%左右，也稱為菊糖或者菊粉，是生產(chǎn)糖和生物乙醇的優(yōu)質(zhì)原料[1-3]。菊芋17世紀(jì)從北美引進(jìn)到歐洲，之后才逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，并且在荷蘭、西班牙、德國(guó)和英國(guó)等歐洲國(guó)家廣泛種植[1]。隨著人類對(duì)菊芋研究的不斷深入，其功能也不斷被開(kāi)發(fā)。菊芋莖稈用作薪柴和紙漿生產(chǎn)原料，整株發(fā)酵產(chǎn)生沼氣[4]和作為生產(chǎn)丙酮-丁醇-乙醇的原料[5]，塊莖作為食物生產(chǎn)原材料(如酒精飲料和啤酒)等。由此可見(jiàn)，菊芋是一種多功能植物，具有廣泛的開(kāi)發(fā)市場(chǎng)和發(fā)展空間。本文通過(guò)查閱大量的相關(guān)資料，從菊芋的生物生態(tài)學(xué)特性、經(jīng)濟(jì)用途、栽培、乙醇及菊糖生產(chǎn)等方面對(duì)菊芋的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景進(jìn)行論述，以期為菊芋研究者提供參考。

1 生態(tài)學(xué)特性

菊芋為多年生草本植物，高1～3 m，有塊狀的地下莖及纖維狀根。莖直立，莖稈多分枝。葉片被毛，葉通常對(duì)生。下部葉卵圓形或卵狀橢圓形，長(zhǎng)10～16 cm，寬3～6 cm，基部寬楔形或者圓形，邊緣有粗鋸齒，具有離基三出脈，葉脈上有短硬毛；上部葉橢圓形至闊披針形，基部漸狹，下延成短翅狀，頂端漸尖，短尾狀。花期8-9月，頭狀花序較大，少數(shù)或多數(shù)，單生于枝端，有1～2個(gè)線披針形的苞葉，直立，粗2～5 cm?？偘鄬?，披針形，長(zhǎng)14～17 mm、寬2～3 mm，頂端長(zhǎng)漸尖，背面被短伏毛，邊緣被開(kāi)展的緣毛；托葉長(zhǎng)圓形，長(zhǎng)8 mm，背面有肋、上端不等三淺裂。舌狀花通常12～20個(gè)，舌片黃色，開(kāi)展，長(zhǎng)橢圓形，長(zhǎng)1.7～3.0 cm；管狀花的花冠呈黃色，長(zhǎng)6 cm。瘦果小，楔形，上端有2～4個(gè)有毛的錐狀扁芒[1-2]。

菊芋生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)，具喜溫耐寒、喜濕耐旱、喜肥耐貧瘠以及耐鹽堿等特點(diǎn)。有研究表明，光照充足、晝夜溫差大的環(huán)境條件有利于菊芋塊莖膨大，易獲得高產(chǎn)[1]。菊芋耐低溫的能力主要體現(xiàn)在其塊莖繁殖和越冬兩個(gè)方面。塊莖作為菊芋的主要繁殖器官，只要溫度達(dá)到6～7 ℃，其芽眼就開(kāi)始萌動(dòng)，8～10 ℃就可以出苗，菊芋幼苗可以忍耐1～2 ℃低溫。也有研究表明，菊芋塊莖在-30～-40 ℃條件下， 只要塊莖不露出地面即可安全越冬[1,6]。菊芋的抗旱能力也比較強(qiáng)，在其萌發(fā)過(guò)程中，能利用自身(塊莖)的養(yǎng)分和水分完成苗期生長(zhǎng)，生長(zhǎng)過(guò)程中，塊莖上長(zhǎng)出數(shù)條水平根系，根系以塊莖為圓心向四周擴(kuò)散生長(zhǎng)以吸收土壤中的養(yǎng)分和水分，為其苗期生長(zhǎng)提供充足的養(yǎng)分[2,7]。 有研究表明[1，8]，當(dāng)根系吸收的水分和養(yǎng)分能夠滿足植株生長(zhǎng)發(fā)育需要的時(shí)候，其塊莖的水分和養(yǎng)分恒定，雨水充足條件下，菊芋地下粗壯的根系和塊莖將貯存大量的水分和養(yǎng)分，以待干旱時(shí)期向地上運(yùn)輸來(lái)緩解干旱給菊芋造成的不良影響。且菊芋莖葉上類似絨毛的組織，可減少水分蒸發(fā)，緩解干旱，當(dāng)干旱嚴(yán)重，菊芋地下塊莖中貯藏的養(yǎng)分和水分全部用盡時(shí)，其地上部分死亡，而地下塊莖來(lái)年仍可以萌發(fā)長(zhǎng)成新的植株。

