菊芋的功能營(yíng)養(yǎng)價(jià)值開發(fā)及應(yīng)用前景

（青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院/青海省蔬菜遺傳與生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/青海大學(xué)省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016）

菊芋（Helianthus tuberosusL.）屬菊科（Composite）向日葵屬（Helianthus）多年生草本植物，原產(chǎn)自北美，18世紀(jì)末傳入中國(guó)。菊芋塊莖中有多種微量元素和維生素，是目前蔬菜品種中具有多種保健功效的重要品種資源，也是發(fā)展?fàn)I養(yǎng)保健食品的理想原料；菊芋塊莖中富含菊粉，這種物質(zhì)具有抗菌、降血壓和血脂的功效；菊芋花期較長(zhǎng)、花朵大且可散發(fā)出香味，可用于生態(tài)景觀的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，因此具有廣闊的開發(fā)利用前景。

菊芋具有極強(qiáng)的抗逆性，在我國(guó)大部分地區(qū)都可栽培。近年來(lái)，由于其特有的生態(tài)、加工、制藥、觀賞等應(yīng)用價(jià)值，栽培面積有擴(kuò)大的趨勢(shì)。在科研方面，國(guó)內(nèi)外已開展了諸如菊芋種質(zhì)資源創(chuàng)制、果聚糖代謝、產(chǎn)品加工利用、基因挖掘及功能驗(yàn)證等方面的系統(tǒng)研究，其應(yīng)用價(jià)值逐漸被人們所了解和利用。本文針對(duì)菊芋的功能營(yíng)養(yǎng)價(jià)值進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，并對(duì)菊芋未來(lái)的開發(fā)利用前景進(jìn)行了展望，以期為菊芋產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定一定的基礎(chǔ)。

1 菊芋功能營(yíng)養(yǎng)價(jià)值研究進(jìn)展

1.1 菊糖具有調(diào)節(jié)血脂血糖等多重功效

菊芋可加工利用的部位主要為地下部塊莖，塊莖中富含菊粉（菊糖），占?jí)K莖鮮質(zhì)量的80%[1]以上。菊糖具有促進(jìn)礦質(zhì)元素吸收，降低腸胃疾病，刺激免疫系統(tǒng)等藥理性功能[2]。在小鼠臨床試驗(yàn)中，還觀察到菊糖有較好的降血糖、抗病毒作用[3]和降血脂的功能[4]，還能提高代謝綜合征大鼠的胰島素抵抗能力，控制血糖、血脂水平[5]。菊糖可以代替蔗糖用作甜味劑，且其血糖指數(shù)比較低，對(duì)糖尿病患者和肥胖患者都很友好?？衫眠@一性質(zhì)制備有助于運(yùn)動(dòng)員快速緩解疲勞、增強(qiáng)體力的高果糖漿[6]；菊粉還有一定的抑制肥胖、降低膽固醇含量的功能[7]。目前基于菊粉為原料的食品開發(fā)如減肥餐、代餐粉、營(yíng)養(yǎng)菊芋餅干等正日益迅速發(fā)展，今后或?qū)⒊蔀榻】凳称分械闹髁鳌?/p>

