菊芋的化學成分、生物活性及其利用研究進展

李玲玉，孫曉晶，郭富金，鄭振佳，*

（1.山東農業大學食品科學與工程學院，山東省高校食品加工技術與質量控制重點實驗室，山東 泰安 271018；2.山東醫學高等專科學校，山東 濟南 250002）

菊芋（Helianthus tuberosus L.）為菊科向日葵屬宿根生草本植物，又名洋姜、鬼子姜、姜不辣[1]，有通便利膽、消腫去濕、和中益胃等功效，還有治療糖尿病和風濕病的潛在價值[2-3]。菊芋原產北美洲，后經歐洲傳入中國，具有豐富的營養成分和極強的生存能力，目前在我國各地均有栽培[4-5]。菊芋地上部分為莖葉和花，地下部分為根和塊莖，各部分中均含有菊糖、酚酸和萜類等多種生物活性成分，具有控制血糖、免疫調節和抗腫瘤等多種作用。目前國內的菊芋主要用于生產醬菜、動物飼料等初級產品和作觀賞用途，少數菊芋開始用于菊粉等產品的生產，極少數菊芋應用于工業生產乙醇等能源物質；國外早在20 世紀中期開始對菊芋能源和活性成分等進行研究，菊芋作為能源植物研究應用工業比較成熟，菊芋活性成分及系列菊芋保健品開發取得一定成果，但仍存在單體化合物不明確、單體及單體間的作用機制和菊芋未能綜合利用等問題。本文對菊芋化學成分、生物活性和應用方面進行總結，為菊芋進一步研究開發提供依據。

1 化學成分

1.1 菊糖

菊糖是菊芋塊莖中的主成分，其中菊芋干物質中約80%為菊糖，鮮塊莖中菊糖含量占15%～18%[6]。菊糖是一種天然大分子線性聚合物，由D-呋喃果糖經β（2→1）糖苷鍵聚合而成，其還原端末端帶有一分子葡萄糖，每個菊糖分子約含30～50 個果糖殘基，可以利用菊糖內切酶進行酶解與純化后的菊糖來制備低聚果糖[7-8]。現代研究表明菊糖具有調節血糖、調節腸道菌群等保健功能，可作為添加劑應用到食品加工中，例如菊糖可作為糖、脂肪和面粉的替代物應用于生產巧克力、奶酪、肉餡、香腸和面條等多種產品。

1.2 脂肪酸

植物脂肪酸可以用于食品，也可以用于油酸、潤滑劑和生物柴油等工業產品的生產。脂肪酸因碳鏈的長短和不飽和鍵的數目不同，所發揮的功能有很大差異，了解原料中脂肪酸的含量和類型是食品研發的前提。研究發現含水量7.6%的菊芋塊根中總脂肪（total lipids，TL）、游離脂類（free lipids，FL）和結合脂類（bound lipids，BL）分別為0.56%、0.39%和0.36%，其中非極性脂類、糖脂類和磷脂類含量分別為結合脂的29.9%、46.9%和23.2%，其中結合脂類中的非極性成分大部分為亞油酸，不飽和脂肪酸含量高達70%[9]。菊芋脂質水解產物為脂肪酸和不皂化物質，脂肪酸含量由高到低分別為塊根＞葉＞莖，其中塊根和葉中脂肪酸主要含C18∶2（十八碳雙不飽和脂肪酸），莖和少量塊莖中主要含C18∶3（十八碳三不飽和脂肪酸），菊芋中含量最多的脂肪酸為C16∶0（十六碳飽和脂肪酸）[10]。

1.3 萜類

菊芋中萜類主要為倍半萜類化合物，具有抗炎、抗腫瘤等多種生物活性，可用于抗腫瘤藥物及多種保健功能食品的開發。Pan 等[11-12]從菊芋中分離得到對映-17-氧代貝殼杉烷-15（16）-烯-19-酸、對映-17-羥基貝殼杉烷-15（16）-烯-19-酸、對映-15β-羥基貝殼杉烷-16（17）-烯-19-羧酸-甲酯、α-蒎烯、莰烯、β-蒎烯、檜烯、檸檬烯、α-古巴烯、α-柏木烯、β-倍半水芹烯、β-甜沒藥烯、α-花側柏烯和芳樟醇等數10 種萜類化合物。袁曉艷等[13-14]從菊芋葉片中分離得到去乙酰基卵美菊素、1α-乙酰氧基-羽狀半裂素、1α-羥基-羽狀半裂素等。Jantaharn 等[15]從菊芋花中分離得到對映-貝殼杉烷-16-烯-19-酸、15-羥基貝殼杉烷-16-烯-19-酸、17-羥基貝殼杉烷-15-烯-19-酸、對映-16β，17-二羥基-貝殼杉烷-19-羧酸、醋酸洛利酯、款冬二醇、款冬二醇-3-O-脂肪酸酯衍生物和16β-羥基-羽扇豆醇-3-O-脂肪酸衍生物等。

