菊芋的功能营养价值开发及应用前景

（青海大学农林科学院/青海省蔬菜遗传与生理重点实验室/青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，青海 西宁 810016）

菊芋（Helianthus tuberosusL.）属菊科（Composite）向日葵属（Helianthus）多年生草本植物，原产自北美，18世纪末传入中国。菊芋块茎中有多种微量元素和维生素，是目前蔬菜品种中具有多种保健功效的重要品种资源，也是发展营养保健食品的理想原料；菊芋块茎中富含菊粉，这种物质具有抗菌、降血压和血脂的功效；菊芋花期较长、花朵大且可散发出香味，可用于生态景观的规划设计中，因此具有广阔的开发利用前景。

菊芋具有极强的抗逆性，在我国大部分地区都可栽培。近年来，由于其特有的生态、加工、制药、观赏等应用价值，栽培面积有扩大的趋势。在科研方面，国内外已开展了诸如菊芋种质资源创制、果聚糖代谢、产品加工利用、基因挖掘及功能验证等方面的系统研究，其应用价值逐渐被人们所了解和利用。本文针对菊芋的功能营养价值进行了系统总结，并对菊芋未来的开发利用前景进行了展望，以期为菊芋产业发展奠定一定的基础。

1 菊芋功能营养价值研究进展

1.1 菊糖具有调节血脂血糖等多重功效

菊芋可加工利用的部位主要为地下部块茎，块茎中富含菊粉（菊糖），占块茎鲜质量的80%[1]以上。菊糖具有促进矿质元素吸收，降低肠胃疾病，刺激免疫系统等药理性功能[2]。在小鼠临床试验中，还观察到菊糖有较好的降血糖、抗病毒作用[3]和降血脂的功能[4]，还能提高代谢综合征大鼠的胰岛素抵抗能力，控制血糖、血脂水平[5]。菊糖可以代替蔗糖用作甜味剂，且其血糖指数比较低，对糖尿病患者和肥胖患者都很友好。可利用这一性质制备有助于运动员快速缓解疲劳、增强体力的高果糖浆[6]；菊粉还有一定的抑制肥胖、降低胆固醇含量的功能[7]。目前基于菊粉为原料的食品开发如减肥餐、代餐粉、营养菊芋饼干等正日益迅速发展，今后或将成为健康食品中的主流。

1.2 氨基酸具有调节人体脂肪代谢及血糖水平功效

氨基酸作为蛋白质的基本单位，是构成人体的最基本物质之一，也是生命代谢的物质基础；可以促进脂肪代谢、调节血糖水平和大脑开发。研究表明，菊芋块茎中富含对人体有益的矿质元素及13种人体必需氨基酸[8-9]。俞梦妮等[10]研究表明，菊芋叶片蛋白氨基酸种类齐全且配比协调，总氨基酸含量为42.07%，必需氨基酸占总氨基酸的比值为40.55%，必需氨基酸与非必需氨基酸的比值为0.68。吕炳起等[11]对菊芋秸秆的营养成分进行了分析，结果表明菊芋秸秆18种氨基酸中天门冬氨酸、谷氨酸、脯氨酸含量最高，蛋氨酸含量最低。张维等[12]对菊芋渣的蛋白氨基酸组成进行了分析，结果表明在鲜菊芋中总氨基酸含量约为14.469 g/kg；菊芋渣蛋白中总氨基酸含量百分比约为22.86%，属于优质蛋白。CieŚlik等[13]对红皮菊芋品种的氨基酸含量进行了检测，发现菊芋中的必需氨基酸含量比菊苣和马铃薯要高几倍。此外菊芋基本无病虫害，无需喷洒农药，其不仅蛋白质含量较高，而且还具有提高机体免疫力、抑制有害菌生长等多重功效，是天然、绿色、无污染的饲料资源之一。