1.2 氨基酸具有調(diào)節(jié)人體脂肪代謝及血糖水平功效

氨基酸作為蛋白質(zhì)的基本單位，是構(gòu)成人體的最基本物質(zhì)之一，也是生命代謝的物質(zhì)基礎(chǔ)；可以促進(jìn)脂肪代謝、調(diào)節(jié)血糖水平和大腦開發(fā)。研究表明，菊芋塊莖中富含對(duì)人體有益的礦質(zhì)元素及13種人體必需氨基酸[8-9]。俞夢(mèng)妮等[10]研究表明，菊芋葉片蛋白氨基酸種類齊全且配比協(xié)調(diào)，總氨基酸含量為42.07%，必需氨基酸占總氨基酸的比值為40.55%，必需氨基酸與非必需氨基酸的比值為0.68。呂炳起等[11]對(duì)菊芋秸稈的營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行了分析，結(jié)果表明菊芋秸稈18種氨基酸中天門冬氨酸、谷氨酸、脯氨酸含量最高，蛋氨酸含量最低。張維等[12]對(duì)菊芋渣的蛋白氨基酸組成進(jìn)行了分析，結(jié)果表明在鮮菊芋中總氨基酸含量約為14.469 g/kg；菊芋渣蛋白中總氨基酸含量百分比約為22.86%，屬于優(yōu)質(zhì)蛋白。Cie?lik等[13]對(duì)紅皮菊芋品種的氨基酸含量進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)菊芋中的必需氨基酸含量比菊苣和馬鈴薯要高幾倍。此外菊芋基本無(wú)病蟲害，無(wú)需噴灑農(nóng)藥，其不僅蛋白質(zhì)含量較高，而且還具有提高機(jī)體免疫力、抑制有害菌生長(zhǎng)等多重功效，是天然、綠色、無(wú)污染的飼料資源之一。

1.3 綠原酸具有抗菌等生物活性

綠原酸是抗菌、抗病毒的有效藥理成分之一，在金銀花中約含4%，具有廣泛的生物活性，被稱為“第七大類營(yíng)養(yǎng)素”，且被廣泛用于保健行業(yè)。苗芹等[14]研究表明，菊芋葉片中的綠原酸在10月下旬含量最高（為4.2%），此時(shí)菊芋葉片可以作為提取綠原酸的原材料。張海娟等[15]在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化了菊芋葉片綠原酸的提取工藝并測(cè)得綠原酸平均含量為1.637 5 mg/g。肖芳等[16]采用UPLC法測(cè)定了青海省海晏縣沙化地人工種植的菊芋綠原酸含量，結(jié)果表明沙化地人工種植1個(gè)月后菊芋根中綠原酸平均含量為0.13%，人工種植4個(gè)月后根中平均含量0.08%，莖、葉平均含量為0.98%。岳會(huì)蘭等[17]對(duì)柴達(dá)木盆地不同生長(zhǎng)期菊芋葉片綠原酸含量變化規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同生長(zhǎng)期菊芋葉片綠原酸含量差異顯著，10月15日達(dá)到最高（葉片干質(zhì)量的0.83%），隨后逐漸降低。隨著菊芋植株中綠原酸研究的不斷深入，在未來(lái)的菊芋產(chǎn)業(yè)鏈中，菊芋地上部中的綠原酸將會(huì)更好地應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域。

1.4 黃酮可調(diào)節(jié)身體機(jī)能，增強(qiáng)機(jī)體對(duì)疾病的抵抗力

黃酮是一類多酚類化合物，具有抗氧化、抗病毒、保護(hù)心臟的作用。菊芋葉片和花中含有豐富的黃酮成分[18]。袁曉艷等[19]在菊芋葉片中分離得到了7種多酚類化合物，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。Jantaharn等[20]從菊芋花中分離得到異甘草素、針依瓦菊素、槲皮素-7-O-β-葡糖苷等7種物質(zhì)；鄭曉濤等[21]以菊芋葉片為原料，研究了甲醇體積分?jǐn)?shù)、提取溫度、提取時(shí)間、固液比對(duì)菊芋黃酮總含量的影響，并在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上利用正交試驗(yàn)的方法優(yōu)化了提取工藝：用體積分?jǐn)?shù)70%的甲醇，固液比1∶30（g/mL），80 ℃條件下提取2 h，在此條件下，菊芋葉總黃酮含量為7.03%。何舒瀾等[22]采用響應(yīng)面法優(yōu)化菊芋組培葉提取黃酮的工藝，液料比為1∶40，提取時(shí)間20 min，乙醇含量（體積分?jǐn)?shù)）40%，提取溫度64 ℃，測(cè)得總黃酮提取率為1.47 mg/g。目前在菊芋黃酮功能生物制劑開發(fā)方面的研究鮮有報(bào)道，今后可加大黃酮類保健品的研發(fā)。

