菊芋多功能開發(fā)利用前景分析

吳利曉，秦愛紅，王克雄，關耀兵

（寧夏農(nóng)林科學院固原分院，寧夏 固原 756000）

菊芋（Helianthus tuberosusL.）是菊科向日葵屬多年生草本植物[1]，原產(chǎn)于北美洲，于17世紀經(jīng)歐洲傳入我國，故又稱“洋姜”或“鬼子姜”[2]。其莖稈直立，株高可達2～3 m，具有抗逆性強（抗鹽堿、抗旱、抗寒）、適應性廣、生物量大和能源化利用方式多樣等特點，另外還具有較好的防風固沙作用[3]。其種植范圍十分廣泛，主要分布在山東、青海、河南、河北、山西、黑龍江、江蘇、四川、寧夏、內(nèi)蒙和新疆等18個省。同時，菊芋被稱為“能夠有效解決我國能源物質(zhì)種植過程中與糧爭地、與人爭地矛盾的非糧能源植物之一”[4]，研究其潛在的應用價值，對我國菊芋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有指導意義。本文通過總結菊芋莖葉和地下塊莖的營養(yǎng)價值，進而提出其多功能利用的潛在應用價值，助力實現(xiàn)從單一功能到多功能的利用，以期為菊芋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供參考。

1 菊芋營養(yǎng)價值分析

1.1 菊芋莖葉的營養(yǎng)價值分析

菊芋秸稈中含有18種氨基酸[5]，葉片中蛋白氨基酸種類齊全，各種氨基酸含量比例協(xié)調(diào)，總氨基酸含量為42.07%，必需氨基酸占總氨基酸含量的40.55%，必需氨基酸與非必需氨基酸的比值為0.68[6]。同紫花苜蓿、黑麥草和玉米秸稈典型養(yǎng)分（干基）等粗飼料對比，菊芋莖葉主要具有粗蛋白質(zhì)及Ca、P等礦物質(zhì)元素含量高，粗纖維含量適中，粗脂肪含量豐富，泌乳凈能（NEL）5大突出優(yōu)勢[7]。陳榮等[8]研究表明，菊芋莖葉青貯后可溶性糖含量為25.70 mg/g左右，其中，主莖可溶性糖含量最高（69.7 mg/g），側(cè)枝其次（27.9 mg/g），葉片的可溶性糖含量最低，為10.4 mg/g；同青貯苜蓿相比，青貯菊芋的中性洗滌纖維（NDF）和酸性洗滌纖維（ADF）的含量高，粗脂肪（EE）、粗蛋白質(zhì)（CP）、粗灰分（Ash）、干物質(zhì)（DM）含量低；青貯氨態(tài)氮（NH3-N）、乙酸、丙酸、異丁酸、異戊酸和戊酸含量均低；在色澤、氣味和質(zhì)地指標方面，青貯菊芋莖葉也屬于較好的飼料。

1.2 菊芋塊莖的營養(yǎng)價值分析

菊芋從顏色上可分為白菊芋和紫菊芋2種，白菊芋肉白、塊大、產(chǎn)量高，紫菊芋外皮紫紅色、肉白、塊小。菊粉含量占塊莖干質(zhì)量的70%～80%[9]，菊粉中主要成分是菊糖。菊芋（非鹽水中煮）營養(yǎng)成分如表1所示，塊莖中富含對人體有益的礦物質(zhì)元素，少量黃酮和維生素；含有16種氨基酸，其中包括13種人體必需氨基酸[10-11]，較菊苣和馬鈴薯高幾倍[12]；脂肪含量極低或不含，菊芋塊莖耐貯存，具有很高的營養(yǎng)價值。

表1 菊芋（非鹽水中煮）營養(yǎng)成分含量

2 菊芋的多功能應用前景分析

菊芋功能多樣，應用前景廣泛，在資源開發(fā)利用方面還有很大的潛力有待開發(fā)。例如，寧南山區(qū)山地較多、降雨量少，導致高產(chǎn)耕地較少；封山禁牧后，發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)面臨飼料匱乏的局面，鄉(xiāng)村振興和移民遷出區(qū)面臨生態(tài)修復等緊迫問題，當?shù)剡x擇菊芋和其他作物種植，助力實現(xiàn)“生態(tài)美、產(chǎn)業(yè)興、百姓富”的目標。菊芋在種植業(yè)、畜牧業(yè)、醫(yī)藥業(yè)和工業(yè)等多個領域具有多種潛在挖掘價值，而且具有多種產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)合開發(fā)利用價值（圖1）。政府應重視引導，喚醒更多企業(yè)進行投資，不斷延長菊芋產(chǎn)業(yè)鏈，拉動地方經(jīng)濟發(fā)展，以“小菊芋大產(chǎn)業(yè)”助力鄉(xiāng)村振興。

