菊芋的研究现状及开发潜力

乌日娜，朱铁霞，于永奇，高 凯

(内蒙古民族大学农学院，内蒙古 通辽 028043)

菊芋(Helianthustuberosus)为菊科向日葵属植物，又被称为鬼子姜或洋姜，主要分布在北美温带地区，以块茎繁殖为主，对生境要求较低。菊芋块茎中含大量碳水化合物，约占鲜质量的18%～20%，果聚糖含量占碳水化合物的80%左右，也称为菊糖或者菊粉，是生产糖和生物乙醇的优质原料[1-3]。菊芋17世纪从北美引进到欧洲，之后才逐渐被人们所认识，并且在荷兰、西班牙、德国和英国等欧洲国家广泛种植[1]。随着人类对菊芋研究的不断深入，其功能也不断被开发。菊芋茎秆用作薪柴和纸浆生产原料，整株发酵产生沼气[4]和作为生产丙酮-丁醇-乙醇的原料[5]，块茎作为食物生产原材料(如酒精饮料和啤酒)等。由此可见，菊芋是一种多功能植物，具有广泛的开发市场和发展空间。本文通过查阅大量的相关资料，从菊芋的生物生态学特性、经济用途、栽培、乙醇及菊糖生产等方面对菊芋的研究现状及发展前景进行论述，以期为菊芋研究者提供参考。

1 生态学特性

菊芋为多年生草本植物，高1～3 m，有块状的地下茎及纤维状根。茎直立，茎秆多分枝。叶片被毛，叶通常对生。下部叶卵圆形或卵状椭圆形，长10～16 cm，宽3～6 cm，基部宽楔形或者圆形，边缘有粗锯齿，具有离基三出脉，叶脉上有短硬毛；上部叶椭圆形至阔披针形，基部渐狭，下延成短翅状，顶端渐尖，短尾状。花期8-9月，头状花序较大，少数或多数，单生于枝端，有1～2个线披针形的苞叶，直立，粗2～5 cm。总苞片多层，披针形，长14～17 mm、宽2～3 mm，顶端长渐尖，背面被短伏毛，边缘被开展的缘毛；托叶长圆形，长8 mm，背面有肋、上端不等三浅裂。舌状花通常12～20个，舌片黄色，开展，长椭圆形，长1.7～3.0 cm；管状花的花冠呈黄色，长6 cm。瘦果小，楔形，上端有2～4个有毛的锥状扁芒[1-2]。

菊芋生态适应性强，具喜温耐寒、喜湿耐旱、喜肥耐贫瘠以及耐盐碱等特点。有研究表明，光照充足、昼夜温差大的环境条件有利于菊芋块茎膨大，易获得高产[1]。菊芋耐低温的能力主要体现在其块茎繁殖和越冬两个方面。块茎作为菊芋的主要繁殖器官，只要温度达到6～7 ℃，其芽眼就开始萌动，8～10 ℃就可以出苗，菊芋幼苗可以忍耐1～2 ℃低温。也有研究表明，菊芋块茎在-30～-40 ℃条件下， 只要块茎不露出地面即可安全越冬[1,6]。菊芋的抗旱能力也比较强，在其萌发过程中，能利用自身(块茎)的养分和水分完成苗期生长，生长过程中，块茎上长出数条水平根系，根系以块茎为圆心向四周扩散生长以吸收土壤中的养分和水分，为其苗期生长提供充足的养分[2,7]。 有研究表明[1，8]，当根系吸收的水分和养分能够满足植株生长发育需要的时候，其块茎的水分和养分恒定，雨水充足条件下，菊芋地下粗壮的根系和块茎将贮存大量的水分和养分，以待干旱时期向地上运输来缓解干旱给菊芋造成的不良影响。且菊芋茎叶上类似绒毛的组织，可减少水分蒸发，缓解干旱，当干旱严重，菊芋地下块茎中贮藏的养分和水分全部用尽时，其地上部分死亡，而地下块茎来年仍可以萌发长成新的植株。