2 菊芋的生態(tài)價(jià)值研究

2.1 防風(fēng)固沙

菊芋根系發(fā)達(dá)，其繁殖速度是普通植物根系的20倍，具有極強(qiáng)的防風(fēng)固沙效果，在沙漠等生態(tài)環(huán)境惡劣地區(qū)種植菊芋，既能改善生態(tài)環(huán)境，又可實(shí)現(xiàn)一定的經(jīng)濟(jì)效益。劉春林等[23]研究表明，在騰格里沙漠地區(qū)種植菊芋后，土壤理化性質(zhì)明顯改善，還帶動(dòng)了菊芋相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)，形成了菊芋產(chǎn)業(yè)鏈，從而帶動(dòng)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。劉軍政[24]在黃土高原坡度相同的山坡上進(jìn)行種植菊芋和沒(méi)有種植菊芋的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)種植菊芋的山坡土壤流失率低，因此證明了菊芋可以防止水土流失。今后可以將種植菊芋和養(yǎng)殖動(dòng)物聯(lián)系在一起，菊芋莖葉可用作動(dòng)物飼料，菊芋塊根可進(jìn)行深加工，菊芋秸稈與禽畜糞便混合可作沼氣池原料，再以沼渣為原料生產(chǎn)有機(jī)肥，從而實(shí)現(xiàn)了生態(tài)治理上的綜合應(yīng)用。

2.2 植物修復(fù)

植物修復(fù)技術(shù)是近幾年在環(huán)保領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，植物修復(fù)重金屬污染是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，也是重金屬污染土地治理和修復(fù)的重要手段?；诰沼髢?yōu)良的抗逆性，以其為主體的植物修復(fù)可以極大程度上恢復(fù)鹽堿化、重金屬等污染的土壤環(huán)境。菊芋作為一種耐鹽堿能力較強(qiáng)的植物，在改良鹽堿地上具有極大的優(yōu)勢(shì)，胡濤等[25]研究發(fā)現(xiàn)，菊芋可以吸收土壤中的鹽分，在山東省萊州灣濱海鹽土地連續(xù)種植5年菊芋后，當(dāng)?shù)赝寥烙袡C(jī)質(zhì)含量增高，全鹽含量出現(xiàn)下降趨勢(shì)。陳良[26]以南芋系列的2個(gè)菊芋品種為材料，研究了Cd污染土壤的植物修復(fù)，結(jié)果表明南芋5號(hào)在Cd污染土壤的修復(fù)中具備更大的優(yōu)勢(shì)。張前進(jìn)等[27]針對(duì)重金屬污染的淮南礦區(qū)進(jìn)行了菊芋等12種植物對(duì)重金屬Cu、Zn、Cr、Ni、Pb和Cd富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)的研究，優(yōu)選出最佳修復(fù)植物為菊芋和鬼針草。在今后的研究工作中應(yīng)加強(qiáng)在寒、旱、鹽、堿、重金屬污染等2個(gè)或多個(gè)疊加生境中菊芋綜合抗逆能力的研究。

2.3 生物防治

生物防治是指利用一種生物對(duì)付另外一種生物的綠色防控方法。Ullah等[28]研究表明，菊科植物可破壞受體膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性及水分平衡關(guān)系、促進(jìn)或阻滯葉綠素的合成、影響礦質(zhì)元素的吸收等，產(chǎn)生明顯的化感效應(yīng)。陳瑞等[29]研究發(fā)現(xiàn)菊芋可產(chǎn)生明顯的化感物質(zhì)，其浸提液在雜草防治中有著顯著的效果。趙孟良等[30]研究了菊芋塊莖浸提液對(duì)生菜種子萌發(fā)生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明菊芋全粉可以更有效地發(fā)揮化感作用。王詩(shī)雯[31]研究了菊芋秸稈對(duì)根結(jié)線蟲和連作番茄及土壤微生物的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加1% J13菊芋秸稈對(duì)土壤微生物真菌群落結(jié)構(gòu)影響最大，添加2% J01菊芋秸稈對(duì)土壤微生物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響最大。菊芋是一種有潛在開發(fā)利用價(jià)值的生物，可以開發(fā)除草劑，亦可研發(fā)成催芽劑，今后可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要加以開發(fā)利用，為我國(guó)農(nóng)業(yè)減肥、減藥、促品質(zhì)奠定基礎(chǔ)。