1.4 酚酸類

目前我國酚酸類化合物大多從丹參、金銀花等名貴藥材中提取，研究發現非藥材菊芋中同樣富含酚酸類成分。袁曉艷等[16-18]從菊芋葉片分離純化得到3-O-咖啡酰奎寧酸（綠原酸）、咖啡酸、3，5-O-二咖啡酰奎寧酸、3，4-O-二咖啡酰奎寧酸、1，5-O-二咖啡酰奎寧酸、4，5-O-二咖啡酰奎寧酸、3，5-O-二咖啡酰奎寧酸甲酯、P-香豆酰奎寧酸、咖啡酰葡萄糖和阿魏酰奎寧酸等。Tchone 等[19]采用比色法、反相高效液相色譜、液相色譜-質譜和氣相色譜-質譜等多種技術聯用從菊芋中分離鑒定多種酚酸類化合物，主要為沒食子酸、原兒茶酸、龍膽酸、4-羥基苯甲酸、香草酸、丁香酸、3，5-二硝基水楊酸、對香豆酸、阿魏酸、芥子酸、香豆素-3-羧酸、3-羥基肉桂酸、鞣花酸和水楊酸等。

1.5 甾體類

甾體化合物種類多、結構復雜，廣泛分布于動植物中，其中植物甾醇對心臟和降低膽固醇有益，對結腸癌有一定預防作用。現代研究發現菊芋中含有豐富的甾醇，李曉棟[20]從菊芋葉和莖中共分離鑒定出12 個甾體類化合物，分別為β-谷甾醇、5α，8α-表二氧-22β，23β-表-二氧麥角甾-6-烯-3β-醇、5α，8α-表二氧-22α，23α-表二氧麥角甾-6-烯-3β-醇、豆甾醇、（24R）-5α，8α-表二氧麥角甾-6-烯-3β-醇、7α-羥基豆甾醇、（24R）-24-乙基-5α-膽甾烷-3β，5α，6β-三醇、谷甾-5-烯-3β-醇-乙酸酯、7α-羥基谷甾醇、（22E，24R）-5α，8α-表二氧麥角甾-6，9（11），22-三烯-3β-醇、（22E，24R）-5α，8α-表二氧麥角甾-6，22-二烯-3β-醇和 3β，7α-7-甲氧基豆甾-5-烯-3-醇。Hartmann 等[21]對菊芋遠紅外等誘導處理后分離鑒定得到（24R）-24-乙基膽甾醇-5，Z-22-二烯-3β-醇、24-亞甲基-9β，19β-環木菠蘿烯-3β-醇、（24R）-24-甲基膽甾烷-5-烯-3β-醇、9β，19β-環木菠蘿烯-24-烯-3β-醇、（24R）-24-乙基膽甾烷-5-烯-3β-醇等甾體化合物。Jantaharn 等[15]從菊芋花中分離得到豆甾-4-烯-3-酮、3-O-β-吡喃葡萄糖基-谷甾醇和 6′-乙酰基-3-O-β-吡喃葡萄糖基-谷甾醇3 個甾體類化合物。

1.6 黃酮類

菊芋葉片和花中含有豐富的黃酮成分，可對菊芋花和葉片資源活性成分進行開發。袁曉艷等[13，18-19]從菊芋葉片中分離得到 5，8-二羥基-6，7，4′-三甲氧基黃酮、5，8-二羥基-6，7-二甲氧基-2-（3，4-二甲氧基苯）-4-苯并吡喃酮、異鼠李素-O-葡萄糖苷、山奈酚葡萄糖醛酸苷、山奈酚-3-O-葡萄糖苷、兒茶素和表兒茶素。Jantaharn 等[15]從菊芋花中分離得到異甘草素、2，4，2′，4′-四羥基查爾酮、甘草素、針依瓦菊素、槲皮素-7-O-β-葡糖苷、硫黃菊素和硫黃菊素葡糖苷。

