菊芋的生物开发研究进展

黄玉龙，慕钰文，陈 娜，孙若诗，张 芳，康三江

（1.甘肃省农业科学院农产品贮藏加工研究所，甘肃兰州 730070；2.西北师范大学甘肃特色植物有效成分制品工程技术研究中心，甘肃兰州 730070）

菊芋（Helianthus tuberosus L.）为菊科向日葵属的多年生宿根性草本植物，从17世纪由欧洲传入我国，又被称为洋姜、鬼子姜。菊芋的块茎是重要的经济利用器官，其主要成分为菊粉（果聚糖），占块茎干物质含量的50%以上。全草可美化环境，也是很好的动物饲料，地下块茎或茎叶有中药的功效，现有研究报道，菊芋块茎性凉，能够清热凉血、利水除湿。块茎中富含菊糖，除作为功能性食品外，更是作为多种生物燃料和化学产品的原料。

菊芋生长高度在1～3 m不等，秋季开花，花如菊，黄色。叶子是椭圆形，多毛。根茎系统深埋于地下并且比较结实粗壮，叶子互生于茎的顶端，较低的叶子能够长30 cm，长而宽，中央是花头，5.0～7.5 cm，被茎分支下单独生出的侧花包围。多瘤的块茎在地下不均匀生长，其颜色有浅褐色、白色、红色等[1]。

菊芋的块茎及切片见图1。

图1 菊芋的块茎及切片

菊芋最初被称为“Sunroots”，由印第安人种植。随着欧洲人的到来，菊芋被命名了多种多样的拉丁名和常用名。Kays和Nottingham[2]收集并报道过在不同语言中，菊芋近100种常用的名字。现在的一些最常用的英文名字包括Jerusalem artichoke，Sun-choke，Topinambur，Woodl and sun ower和 Earth apple。

菊芋有很强的生态适应能力，它有很多优势，包括高增长率、抗风沙、耐霜冻和干旱、耐瘠薄、需肥量小、保持水土、抵抗害虫和植物病害能力强等特征[3]。传统上，菊芋被用于食品或动物饲料，过去的20年，菊芋其他方面的应用才逐渐被开发和探索，其作为原料生产一些功能性食品的优势也逐渐凸显，如菊糖、果糖和低聚果糖[4-5]。同时还发现，从它的叶子和茎中能够提取出一些有生物活性的成分，这些研究也为菊芋在医药行业的应用创造了一个新机遇[6-7]。由于菊芋块茎中富含菊糖，目前在西欧、北欧等地区，以菊芋块茎为原料，通过提取菊糖后利用菊糖酶一步催化反应生产高果糖浆的研究已有很多，在此过程中，目标产物得率高、杂质少，同时此工艺对设备要求低、耗能小，此外产品的分离纯化也不是很复杂[8-10]。近年来，国内外研究报道中以菊芋的块茎作为原料生产生物乙醇[11-12]，已成为一种新的研究热点并发展迅速。

1 菊芋的栽培条件和营养成分

菊芋原产于北美的温带地区，可以在年降水量31～282 cm，平均温度6.3～26.6 ℃，pH值 4.5～8.2的条件下生长。尽管菊芋对土壤类型和pH值的生长范围比较广，但是微碱性土壤对菊芋的生产更有利。菊芋块茎的耐寒性使得其在寒冷的冬天仍能在地下保存，直到收获[8]。种植菊芋通常是不需要灌溉的，收获周期约125 d。菊芋的收益率相对较高，通常可采收块茎 16～20 t/hm2，叶子 18～28 t/hm2，并且收获时可以使用马铃薯收割机械。收获后的菊芋块茎能够在温度0～2℃，相对湿度95%的环境下贮藏4～5个月[13-14]。现已有研究报道，菊芋块茎中富含菊糖、蛋白质、粗纤维等成分。

菊芋块茎的主要成分见表1。

表1 菊芋块茎的主要成分

有调查数据显示，我国菊芋种植区，在青海、甘肃和内蒙古一带较集中，菊芋的种植具有小区域性的特点，大型加工企业推动了菊芋的引种和大面积种植[15]。青海、甘肃和宁夏等地区，是西北黄土高原和青藏高原的代表，因地制宜，在地下水资源贫乏的地区，菊芋的栽种有利于自然资源的开发和促进工业现代化。这些地区种植的菊芋产量和果聚糖含量都比较高，果聚糖含量平均为16%左右，这与北方气候利于作物糖分的积累有很大关系，也使得该地区菊芋作为菊糖的原料具有很大的优势[16]。