綜上所述，菊芋具有較高的生態(tài)適應(yīng)性，較廣的生態(tài)幅，能夠在惡劣的自然環(huán)境條件下生存[8]。我國(guó)當(dāng)前所用的主要能源植物仍以農(nóng)作物為主[如玉米(Zeamays)、甜菜(Betavulgaris)、大豆(Glycinemax)和油菜(Brassicacampestris)等][9-11]，這些作物的生產(chǎn)對(duì)環(huán)境條件要求較高，同時(shí)也是人類食物的主要來(lái)源。這樣，在其生產(chǎn)過(guò)程中必然會(huì)導(dǎo)致和激化“與人爭(zhēng)糧、與糧爭(zhēng)地”的矛盾。而菊芋則可以利用沙地、鹽堿地甚至棄耕地等環(huán)境惡劣而無(wú)法進(jìn)行農(nóng)作物耕種的地域進(jìn)行生產(chǎn)，這既避免了與糧爭(zhēng)地的矛盾，也充分利用了自然環(huán)境較差的非農(nóng)土地。由此可見(jiàn)，從生態(tài)適應(yīng)性上講菊芋具有作為能源植物的潛力。

2 食用與飼用

塊莖作為菊芋的主要食用部分，富含大量的氨基酸、糖類及維生素等人體必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。菊芋具有較強(qiáng)的抗病蟲(chóng)害能力，因此，在生長(zhǎng)過(guò)程中基本不施用殺蟲(chóng)劑和農(nóng)藥等，同時(shí)還具有較強(qiáng)耐貧瘠能力，所以肥料的施用量也較少，甚至不用[1]。因此，菊芋幾乎不存在肥料和藥物的污染，屬于天然的綠色食品[12]。通過(guò)對(duì)菊芋食用性的長(zhǎng)期研究，使其成為調(diào)料、副食以及飲料等多種食品的加工原材料[13]，但其主要還是被用于功能性用途，如乳品、焙烤制品、涂抹食品、湯和調(diào)味品等[14-16]。大量研究表明，菊芋含有大量的菊糖和硒等物質(zhì)，菊糖降解之后形成的果糖漿被大量保健品用于主要配料，其能促進(jìn)人體腸道雙歧桿菌增殖，具有保健抗癌的功效[17]。菊芋莖稈還可作為馬、牛及羊等草食動(dòng)物的飼料[18]。菊芋生長(zhǎng)旺盛季節(jié)其地上莖、葉可以直接刈割作為青飼料，但適口性較差。一般情況下，菊芋在秋季粉碎后青貯或者用作干飼料，這樣可以減少異味，改善適口性。

3 藥用功能

菊芋作為一種多功能植物，其藥用價(jià)值也不容忽視。菊芋之所以具有藥用價(jià)值，主要原因之一便是其塊莖內(nèi)含有的大量菊糖。菊糖具有使腸道內(nèi)的雙歧桿菌增殖的功能，對(duì)預(yù)防腸道感染有一定功效。此外，菊糖還具有控制血脂，降低心血管疾病的危害，降低血氨濃度，促進(jìn)礦物質(zhì)的吸收，防治便秘等功效，適宜于糖尿病患者[19-22]。菊糖還可以調(diào)節(jié)代謝功能、提高脂質(zhì)代謝率、增強(qiáng)免疫力以及提高礦物質(zhì)吸收轉(zhuǎn)化。有研究表明，將菊糖加入化妝品，可以有效地抑制臉部和皮膚表面有害細(xì)菌的滋生。此外，菊芋所含的低聚糖對(duì)各種禽類及畜類也具有同種功效，可被作為飼草料的添加劑使用[23]。

