菊芋全株高值化利用研究進展

徐淑杰,張寧,譚麗萍*,劉同軍*

1(齊魯工業(yè)大學(山東省科學院) 生物工程學院,山東 濟南,250353) 2(青島市食品藥品檢驗研究院,山東 青島,266071)

菊芋在中國種植面積廣闊,自然資源豐富,且作為非糧作物,具有易栽培、高產(chǎn)量、抗逆性較強、可以廣泛適應土壤和氣候條件等優(yōu)點[1-2],是一種發(fā)展?jié)摿薮蟮纳镔|資源。菊芋全株包括地上葉片和秸稈以及地下塊莖3部分,可以用于抗氧化劑、生物燃料、菊糖、低聚果糖等多種生物產(chǎn)品的開發(fā)。

菊芋葉片富含綠原酸、黃酮、多酚等重要的生物活性成分,已被證實具有多種功效以及藥用價值,例如抗腫瘤、抗氧化、降血脂、降血糖等功能[3]。菊芋秸稈是一種重要的木質纖維素資源,秸稈中的結構性碳水化合物(纖維素和半纖維素)可以用于生物乙醇等燃料生產(chǎn),是生物煉制的寶貴原料。菊芋塊莖富含菊粉、蛋白質和淀粉等成分,菊粉作為一種可溶性膳食纖維,對人類飲食、營養(yǎng)和醫(yī)藥產(chǎn)品等方面具有特殊價值[4]。

本文總結了菊芋全株生物制品的來源以及適用的生產(chǎn)技術,回顧了目前國內外菊芋資源開發(fā)的研究進展,并討論了它們對菊芋未來生物精制的可行性。全面介紹了基于菊芋的可再生生物質資源和生物基產(chǎn)品轉化的最新進展,旨在促進菊芋產(chǎn)業(yè)更高附加值生產(chǎn)的新前景。

1 菊芋簡介

菊芋又名洋姜、鬼子姜,屬菊科,葵花屬,是一種多年生的雙子葉草本植物[5]。由于其具有良好的抗寒、抗旱性和抵御病蟲害的能力,使得菊芋相較于大多數(shù)經(jīng)濟作物更具生長競爭優(yōu)勢,能夠在環(huán)境惡劣的邊際土地生長,在歐洲、加拿大、北美等地區(qū)種植廣泛,我國的山東、青海、山西、黑龍江、江蘇、四川、寧夏和新疆等地區(qū)均有種植[6]。菊芋主要由葉片、莖稈以及地下部分的塊莖和根系組成。秋季開黃色小花,葉片為橢圓形,多毛,在莖的頂端附近互生,莖稈高約1～3 m,直立狀,有分枝,初期的幼莖粗壯多汁,有毛刺,隨著生長周期變長,莖稈會木質化。菊芋根系為纖維狀,可以有效從土壤中獲取養(yǎng)分,塊莖生長在地下根部,由于品種、栽培條件、生長周期等的不同,造成塊莖形狀差異很大,從節(jié)狀到圓形的簇狀不等,顏色主要有淡褐色、白色、紅色和紫色等[7]。

2 菊芋葉片高值化利用研究進展

2.1 菊芋葉片的主要活性成分

菊芋葉片中富含多種生物活性物質,例如酚酸類、黃酮類、倍半萜類、多糖和氨基酸等[8],其中綠原酸類化合物、黃酮類化合物和倍半萜內酯類化合物為主要活性物質,已被廣泛證實具有抗菌、抗炎、抗腫瘤和抗氧化的功能。菊芋葉中綠原酸含量為0.040%～2.139%[9],總類黃酮含量為49.4 mg/g DM～86.4 mg/g DM,差異較大,這與菊芋生長階段和生態(tài)區(qū)域以及收獲時間有很大關系。通過分析菊芋全年生長周期內的綠原酸動態(tài)含量,發(fā)現(xiàn)當年11月份的菊芋葉片中綠原酸的含量最高,為1.52%[10]。因此,選擇適宜的區(qū)域和品種以及收獲周期有利于進一步開發(fā)利用菊芋葉片資源。菊芋葉片提取物中富含倍半萜內酯,倍半萜內酯類化合物是目前最普遍的次級代謝物類別之一,YUAN等[11]在菊芋葉分離出一種新的倍半萜內酯3-Hydroxy-8b-tigloyloxy-1,10-dehydroariglovin,同時評估了10種已知倍半萜內酯的細胞毒性,對MCF-7、A549和HeLa癌細胞系進行了測試。結果表明,所有倍半萜內酯對測試的癌細胞系都表現(xiàn)出有效的細胞毒活性。