由于菊芋在生物能源领域的潜在应用价值日渐凸显，现在许多农民专门开始大量种植菊芋。虽然菊芋的种植规模不断扩大，但是菊芋种植地区的害虫和疾病的预防，仍是一个严重影响其产量和效益的重要因素。

2 菊芋的生物开发利用现状

菊芋的应用范围见图2。

图2 菊芋的应用范围

由图2可知，菊芋具有种植的低成本特性和广泛的应用领域，这使其成为促进经济发展的一个潜在生物资源。

2.1 菊芋在功能性食品方面的应用

功能性食品必然是以食品而不是以药物的形式存在，并且能够在饮食中被消耗。功能性食品可以是天然食品，或者被改造和修饰过的食品[17-18]。菊芋是大量功能性食品的天然原料，如菊糖、果糖和低聚果糖[19]，这些产品兼有营养和功能属性，特别是对患有Ⅱ型糖尿病和肥胖症的人群有利[20-21]。

菊糖的糖苷键是不能被人体肠道酶消化的，食用菊糖不会影响血糖水平和刺激胰岛素的分泌，因此对于Ⅱ型糖尿病、肥胖和其他血糖疾病来说，是一种重要的功能性食品[20]。此外，菊糖被认为是一种可溶性膳食纤维，通过增加排便次数和粪便量影响肠功能，提高结肠部位对矿物成分（如钙、镁）的吸收，以及促进VB的合成[22-24]，最近有研究发现，菊糖对直肠癌、结肠癌和乳腺癌有预防和抑制作用[25-26]。

低聚果糖是菊糖水解后的产物，二者功能和营养特性非常相似，同样，由于其不消化性改变了食物消化过程，增加人体饱腹感，可以预防糖尿病，防止肥胖[27-28]。菊糖在一定条件下能够完全水解形成单体——果糖，在功能食品、制药和饮料等领域，果糖代替蔗糖或葡萄糖被广泛作为甜味剂。果糖和其他单糖最显著的区别是血糖指数（Glycemic Index）的差异。血糖指数（GI）[29]是指：以葡萄糖或白面包等作为参照食物，以摄入后血糖浓度的变化程度进行比较，摄入含糖食物后血糖水平升高的相对能力。葡萄糖的GI是100，蔗糖的GI是65，果糖的GI只有23[30]。比较三者的值不难发现，果糖的GI比较低，也就意味着，果糖对血糖水平的影响更小，这对糖尿病或肥胖症患者而言是有益的[31]。更意外的是，果糖比蔗糖甜1.0～1.5倍，在这种情况下，与蔗糖相比，甜味相同的情况下，可以使用更少量的果糖[32]。众所周知，摄入糖量过多，会影响牙齿健康，糖的聚合会导致蛀牙，糖摄入量减少的同时，口腔微生物的分解也随之减少了。因此，果糖不仅是最好的甜味剂，更作为添加剂极具吸引力，不仅满足人们的味蕾，同时也有益于人体健康。

2.2 菊芋在生物活性物质开发方面的应用

菊芋除块茎兼有食用价值和药用价值之外，树叶的药理活性和应用也不容小觑。在传统的民间医学上，菊芋的绿叶被用来治疗骨折、皮外伤、肿胀和疼痛[33-34]。菊芋的地上部分中发现了许多可以药用且有生物活性的化合物，并被证明具有抗真菌活性、抗氧化活性、抗癌活性和其他方面的药用作用[35-37]。

菊芋全植株中，有很多具有生物活性的化合物，包括 ent-17-oxokaur-15（16）-en-19-oic acid，ent-17-hydroxykaur-15 （16）-en-19-oic acid， ent-15β-hydrox ykaur-16 （17）-en-19-oic acid methyl ester， ent-15-nor-1oxolabda-8 （17）， 12E-dien-18-oic acid， 4，15-isoatriplicolide ange-late，4，15-isoatriplicolide me-thylacrylate，（+）-pinoresinol（松脂醇），（-）-loliolide（萜类）和vanillin（香草醛）[7]。同时还发现，菊芋叶子中的提取物表现出了抗真菌的特性[36]。