4 能源用途

生物產(chǎn)量是能源植物的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。有研究表明，菊芋地上干物質(zhì)產(chǎn)量為6～7 t·hm-2(自然環(huán)境條件較差)或20～30 t·hm-2(自然環(huán)境條件較好)，其塊莖干物質(zhì)產(chǎn)量在4～6和10～15 t·hm-2[24]。菊芋生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)生境條件的要求較低，適應(yīng)性強(qiáng)，特別適合在沙地、灘涂、鹽堿和棄耕地等農(nóng)作物無(wú)法正常生長(zhǎng)的地區(qū)種植，并且具有產(chǎn)量高、成本低廉、一次種植多年利用等優(yōu)點(diǎn)。由此可見(jiàn)，菊芋作為能源植物具有一定的先天優(yōu)勢(shì)。

粗纖維和含糖量也是能源植物的重要評(píng)價(jià)參考指標(biāo)。菊芋地上莖稈含豐富的纖維素，可以用于發(fā)酵進(jìn)行乙醇生產(chǎn)。此外，菊芋塊莖中含有大量的菊粉，占其干物質(zhì)的 70%～90%[25]。關(guān)于菊芋作為能源植物的潛力，有研究分別從生境條件、氮肥施用等方面，通過(guò)測(cè)定熱值、生物產(chǎn)量、灰分含量等指標(biāo)進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)[26-27]。菊粉是果糖的聚合物，在各種酶的作用下可以分解為單個(gè)果糖，再經(jīng)過(guò)發(fā)酵生成乙醇。因此，與糧食和油料作物相比，菊芋具有一定的優(yōu)勢(shì)。隨著生物燃料的發(fā)展，人們對(duì)生物原材料的供應(yīng)問(wèn)題也越來(lái)越重視。在很多國(guó)家和地區(qū)，菊芋已經(jīng)成為乙醇生產(chǎn)的主要原材料，并且逐漸受到人們的重視和關(guān)注[28-31]。

5 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外關(guān)于菊芋的研究主要集中在兩個(gè)方面，一是對(duì)菊芋生境條件的研究，該部分研究主要集中在鹽堿地和沙地種植方面；另一方面是利用現(xiàn)代生物技術(shù)對(duì)菊芋進(jìn)行深加工，如生產(chǎn)菊粉、乙醇等。從20世紀(jì)開(kāi)始，已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，我國(guó)關(guān)于菊芋資源的研究相對(duì)落后。本文主要從鹽堿地、沙地菊芋種植和菊芋生產(chǎn)乙醇、菊粉4個(gè)方面來(lái)論述菊芋的研究現(xiàn)狀。

5.1菊芋鹽堿脅迫研究現(xiàn)狀 鹽堿脅迫是當(dāng)前菊芋研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，學(xué)者們從不同角度進(jìn)行了研究。研究者們對(duì)菊芋從苗期到枯黃期均進(jìn)行了大量研究，為菊芋的研究提供了參考。研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，不同濃度的海水對(duì)菊芋幼苗有不同抑制或者促進(jìn)作用[32]。有研究通過(guò)利用不同濃度Na2CO3脅迫來(lái)研究菊芋的幼苗生長(zhǎng)和光合作用變化，發(fā)現(xiàn)菊芋耐堿的極限濃度為50.0 mmol·L-1，高濃度(37.5 mmol·L-1)的脅迫顯著降低了菊芋幼苗的總鮮質(zhì)量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、水分利用效率、葉綠素總量、類胡蘿卜素含量及葉片和根的POD活性，顯著提高細(xì)胞間隙CO2濃度、葉片和根SOD活性以及丙二醛(MDA)含量[33-34]。對(duì)菊芋耐鹽堿研究過(guò)程中，海水灌溉是一個(gè)重要的研究課題，通過(guò)海水灌溉的研究，發(fā)現(xiàn)鹽堿脅迫對(duì)菊芋株高和地上生物量有一定的抑制作用，而對(duì)于根系和塊莖生物量卻有促進(jìn)作用[35]。有研究對(duì)菊芋在鹽堿環(huán)境條件下的耕作模式進(jìn)行了探討[36]，在進(jìn)行海水灌溉的研究過(guò)程中，還進(jìn)行了大量的海水和肥料耦合效應(yīng)的研究[32,37-41]，其結(jié)果均進(jìn)一步證明菊芋對(duì)適量海水灌溉具有良好的適應(yīng)性，在海水中加入肥料效果更為明顯。此外，學(xué)者們對(duì)鎂、鎘、鈉等離子脅迫條件下菊芋的光合作用、離子運(yùn)轉(zhuǎn)及幼苗的影響也進(jìn)行了研究[42-45]。