圖1 菊芋多功能開發(fā)利用途徑

2.1 生態(tài)保護利用

近些年來，隨著政府對生態(tài)環(huán)境保護與建設工作的不斷推進，生態(tài)安全廣泛深入人心，走一條資源開發(fā)與環(huán)境保護的協(xié)調(diào)發(fā)展之路是未來農(nóng)業(yè)建設與發(fā)展的必由之路。種植菊芋不但可使鹽堿地向著農(nóng)用耕地轉(zhuǎn)變[13]，還具有生態(tài)修復的作用[14]，成為應用于生態(tài)治理的有效途徑[15-16]。菊芋本身具有發(fā)達的根系，抗寒、抗旱、耐鹽堿、耐瘠薄，適應性強，花期較長，具有一定的園林觀賞性，篩選出適應性更強、花色艷麗、花期更長等觀賞性菊芋，在花卉研發(fā)和生態(tài)環(huán)境保護方面都具有重要意義。菊芋塊莖在－25～－40 ℃的凍土層中可安全越冬，幼苗也能耐1～2 ℃低溫[17]，在我國西北干旱缺水地區(qū)荒漠化治理已有一定研究基礎[18-20]，同時在我國高寒地區(qū)也被廣泛種植，如青海?。ㄆ骄０? 900 m）的種植面積已經(jīng)超過1 333 hm2[21]。2022年，寧夏寧苗生態(tài)建設股份有限公司助力涇源縣燕家山移民遷出區(qū)生態(tài)修復中選用了彩葉樹種——夢幻楊、菊芋、六盤山耐寒百合等植物，歷經(jīng)半年時間實現(xiàn)了燕家山的“生態(tài)美”的移民區(qū)生態(tài)修復，取得了顯著成效。

2.2 飼草化開發(fā)利用

菊芋最早在美國、德國、法國和瑞典被作為飼料而廣泛推廣[22]，被稱為21世紀人畜共用作物[23]。菊芋秸稈是一種產(chǎn)量高、營養(yǎng)價值豐富和適口性好[24-25]的優(yōu)質(zhì)粗飼料，地上部莖葉可直接割取用來制作青貯飼料，也可在秋冬季粉碎后制作干飼料[26]，以干物質(zhì)計算，其營養(yǎng)價值接近玉米，整株可作為動物優(yōu)質(zhì)飼料的原料或飼料添加劑使用[4]，在飼養(yǎng)兔、豬、牛、羊、驢、馬等動物方面，飼養(yǎng)價值高于馬鈴薯、向日葵的基葉[27]，同燕麥、大麥和豆科牧草的青貯飼料相近。菊芋在不同生育期營養(yǎng)物質(zhì)含量有所不同，從植株現(xiàn)蕾期到成熟期纖維素含量、粗脂肪含量不斷增加，蛋白質(zhì)含量呈下降趨勢[28]，選取開花期進行刈割，制作的青貯飼料品質(zhì)最佳。通過添加適量菊芋秸稈混貯玉米秸稈，可提高玉米青貯飼料品質(zhì)[29]。菊芋中富含黃酮類化合物、倍半萜、酚酸、氨基酸和多糖等多種生物活性物質(zhì)，可開發(fā)出具有抗炎、抗氧化作用的畜牧抗生素有效替代品，為新型飼料資源的開發(fā)提供了新路徑。

菊芋飼草化開發(fā)利用具有諸多優(yōu)點，一是受土地、土壤等環(huán)境條件制約少，一般山坡、道路兩旁綠化帶、狹窄地塊（地頭）等均可種植；二是管理簡單和種植成本低、附加值高，菊芋屬于多年生植物，1年種植可多年收獲，投入成本低，地上部開發(fā)成飼料，地下塊莖還可作菜用或其他用處；三是菊芋秸稈營養(yǎng)價值高于一般粗飼料，單獨開發(fā)成飼料，亦或跟玉米一起青貯還有提高青貯玉米飼料品質(zhì)的作用；四是菊芋飼草產(chǎn)量高，在青貯或黃貯飼料等開發(fā)方面潛力較大。而我國對菊芋飼料開發(fā)較晚，直到2019年，才首次納入中國飼料數(shù)據(jù)庫[7]。我國耕地面積少，加之環(huán)境保護的壓力，好多地方禁牧，畜牧業(yè)發(fā)展面臨著飼料短缺的嚴峻考驗，而篩選出耐鹽、耐寒、耐貧瘠、耐干旱和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)飼料的專用菊芋品種，有利于緩解我國優(yōu)質(zhì)粗飼料資源短缺的現(xiàn)狀，進而促進畜牧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。