2.3 菊芋在生物燃料方面的应用

2.3.1 菊芋发酵乙醇

化石燃料的储存和资源是有限的[38-39]，人类的智慧亦无法估量，如何利用生物乙醇和生物柴油来替代化石燃料一直备受关注，现阶段生物燃料的生产已经取得显著进展。目前在北美，玉米、小麦和大麦在生产商业化生物乙醇的原料中占主导地位，但同时也与食品、饲料供应存在着激烈的竞争。因此，应该努力开发和调整利用木质纤维素的生物资源（农业和林业残留物）和开发专用的能源作物[40-41]。毫无疑问，木质纤维素作为原料被利用是最有经济价值且最丰富的，然而将纤维素转化为可发酵糖的预处理工程经济投入巨大，这一关键技术的经济投入是生产竞争中的重要障碍[42]。目前，菊芋被认为是新兴的生产生物乙醇的能源作物，菊芋块茎富含菊糖，可以通过使用生物催化剂进行水解，然后转化为乙醇，此途径所生产的乙醇产量相当于利用甘蔗和玉米生产乙醇产量的2倍。菊芋的上述特征使得通过以菊芋为底物生产乙醇的优势凸显[43]，最近菊芋被列为在中国、欧洲和新西兰最有潜能的能源作物之一[44]。

利用菊芋块茎生产生物乙醇的路线，一般有以下2种：①分步水解和发酵（SHF）；②同步糖化和发酵 （SSF）。

2种菊芋块茎生产乙醇的途径见图3。

图3 2种菊芋块茎生产乙醇的途径

基于SHF途径的方法中，根据K.marxianus.Kim和Hamdy试验[45]，菊芋在料液比1∶1（g∶mL）、126℃加酸水解60 min的条件下，发酵后乙醇产量最高达到7.6 W/W。通过SHF途径的方法生产乙醇，报道的乙醇产量比较高的[46]是Kim和Rhee利用黑曲霉（Aspergillus niger）817和酿酒酵母（S.cerevisiae）1200对菊芋块茎进行一步连续发酵生产乙醇的方法，此报道中乙醇产量为55.1 g/（L·h），理论收益率为95%。

2.3.2 菊芋发酵丁醇

生物丁醇，作为新一代的生物燃料，比乙醇热值高、挥发性低，备受关注。早在许多年前，就有人预测利用菊芋生产丁醇，而目前此研究也有了进展。Sarchami T等人[47]优化了菊芋中菊糖的酶法水解工艺并使菊糖转换率最大达到94.5%，该研究利用分布发酵法，生产丁醇的产率达到了9.6 g/L。陈丽杰等人[48]利用丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum）L7发酵菊芋水解液生产丁醇，结果显示丁醇产量达到11.2 g/L，发酵液中丁醇、丙酮和乙醇的比例为0.64∶0.29∶0.05。

2.4 乳酸发酵及其制品

在食品、制药和化学工业中，乳酸的作用和应用日益广泛，同时在许多化合物的合成中，乳酸也是重要的中间体或者组成部分[49]。菊芋作为生产乳酸的原料，成本更低。同时利用菊芋也有可能产生多种化学物质[50-52]，如琥珀酸、丁酸、2，3-丁二醇、柠檬酸和山梨糖醇等。

3 结语

菊芋作为一种可再生非粮能源植物，种植条件相对宽泛，田间管理简单粗放，不与粮争地，生物产量高，而且还能改善生态环境，是集食用、药用、饲用和工业原料于一体的较为理想的经济作物。大力发展菊芋产业，首先要充分利用荒地、盐碱地等干旱及半干旱土地，形成规模化种植，从而满足下游加工的原料供给。其次要选育适合区域环境特点的优良品种，提高块茎产量和菊粉含量，进一步提高经济价值。再次，以菊芋全株生物量的综合利用为目的，研发并熟化以生物能源、医药化工产品为终端产物的菊糖生物转化技术，制备不同聚合度和功能的低聚果糖高端产品，分离纯化生物活性成分，开发酱菜、脆片、酵素、糕点等多元化休闲食品，提高茎叶的饲料化资源化利用水平，形成菊芋全株高值化利用的产业链条技术体系，为菊芋产业的提质增效提供技术支撑。