5.2沙地種植菊芋的研究現(xiàn)狀 作為多年生植物，菊芋具有植株高大、根系發(fā)達(dá)等特點(diǎn)。有報(bào)道表明，當(dāng)年生長(zhǎng)的菊芋根系可以超過(guò)2 m，不同長(zhǎng)度根系達(dá)到上百條[46]，其中較長(zhǎng)的根系可以直接吸收土壤深層的水分。菊芋的根系每年以20倍的速度繁殖，使其具有較強(qiáng)的抗旱能力，且根系可相互連接成片，使其具有強(qiáng)大的保持水土的能力，能夠?qū)⑸惩辆o緊固定，以避免沙漠流動(dòng)[47]，其地上部分也具有防風(fēng)功能。這些特點(diǎn)都表明菊芋具有強(qiáng)大的防風(fēng)固沙功能[48]。

雖然菊芋具有強(qiáng)大的防風(fēng)固沙能力，但是國(guó)際上關(guān)于沙地種植菊芋的研究卻很少，只有我國(guó)少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了零星的研究?？诐萚7,49]對(duì)科爾沁地區(qū)風(fēng)沙地種植菊芋的生態(tài)學(xué)特性和光合特性進(jìn)行了探索性的研究，結(jié)果表明，在沙地環(huán)境下，菊芋塊莖干物質(zhì)積累在第23周達(dá)到最大值，平均單株為298.15 g；徐長(zhǎng)警等[50]在寧夏地區(qū)進(jìn)行了菊芋的局部引種試驗(yàn)，并對(duì)所引不同品種進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為寧夏地區(qū)菊芋品種的選擇提供了參考；樊光輝等[51]在柴達(dá)木荒漠地區(qū)進(jìn)行了菊芋的栽培試驗(yàn)，得出菊芋在柴達(dá)木沙地產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)中不僅可以起到防風(fēng)固沙的作用，還能有效地調(diào)整柴達(dá)木盆地的種植業(yè)結(jié)構(gòu)，但在柴達(dá)木地區(qū)種植菊芋首先應(yīng)該保證菊芋生長(zhǎng)期土壤含水量在10%以上，且以培土栽培為宜。

5.3菊芋生產(chǎn)乙醇的研究現(xiàn)狀 目前，菊芋生產(chǎn)乙醇的研究與應(yīng)用主要集中于發(fā)酵用途菌株的篩選和發(fā)酵技術(shù)及工藝流程兩個(gè)方面。菊芋生產(chǎn)乙醇的一般過(guò)程是對(duì)菊芋進(jìn)行水解或者酶解，之后利用發(fā)酵菌株對(duì)其進(jìn)行發(fā)酵轉(zhuǎn)化乙醇[52]。關(guān)于菌種的篩選，國(guó)外早在20世紀(jì)80年代就有利用克魯維酵母直接發(fā)酵菊芋抽提物生產(chǎn)乙醇的報(bào)道[53-54]。在后來(lái)的研究過(guò)程中，人們把發(fā)酵菌種歸為兩類，即可直接發(fā)酵型和不能直接發(fā)酵型[55]。此外，人們還對(duì)不同菌種適宜發(fā)酵的pH值、溫度、發(fā)酵時(shí)間進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)各種菌的pH值均偏酸性，一般范圍為3.5～6.0，溫度為25～45 ℃[56-60]。

