菊芋的功能營養價值開發及應用前景

（青海大學農林科學院/青海省蔬菜遺傳與生理重點實驗室/青海大學省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室，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，原產自北美，18世紀末傳入中國。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，也是發展營養保健食品的理想原料；菊芋塊莖中富含菊粉，這種物質具有抗菌、降血壓和血脂的功效；菊芋花期較長、花朵大且可散發出香味，可用于生態景觀的規劃設計中，因此具有廣闊的開發利用前景。

菊芋具有極強的抗逆性，在我國大部分地區都可栽培。近年來，由于其特有的生態、加工、制藥、觀賞等應用價值，栽培面積有擴大的趨勢。在科研方面，國內外已開展了諸如菊芋種質資源創制、果聚糖代謝、產品加工利用、基因挖掘及功能驗證等方面的系統研究，其應用價值逐漸被人們所了解和利用。本文針對菊芋的功能營養價值進行了系統總結，并對菊芋未來的開發利用前景進行了展望，以期為菊芋產業發展奠定一定的基礎。

1 菊芋功能營養價值研究進展

1.1 菊糖具有調節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），占塊莖鮮質量的80%[1]以上。菊糖具有促進礦質元素吸收，降低腸胃疾病，刺激免疫系統等藥理性功能[2]。在小鼠臨床試驗中，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，且其血糖指數比較低，對糖尿病患者和肥胖患者都很友好?？衫眠@一性質制備有助于運動員快速緩解疲勞、增強體力的高果糖漿[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如減肥餐、代餐粉、營養菊芋餅干等正日益迅速發展，今后或將成為健康食品中的主流。

1.2 氨基酸具有調節人體脂肪代謝及血糖水平功效

氨基酸作為蛋白質的基本單位，是構成人體的最基本物質之一，也是生命代謝的物質基礎；可以促進脂肪代謝、調節血糖水平和大腦開發。研究表明，菊芋塊莖中富含對人體有益的礦質元素及13種人體必需氨基酸[8-9]。俞夢妮等[10]研究表明，菊芋葉片蛋白氨基酸種類齊全且配比協調，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]對菊芋秸稈的營養成分進行了分析，結果表明菊芋秸稈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]對菊芋渣的蛋白氨基酸組成進行了分析，結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%，屬于優質蛋白。Cie?lik等[13]對紅皮菊芋品種的氨基酸含量進行了檢測，發現菊芋中的必需氨基酸含量比菊苣和馬鈴薯要高幾倍。此外菊芋基本無病蟲害，無需噴灑農藥，其不僅蛋白質含量較高，而且還具有提高機體免疫力、抑制有害菌生長等多重功效，是天然、綠色、無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“第七大類營養素”，且被廣泛用于保健行業。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]在單因素試驗基礎上，采用正交試驗法優化了菊芋葉片綠原酸的提取工藝并測得綠原酸平均含量為1.637 5 mg/g。肖芳等[16]采用UPLC法測定了青海省海晏縣沙化地人工種植的菊芋綠原酸含量，結果表明沙化地人工種植1個月后菊芋根中綠原酸平均含量為0.13%，人工種植4個月后根中平均含量0.08%，莖、葉平均含量為0.98%。岳會蘭等[17]對柴達木盆地不同生長期菊芋葉片綠原酸含量變化規律進行了研究，發現不同生長期菊芋葉片綠原酸含量差異顯著，10月15日達到最高（葉片干質量的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，在未來的菊芋產業鏈中，菊芋地上部中的綠原酸將會更好地應用于醫藥領域。

1.4 黃酮可調節身體機能，增強機體對疾病的抵抗力

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，并進行了結構分析。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；鄭曉濤等[21]以菊芋葉片為原料，研究了甲醇體積分數、提取溫度、提取時間、固液比對菊芋黃酮總含量的影響，并在單因素試驗的基礎上利用正交試驗的方法優化了提取工藝：用體積分數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]采用響應面法優化菊芋組培葉提取黃酮的工藝，液料比為1∶40，提取時間20 min，乙醇含量（體積分數）40%，提取溫度64 ℃，測得總黃酮提取率為1.47 mg/g。目前在菊芋黃酮功能生物制劑開發方面的研究鮮有報道，今后可加大黃酮類保健品的研發。