1.3 绿原酸具有抗菌等生物活性

绿原酸是抗菌、抗病毒的有效药理成分之一，在金银花中约含4%，具有广泛的生物活性，被称为“第七大类营养素”，且被广泛用于保健行业。苗芹等[14]研究表明，菊芋叶片中的绿原酸在10月下旬含量最高（为4.2%），此时菊芋叶片可以作为提取绿原酸的原材料。张海娟等[15]在单因素试验基础上，采用正交试验法优化了菊芋叶片绿原酸的提取工艺并测得绿原酸平均含量为1.637 5 mg/g。肖芳等[16]采用UPLC法测定了青海省海晏县沙化地人工种植的菊芋绿原酸含量，结果表明沙化地人工种植1个月后菊芋根中绿原酸平均含量为0.13%，人工种植4个月后根中平均含量0.08%，茎、叶平均含量为0.98%。岳会兰等[17]对柴达木盆地不同生长期菊芋叶片绿原酸含量变化规律进行了研究，发现不同生长期菊芋叶片绿原酸含量差异显著，10月15日达到最高（叶片干质量的0.83%），随后逐渐降低。随着菊芋植株中绿原酸研究的不断深入，在未来的菊芋产业链中，菊芋地上部中的绿原酸将会更好地应用于医药领域。

1.4 黄酮可调节身体机能，增强机体对疾病的抵抗力

黄酮是一类多酚类化合物，具有抗氧化、抗病毒、保护心脏的作用。菊芋叶片和花中含有丰富的黄酮成分[18]。袁晓艳等[19]在菊芋叶片中分离得到了7种多酚类化合物，并进行了结构分析。Jantaharn等[20]从菊芋花中分离得到异甘草素、针依瓦菊素、槲皮素-7-O-β-葡糖苷等7种物质；郑晓涛等[21]以菊芋叶片为原料，研究了甲醇体积分数、提取温度、提取时间、固液比对菊芋黄酮总含量的影响，并在单因素试验的基础上利用正交试验的方法优化了提取工艺：用体积分数70%的甲醇，固液比1∶30（g/mL），80 ℃条件下提取2 h，在此条件下，菊芋叶总黄酮含量为7.03%。何舒澜等[22]采用响应面法优化菊芋组培叶提取黄酮的工艺，液料比为1∶40，提取时间20 min，乙醇含量（体积分数）40%，提取温度64 ℃，测得总黄酮提取率为1.47 mg/g。目前在菊芋黄酮功能生物制剂开发方面的研究鲜有报道，今后可加大黄酮类保健品的研发。

2 菊芋的生态价值研究

2.1 防风固沙

菊芋根系发达，其繁殖速度是普通植物根系的20倍，具有极强的防风固沙效果，在沙漠等生态环境恶劣地区种植菊芋，既能改善生态环境，又可实现一定的经济效益。刘春林等[23]研究表明，在腾格里沙漠地区种植菊芋后，土壤理化性质明显改善，还带动了菊芋相关产品的开发，形成了菊芋产业链，从而带动了当地经济的发展。刘军政[24]在黄土高原坡度相同的山坡上进行种植菊芋和没有种植菊芋的对比试验，结果发现种植菊芋的山坡土壤流失率低，因此证明了菊芋可以防止水土流失。今后可以将种植菊芋和养殖动物联系在一起，菊芋茎叶可用作动物饲料，菊芋块根可进行深加工，菊芋秸秆与禽畜粪便混合可作沼气池原料，再以沼渣为原料生产有机肥，从而实现了生态治理上的综合应用。