2.2 菊芋葉片主要活性成分的提取

菊芋葉中主要生物活性物質的含量與提取的工藝方法,如提取條件、提取溶劑、溫度和時間以及固液比有關。選擇適合的提取技術是獲得具有較高生物活性的化合物的必要條件。表1總結了菊芋葉片主要活性成分提取方法、最佳條件和提取效果。

表1 菊芋葉片主要活性成分提取方法及條件Table 1 Extraction methods and conditions of major bioactive substances of Jerusalem artichoke leaves

傳統(tǒng)的菊芋葉片活性成分的提取方法有水提取法、溶劑提取法。菊芋葉中的有機酚酸類化合物易溶于水,隨著溫度的升高化合物的溶解度增大。水提取法操作簡單且成本較低,污染更小,但缺點在于提取效率低,后續(xù)處理困難。有機溶劑提取法相對于水提取法應用較多,通過利用菊芋葉中的有效成分在不同溶劑中溶解度不同的原理,從而將目標成分析出[20]。高明哲等[21]對比了3種不同溶劑對提取綠原酸的影響,認為水醇混合溶劑是提取菊芋葉中綠原酸的最佳溶劑,通過正交試驗,得出最佳工藝條件為以pH值為3的60%乙醇,回流提取2 h。孫鵬程[14]采用甲醇加熱回流法提取,最佳條件為60%甲醇為溶劑,料液比1∶25(g∶mL),60 ℃下回流2次,每次0.5 h。使用乙醇、甲醇等有機溶劑提取的產(chǎn)品得率更高,純度更好,易于分離純化,但有機溶劑相對來說成本較高,實際生產(chǎn)中應優(yōu)化提取條件。

隨著提取技術的迅速發(fā)展,一些諸如微波輔助提取、超聲波輔助提取等提取技術也逐步應用到菊芋葉片活性成分的提取中。微波輔助提取原理是利用微波均勻加熱含有目標樣品的混合物,導致細胞中含有的極性物質能夠吸收微波能從而釋放出熱量,活性成分釋放到細胞外溶劑中。由于加熱效率高,可以廣泛應用于天然產(chǎn)物中活性成分的快速提取[22]。葉禮卉[17]采用微波輔助法從菊芋葉片中提取總黃酮,最佳工藝條件為提取溫度60 ℃,微波功率300 W,提取時間0.5 h,乙醇體積分數(shù)50%,總黃酮得率為12.89%。超聲波輔助提取通過超聲波中的機械效應可以加速內部擴散,使更多溶劑滲透到樣品基質中,此外,超聲誘導的空化過程能夠有效破壞生物細胞壁,以促進內容物的釋放[23]。馬劍等[18]應用超聲波輔助從菊芋葉中提取多酚,通過響應面優(yōu)化設計,在超聲波功率為500 W、處理時間50 min、料液比1∶20(g∶mL),乙醇體積分數(shù)50%條件下,多酚得率為31.923 mg/g。與熱水提取的傳統(tǒng)提取方法相比,超聲輔助提取可以在更短的提取時間內得到更高的多酚產(chǎn)量,克服了以往的傳統(tǒng)提取工藝耗時長、溶劑用量大的主要限制。而且由于提取溫度較低,所提取的產(chǎn)品能夠保留更高的生物活性。