3 菊芋開發(fā)利用前景

3.1 食品開發(fā)

菊芋作為一種天然、綠色、無(wú)公害食品，含有豐富的功能性因子，具有很高的食用及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。菊芋的可加工利用及可食用部分包括地下部塊莖和地上部的嫩葉，其塊莖可生食也可熟食。生食時(shí)可以制成菊芋干或者腌制咸菜，熟食可以熬粥，還可作為原料加工成休閑食品或保健食品。目前，基于菊芋的食品開發(fā)普遍集中于泡菜的研制，但基于其塊莖中提取的菊粉以及菊芋汁都可作為食品開發(fā)的新原料。如菊粉可以添加到餅干、酸奶中，兼具風(fēng)味與保健功效。菊芋浸提液可以發(fā)酵為乳酸菌飲料、釀制菊芋果醋；另外，菊芋花茶也已成為了人們的休閑伴侶產(chǎn)品。菊芋在食品行業(yè)有著廣闊的前景，但值得注意的是即便是天然食品，也應(yīng)深入了解其被人們食用后在人體內(nèi)的吸收代謝變化，為安全食用提供科學(xué)依據(jù)。

3.2 飼料開發(fā)

菊芋秸稈和塊莖含有豐富的礦物質(zhì)和蛋白質(zhì)，可滿足家畜生長(zhǎng)發(fā)育的營(yíng)養(yǎng)需求，因此菊芋地上部分莖葉和地下部分塊莖均可作為優(yōu)質(zhì)的動(dòng)物飼料原料及飼料添加劑。在生產(chǎn)中通常使用青貯和黃貯的微生物發(fā)酵進(jìn)行保存，可提升飼料的品質(zhì)，使其口感更佳。張艷麗[32]采用兩極離體消化法在牛瘤胃培養(yǎng)液中進(jìn)行了菊芋粕有機(jī)物和干物質(zhì)的消化率測(cè)定，然后通過(guò)消化率推算出產(chǎn)奶凈能，結(jié)果顯示菊芋粕是一種營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高的能量飼料。汪悅等[33]對(duì)菊芋飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、生物活性等進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)菊芋莖葉青貯飼料的粗蛋白質(zhì)（CP）和鈣（Ca）含量均高于玉米青貯飼料，與燕麥、大麥和豆科牧草青貯飼料等相近，可作為部分替代飼料。陳榮等[34]探索了菊芋青貯飼料的制作技術(shù)以及品質(zhì)分析方法，結(jié)果發(fā)現(xiàn)菊芋植株和苜蓿青貯飼料均處于二級(jí)尚好或一級(jí)優(yōu)等之列。菊芋豐富的營(yíng)養(yǎng)成分、菊糖儲(chǔ)量以及具有治療潛力的生物活性物質(zhì)使其成為一種具有極大開發(fā)前景的新型飼料及飼料添加劑，并且菊芋已被成功納入我國(guó)飼料數(shù)據(jù)庫(kù)，今后基于菊芋的飼料開發(fā)必將成為新興飼草料的潮流。

3.3 生物能源

以菊芋塊莖或菊芋工業(yè)廢渣為原料生產(chǎn)乙醇，是發(fā)展燃料乙醇的重要方向之一。其地上部分生物量巨大，具有作為纖維素乙醇生產(chǎn)原料的潛在價(jià)值。菊芋中可以轉(zhuǎn)化為乙醇的主要多糖成分是菊糖，通過(guò)整合生物加工工藝將菊糖酶產(chǎn)生、菊糖水解和乙醇發(fā)酵整合為同一過(guò)程，可以直接發(fā)酵菊芋，生產(chǎn)燃料乙醇。

