劍豆開發(fā)利用研究現(xiàn)狀

張嬌嬌周瑋劉明騫陳曉陽

(1.廣州草木蕃環(huán)境科技有限公司，廣東 廣州 510000；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院/廣東省木本飼料工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510642；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)文博館，廣東 廣州 510642)

隨著世界人口的增加以及人們生活水平的提高，人類對肉類和動物蛋白質(zhì)等畜產(chǎn)品的需求增大，但我國整個飼料資源供求關(guān)系呈現(xiàn)精飼料缺乏、蛋白質(zhì)飼料缺乏、綠色飼料缺乏和總量不足的特征，嚴(yán)重制約了我國畜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。面對這種形勢，開發(fā)植物高蛋白飼料迫在眉睫。

豆科植物枝葉中常含有豐富的粗蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，可以為畜牧業(yè)提供大量的優(yōu)質(zhì)飼料。劍豆不僅是高蛋白飼料豆科植物，而且還具有多種用途，本文對劍豆的開發(fā)利用優(yōu)勢和國內(nèi)外對其開發(fā)利用現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，為劍豆的基礎(chǔ)研究以及在我國的綜合開發(fā)和合理利用提供了參考依據(jù)。

1 劍豆及其概況

刀豆屬(Canavalia)為豆科植物，有50余種[2]。其中，劍豆(Canavalia ensiformis)，英文名為Jack bean或Sword bean，為栽培較廣的多年生植物，最早起源于南美洲，現(xiàn)廣泛分布于美國西南部、拉丁美洲、非洲、印度西部等地區(qū)[3]。因形似古代刀劍，故稱劍豆或洋刀豆、海刀豆。

劍豆是直立或攀爬的灌木，葉片呈橢圓形，花序腋生，通常為自花授粉。單株均產(chǎn)豆莢7個，豆莢稍微彎曲，長20～35cm，寬2.5～3.5cm，豆莢中種子的長寬厚約為21～22mm×14～15mm×8～10mm，重量約為1.5g/粒，種子呈白色或象牙色，或淺褐色，種皮光滑而有光澤，種臍狹長，位于中部，一般為褐色或灰色[4]。

2 劍豆開發(fā)利用優(yōu)勢

2.1 劍豆及生長環(huán)境

劍豆適合熱帶亞熱帶氣候，其最適生長環(huán)境是海拔1800m，溫度15～30℃，土壤pH為4.5～8.0。條件合適時可一年四季結(jié)莢，收獲多次。劍豆具有耐鹽、耐旱、耐澇的生理特性，能在土壤貧瘠的地區(qū)生長，適應(yīng)性極強(qiáng)。其根系發(fā)達(dá)，可作護(hù)坡植物，用于山地的生態(tài)恢復(fù)，防止水土流失。劍豆可在林下生長，具有耐陰特性，在免耕種植中作為覆蓋綠肥廣為推廣[5]，其根瘤菌豐富，固氮作用強(qiáng)，可以改良土壤質(zhì)量。此外，劍豆覆蓋林地能力極強(qiáng)，可有效抑制雜草。

2.2 劍豆的營養(yǎng)價值

2.2.1 富含高蛋白和多種氨基酸

劍豆種子粗蛋白含量高達(dá)22.8%～35.3%，葉片中粗蛋白含量15.0%～22.5%，莖粗蛋白含量3.8%～6.6%，整株粗蛋白含量為11.1%～19.2%[3]。無論是種子還是葉片，或是整株，其蛋白含量均高于小麥(8.55%)、大米(7.4%)、牛奶(3.5%)、雞蛋(13.3%)。此外，劍豆的氨基酸種類齊全，不僅含有人體必需的8種氨基酸，而且還含有多種非必需氨基酸，如天冬氨酸、谷氨酸和組氨酸，第一限制氨基酸蛋氨酸和胱氨酸含量則較低。

2.2.2 粗脂肪含量較低

劍豆粗脂肪含量僅有1.6%～12.1%，但富含亞油酸和亞麻酸，不飽和脂肪酸含量超過豌豆、鷹嘴豆和菜豆。

2.2.3 理想的天然膳食纖維

劍豆種皮的粗纖維(4.7%～11.4%)和碳水化合物含量高(45.8%～65.4%)，是一種理想的天然膳食纖維[6]，含油量在10%以上，能量值高達(dá)1470～1910kJ，飼料的營養(yǎng)價值超過玉米、蠶豆、豌豆等農(nóng)作物[7-9]。

2.2.4 礦質(zhì)元素含量高

劍豆種子富含鈉、鉀、鈣、鎂、磷、銅等礦質(zhì)元素，礦質(zhì)元素含量達(dá)到美國咨詢中心和美國國家科學(xué)院推薦膳食礦質(zhì)營養(yǎng)的2/3，其中所含鈣與磷的比值與大豆的相近，是礦物元素的良好來源[4]。