2.2 植物修复

植物修复技术是近几年在环保领域发展起来的一项新技术，植物修复重金属污染是一个重要的研究领域，也是重金属污染土地治理和修复的重要手段。基于菊芋优良的抗逆性，以其为主体的植物修复可以极大程度上恢复盐碱化、重金属等污染的土壤环境。菊芋作为一种耐盐碱能力较强的植物，在改良盐碱地上具有极大的优势，胡涛等[25]研究发现，菊芋可以吸收土壤中的盐分，在山东省莱州湾滨海盐土地连续种植5年菊芋后，当地土壤有机质含量增高，全盐含量出现下降趋势。陈良[26]以南芋系列的2个菊芋品种为材料，研究了Cd污染土壤的植物修复，结果表明南芋5号在Cd污染土壤的修复中具备更大的优势。张前进等[27]针对重金属污染的淮南矿区进行了菊芋等12种植物对重金属Cu、Zn、Cr、Ni、Pb和Cd富集系数和转移系数的研究，优选出最佳修复植物为菊芋和鬼针草。在今后的研究工作中应加强在寒、旱、盐、碱、重金属污染等2个或多个叠加生境中菊芋综合抗逆能力的研究。

2.3 生物防治

生物防治是指利用一种生物对付另外一种生物的绿色防控方法。Ullah等[28]研究表明，菊科植物可破坏受体膜系统的稳定性及水分平衡关系、促进或阻滞叶绿素的合成、影响矿质元素的吸收等，产生明显的化感效应。陈瑞等[29]研究发现菊芋可产生明显的化感物质，其浸提液在杂草防治中有着显著的效果。赵孟良等[30]研究了菊芋块茎浸提液对生菜种子萌发生长的影响，结果表明菊芋全粉可以更有效地发挥化感作用。王诗雯[31]研究了菊芋秸秆对根结线虫和连作番茄及土壤微生物的影响，结果发现添加1% J13菊芋秸秆对土壤微生物真菌群落结构影响最大，添加2% J01菊芋秸秆对土壤微生物细菌群落结构影响最大。菊芋是一种有潜在开发利用价值的生物，可以开发除草剂，亦可研发成催芽剂，今后可根据实际生产需要加以开发利用，为我国农业减肥、减药、促品质奠定基础。

3 菊芋开发利用前景

3.1 食品开发

菊芋作为一种天然、绿色、无公害食品，含有丰富的功能性因子，具有很高的食用及营养价值。菊芋的可加工利用及可食用部分包括地下部块茎和地上部的嫩叶，其块茎可生食也可熟食。生食时可以制成菊芋干或者腌制咸菜，熟食可以熬粥，还可作为原料加工成休闲食品或保健食品。目前，基于菊芋的食品开发普遍集中于泡菜的研制，但基于其块茎中提取的菊粉以及菊芋汁都可作为食品开发的新原料。如菊粉可以添加到饼干、酸奶中，兼具风味与保健功效。菊芋浸提液可以发酵为乳酸菌饮料、酿制菊芋果醋；另外，菊芋花茶也已成为了人们的休闲伴侣产品。菊芋在食品行业有着广阔的前景，但值得注意的是即便是天然食品，也应深入了解其被人们食用后在人体内的吸收代谢变化，为安全食用提供科学依据。

3.2 饲料开发

菊芋秸秆和块茎含有丰富的矿物质和蛋白质，可满足家畜生长发育的营养需求，因此菊芋地上部分茎叶和地下部分块茎均可作为优质的动物饲料原料及饲料添加剂。在生产中通常使用青贮和黄贮的微生物发酵进行保存，可提升饲料的品质，使其口感更佳。张艳丽[32]采用两极离体消化法在牛瘤胃培养液中进行了菊芋粕有机物和干物质的消化率测定，然后通过消化率推算出产奶净能，结果显示菊芋粕是一种营养价值较高的能量饲料。汪悦等[33]对菊芋饲料的营养价值、生物活性等进行了研究，结果发现菊芋茎叶青贮饲料的粗蛋白质（CP）和钙（Ca）含量均高于玉米青贮饲料，与燕麦、大麦和豆科牧草青贮饲料等相近，可作为部分替代饲料。陈荣等[34]探索了菊芋青贮饲料的制作技术以及品质分析方法，结果发现菊芋植株和苜蓿青贮饲料均处于二级尚好或一级优等之列。菊芋丰富的营养成分、菊糖储量以及具有治疗潜力的生物活性物质使其成为一种具有极大开发前景的新型饲料及饲料添加剂，并且菊芋已被成功纳入我国饲料数据库，今后基于菊芋的饲料开发必将成为新兴饲草料的潮流。