除上述提取方法外,近年來新興了一種技術——超臨界流體萃取,通過使用超臨界流體,通常是CO2氣體,從固體甚至液體材料中提取活性成分。由于超臨界流體相對于液體的擴散速度更為快速,且黏度更低,因此對于相同的提取過程,超臨界流體萃取的時間更短。具有降低能耗、低溫操作、溶劑相無溶質、產(chǎn)品質量高等優(yōu)點,在菊芋葉片提取活性物質方面有著廣泛的應用前景。OSTOLSKI等[19]采用超臨界流體萃取技術從菊芋葉片中提取多酚化合物,通過對比超臨界CO2萃取和以水為輔助溶劑的超臨界CO2萃取的提取效果,發(fā)現(xiàn)在40%(質量分數(shù))水為輔助溶劑,萃取溫度40 ℃,壓力33 MPa的工藝條件下,總多酚得率最高達27.57 mg/g。水作為助溶劑可以改變混合物的極性,從而提高極性多酚化合物的提取效率。該研究為進一步開發(fā)用于從菊芋等生物質中提取多酚的超臨界CO2萃取技術提供了可能性。

3 菊芋秸稈高值化利用研究進展

3.1 菊芋秸稈的生物組成

菊芋秸稈是菊芋生物質資源的重要組成部分,同時也是一種重要的木質纖維素資源。菊芋秸稈的細胞壁主要由纖維素、半纖維素、木質素和果膠構成[24]。纖維素是由β-1,4-D-吡喃葡萄糖單元組成的線性鏈狀多聚物[25],不溶于水、乙醇等。葡萄糖單元形成的分子內和分子間的氫鍵作用,促進了纖維素的聚集,導致纖維素聚合度不同,并導致其具有結晶和無定形結構域的超分子結構。半纖維素是由戊糖和己糖(主要是木糖和甘露糖)組成的多聚糖,這些雜聚糖相互連接,經(jīng)常具有分支和取代基。由于半纖維素無定形結構,導致其熱穩(wěn)定較差。木質素是一種由苯基丙烷類單體經(jīng)不同程度甲氧基化作用而合成的非規(guī)則多酚類生物聚合物。一般認為,植物細胞壁的微結構是木質素和多糖緊密結合的基質[26]。從生物精煉的角度來看,纖維素、半纖維素和木質素的選擇性分離是生產(chǎn)增值生物分子的必要條件。

3.2 菊芋秸稈的生物轉化路線

3.2.1 菊芋秸稈的預處理

菊芋秸稈的生物轉化主要是基于利用纖維素和半纖維素,為了將其轉化為可發(fā)酵糖,首先需要進行預處理操作。預處理的目的是打破半纖維和木質素的屏障作用,提高降解酶和底物之間的可及性以及水解步驟中游離糖的總收率,增加生物產(chǎn)量。菊芋秸稈木質纖維素預處理方法主要包括物理法、化學法、生物法。表2總結了近年來菊芋秸稈的預處理方法及酶解效果。

表2 菊芋秸稈的不同預處理方法對比Table 2 Comparison of different pretreatment methods of Jerusalem artichoke stalks

物理預處理是最基礎的預處理方法,通過采用超聲波、磨碎、擠壓和超聲波等機械的方法,使菊芋秸稈粒徑減小,結晶度和聚合度降低,從而增大木質纖維素的可及面積。

生物預處理是利用微生物對秸稈原料中木質素的降解能力,破壞纖維素和半纖維素之間的連接鍵,從而去除木質素,提高水解效果。微生物預處理方法相較于物理和化學預處理具有低能耗和不需要添加化學試劑的優(yōu)勢。常用于木質纖維素生物預處理的微生物包括真菌、細菌、放線菌,其中以真菌預處理應用最為廣泛。葉禮卉[17]利用黑曲霉對菊芋秸稈進行微生物預處理,利用熱重分析、熱重-傅里葉紅外光譜聯(lián)用分析、裂解氣相色譜-質譜聯(lián)用分析等分析結果表明,黑曲霉預處理改變了菊芋秸稈木質纖維素的成分和熱解行為,提高了處理后的纖維素熱解效率。然而,能有效降解木質素并同時回收纖維素的真菌菌株較少,并且尚未在其商業(yè)化應用方面取得突破。