2.3 劍豆的應(yīng)用價值

2.3.1 可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、化學(xué)、食品等領(lǐng)域

劍豆種子中含有一些高價值的蛋白質(zhì)，如已被用作商業(yè)開發(fā)提取的凝集素(ConA，刀豆球蛋白A)和刀豆氨酸，這些蛋白類化合物具有抗癌作用，醫(yī)藥、保健前景廣闊[10]；劍豆毒素和脲酶具有殺蟲、殺菌的作用，可作為生物農(nóng)藥防治作物蟲害；同時脲酶還可以制成各種酶制劑，可廣泛地應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)、分析化學(xué)、食品工業(yè)，甚至用于電子學(xué)研究領(lǐng)域[11]。

2.3.2 可作為乙醇原料

劍豆種子中淀粉含量高，可作為乙醇原料，成熟的豆莢可壓縮成型，用作生物質(zhì)能源，或生產(chǎn)活性碳[12]。

2.3.3 具有可食用價值

劍豆還可作為蔬菜食用。幼嫩的葉、豆莢和種子煮熟后可以食用。日本常把其幼嫩的豆莢作為蔬菜[11]。

2.3.4 可作為綠肥或是覆草植物

劍豆具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，可作為綠肥或是覆草植物。

3 劍豆開發(fā)利用現(xiàn)狀

劍豆作為高蛋白食品和飼料植物以及植被和綠肥，在印度、尼日利亞、坦桑尼亞、肯尼亞、美國夏威夷等熱帶、亞熱帶地區(qū)均有栽培。20世紀(jì)90年代，美國國家科學(xué)院將劍豆認(rèn)定為熱帶地區(qū)潛在的食物來源[10]，已經(jīng)在美國中部地區(qū)、南美洲和非洲一些國家種植，主要用作高蛋白飼料。2008年聯(lián)合國開發(fā)計劃署將劍豆的開發(fā)利用作為非洲援助項目，以補(bǔ)充非洲國家的糧食和飼料。

與傳統(tǒng)的飼料相比，劍豆生物量大、飼料價值高、成本低、種子營養(yǎng)豐富，但因其含有一些有毒的或是抗?fàn)I養(yǎng)因子，使其利用率達(dá)不到預(yù)期效果，甚至產(chǎn)生負(fù)面影響。

3.1 劍豆抗?fàn)I養(yǎng)因子

劍豆中的抗?fàn)I養(yǎng)因子主要包括伴刀豆球蛋白A(ConA)、刀豆氨酸、多酚、蛋白酶抑制劑、脲酶、刀豆毒素、多巴等。伴刀豆球蛋白A能與消化道粘液上的糖蛋白和糖脂結(jié)合，抑制腸道刷狀緣酶的活性，并且阻礙腸道細(xì)菌吸附到腸道內(nèi)壁上，其還與小腸上皮細(xì)胞上的專一受體結(jié)合，細(xì)胞表面結(jié)合伴刀豆球蛋白A后，對細(xì)胞產(chǎn)生深遠(yuǎn)的生理效應(yīng)，嚴(yán)重?fù)p害小腸細(xì)胞從胃腸道吸收營養(yǎng)物質(zhì)[13]；刀豆氨酸與副刀豆氨酸是精氨酸與鳥氨酸的類似物，其能夠減少機(jī)體糖蛋白合成、抑制堿性磷酸酶活性及RNA的合成。此外，刀豆氨酸能代替精氨酸進(jìn)入細(xì)胞合成有生理缺陷的蛋白質(zhì)，從而具有良好的抗腫瘤效果；多酚類物質(zhì)，如單寧，能與鐵離子形成復(fù)合物，可將鐵離子轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢杀焕玫蔫F復(fù)合物；蛋白酶抑制劑通過和胰蛋白酶及糜蛋白酶形成穩(wěn)定的復(fù)合物，以占據(jù)酶結(jié)合位點的方式使其失活，降低蛋白質(zhì)的消化效率，并能導(dǎo)致胰腺肥大[14]；脲酶能特異性地催化尿素水解釋放出氨和二氧化碳，脲酶本身無營養(yǎng)意義，其與胰蛋白酶抑制劑的含量接近，遇熱變性失活的程度與蛋白酶抑制劑相似，因此，脲酶活性可作為蛋白酶抑制劑間接估測的指標(biāo)；刀豆毒素可引起受試動物抽搐甚至死亡，對某些昆蟲的消化系統(tǒng)也具有毒副作用[15]；多巴可以使人或動物產(chǎn)生幻覺、運(yùn)動困難及胃腸道失調(diào)。