1.7 其他

另外，菊芋中還含有豐富的氨基酸、香豆素類和聚乙炔類化合物。TCHONE 等[15，19，22]從菊芋中分離得到6-甲氧基-7-異戊烯氧基香豆素、秦皮甲素、傘形花內酯、7-羥基-6-甲氧基香豆素、4-羥基香豆素和6，7-亞甲二氧基-香豆素等香豆素類化合物。Jantaharn 等[15]從菊芋花中分離得到色素類物質7-羥基色酮。Matsuura等[23]從菊芋葉中首次分離得到了10-β-D-葡萄糖苷-3-羥基-11-十二烷-6，8-二炔酸甲酯、甲基-9-β-D-葡萄糖苷-10-十一烯-5，7-二炔酸甲酯、10-β-D-葡萄糖苷-3-羥基-4，11-十二碳二烯-6，8-二炔酸甲酯和（8Z）10-β-D-葡萄糖苷-8-癸烯-4，6-二炔酸酯 4個聚乙炔衍生物。Kim 等[24]研究表明菊芋中富含賴氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、纈氨酸和亮氨酸7 種必需氨基酸及天冬氨酸、絲氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、胱氨酸、酪氨酸、組氨酸、精氨酸和脯氨酸10 種非必需氨基酸。

2 生物活性

2.1 抗糖尿病作用

菊芋中含有的菊糖具有一定的抗糖尿病效果。Wang 等[25]比較發現，由植物乳桿菌發酵的菊芋（L.plantarum-fermented purple Jerusalem artichoke，LJA）對 α-葡萄糖苷酶抑制活性最好，抑制率達49.34%；另外考察了LJA 對非胰島素依賴型糖尿病動物的功效，結果發現口服LJA 400 mg/kg 組比對照組血糖水平減少42.25%；LJA 組小鼠體內的血清胰島素、高密度脂蛋白和高密度總膽固醇分別增加30 %、38.89 %和13.52%；糖化血紅蛋白和甘油三酯分別減少10.32%和65.27 %。Yang 等[26-27]研究發現菊芋有降低β 細胞凋亡和改善肝臟胰島素敏感性的作用。李季泓等[28]研究菊芋菊糖對鏈脲佐菌素誘導Ⅰ型糖尿病大鼠的作用效果，結果顯示3%菊芋菊糖治療效果最好，在28 d時胰島素表達和體內含量均明顯增加，血糖水平恢復正常，表明菊芋菊糖可應用到Ⅰ型糖尿病的治療研究。黃曉東等[29]考察菊芋多糖對Ⅱ型糖尿病大鼠的作用，發現菊芋多糖可以降低血糖水平，升高血清胰島素，增加細胞內陽性染色顆粒數量以及提高胰島素陽性表達水平。

2.2 抗氧化作用

袁曉艷等[17]研究表明，菊芋乙酸乙酯相抗氧化性效果最好，其中對1，1-二苯基-2-三硝基苯肼（1，1-diphenyl-2picrylhydrazyl，DPPH）自由基、ABTS+自由基和羥自由基的半數清除率（SC50）分別為（11.01±1.43）、（2.54±0.09）和（23.98±1.97）μg/mL。Kim 等[24]研究發現，高靜水壓提取結合酶處理后的產物具有最佳抗氧化性，DPPH 自由基清除率可達（24.93±0.13）%，超氧化物歧化酶類似物（superoxide dismutase-like，SOD-like）活性達（20.14±0.97）%。鄭曉濤等[30]研究發現菊芋葉總黃酮對超氧自由基、羥基自由基和DPPH 自由基的半數抑制率（IC50）分別達 146.7、132.3 μg/mL 和 76.1 μg/mL。

2.3 保肝作用

Okada 等[31]考察了菊芋提取物對高脂飲食大鼠的保肝作用，結果顯示喂養菊芋提取物組與對照組相比，糞便中甘油三酯和總膽固醇升高，大鼠肝臟的甘油三酯、總膽固醇、血糖及血漿天門冬氨酸轉氨酶和丙氨酸氨基轉移酶降低，結果表明菊芋提取物組可以有效改善肝臟的糖耐量和脂肪肝分布不均勻。Kim 等[32]研究鏈脲菌素處理的大鼠發現，菊芋提取物阻止大鼠天門冬氨酸轉移酶、丙氨酸氨基轉移酶、乳酸脫氫酶和γ-谷氨酰轉肽酶的升高，降低肝臟血清中甘油三酯和總膽固醇水平，有利于肝功能的恢復。