關(guān)于菊芋生產(chǎn)乙醇工藝的研究更是人們研究的熱點(diǎn)，通過(guò)不斷的改善生產(chǎn)工藝來(lái)提高菊芋生產(chǎn)乙醇過(guò)程的轉(zhuǎn)化效率。當(dāng)前比較大眾化的兩種生產(chǎn)乙醇工藝是分步水解發(fā)酵法和一步水解發(fā)酵法[61-62]。分步水解發(fā)酵法是先利用酸或者酶將菊粉轉(zhuǎn)化為發(fā)酵性糖，再利用發(fā)酵菌或者細(xì)菌進(jìn)行發(fā)酵。一步發(fā)酵法則是通過(guò)具有菊粉酶活性的發(fā)酵菌種，直接完成發(fā)酵并產(chǎn)生乙醇，不存在水解或者糖化的過(guò)程，該方法省時(shí)、省力、投資少，并且可以減少生產(chǎn)過(guò)程中可溶性糖的損失率，還能夠防止菊粉降解過(guò)程中抑制菊粉酶的產(chǎn)生及其他不利影響[63]。

5.4菊芋菊糖的研究現(xiàn)狀 菊糖(Inulin)又名菊粉、土木香粉，是一種集醫(yī)藥、食品和工業(yè)等多種功能于一身的優(yōu)質(zhì)材料，一直為菊芋研究者所重視。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從菊芋材料的準(zhǔn)備到菊芋菊糖的提取、分離純化、含量測(cè)定、結(jié)構(gòu)分析和生物活性等方面做了大量的工作[64-70]。在菊粉生產(chǎn)過(guò)程中，第一步便是菊芋材料的選取，研究中，分別利用鮮芋、凍藏芋和芋片作為原材料進(jìn)行對(duì)比，得出凍藏菊芋最優(yōu)，因此在加工過(guò)程中，可以先將菊芋進(jìn)行冷凍處理，使用時(shí)再進(jìn)行解凍及相應(yīng)處理[64]。菊糖浸提分離方法的最佳工藝是利用2.5%的硫酸鈉護(hù)色30 min，之后100 ℃條件下浸提45 min[64]。人們?yōu)榱诉_(dá)到節(jié)約能源和縮短提取時(shí)間的目的，在菊糖提取過(guò)程中引進(jìn)了微波及超聲波相關(guān)技術(shù)，并在長(zhǎng)期研究過(guò)程中獲得了微波提取的最佳工藝技術(shù)，達(dá)到了提取時(shí)間短、提取率高、節(jié)能等目的[65]。提取出來(lái)的菊糖進(jìn)行除雜也是非常重要的，生產(chǎn)過(guò)程中比較適用的除雜方法為酶解法和熟石灰-磷酸法。其中，中性蛋白酶法效果最佳，但其成本高、工藝復(fù)雜、難以控制[66-68]。此外，還有利用納濾分離技術(shù)和電滲析法來(lái)進(jìn)行除雜的相關(guān)報(bào)道[69-70]。

6 開(kāi)發(fā)潛力

菊芋作為一種多功能植物，具有較寬的生態(tài)幅，能夠在惡劣的環(huán)境中生存，可獲得可觀的產(chǎn)量，還具有防風(fēng)固沙、改善生態(tài)環(huán)境等功能。菊芋作為菊粉和乙醇生產(chǎn)的原材料，從20世紀(jì)50年代開(kāi)始便一直受到人們的關(guān)注，且在21世紀(jì)成為解決與人爭(zhēng)糧和與人爭(zhēng)地的主要能源種植作物之一。從經(jīng)濟(jì)效益考慮，菊芋是集食用、飼用和工業(yè)原材料等功能于一體的優(yōu)良植物，是一種多功能作物。

綜上所述，菊芋具有顯著的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的社會(huì)效益，因此我們要充分利用耕地、鹽堿地和沙地等農(nóng)作物無(wú)法生長(zhǎng)的土地進(jìn)行菊芋種植，大力發(fā)展菊粉、菊芋乙醇、菊糖等相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)加工。今后應(yīng)該從選育矮株品種、提高塊莖生物產(chǎn)量、改善和優(yōu)化菊芋乙醇及菊粉加工工藝、降低菊芋乙醇生產(chǎn)加工成本及副產(chǎn)品開(kāi)發(fā)加工等方面進(jìn)行研究，從而提高菊芋經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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