3.2.2 基于菊芋秸稈的產(chǎn)品研究進展

國際能源安全和氣候變化的雙重壓力正在鼓勵生物燃料的發(fā)展。全球能源需求主要通過煤炭、天然氣和石油等不可再生能源來滿足。菊芋秸稈生物轉化為還原糖生產(chǎn)乙醇、丁醇和甲烷等燃料在生物能源領域具有巨大的應用潛力。

3.2.2.1 生物乙醇

生物乙醇相較于傳統(tǒng)的化石燃料,在環(huán)境和安全方面具有更大的潛力,是一種具有可持續(xù)性的生物能源。一般來說,纖維素和半纖維素部分可以通過不同途徑發(fā)酵轉化為乙醇,對于生物乙醇的生產(chǎn)過程,纖維素的酶水解,也稱為糖化,它可以通過不同的工藝路線進行,包括分步糖化發(fā)酵、同步糖化發(fā)酵、聯(lián)合生物加工等[35],其中以前2種技術應用最廣。分步糖化發(fā)酵是將水解和發(fā)酵分開進行的兩階段過程,預處理的生物質首先通過酶降解為葡萄糖和木糖,然后將這些糖發(fā)酵成乙醇[36],該工藝的主要優(yōu)點是酶水解和發(fā)酵都在各自的最適條件下發(fā)揮作用,缺點在于水解過程中糖的積累會有反饋抑制作用,最終影響乙醇產(chǎn)量。同步糖化發(fā)酵是在同一反應器中同時進行生物質的糖化與發(fā)酵的過程,由于能夠將酶水解產(chǎn)生的葡萄糖迅速轉化為乙醇,減少了反應過程中糖的積累,使反饋抑制作用降低,提高了水解效率。相較于分步糖化發(fā)酵,該工藝操作更加簡便,設備要求更低,而且反應體系中乙醇的生成能夠降低染菌的可能性。然而,由于水解和發(fā)酵的最佳條件不同,難以同時達到酶和微生物的最佳工藝參數(shù)。國內外學者對利用菊芋秸稈發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的技術路線進行了大量研究。LI等[29]用2%(質量分數(shù))NaOH和4%(體積分數(shù))H2O2堿-過氧化氫方法對菊芋秸稈進行預處理,進而酶解發(fā)酵,結果表明葡萄糖產(chǎn)量在生物質濃度為30%的情況下達到最大值93.8 g/L,通過同步糖化發(fā)酵工藝產(chǎn)生55.6 g/L的乙醇,比通過分步糖化發(fā)酵工藝產(chǎn)生的乙醇高出36.5%。KIM等[32]以預處理后的菊芋秸稈和塊莖為底物,用馬克斯克魯維酵母(KluyveromycesmarxianusCBS 1555)進行了有效的分批和補料分批同步糖化和發(fā)酵,分別獲得了29.1 g/L和70.2 g/L的乙醇?？砂l(fā)酵糖轉換率分別為83.6%和70.8%。這些結果表明,結合塊莖和莖部水解物是有效利用菊芋生物質發(fā)酵的有效策略。

3.2.2.2 生物丁醇

生物丁醇是一種重要的平臺化學品和生物燃料,其具有低揮發(fā)性、低腐蝕性、高能量密度、高熱值等優(yōu)異的燃料特性,在取代不可再生燃料方面越來越受到關注,此外,丁醇作為各種工業(yè)的化學替代品也有需求。因此,許多研究人員考慮合適的原料和生物工藝技術,以低成本生產(chǎn)生物丁醇。近年來,從木質纖維素生物質到丙酮-丁醇-乙醇(acetone-butanol-ethanol,ABE)發(fā)酵的生物丁醇生產(chǎn),由于其可持續(xù)供應以及作為植物的非食用部分,不和食品供應產(chǎn)生競爭,而在全球范圍內引起了人們的廣泛興趣,這一過程主要由細菌乙酰丁酸梭狀芽胞桿菌進行。XUE等[37]首先將菊芋秸稈用于生物丁醇生產(chǎn),研究了堿-過氧化氫預處理與水洗中和相結合的策略,可以有效提高酶的效率和丁醇產(chǎn)量,在最佳條件下可生產(chǎn)11.8 g/L丁醇。此外,在水洗過程中可以節(jié)省超過64%的水,丁醇產(chǎn)量增加了31.1%。汽化滲透工藝的丁醇產(chǎn)量高于傳統(tǒng)的滲透汽化工藝,更適用于ABE發(fā)酵的產(chǎn)品回收,在冷凝液中產(chǎn)生323.4～348.7 g/L丁醇(542.7～594.0 g/L ABE)。為利用菊芋秸稈生物質高效生產(chǎn)生物丁醇提供了重要的支持和策略。