3.3 生物能源

以菊芋块茎或菊芋工业废渣为原料生产乙醇，是发展燃料乙醇的重要方向之一。其地上部分生物量巨大，具有作为纤维素乙醇生产原料的潜在价值。菊芋中可以转化为乙醇的主要多糖成分是菊糖，通过整合生物加工工艺将菊糖酶产生、菊糖水解和乙醇发酵整合为同一过程，可以直接发酵菊芋，生产燃料乙醇。

2004年，中国科学院大连化学物理研究所于国内外率先提出“生物质生物柴油”的思想和路线。2009年，武汉理工大学汽车工程学院成功开发出以菊芋为原料生产的生物柴油，这是我国在菊芋能源转化方向上的一次重大突破。之后的研究多集中于发酵菌株的筛选和发酵工艺优化上，以不断提高乙醇的产量。俞静等[35]利用鹰嘴豆孢克鲁维酵母Y179进行菊芋同步糖化和发酵，在通气和37 ℃条件下，发酵144 h时，乙醇体积百分比达到12.3%，糖醇转化效率86.9%，糖利用率大于93.6%，使得乙醇产量大幅度提升。袁文杰等[36]对菊芋生产燃料乙醇的2种工艺路线进行了经济技术可行性分析，提出建立一种包括种植、仓储、生产粗乙醇和生产精乙醇4个主生产环节以及副产物综合利用的菊芋乙醇生态体系，为以后的菊芋产业化提供理论依据。杨梅等[37]首次提出采用联合生物加工（CPB）技术发酵生产燃料乙醇，菊粉水解和乙醇发酵由同一种微生物完成，在降低生产成本的同时减少了发酵性糖的蒸发量，同时通过添加辅助酶制剂、改变拌料水温及优化补料方式等方法，成功降低由于菊芋干粉本身性质带来的发酵限制，最终乙醇对糖的得率可达到理论值的90.6%。

3.4 园林观赏应用

菊芋适栽性强，栽培管理难度小，一年种植后可多年覆盖，无虫害，便于管理。开花时酷似向日葵，叶片茂密，开花周期长，花多、花大且带有巧克力香味，符合大众审美特点，可作为行道树、栅栏等在缓坡平地大力推广种植。

4 展望

菊芋被誉为“21世纪最具有代表性的健康食品”，对于减肥瘦身、保护肝脏、预防和治疗糖尿病等均有一定的特殊功效。随着社会发展，人们的饮食结构不断发生变化，“三高”、糖尿病等亚健康人群数量不断增加，天然健康、绿色营养的菊芋食品必将受到越来越多的关注。在功能食品的开发上，可持续关注菊粉的药理保健功能。以保健产品作为主打方向，对现有的菊芋饼干、酸奶等产品重新包装定位，并重点发挥其作为减肥产品的潜力。

我国滩涂总面积3.54万km2，沙漠和沙漠化土地面积33.4万km2，菊芋生态修复功能的充分分析和利用，对于我国大量不适宜耕作的边缘土地资源的合理利用，防风治沙，缓解能源危机都有重要作用。这也为菊芋产业的发展提供了广阔的空间。目前，利用菊芋在我国西北荒漠化地区以及胶州湾沿海等滩涂地、盐碱地已相继开展了生态治理应用，并取得了良好的效果。

菊芋全身是宝，加工前后都可带来经济收益。菊芋是提取菊粉的理想材料，仅在2016年，全球菊粉被估产值高达27亿美元；其地上部分可作饲料、燃料，造纸；地下块茎可作为原料出售，也可加工后出售。利用菊芋全产业链进行精准扶贫，是一种新理念，打造以菊芋产业为主体的经济循环圈，可促进地方经济发展。