菊芋的生物開發(fā)研究進(jìn)展

黃玉龍，慕鈺文，陳 娜，孫若詩，張 芳，康三江

（1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所，甘肅蘭州 730070；2.西北師范大學(xué)甘肅特色植物有效成分制品工程技術(shù)研究中心，甘肅蘭州 730070）

菊芋（Helianthus tuberosus L.）為菊科向日葵屬的多年生宿根性草本植物，從17世紀(jì)由歐洲傳入我國，又被稱為洋姜、鬼子姜。菊芋的塊莖是重要的經(jīng)濟(jì)利用器官，其主要成分為菊粉（果聚糖），占?jí)K莖干物質(zhì)含量的50%以上。全草可美化環(huán)境，也是很好的動(dòng)物飼料，地下塊莖或莖葉有中藥的功效，現(xiàn)有研究報(bào)道，菊芋塊莖性涼，能夠清熱涼血、利水除濕。塊莖中富含菊糖，除作為功能性食品外，更是作為多種生物燃料和化學(xué)產(chǎn)品的原料。

菊芋生長高度在1～3 m不等，秋季開花，花如菊，黃色。葉子是橢圓形，多毛。根莖系統(tǒng)深埋于地下并且比較結(jié)實(shí)粗壯，葉子互生于莖的頂端，較低的葉子能夠長30 cm，長而寬，中央是花頭，5.0～7.5 cm，被莖分支下單獨(dú)生出的側(cè)花包圍。多瘤的塊莖在地下不均勻生長，其顏色有淺褐色、白色、紅色等[1]。

菊芋的塊莖及切片見圖1。

圖1 菊芋的塊莖及切片

菊芋最初被稱為“Sunroots”，由印第安人種植。隨著歐洲人的到來，菊芋被命名了多種多樣的拉丁名和常用名。Kays和Nottingham[2]收集并報(bào)道過在不同語言中，菊芋近100種常用的名字?，F(xiàn)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。

菊芋有很強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)能力，它有很多優(yōu)勢，包括高增長率、抗風(fēng)沙、耐霜凍和干旱、耐瘠薄、需肥量小、保持水土、抵抗害蟲和植物病害能力強(qiáng)等特征[3]。傳統(tǒng)上，菊芋被用于食品或動(dòng)物飼料，過去的20年，菊芋其他方面的應(yīng)用才逐漸被開發(fā)和探索，其作為原料生產(chǎn)一些功能性食品的優(yōu)勢也逐漸凸顯，如菊糖、果糖和低聚果糖[4-5]。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，從它的葉子和莖中能夠提取出一些有生物活性的成分，這些研究也為菊芋在醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用創(chuàng)造了一個(gè)新機(jī)遇[6-7]。由于菊芋塊莖中富含菊糖，目前在西歐、北歐等地區(qū)，以菊芋塊莖為原料，通過提取菊糖后利用菊糖酶一步催化反應(yīng)生產(chǎn)高果糖漿的研究已有很多，在此過程中，目標(biāo)產(chǎn)物得率高、雜質(zhì)少，同時(shí)此工藝對設(shè)備要求低、耗能小，此外產(chǎn)品的分離純化也不是很復(fù)雜[8-10]。近年來，國內(nèi)外研究報(bào)道中以菊芋的塊莖作為原料生產(chǎn)生物乙醇[11-12]，已成為一種新的研究熱點(diǎn)并發(fā)展迅速。

1 菊芋的栽培條件和營養(yǎng)成分

菊芋原產(chǎn)于北美的溫帶地區(qū)，可以在年降水量31～282 cm，平均溫度6.3～26.6 ℃，pH值 4.5～8.2的條件下生長。盡管菊芋對土壤類型和pH值的生長范圍比較廣，但是微堿性土壤對菊芋的生產(chǎn)更有利。菊芋塊莖的耐寒性使得其在寒冷的冬天仍能在地下保存，直到收獲[8]。種植菊芋通常是不需要灌溉的，收獲周期約125 d。菊芋的收益率相對較高，通常可采收塊莖 16～20 t/hm2，葉子 18～28 t/hm2，并且收獲時(shí)可以使用馬鈴薯收割機(jī)械。收獲后的菊芋塊莖能夠在溫度0～2℃，相對濕度95%的環(huán)境下貯藏4～5個(gè)月[13-14]?，F(xiàn)已有研究報(bào)道，菊芋塊莖中富含菊糖、蛋白質(zhì)、粗纖維等成分。

菊芋塊莖的主要成分見表1。

表1 菊芋塊莖的主要成分

有調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國菊芋種植區(qū)，在青海、甘肅和內(nèi)蒙古一帶較集中，菊芋的種植具有小區(qū)域性的特點(diǎn)，大型加工企業(yè)推動(dòng)了菊芋的引種和大面積種植[15]。青海、甘肅和寧夏等地區(qū)，是西北黃土高原和青藏高原的代表，因地制宜，在地下水資源貧乏的地區(qū)，菊芋的栽種有利于自然資源的開發(fā)和促進(jìn)工業(yè)現(xiàn)代化。這些地區(qū)種植的菊芋產(chǎn)量和果聚糖含量都比較高，果聚糖含量平均為16%左右，這與北方氣候利于作物糖分的積累有很大關(guān)系，也使得該地區(qū)菊芋作為菊糖的原料具有很大的優(yōu)勢[16]。