3.2.2.3 生物甲烷

由微生物厭氧消化產(chǎn)生的沼氣是一種重要的可燃性混合氣體,主要由甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)組成。沼氣可以替代天然氣或將其用作運輸燃料,將秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物用于沼氣生產(chǎn)既可以處理有機廢物,改善環(huán)境問題,又能產(chǎn)生可再生能源,是一種可持續(xù)進程。預處理技術和厭氧發(fā)酵模式是限制秸稈高效厭氧發(fā)酵的主要原因,國內外學者為此做了大量研究。孟艷等[38]研究了不同濃度的HCl和NaOH預處理對菊芋秸稈厭氧消化產(chǎn)甲烷特性的影響。結果表明用HCl降解半纖維素效果最好,為17.26%～31.75%,NaOH降解木質素的效果最好,為6.86%～16.87%。0.4 mol/L HCl處理菊芋秸稈獲得了最大的累積甲烷產(chǎn)量,為(229.57±13.77) mL/g,這高于大多數(shù)木質纖維素類廢棄物的產(chǎn)甲烷潛力值,且有效縮短了菊芋秸稈的厭氧消化周期,為提高菊芋秸稈資源的綜合利用率提供了理論依據(jù)。

3.2.2.4 2,3-丁二醇

2,3-丁二醇是一種重要的液體燃料和生物基化學品,可用作溶劑和許多合成聚合物和樹脂的前體。在化學品、藥品、食品以及化妝品等領域表現(xiàn)出廣泛的潛在用途。半纖維素和纖維素水解物中常見的所有糖都可以轉化為丁二醇,包括葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖和纖維素。在生物精煉方面,從可再生資源中生產(chǎn)2,3-丁二醇的微生物正在引起更多的關注。LI等[39]研究了由肺炎克雷伯菌(KlebsiellapneumoniaeCICC 10011)發(fā)酵菊芋秸稈與塊莖轉化成高價值的2,3-丁二醇。采用分段通氣策略進行補料分批糖化發(fā)酵,68 h得到901.2 mmol/L(80.5 g/L)目標產(chǎn)物(2,3-丁二醇和乙酰酮)。目標產(chǎn)物的濃度、產(chǎn)量和生產(chǎn)率分別為16.9%、16.8%和23.4%,結果表明將糖原料與木質纖維素水解物結合,可以使還原糖的濃度大大提高,是一種增加菊芋發(fā)酵生產(chǎn)2,3-丁二醇的有效策略。

4 菊芋塊莖高值化利用研究進展

菊芋塊莖是菊芋全株的主要生物質部分,與其他以淀粉為主要碳水化合物的植物不同,菊芋塊莖中富含菊粉、蛋白質和其他生物活性成分,被譽為膳食纖維的良好來源。傳統(tǒng)上,菊芋塊莖主要用于食用,烹飪、腌制醬菜、加工菊芋脯等,附加價值低。近二十年來,隨著科學技術的進步,國內外廣泛探索了菊芋塊莖在食品行業(yè)、生物燃料、醫(yī)學制藥等領域的應用前景。

4.1 食品行業(yè)