2 菊芋的生態價值研究

2.1 防風固沙

菊芋根系發達，其繁殖速度是普通植物根系的20倍，具有極強的防風固沙效果，在沙漠等生態環境惡劣地區種植菊芋，既能改善生態環境，又可實現一定的經濟效益。劉春林等[23]研究表明，在騰格里沙漠地區種植菊芋后，土壤理化性質明顯改善，還帶動了菊芋相關產品的開發，形成了菊芋產業鏈，從而帶動了當地經濟的發展。劉軍政[24]在黃土高原坡度相同的山坡上進行種植菊芋和沒有種植菊芋的對比試驗，結果發現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殖動物聯系在一起，菊芋莖葉可用作動物飼料，菊芋塊根可進行深加工，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有機肥，從而實現了生態治理上的綜合應用。

2.2 植物修復

植物修復技術是近幾年在環保領域發展起來的一項新技術，植物修復重金屬污染是一個重要的研究領域，也是重金屬污染土地治理和修復的重要手段?；诰沼髢灹嫉目鼓嫘?，以其為主體的植物修復可以極大程度上恢復鹽堿化、重金屬等污染的土壤環境。菊芋作為一種耐鹽堿能力較強的植物，在改良鹽堿地上具有極大的優勢，胡濤等[25]研究發現，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種植5年菊芋后，當地土壤有機質含量增高，全鹽含量出現下降趨勢。陳良[26]以南芋系列的2個菊芋品種為材料，研究了Cd污染土壤的植物修復，結果表明南芋5號在Cd污染土壤的修復中具備更大的優勢。張前進等[27]針對重金屬污染的淮南礦區進行了菊芋等12種植物對重金屬Cu、Zn、Cr、Ni、Pb和Cd富集系數和轉移系數的研究，優選出最佳修復植物為菊芋和鬼針草。在今后的研究工作中應加強在寒、旱、鹽、堿、重金屬污染等2個或多個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的穩定性及水分平衡關系、促進或阻滯葉綠素的合成、影響礦質元素的吸收等，產生明顯的化感效應。陳瑞等[29]研究發現菊芋可產生明顯的化感物質，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生菜種子萌發生長的影響，結果表明菊芋全粉可以更有效地發揮化感作用。王詩雯[31]研究了菊芋秸稈對根結線蟲和連作番茄及土壤微生物的影響，結果發現添加1% J13菊芋秸稈對土壤微生物真菌群落結構影響最大，添加2% J01菊芋秸稈對土壤微生物細菌群落結構影響最大。菊芋是一種有潛在開發利用價值的生物，可以開發除草劑，亦可研發成催芽劑，今后可根據實際生產需要加以開發利用，為我國農業減肥、減藥、促品質奠定基礎。

3 菊芋開發利用前景

3.1 食品開發

菊芋作為一種天然、綠色、無公害食品，含有豐富的功能性因子，具有很高的食用及營養價值。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的新原料。如菊粉可以添加到餅干、酸奶中，兼具風味與保健功效。菊芋浸提液可以發酵為乳酸菌飲料、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品。菊芋在食品行業有著廣闊的前景，但值得注意的是即便是天然食品，也應深入了解其被人們食用后在人體內的吸收代謝變化，為安全食用提供科學依據。