2004年，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所于國(guó)內(nèi)外率先提出“生物質(zhì)生物柴油”的思想和路線。2009年，武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院成功開發(fā)出以菊芋為原料生產(chǎn)的生物柴油，這是我國(guó)在菊芋能源轉(zhuǎn)化方向上的一次重大突破。之后的研究多集中于發(fā)酵菌株的篩選和發(fā)酵工藝優(yōu)化上，以不斷提高乙醇的產(chǎn)量。俞靜等[35]利用鷹嘴豆孢克魯維酵母Y179進(jìn)行菊芋同步糖化和發(fā)酵，在通氣和37 ℃條件下，發(fā)酵144 h時(shí)，乙醇體積百分比達(dá)到12.3%，糖醇轉(zhuǎn)化效率86.9%，糖利用率大于93.6%，使得乙醇產(chǎn)量大幅度提升。袁文杰等[36]對(duì)菊芋生產(chǎn)燃料乙醇的2種工藝路線進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性分析，提出建立一種包括種植、倉(cāng)儲(chǔ)、生產(chǎn)粗乙醇和生產(chǎn)精乙醇4個(gè)主生產(chǎn)環(huán)節(jié)以及副產(chǎn)物綜合利用的菊芋乙醇生態(tài)體系，為以后的菊芋產(chǎn)業(yè)化提供理論依據(jù)。楊梅等[37]首次提出采用聯(lián)合生物加工（CPB）技術(shù)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇，菊粉水解和乙醇發(fā)酵由同一種微生物完成，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)減少了發(fā)酵性糖的蒸發(fā)量，同時(shí)通過(guò)添加輔助酶制劑、改變拌料水溫及優(yōu)化補(bǔ)料方式等方法，成功降低由于菊芋干粉本身性質(zhì)帶來(lái)的發(fā)酵限制，最終乙醇對(duì)糖的得率可達(dá)到理論值的90.6%。

3.4 園林觀賞應(yīng)用

菊芋適栽性強(qiáng)，栽培管理難度小，一年種植后可多年覆蓋，無(wú)蟲害，便于管理。開花時(shí)酷似向日葵，葉片茂密，開花周期長(zhǎng)，花多、花大且?guī)в星煽肆ο阄?，符合大眾審美特點(diǎn)，可作為行道樹、柵欄等在緩坡平地大力推廣種植。

4 展望

菊芋被譽(yù)為“21世紀(jì)最具有代表性的健康食品”，對(duì)于減肥瘦身、保護(hù)肝臟、預(yù)防和治療糖尿病等均有一定的特殊功效。隨著社會(huì)發(fā)展，人們的飲食結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，“三高”、糖尿病等亞健康人群數(shù)量不斷增加，天然健康、綠色營(yíng)養(yǎng)的菊芋食品必將受到越來(lái)越多的關(guān)注。在功能食品的開發(fā)上，可持續(xù)關(guān)注菊粉的藥理保健功能。以保健產(chǎn)品作為主打方向，對(duì)現(xiàn)有的菊芋餅干、酸奶等產(chǎn)品重新包裝定位，并重點(diǎn)發(fā)揮其作為減肥產(chǎn)品的潛力。

我國(guó)灘涂總面積3.54萬(wàn)km2，沙漠和沙漠化土地面積33.4萬(wàn)km2，菊芋生態(tài)修復(fù)功能的充分分析和利用，對(duì)于我國(guó)大量不適宜耕作的邊緣土地資源的合理利用，防風(fēng)治沙，緩解能源危機(jī)都有重要作用。這也為菊芋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的空間。目前，利用菊芋在我國(guó)西北荒漠化地區(qū)以及膠州灣沿海等灘涂地、鹽堿地已相繼開展了生態(tài)治理應(yīng)用，并取得了良好的效果。

菊芋全身是寶，加工前后都可帶來(lái)經(jīng)濟(jì)收益。菊芋是提取菊粉的理想材料，僅在2016年，全球菊粉被估產(chǎn)值高達(dá)27億美元；其地上部分可作飼料、燃料，造紙；地下塊莖可作為原料出售，也可加工后出售。利用菊芋全產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行精準(zhǔn)扶貧，是一種新理念，打造以菊芋產(chǎn)業(yè)為主體的經(jīng)濟(jì)循環(huán)圈，可促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展。