菊芋塊莖中的菊粉占塊莖總糖含量的80%,菊粉作為益生元可以調節(jié)腸道微生物菌群,改善腸道環(huán)境,這些生物活性已被廣泛研究證明[40-41]。研究發(fā)現(xiàn)菊粉的聚合度和貯存條件對其益生元作用有影響,聚合度較低的菊粉具有更高的活性[42]。菊粉可以作為甜味劑、脂肪替代品等用于食品中,用來替代乳制品、肉制品和烘焙食品中的脂肪、糖和面粉,增加膳食纖維含量的同時提高了產(chǎn)品的感官品質。RADOVANOVIC等[43]開發(fā)了富含菊芋粉的小麥面包,結果顯示添加25%菊芋粉制成的面包具有最佳的營養(yǎng)價值和熱值以及低血糖指數(shù)。胡雅婕等[44]人從菊芋中提取菊粉,將其應用于饅頭食品中,結果表明適量的菊粉添加能夠使饅頭的質構和感官品質得到改善,菊粉最佳添加量為8%。

4.2 生物制品

菊芋是目前公認的一種新興能源作物,用富含菊粉的菊芋塊莖可生產(chǎn)不同的微生物產(chǎn)品,如生物乙醇、生物柴油、乳酸、2,3-丁二醇等,詳見表3。菊粉提取物首先通過酸或酶水解為可發(fā)酵糖,然后利用酵母及其他真菌和細菌等進行發(fā)酵。菊芋塊莖的乙醇產(chǎn)量相當于從甘蔗中獲得的乙醇產(chǎn)量,是玉米產(chǎn)量的2倍。WANG等[45]構建了一種用于菊粉乙醇發(fā)酵的天然酵母菌株,在最終的二倍體菌株JZD-InuMKCP實現(xiàn)了菊粉和菊芋塊莖的高效乙醇發(fā)酵,用200 g/L菊粉和250 g/L的菊芋塊莖粉進行乙醇發(fā)酵,生產(chǎn)率分別為2.44 g/(L·h)和3.13 g/(L·h)。ZHAO等[46]研究了使用圓紅冬孢酵母菌(RhodosporidiumtoruloidesY4)從菊芋塊莖中生產(chǎn)脂質的情況,以菊芋水解物為底物發(fā)酵時,獲得了39.6 g/L的脂質滴度和56.5%(質量分數(shù))的細胞脂質含量。結果表明,菊芋塊莖作為大規(guī)模微生物脂質生產(chǎn)的原料是可行的。CHOI等[47]開發(fā)了一種利用菊芋塊莖發(fā)酵生產(chǎn)乳酸的高效生物工藝,研究發(fā)現(xiàn)副干酪乳桿菌(LactobacillusparacaseiKCTC 13169)對菊芋塊莖的發(fā)酵效率高于其他乳桿菌,無需在發(fā)酵前進行酸性或酶水解。以菊芋提取液為原料,在含糖量為111.6 g/L的條件下直接發(fā)酵生產(chǎn)92.5 g/L的乳酸,菊粉轉化為乳酸的效率達到理論產(chǎn)率的98%。上述研究表明,菊芋具有作為生物能源原料的巨大潛力。

表3 菊芋塊莖生物精制產(chǎn)品Table 3 Biological refinery products from Jerusalem artichoke tubers