3.2 國外對劍豆的開發(fā)利用研究

為了減少或消除劍豆中一些抗?fàn)I養(yǎng)因子，研究者采用浸泡、擠壓和發(fā)酵等不同的方法對劍豆進(jìn)行處理，以期將這些負(fù)面作用降到最低。A B I Udedibie等[16]研究發(fā)現(xiàn)，將劍豆種子在水中浸泡48～72h后置于96℃水中煮3h，或是粉碎后在高壓下煮15min可以使伴刀豆球蛋白A失活；V S Babar等[10]研究發(fā)現(xiàn)，將劍豆種子放在水中浸泡24h后煮20min并烘干，可以使胰蛋白酶抑制劑失活。此外，近些年利用微生物發(fā)酵的方式對劍豆去毒化也得到了研究者極大的關(guān)注。Gabriel[17]利用8種細(xì)菌/真菌對劍豆進(jìn)行發(fā)酵處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，發(fā)酵處理的劍豆中抗?fàn)I養(yǎng)因子的含量均顯著降低。

在對劍豆去毒化研究的基礎(chǔ)上，研究者以飼料添加的方式做了大量的喂養(yǎng)試驗。J A Akinlade等[18]將劍豆磨成粉飼養(yǎng)山羊，發(fā)現(xiàn)劍豆具有飼喂養(yǎng)山羊的潛在價值；D I Osuigwe等[19]將劍豆種子用水煮沸，然后烘干并磨成粉添加至鯰魚飼料中，發(fā)現(xiàn)其對鯰魚腸粘膜無影響；B O Esonu等[20]研究發(fā)現(xiàn)，可用添加20%以內(nèi)的水煮處理過的劍豆粉飼喂已斷奶的兔子；Leon發(fā)現(xiàn)，在反芻動物口糧中添加20%～25%的劍豆種子，對反芻動物的生長無任何影響；Federman于2004年指出，反芻動物胃中的瘤胃微生物可能具備降低劍豆種子中一些抗?fàn)I養(yǎng)因子的作用。

研究者一致認(rèn)為，劍豆可以以一定比例添加到各種飼料中。由于劍豆生物量大、成本低、種子產(chǎn)量高等特點，可大幅度降低各種飼料的生產(chǎn)成本，同時增加飼料的整體價值，具有廣闊的開發(fā)前景。

3.3 我國對劍豆的開發(fā)利用研究

目前，國內(nèi)有關(guān)劍豆的研究主要集中于劍豆種子營養(yǎng)成分分析，伴刀豆球蛋白和脲酶的藥理研究，凝集素的滅活及凝集素和尿素酶的提取等領(lǐng)域[13]。劍豆在我國廣東、廣西、四川、云南和湖南等地也有少量的栽培試驗，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)于2008年開始有計劃開展劍豆研究工作?，F(xiàn)共收集到原產(chǎn)于16個國家的劍豆種質(zhì)資源29份，其中2009年從廣西、海南等地收集到4份種質(zhì)資源；2010年從澳大利亞熱帶作物和飼料研究中心(Australian Tropical Crops and Forages Collection，AusTRCF)引進(jìn)12份種質(zhì)資源，從巴西引進(jìn)3份種質(zhì)資源；2012年從美國農(nóng)業(yè)部國家植物種質(zhì)中心(National Plant Germplasm system，NPGS)引進(jìn)10份種質(zhì)資源。對所收集的29份種質(zhì)資源的生長節(jié)律、栽培模式以及遺傳多樣性等進(jìn)行了研究，試驗結(jié)果表明，各種源劍豆在我國南方具有很好的適應(yīng)性，生長和繁殖情況良好；SRAP分子標(biāo)記遺傳多樣性分析記表明在物種水平上，劍豆的總遺傳多樣性指數(shù)(Ht)為0.2418，種源內(nèi)遺傳多樣性指數(shù)(Hs)為0.0244，基因流為0.0561，說明劍豆不同種源間基因流動非常少；各種源遺傳多樣性分析和分子方差分析表明，劍豆各種源間差異較大，占總差異的92%，種源內(nèi)差異較小，只占總差異的8%；分子標(biāo)記結(jié)合表型性狀聚類分析結(jié)果表明，29個劍豆種源可以分成5個類群，不同的類群具有不同特點，可用于種子采集、林地覆蓋、土壤改良、荒坡水土保持等不同用途；采用R和ASReml-R軟件對劍豆種源試驗進(jìn)行分析，結(jié)果表明，單株結(jié)實量的遺傳力屬于中等遺傳水平，單株結(jié)實量與生長前期地徑呈極顯著的負(fù)遺傳相關(guān)關(guān)系，與生長前期株高呈極顯著的正遺傳相關(guān)關(guān)系，前期株高越高，地徑越小，單株結(jié)實量也就越大。課題組現(xiàn)正在對劍豆的土壤改良能力和耐酸性、耐重金屬性能力進(jìn)行評價，為劍豆的的生產(chǎn)利用提供依據(jù)。

4 結(jié)論

飼料本身就是一大產(chǎn)業(yè)，發(fā)展植物高蛋白飼料，可以有效地拉動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)。劍豆不僅是高蛋白飼料植物，而且還具有多種用途，隨著未來人類對資源多方面的需求，劍豆的潛能會得到進(jìn)一步開發(fā)。