由于菊芋在生物能源領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值日漸凸顯，現(xiàn)在許多農(nóng)民專門開始大量種植菊芋。雖然菊芋的種植規(guī)模不斷擴(kuò)大，但是菊芋種植地區(qū)的害蟲和疾病的預(yù)防，仍是一個(gè)嚴(yán)重影響其產(chǎn)量和效益的重要因素。

2 菊芋的生物開發(fā)利用現(xiàn)狀

菊芋的應(yīng)用范圍見圖2。

圖2 菊芋的應(yīng)用范圍

由圖2可知，菊芋具有種植的低成本特性和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，這使其成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)潛在生物資源。

2.1 菊芋在功能性食品方面的應(yīng)用

功能性食品必然是以食品而不是以藥物的形式存在，并且能夠在飲食中被消耗。功能性食品可以是天然食品，或者被改造和修飾過的食品[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]，這些產(chǎn)品兼有營養(yǎng)和功能屬性，特別是對患有Ⅱ型糖尿病和肥胖癥的人群有利[20-21]。

菊糖的糖苷鍵是不能被人體腸道酶消化的，食用菊糖不會(huì)影響血糖水平和刺激胰島素的分泌，因此對于Ⅱ型糖尿病、肥胖和其他血糖疾病來說，是一種重要的功能性食品[20]。此外，菊糖被認(rèn)為是一種可溶性膳食纖維，通過增加排便次數(shù)和糞便量影響腸功能，提高結(jié)腸部位對礦物成分（如鈣、鎂）的吸收，以及促進(jìn)VB的合成[22-24]，最近有研究發(fā)現(xiàn)，菊糖對直腸癌、結(jié)腸癌和乳腺癌有預(yù)防和抑制作用[25-26]。

低聚果糖是菊糖水解后的產(chǎn)物，二者功能和營養(yǎng)特性非常相似，同樣，由于其不消化性改變了食物消化過程，增加人體飽腹感，可以預(yù)防糖尿病，防止肥胖[27-28]。菊糖在一定條件下能夠完全水解形成單體——果糖，在功能食品、制藥和飲料等領(lǐng)域，果糖代替蔗糖或葡萄糖被廣泛作為甜味劑。果糖和其他單糖最顯著的區(qū)別是血糖指數(shù)（Glycemic Index）的差異。血糖指數(shù)（GI）[29]是指：以葡萄糖或白面包等作為參照食物，以攝入后血糖濃度的變化程度進(jìn)行比較，攝入含糖食物后血糖水平升高的相對能力。葡萄糖的GI是100，蔗糖的GI是65，果糖的GI只有23[30]。比較三者的值不難發(fā)現(xiàn)，果糖的GI比較低，也就意味著，果糖對血糖水平的影響更小，這對糖尿病或肥胖癥患者而言是有益的[31]。更意外的是，果糖比蔗糖甜1.0～1.5倍，在這種情況下，與蔗糖相比，甜味相同的情況下，可以使用更少量的果糖[32]。眾所周知，攝入糖量過多，會(huì)影響牙齒健康，糖的聚合會(huì)導(dǎo)致蛀牙，糖攝入量減少的同時(shí)，口腔微生物的分解也隨之減少了。因此，果糖不僅是最好的甜味劑，更作為添加劑極具吸引力，不僅滿足人們的味蕾，同時(shí)也有益于人體健康。

2.2 菊芋在生物活性物質(zhì)開發(fā)方面的應(yīng)用

菊芋除塊莖兼有食用價(jià)值和藥用價(jià)值之外，樹葉的藥理活性和應(yīng)用也不容小覷。在傳統(tǒng)的民間醫(yī)學(xué)上，菊芋的綠葉被用來治療骨折、皮外傷、腫脹和疼痛[33-34]。菊芋的地上部分中發(fā)現(xiàn)了許多可以藥用且有生物活性的化合物，并被證明具有抗真菌活性、抗氧化活性、抗癌活性和其他方面的藥用作用[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（萜類）和vanillin（香草醛）[7]。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，菊芋葉子中的提取物表現(xiàn)出了抗真菌的特性[36]。