综上所述，菊芋具有较高的生态适应性，较广的生态幅，能够在恶劣的自然环境条件下生存[8]。我国当前所用的主要能源植物仍以农作物为主[如玉米(Zeamays)、甜菜(Betavulgaris)、大豆(Glycinemax)和油菜(Brassicacampestris)等][9-11]，这些作物的生产对环境条件要求较高，同时也是人类食物的主要来源。这样，在其生产过程中必然会导致和激化“与人争粮、与粮争地”的矛盾。而菊芋则可以利用沙地、盐碱地甚至弃耕地等环境恶劣而无法进行农作物耕种的地域进行生产，这既避免了与粮争地的矛盾，也充分利用了自然环境较差的非农土地。由此可见，从生态适应性上讲菊芋具有作为能源植物的潜力。

2 食用与饲用

块茎作为菊芋的主要食用部分，富含大量的氨基酸、糖类及维生素等人体必需的营养物质。菊芋具有较强的抗病虫害能力，因此，在生长过程中基本不施用杀虫剂和农药等，同时还具有较强耐贫瘠能力，所以肥料的施用量也较少，甚至不用[1]。因此，菊芋几乎不存在肥料和药物的污染，属于天然的绿色食品[12]。通过对菊芋食用性的长期研究，使其成为调料、副食以及饮料等多种食品的加工原材料[13]，但其主要还是被用于功能性用途，如乳品、焙烤制品、涂抹食品、汤和调味品等[14-16]。大量研究表明，菊芋含有大量的菊糖和硒等物质，菊糖降解之后形成的果糖浆被大量保健品用于主要配料，其能促进人体肠道双歧杆菌增殖，具有保健抗癌的功效[17]。菊芋茎秆还可作为马、牛及羊等草食动物的饲料[18]。菊芋生长旺盛季节其地上茎、叶可以直接刈割作为青饲料，但适口性较差。一般情况下，菊芋在秋季粉碎后青贮或者用作干饲料，这样可以减少异味，改善适口性。

3 药用功能

菊芋作为一种多功能植物，其药用价值也不容忽视。菊芋之所以具有药用价值，主要原因之一便是其块茎内含有的大量菊糖。菊糖具有使肠道内的双歧杆菌增殖的功能，对预防肠道感染有一定功效。此外，菊糖还具有控制血脂，降低心血管疾病的危害，降低血氨浓度，促进矿物质的吸收，防治便秘等功效，适宜于糖尿病患者[19-22]。菊糖还可以调节代谢功能、提高脂质代谢率、增强免疫力以及提高矿物质吸收转化。有研究表明，将菊糖加入化妆品，可以有效地抑制脸部和皮肤表面有害细菌的滋生。此外，菊芋所含的低聚糖对各种禽类及畜类也具有同种功效，可被作为饲草料的添加剂使用[23]。

4 能源用途

生物产量是能源植物的重要评价指标之一。有研究表明，菊芋地上干物质产量为6～7 t·hm-2(自然环境条件较差)或20～30 t·hm-2(自然环境条件较好)，其块茎干物质产量在4～6和10～15 t·hm-2[24]。菊芋生长过程中对生境条件的要求较低，适应性强，特别适合在沙地、滩涂、盐碱和弃耕地等农作物无法正常生长的地区种植，并且具有产量高、成本低廉、一次种植多年利用等优点。由此可见，菊芋作为能源植物具有一定的先天优势。

粗纤维和含糖量也是能源植物的重要评价参考指标。菊芋地上茎秆含丰富的纤维素，可以用于发酵进行乙醇生产。此外，菊芋块茎中含有大量的菊粉，占其干物质的 70%～90%[25]。关于菊芋作为能源植物的潜力，有研究分别从生境条件、氮肥施用等方面，通过测定热值、生物产量、灰分含量等指标进行了初步评价[26-27]。菊粉是果糖的聚合物，在各种酶的作用下可以分解为单个果糖，再经过发酵生成乙醇。因此，与粮食和油料作物相比，菊芋具有一定的优势。随着生物燃料的发展，人们对生物原材料的供应问题也越来越重视。在很多国家和地区，菊芋已经成为乙醇生产的主要原材料，并且逐渐受到人们的重视和关注[28-31]。