3.2 飼料開發

菊芋秸稈和塊莖含有豐富的礦物質和蛋白質，可滿足家畜生長發育的營養需求，因此菊芋地上部分莖葉和地下部分塊莖均可作為優質的動物飼料原料及飼料添加劑。在生產中通常使用青貯和黃貯的微生物發酵進行保存，可提升飼料的品質，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液中進行了菊芋粕有機物和干物質的消化率測定，然后通過消化率推算出產奶凈能，結果顯示菊芋粕是一種營養價值較高的能量飼料。汪悅等[33]對菊芋飼料的營養價值、生物活性等進行了研究，結果發現菊芋莖葉青貯飼料的粗蛋白質（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以及品質分析方法，結果發現菊芋植株和苜蓿青貯飼料均處于二級尚好或一級優等之列。菊芋豐富的營養成分、菊糖儲量以及具有治療潛力的生物活性物質使其成為一種具有極大開發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飼料數據庫，今后基于菊芋的飼料開發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廢渣為原料生產乙醇，是發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原料的潛在價值。菊芋中可以轉化為乙醇的主要多糖成分是菊糖，通過整合生物加工工藝將菊糖酶產生、菊糖水解和乙醇發酵整合為同一過程，可以直接發酵菊芋，生產燃料乙醇。

2004年，中國科學院大連化學物理研究所于國內外率先提出“生物質生物柴油”的思想和路線。2009年，武漢理工大學汽車工程學院成功開發出以菊芋為原料生產的生物柴油，這是我國在菊芋能源轉化方向上的一次重大突破。之后的研究多集中于發酵菌株的篩選和發酵工藝優化上，以不斷提高乙醇的產量。俞靜等[35]利用鷹嘴豆孢克魯維酵母Y179進行菊芋同步糖化和發酵，在通氣和37 ℃條件下，發酵144 h時，乙醇體積百分比達到12.3%，糖醇轉化效率86.9%，糖利用率大于93.6%，使得乙醇產量大幅度提升。袁文杰等[36]對菊芋生產燃料乙醇的2種工藝路線進行了經濟技術可行性分析，提出建立一種包括種植、倉儲、生產粗乙醇和生產精乙醇4個主生產環節以及副產物綜合利用的菊芋乙醇生態體系，為以后的菊芋產業化提供理論依據。楊梅等[37]首次提出采用聯合生物加工（CPB）技術發酵生產燃料乙醇，菊粉水解和乙醇發酵由同一種微生物完成，在降低生產成本的同時減少了發酵性糖的蒸發量，同時通過添加輔助酶制劑、改變拌料水溫及優化補料方式等方法，成功降低由于菊芋干粉本身性質帶來的發酵限制，最終乙醇對糖的得率可達到理論值的90.6%。

3.4 園林觀賞應用

菊芋適栽性強，栽培管理難度小，一年種植后可多年覆蓋，無蟲害，便于管理。開花時酷似向日葵，葉片茂密，開花周期長，花多、花大且帶有巧克力香味，符合大眾審美特點，可作為行道樹、柵欄等在緩坡平地大力推廣種植。

4 展望

菊芋被譽為“21世紀最具有代表性的健康食品”，對于減肥瘦身、保護肝臟、預防和治療糖尿病等均有一定的特殊功效。隨著社會發展，人們的飲食結構不斷發生變化，“三高”、糖尿病等亞健康人群數量不斷增加，天然健康、綠色營養的菊芋食品必將受到越來越多的關注。在功能食品的開發上，可持續關注菊粉的藥理保健功能。以保健產品作為主打方向，對現有的菊芋餅干、酸奶等產品重新包裝定位，并重點發揮其作為減肥產品的潛力。

我國灘涂總面積3.54萬km2，沙漠和沙漠化土地面積33.4萬km2，菊芋生態修復功能的充分分析和利用，對于我國大量不適宜耕作的邊緣土地資源的合理利用，防風治沙，緩解能源危機都有重要作用。這也為菊芋產業的發展提供了廣闊的空間。目前，利用菊芋在我國西北荒漠化地區以及膠州灣沿海等灘涂地、鹽堿地已相繼開展了生態治理應用，并取得了良好的效果。

菊芋全身是寶，加工前后都可帶來經濟收益。菊芋是提取菊粉的理想材料，僅在2016年，全球菊粉被估產值高達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。利用菊芋全產業鏈進行精準扶貧，是一種新理念，打造以菊芋產業為主體的經濟循環圈，可促進地方經濟發展。