2.3 菊芋在生物燃料方面的應(yīng)用

2.3.1 菊芋發(fā)酵乙醇

化石燃料的儲(chǔ)存和資源是有限的[38-39]，人類的智慧亦無法估量，如何利用生物乙醇和生物柴油來替代化石燃料一直備受關(guān)注，現(xiàn)階段生物燃料的生產(chǎn)已經(jīng)取得顯著進(jìn)展。目前在北美，玉米、小麥和大麥在生產(chǎn)商業(yè)化生物乙醇的原料中占主導(dǎo)地位，但同時(shí)也與食品、飼料供應(yīng)存在著激烈的競爭。因此，應(yīng)該努力開發(fā)和調(diào)整利用木質(zhì)纖維素的生物資源（農(nóng)業(yè)和林業(yè)殘留物）和開發(fā)專用的能源作物[40-41]。毫無疑問，木質(zhì)纖維素作為原料被利用是最有經(jīng)濟(jì)價(jià)值且最豐富的，然而將纖維素轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖的預(yù)處理工程經(jīng)濟(jì)投入巨大，這一關(guān)鍵技術(shù)的經(jīng)濟(jì)投入是生產(chǎn)競爭中的重要障礙[42]。目前，菊芋被認(rèn)為是新興的生產(chǎn)生物乙醇的能源作物，菊芋塊莖富含菊糖，可以通過使用生物催化劑進(jìn)行水解，然后轉(zhuǎn)化為乙醇，此途徑所生產(chǎn)的乙醇產(chǎn)量相當(dāng)于利用甘蔗和玉米生產(chǎn)乙醇產(chǎn)量的2倍。菊芋的上述特征使得通過以菊芋為底物生產(chǎn)乙醇的優(yōu)勢凸顯[43]，最近菊芋被列為在中國、歐洲和新西蘭最有潛能的能源作物之一[44]。

利用菊芋塊莖生產(chǎn)生物乙醇的路線，一般有以下2種：①分步水解和發(fā)酵（SHF）；②同步糖化和發(fā)酵 （SSF）。

2種菊芋塊莖生產(chǎn)乙醇的途徑見圖3。

圖3 2種菊芋塊莖生產(chǎn)乙醇的途徑

基于SHF途徑的方法中，根據(jù)K.marxianus.Kim和Hamdy試驗(yàn)[45]，菊芋在料液比1∶1（g∶mL）、126℃加酸水解60 min的條件下，發(fā)酵后乙醇產(chǎn)量最高達(dá)到7.6 W/W。通過SHF途徑的方法生產(chǎn)乙醇，報(bào)道的乙醇產(chǎn)量比較高的[46]是Kim和Rhee利用黑曲霉（Aspergillus niger）817和釀酒酵母（S.cerevisiae）1200對菊芋塊莖進(jìn)行一步連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法，此報(bào)道中乙醇產(chǎn)量為55.1 g/（L·h），理論收益率為95%。

2.3.2 菊芋發(fā)酵丁醇

生物丁醇，作為新一代的生物燃料，比乙醇熱值高、揮發(fā)性低，備受關(guān)注。早在許多年前，就有人預(yù)測利用菊芋生產(chǎn)丁醇，而目前此研究也有了進(jìn)展。Sarchami T等人[47]優(yōu)化了菊芋中菊糖的酶法水解工藝并使菊糖轉(zhuǎn)換率最大達(dá)到94.5%，該研究利用分布發(fā)酵法，生產(chǎn)丁醇的產(chǎn)率達(dá)到了9.6 g/L。陳麗杰等人[48]利用丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum）L7發(fā)酵菊芋水解液生產(chǎn)丁醇，結(jié)果顯示丁醇產(chǎn)量達(dá)到11.2 g/L，發(fā)酵液中丁醇、丙酮和乙醇的比例為0.64∶0.29∶0.05。

2.4 乳酸發(fā)酵及其制品

在食品、制藥和化學(xué)工業(yè)中，乳酸的作用和應(yīng)用日益廣泛，同時(shí)在許多化合物的合成中，乳酸也是重要的中間體或者組成部分[49]。菊芋作為生產(chǎn)乳酸的原料，成本更低。同時(shí)利用菊芋也有可能產(chǎn)生多種化學(xué)物質(zhì)[50-52]，如琥珀酸、丁酸、2，3-丁二醇、檸檬酸和山梨糖醇等。

3 結(jié)語

菊芋作為一種可再生非糧能源植物，種植條件相對寬泛，田間管理簡單粗放，不與糧爭地，生物產(chǎn)量高，而且還能改善生態(tài)環(huán)境，是集食用、藥用、飼用和工業(yè)原料于一體的較為理想的經(jīng)濟(jì)作物。大力發(fā)展菊芋產(chǎn)業(yè)，首先要充分利用荒地、鹽堿地等干旱及半干旱土地，形成規(guī)?；N植，從而滿足下游加工的原料供給。其次要選育適合區(qū)域環(huán)境特點(diǎn)的優(yōu)良品種，提高塊莖產(chǎn)量和菊粉含量，進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)價(jià)值。再次，以菊芋全株生物量的綜合利用為目的，研發(fā)并熟化以生物能源、醫(yī)藥化工產(chǎn)品為終端產(chǎn)物的菊糖生物轉(zhuǎn)化技術(shù)，制備不同聚合度和功能的低聚果糖高端產(chǎn)品，分離純化生物活性成分，開發(fā)醬菜、脆片、酵素、糕點(diǎn)等多元化休閑食品，提高莖葉的飼料化資源化利用水平，形成菊芋全株高值化利用的產(chǎn)業(yè)鏈條技術(shù)體系，為菊芋產(chǎn)業(yè)的提質(zhì)增效提供技術(shù)支撐。