5 国内外研究现状

国内外关于菊芋的研究主要集中在两个方面，一是对菊芋生境条件的研究，该部分研究主要集中在盐碱地和沙地种植方面；另一方面是利用现代生物技术对菊芋进行深加工，如生产菊粉、乙醇等。从20世纪开始，已经有很多学者对其进行了大量的研究，我国关于菊芋资源的研究相对落后。本文主要从盐碱地、沙地菊芋种植和菊芋生产乙醇、菊粉4个方面来论述菊芋的研究现状。

5.1菊芋盐碱胁迫研究现状 盐碱胁迫是当前菊芋研究的热点问题，学者们从不同角度进行了研究。研究者们对菊芋从苗期到枯黄期均进行了大量研究，为菊芋的研究提供了参考。研究过程中发现，不同浓度的海水对菊芋幼苗有不同抑制或者促进作用[32]。有研究通过利用不同浓度Na2CO3胁迫来研究菊芋的幼苗生长和光合作用变化，发现菊芋耐碱的极限浓度为50.0 mmol·L-1，高浓度(37.5 mmol·L-1)的胁迫显著降低了菊芋幼苗的总鲜质量、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、水分利用效率、叶绿素总量、类胡萝卜素含量及叶片和根的POD活性，显著提高细胞间隙CO2浓度、叶片和根SOD活性以及丙二醛(MDA)含量[33-34]。对菊芋耐盐碱研究过程中，海水灌溉是一个重要的研究课题，通过海水灌溉的研究，发现盐碱胁迫对菊芋株高和地上生物量有一定的抑制作用，而对于根系和块茎生物量却有促进作用[35]。有研究对菊芋在盐碱环境条件下的耕作模式进行了探讨[36]，在进行海水灌溉的研究过程中，还进行了大量的海水和肥料耦合效应的研究[32,37-41]，其结果均进一步证明菊芋对适量海水灌溉具有良好的适应性，在海水中加入肥料效果更为明显。此外，学者们对镁、镉、钠等离子胁迫条件下菊芋的光合作用、离子运转及幼苗的影响也进行了研究[42-45]。

5.2沙地种植菊芋的研究现状 作为多年生植物，菊芋具有植株高大、根系发达等特点。有报道表明，当年生长的菊芋根系可以超过2 m，不同长度根系达到上百条[46]，其中较长的根系可以直接吸收土壤深层的水分。菊芋的根系每年以20倍的速度繁殖，使其具有较强的抗旱能力，且根系可相互连接成片，使其具有强大的保持水土的能力，能够将沙土紧紧固定，以避免沙漠流动[47]，其地上部分也具有防风功能。这些特点都表明菊芋具有强大的防风固沙功能[48]。

虽然菊芋具有强大的防风固沙能力，但是国际上关于沙地种植菊芋的研究却很少，只有我国少数学者进行了零星的研究。孔涛等[7,49]对科尔沁地区风沙地种植菊芋的生态学特性和光合特性进行了探索性的研究，结果表明，在沙地环境下，菊芋块茎干物质积累在第23周达到最大值，平均单株为298.15 g；徐长警等[50]在宁夏地区进行了菊芋的局部引种试验，并对所引不同品种进行了评价，为宁夏地区菊芋品种的选择提供了参考；樊光辉等[51]在柴达木荒漠地区进行了菊芋的栽培试验，得出菊芋在柴达木沙地产业开发中不仅可以起到防风固沙的作用，还能有效地调整柴达木盆地的种植业结构，但在柴达木地区种植菊芋首先应该保证菊芋生长期土壤含水量在10%以上，且以培土栽培为宜。