2.4 免疫作用

王亞鍇[33]考察了肉雞基礎日糧中添加菊芋提取物，喂養42 天后對其免疫器官影響，結果顯示添加0.4%菊芋粗提物組的法氏囊、胸腺和脾臟指數明顯高于其他組，說明菊芋可以提高免疫性能。Tiengtam 等[34-35]研究菊粉和菊芋對羅非魚的生長影響，試驗表明菊粉和菊芋均可以提高和改善羅非魚的生長速度、存活率和生長狀態，同時可以增加血細胞中血糖、白蛋白、蛋白質、鎂、鐵的含量和紅細胞數目；另外，飼料中添加5 g/k～10 g/kg 菊糖，可以提高羅非魚的免疫力。

2.5 抗腫瘤作用

吳婧等[36]研究發現，菊芋葉中黃酮提取物對瘤株細胞有抑制作用，在200 μg/mL 時菊芋黃酮提取物對人鼻咽癌細胞、人肝癌細胞和人白血病細胞抑制率分別為11.65%、12.56%和16.78%。Jantaharn 等[15]從菊芋花中分離得到萜類、黃酮類、香豆素類和色素物質，其中對映-貝殼杉-16-烯-19-酸、款冬二醇、異甘草素、β-豆甾-4-烯-3-酮和針依瓦菊素等對結腸癌細胞株HCT116 和HT29 有抗增殖活性，其中款冬二醇活性最好，抑制效果與標準控制藥物相當；對映-貝殼杉-16-烯-19-酸和異甘草素具有中等程度抑制性效果，其IC50值小于50 μg/mL；但是款冬二醇和異甘草素對正常Vero 細胞的相當大的細胞毒性（IC50=14.64±1.68 μg/mL 和 18.78±3.28 μg/mL）。

2.6 抑菌作用

劉海偉等[37]比較了石油醚、乙醚、乙酸乙酯和水4種溶劑提取物的抑菌活性，發現菊芋葉乙酸乙酯部分具有很好的抑菌效果，在濃度20 mg/mL 時對番茄早疫菌和番茄灰霉菌已達到完全抑制，對水稻紋枯菌抑菌效果達77.91%。韓睿等[38]比較了丙酮、氯仿、乙醇、乙酸乙酯和石油醚5 種菊芋葉提取物對植物中病原菌的抑制效果，發現丙酮提取效果最好，在25 mg/mL 時辣椒灰霉菌、番茄白霉菌和青霉菌的抑菌率分別為（90.46±0.535）%、（77.17±0.145）%和（60.38±0.401）%。Jantaharn 等[15]發現對映-貝殼杉-16-烯-19-酸和 β-豆甾-4-烯-3-酮對屎腸球菌（E.faecium）抑菌活性一致，其最低抑菌濃度（minimum inhibitory concentration，MIC）范圍為 6.25 μg/mL～12.50 μg/mL，后者還具有抑制結核桿菌的活性，MIC 為 25.00 μg/mL。

3 應用現狀

3.1 菊粉及果糖生產

目前以菊芋為原料生產的菊粉產量和質量僅次于菊苣，是菊粉生產的重要原料。菊粉的提取方法主要有水熱法、超聲波輔助提取、微波輔助提取和酶法提取等，張宏志等[39]以新鮮菊芋為原料，比較了熱水浸提法、酶解法、超聲提取和微波輔助4 種方法，其中熱水浸提前進行微波處理效率最高。安曉東等[40]將新鮮菊芋，用錘片式粉碎機粉碎至10 mm，90 ℃熱水浸提2 遍，菊糖提取率高達98%。李鑫等[41]利用菊芋渣選擇性吸附黑曲霉產的天然菊粉酶，保留較多的菊粉酶活力，進而應用到菊粉生產短鏈低聚果糖，有效的提高了低聚果糖質量濃度，實現了低聚果糖的高效和低成本生產。