2.3 蔬菜化開發(fā)利用

菊芋地下塊莖通常作為蔬菜食用，脆嫩適口，營養(yǎng)價值高，且1年種植多年連續(xù)收獲[30]；菊芋塊莖一般667 m2產(chǎn)量在3 000～3 300 kg[7]，青海省種植面積近1 333.3 hm2，單個最大塊莖在250 g以上[31]，菊芋地下塊莖富含淀粉、菊糖等果糖多聚物，食用方式多樣，有少量喜愛鮮食人群，多數(shù)為煮食或熬粥、腌制咸菜、制作醬菜或泡菜、曬制菊芋干等[32]，生產(chǎn)成本低，工藝簡單，但目前直接食用消費量不大，多為家庭或小企業(yè)生產(chǎn)。菊芋塊莖經(jīng)過脫皮、干燥、粉碎等程序后制作成菊粉，通過混合其他淀粉類制作成菊芋面條（面粉添加菊粉制作而成，如網(wǎng)上銷售的云陽面等）、餅干[33]和米糕[34]等，利用方式日益增多。

2.4 藥用價值和醫(yī)療保健功能開發(fā)利用

菊芋地下塊莖是目前我國菊糖提取的主要原材料，其富含的黃酮類化合物、酚酸、倍半萜、多糖和氨基酸等具有抗炎、抗氧化作用，可以作為畜牧抗生素的有效替代品；菊粉中含有可溶性膳食纖維，有促進鈣吸收、降血脂和調(diào)節(jié)血糖的作用，對人體健康長壽具有重要作用。菊芋莖葉中含有較為豐富的綠原酸[35]；綠原酸被稱為“植物黃金”[36]，具有抗菌、抗病毒、清除自由基、抗衰老、抗肌肉骨骼老化、抑制突變和抗腫瘤、保護心血管、降壓和抗氧化等多種功能，已被食品、醫(yī)療、保健、化妝品等多種行業(yè)廣泛應用；同時，其葉片中含有綠原酸的其他同分異構體、黃酮類和倍半萜內(nèi)酯類等多種天然生物活性物質(zhì)，經(jīng)濟應用前景良好[37]。在醫(yī)療保健開發(fā)方面，可制作成菊芋花與山楂保健茶、菊芋牛蒡保健茶[38]、人參菊芋復合飲料[39-40]和菊芋苦蕎山藥復合功能膏[41]等。菊芋藥用保健價值受到越來越多科研人員的特別關注，市場挖掘潛力巨大。

2.5 工業(yè)中的應用

在工業(yè)應用方面，以生產(chǎn)菊粉系列產(chǎn)品和理想糖源被越來越多的人所接受，在菊芋塊莖利用中，楊梅等[42]、袁文杰等[43]提出利用菊芋塊莖生產(chǎn)燃料乙醇，并建立了一系列的生產(chǎn)工藝，制作生物乙醇取代化石燃料，因此，被稱為最有潛能的能源作物之一。菊芋葉浸提液對根結線蟲病害有較好的防治效果，可以作為防治番茄根結線蟲病害的植物源制劑[44]。非糧能源植物菊芋可開發(fā)的工業(yè)產(chǎn)品很多，但目前較為成熟的產(chǎn)品僅限于乙醇、菊粉或菊糖之類，還遠遠不夠，大力開發(fā)菊芋的工業(yè)化應用技術，對加快菊芋生物資源的開發(fā)利用具有重要意義[45]。目前，2021年固原地區(qū)菊芋塊莖加工廠收購價格為900元/t左右，種植菊芋667m2收益在2 700～2 970元，且較一般作物管理簡單，投入成本低。