5.3菊芋生产乙醇的研究现状 目前，菊芋生产乙醇的研究与应用主要集中于发酵用途菌株的筛选和发酵技术及工艺流程两个方面。菊芋生产乙醇的一般过程是对菊芋进行水解或者酶解，之后利用发酵菌株对其进行发酵转化乙醇[52]。关于菌种的筛选，国外早在20世纪80年代就有利用克鲁维酵母直接发酵菊芋抽提物生产乙醇的报道[53-54]。在后来的研究过程中，人们把发酵菌种归为两类，即可直接发酵型和不能直接发酵型[55]。此外，人们还对不同菌种适宜发酵的pH值、温度、发酵时间进行了研究，发现各种菌的pH值均偏酸性，一般范围为3.5～6.0，温度为25～45 ℃[56-60]。

关于菊芋生产乙醇工艺的研究更是人们研究的热点，通过不断的改善生产工艺来提高菊芋生产乙醇过程的转化效率。当前比较大众化的两种生产乙醇工艺是分步水解发酵法和一步水解发酵法[61-62]。分步水解发酵法是先利用酸或者酶将菊粉转化为发酵性糖，再利用发酵菌或者细菌进行发酵。一步发酵法则是通过具有菊粉酶活性的发酵菌种，直接完成发酵并产生乙醇，不存在水解或者糖化的过程，该方法省时、省力、投资少，并且可以减少生产过程中可溶性糖的损失率，还能够防止菊粉降解过程中抑制菊粉酶的产生及其他不利影响[63]。

5.4菊芋菊糖的研究现状 菊糖(Inulin)又名菊粉、土木香粉，是一种集医药、食品和工业等多种功能于一身的优质材料，一直为菊芋研究者所重视。国内外学者从菊芋材料的准备到菊芋菊糖的提取、分离纯化、含量测定、结构分析和生物活性等方面做了大量的工作[64-70]。在菊粉生产过程中，第一步便是菊芋材料的选取，研究中，分别利用鲜芋、冻藏芋和芋片作为原材料进行对比，得出冻藏菊芋最优，因此在加工过程中，可以先将菊芋进行冷冻处理，使用时再进行解冻及相应处理[64]。菊糖浸提分离方法的最佳工艺是利用2.5%的硫酸钠护色30 min，之后100 ℃条件下浸提45 min[64]。人们为了达到节约能源和缩短提取时间的目的，在菊糖提取过程中引进了微波及超声波相关技术，并在长期研究过程中获得了微波提取的最佳工艺技术，达到了提取时间短、提取率高、节能等目的[65]。提取出来的菊糖进行除杂也是非常重要的，生产过程中比较适用的除杂方法为酶解法和熟石灰-磷酸法。其中，中性蛋白酶法效果最佳，但其成本高、工艺复杂、难以控制[66-68]。此外，还有利用纳滤分离技术和电渗析法来进行除杂的相关报道[69-70]。

6 开发潜力

菊芋作为一种多功能植物，具有较宽的生态幅，能够在恶劣的环境中生存，可获得可观的产量，还具有防风固沙、改善生态环境等功能。菊芋作为菊粉和乙醇生产的原材料，从20世纪50年代开始便一直受到人们的关注，且在21世纪成为解决与人争粮和与人争地的主要能源种植作物之一。从经济效益考虑，菊芋是集食用、饲用和工业原材料等功能于一体的优良植物，是一种多功能作物。

综上所述，菊芋具有显著的生态效益、经济效益和广泛的社会效益，因此我们要充分利用耕地、盐碱地和沙地等农作物无法生长的土地进行菊芋种植，大力发展菊粉、菊芋乙醇、菊糖等相关产品的生产加工。今后应该从选育矮株品种、提高块茎生物产量、改善和优化菊芋乙醇及菊粉加工工艺、降低菊芋乙醇生产加工成本及副产品开发加工等方面进行研究，从而提高菊芋经济价值。

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