3.2 生產檸檬酸

檸檬酸是一種安全無害添加劑，可在嬰幼兒配方食品、輔助食品和濃縮果蔬汁中添加，調節酸度平衡，抑菌防腐，廣泛應用于食品、洗滌產品和醫藥等方面。王凌飛等[42]利用基因工程菌株Y.lipolytica 30 發酵菊粉生產檸檬酸，轉化率可達84 %；該菌株在通氣量5 L/（L·min），轉速300 r/min，溫度28 ℃條件下，發酵14 d，檸檬酸產量達68.3 g/L，殘余總糖為9.16 g/L，殘留還原糖2.14 g/L，經鈣鹽法精制和高效液相色譜分析得純度為96%的檸檬酸。

3.3 生物能源

菊芋是我國優先發展的能源植物之一，開發菊芋資源可以緩解能源緊張問題。19 世紀末期，法國化學家利用菊芋塊莖發酵蒸餾提純得到純酒精；20 世紀90年代以來，國內外學者利用菊芋菊糖生產乙醇，工藝流程主要有兩種，一種是經酶或酸處理，再與酵母或者細菌混合發酵；另一種是直接利用產菊粉酶較高的微生物與釀酒酵母混合發酵[43]。我國發酵菊芋生產研究主要在發酵菌株的篩選和生產工藝上，目前已經有研究投入到工業生產。俞靜等[44]以菊芋原料為底物，利用鷹嘴豆孢克魯維酵母同步糖化與發酵生產乙醇，在5 L 發酵罐中進行發酵，其中接種量為10%，總糖含量為22%，溫度為30 ℃，轉速300 r/min，在密閉條件下發酵144 h，乙醇濃度可達到12.3 %，糖醇轉化率為86.9%，糖利用率達到93.6%。

菊芋作為一種非糧食作物具有很高的菊糖，可被產油微生物利用生產油脂，大多數產油酵母缺乏菊粉酶，微生物油脂的產生需要菊芋水解或者產油酵母與菊芋酶產生菌共同發酵，或者利用基因工程技術在產油酵母中導入菊粉酶基因，實現菊粉的進一步產油[45]。

3.4 生產動物飼料和葉蛋白

菊芋秸稈以及副產物菊芋渣等可用做生產動物飼料。劉海燕等[46]通過對玉米秸稈和菊芋秸稈適量的混合青貯，降低了菊芋秸稈制作青貯飼料的纖維物質含量，提高了非纖維物質含量，增加了消化率和飼喂價值。趙芳芳等[47]發現生產菊糖的副產物-菊芋粕可以用于泌乳奶牛能量飼料的生產，其粗蛋白和粗纖維含量在12%～14%之間，菊芋中無氮浸出物含量較低，產奶凈能、脂肪含量較低，消化率高，按一定比例添加到飼料，不會影響泌乳功能。

葉蛋白是世界上最多的可再生蛋白之一，葉蛋白提取物包括細胞質蛋白、細胞壁結構蛋白和核蛋白等優質蛋白，可直接食用或生產高蛋白食品、食品添加劑和家畜飼料等用途[48]。俞夢妮等[49]以新鮮菊芋葉片為原料，加入提取劑榨汁，經調pH 值、水浴、冷卻、離心和烘干等步驟，得到粗蛋白和葉蛋白，其中最優條件下平均粗蛋白含量可達48.96%，提取率達27.36%以及葉蛋白得率為4.09%。

4 展望

菊芋是一種潛在的多功能植物，可在鹽堿地和灘涂等逆境中生長且產量可觀。目前國內菊芋產品主要為醬菜、調味料等初級產品，另外青海等地區已經開始開發菊芋資源，用來生產菊粉應用于醫藥和食品中。但是就目前國內菊芋資源利用來看，菊芋的主成分菊糖有了初步研究，但是市場上菊粉產品良莠不齊，建立菊粉純度鑒定和聚合度的方法是菊粉質量控制的必要手段；另外菊芋中萜類、黃酮類、酚酸類等次級代謝產物研究較少，存在單體化合物不穩定，具體結構和作用機理不明確等亟待解決的問題；菊芋作為生物能源生產乙醇的研究主要在菊粉酶的篩選方面，并未大量投入工業生產；菊芋葉片也可以用于生產蛋白、黃酮等成分。因此，我們有必要對菊芋具體化學成分、生物活性及機理進行深入研究，為后續菊芋產品開發、保健食品研究、菊芋綜合利用及后續醫藥的應用提供依據。