4.3 醫(yī)學與制藥

菊芋塊莖中含有豐富的抗真菌、抗癌和抗氧化的成分,主要包括菊粉、蛋白質、粗纖維和礦物質等[58]。塊莖中的蛋白質含量一般為1%～2%,并富含所有必需氨基酸,從塊莖中分離出的蛋白質具有抗癌特性[59]。礦物質含量約為菊芋塊莖干重的1.2%,鐵、鈣和鉀的含量尤為豐富,具有補血、保護心血管、增強人體免疫力等功能[60]。菊芋也是天然抗氧化劑的良好來源。據(jù)報道,菊芋塊莖提取物富含酚類和黃酮類化合物,具有良好的自由基清除能力,可以減緩多糖分解速度,降低血糖水平,有體外抗氧化、促進傷口愈合和抗糖尿病等重要作用[61]。菊芋塊莖的高值化利用主要基于塊莖中提取的菊粉,菊粉在調節(jié)腸道特性、血液代謝物和肝酶方面發(fā)揮著巨大作用[59],使得菊芋在醫(yī)學和制藥業(yè)具有多種用途。YU等[62]研究了菊芋菊粉對高脂飲食(high-fat diet,HFD)喂養(yǎng)小鼠高脂血癥和腸道菌群的影響。菊粉降低了肝臟甘油三酯和總膽固醇水平,高脂血癥小鼠的肝臟超氧化物歧化酶活性增加,肝臟丙二醛水平降低。同時改善了腸道菌群,顯著增加了HFD喂養(yǎng)的小鼠腸道中雙歧桿菌的數(shù)量。因此,菊粉是預防和治療高脂血癥的潛在有效成分。SHAO等[63]研究了硫酸鹽修飾的菊芋菊粉的生物活性,通過細胞活力檢測法測定評估菊芋多糖的硫酸化衍生物(sulfated derivative,S-JAP)對人肝細胞癌(HepG2)細胞增殖的抑制作用,結果顯示染色后不同濃度的S-JAP對HepG2細胞的抑制率均顯著高于純化的菊芋多糖。此外,S-JAP成功地促進了細胞凋亡。因此,從菊芋塊莖中提取的硫酸鹽修飾多糖被證明具有有效的抗腫瘤活性,具有進一步應用的潛力。此外,KANG等[64]發(fā)現(xiàn)通過局部給藥菊芋塊莖菊粉可以減輕局部小鼠模型中的特應性皮炎癥狀。因此,菊芋產(chǎn)品可被視為皮膚過敏性炎癥性疾病的潛在治療劑或補充劑。抗糖尿病作用也是菊芋塊莖菊粉常被描述的另一個有益特性。WANG等[65]報道了用菊芋塊莖菊粉通過修復由鏈脲佐菌素引起的肝損傷治療糖尿病大鼠,在緩解糖尿病癥狀方面具有積極作用,此外,作者觀察到菊芋塊莖菊粉通過植物乳桿菌發(fā)酵對α-葡萄糖苷酶活性的抑制作用增加。因此,菊芋塊莖菊粉可以作為調節(jié)血糖藥物的添加劑。

5 總結與展望

菊芋作為一種非糧能源作物,具有栽培投入低、作物產(chǎn)量高和廣泛適應氣候和土壤條件的優(yōu)勢,適合在我國的灘涂、鹽堿地等地區(qū)種植,起到保護生態(tài)環(huán)境的作用。同時,菊芋是生物經(jīng)濟發(fā)展的一個有前途的生物質,既能作為生物活性成分來源,也是生物燃料生產(chǎn)的可持續(xù)原料。本文對菊芋全株包括葉片、莖稈、塊莖已經(jīng)進行的大量研究進行了總結,認為研發(fā)探索適用于菊芋全株的加工方法,提高菊芋資源的利用率,生產(chǎn)種類豐富且附加值高的菊芋相關產(chǎn)品,是未來實現(xiàn)菊芋高值化綜合利用的發(fā)展趨勢。

為使菊芋的綜合利用在經(jīng)濟和技術上更具有可行性,進一步的研究工作可以集中在以下5個方面：a)優(yōu)選菊芋品種,優(yōu)化種植技術,以提高作物產(chǎn)量,降低生產(chǎn)成本;b)深入研究菊芋葉片酚酸類、黃酮類、萜類等生物活性物質的作用機理,分析鑒定各成分結構與其功能的關系,在保留生物活性的基礎上選用最適提取分離方法,以及多種提取技術相結合應用提高得率;c)高效的預處理技術是菊芋莖稈轉化為生物燃料的關鍵,探索不同預處理方法之間的協(xié)同作用,減少反應抑制物,利用半纖維素酶、果膠酶等混合酶進行組合優(yōu)化開發(fā)更有效的預處理方法;d)加強菊芋相關產(chǎn)品發(fā)酵工藝的優(yōu)化,篩選開發(fā)高效發(fā)酵菌株和具有高活性和穩(wěn)定性的酶,改進生物反應器設計,促進大規(guī)模生產(chǎn)過程中菊芋精煉產(chǎn)品的生產(chǎn)效率;e)完善菊芋相關產(chǎn)品的行業(yè)標準,改進菊芋塊莖貯存問題,規(guī)范菊芋加工流程,重視副產(chǎn)物的再次利用,提高菊芋全株利用的經(jīng)濟價值。