2.6 畜牧業(yè)生產(chǎn)中的應用

飼草生產(chǎn)是國家食物安全與生態(tài)安全的重要保障[46]，飼料作物和牧草為現(xiàn)代畜牧業(yè)提供了優(yōu)質(zhì)蛋白和活性物質(zhì)營養(yǎng)，在某種程度上講，飼草也是一種糧食，尋找一種安全、高效、環(huán)境友好型飼草對我國畜牧業(yè)的發(fā)展尤為重要。隨著青貯飼料制作技術的日趨完善[47]，青貯飼料已經(jīng)成為反芻動物的基礎性飼料[48]。菊芋塊莖是動物飼料的優(yōu)質(zhì)添加劑，塊莖中含量較多的菊糖作為一種可溶性膳食纖維，能夠為單胃及幼齡反芻動物胃腸道中的雙歧桿菌等益生菌生長提供能源，并能降低腸道的pH值，抑制病原微生物（沙門氏菌、大腸桿菌及艱難梭菌）等增殖[49]。用風干的菊芋莖葉，部分代替苜蓿干草30%的干物質(zhì)飼喂綿羊，綿羊消化率和代謝能未受影響[50]。菊芋直接飼用效果不佳，青貯后的菊芋飼料具有味道酸香，適口性好，增加動物食欲和重量，消化率高等特點[51]。楊立杰等[52]發(fā)現(xiàn)，飼養(yǎng)奶牛日糧添加10%的菊芋青貯莖稈3周，使奶牛乳成分中的乳脂率提高7.7%，提高了奶牛血清中的谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）活性和超氧化物歧化酶（SOD）活性，改善了奶牛血清和乳汁的抗氧化能力。何春紅等[53]在菊芋塊莖飼喂仔豬的試驗中發(fā)現(xiàn)，菊芋塊莖能顯著提高仔豬血液中鐵離子、血紅蛋白水平，對治療仔豬貧血具有較好的效果。盡管菊芋飼料科學研究方面有所提高，并且菊芋中含有作為藥飼同源的飼料原料，但多數(shù)地方尚未形成飼草利用的產(chǎn)業(yè)化，在推廣和利用方面還有一段很長的路要走。

3 展望

目前，菊芋資源開發(fā)利用勢頭強勁，從田間地頭到房前屋后，從最初的觀賞到新鮮蔬菜和優(yōu)質(zhì)飼料，再到能源作物、膳食纖維、葉原酸提取、功能性飲料開發(fā)[54]等，功能性不斷擴大，發(fā)展?jié)摿屯卣箍臻g越來越大。在菊芋的種植和推廣方面，應注重發(fā)揮企業(yè)的帶動作用，走出一條“生產(chǎn)—加工”高質(zhì)量發(fā)展之路，并不斷完善循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈；同時，還要不斷提高科研水平，把菊芋多功能性和品種專一性有效結合，培育更多有針對性的專一品種，才能更好地發(fā)揮菊芋的多功能性。例如，培育高葉原酸菊芋品種可大幅度提高葉原酸的提煉效率，種植塊莖集中高產(chǎn)的菊芋品種可有效提高菊芋塊莖產(chǎn)量等。

通常，市場需求是推動菊芋種植的有效動力，確保菊芋種植收益是提高農(nóng)民種植的關鍵，如早年固原市隆德縣有菊粉加工廠時，菊芋種植面積連年擴大，一旦工廠倒閉，菊芋種植面積迅速減少，此種現(xiàn)象在農(nóng)業(yè)推廣方面數(shù)不勝數(shù)。菊芋的多功能開發(fā)也不能盲目過熱，首先應符合當?shù)卣?，選擇菊芋合適的功能開發(fā)。其次，選擇適宜當?shù)禺a(chǎn)業(yè)的菊芋品種，避免盲目種植，不同的菊芋品種差異較大，建議選擇塊莖集中、產(chǎn)量高的菊芋品種，方便機械化收獲；也有塊莖小、分布較為分散的品種，較為適用生態(tài)修復或保護。最后，菊芋產(chǎn)業(yè)應走“產(chǎn)—學—研”結合的道路，而創(chuàng)新是激活產(chǎn)業(yè)活力的關鍵，更需要政府的投入、學校、科研院所和企業(yè)多方面的共同努力，并充分利用當?shù)刈匀粭l件優(yōu)勢，因地制宜地利用菊芋的多功能性中的某一或某幾個優(yōu)勢特色發(fā)展生產(chǎn)，逐漸帶動其他功能的開發(fā)利用，不斷提高經(jīng)濟社會效益。