菊芋多功能开发利用前景分析

吴利晓，秦爱红，王克雄，关耀兵

（宁夏农林科学院固原分院，宁夏 固原 756000）

菊芋（Helianthus tuberosusL.）是菊科向日葵属多年生草本植物[1]，原产于北美洲，于17世纪经欧洲传入我国，故又称“洋姜”或“鬼子姜”[2]。其茎秆直立，株高可达2～3 m，具有抗逆性强（抗盐碱、抗旱、抗寒）、适应性广、生物量大和能源化利用方式多样等特点，另外还具有较好的防风固沙作用[3]。其种植范围十分广泛，主要分布在山东、青海、河南、河北、山西、黑龙江、江苏、四川、宁夏、内蒙和新疆等18个省。同时，菊芋被称为“能够有效解决我国能源物质种植过程中与粮争地、与人争地矛盾的非粮能源植物之一”[4]，研究其潜在的应用价值，对我国菊芋产业的发展具有指导意义。本文通过总结菊芋茎叶和地下块茎的营养价值，进而提出其多功能利用的潜在应用价值，助力实现从单一功能到多功能的利用，以期为菊芋产业的发展提供参考。

1 菊芋营养价值分析

1.1 菊芋茎叶的营养价值分析

菊芋秸秆中含有18种氨基酸[5]，叶片中蛋白氨基酸种类齐全，各种氨基酸含量比例协调，总氨基酸含量为42.07%，必需氨基酸占总氨基酸含量的40.55%，必需氨基酸与非必需氨基酸的比值为0.68[6]。同紫花苜蓿、黑麦草和玉米秸秆典型养分（干基）等粗饲料对比，菊芋茎叶主要具有粗蛋白质及Ca、P等矿物质元素含量高，粗纤维含量适中，粗脂肪含量丰富，泌乳净能（NEL）5大突出优势[7]。陈荣等[8]研究表明，菊芋茎叶青贮后可溶性糖含量为25.70 mg/g左右，其中，主茎可溶性糖含量最高（69.7 mg/g），侧枝其次（27.9 mg/g），叶片的可溶性糖含量最低，为10.4 mg/g；同青贮苜蓿相比，青贮菊芋的中性洗涤纤维（NDF）和酸性洗涤纤维（ADF）的含量高，粗脂肪（EE）、粗蛋白质（CP）、粗灰分（Ash）、干物质（DM）含量低；青贮氨态氮（NH3-N）、乙酸、丙酸、异丁酸、异戊酸和戊酸含量均低；在色泽、气味和质地指标方面，青贮菊芋茎叶也属于较好的饲料。

1.2 菊芋块茎的营养价值分析

菊芋从颜色上可分为白菊芋和紫菊芋2种，白菊芋肉白、块大、产量高，紫菊芋外皮紫红色、肉白、块小。菊粉含量占块茎干质量的70%～80%[9]，菊粉中主要成分是菊糖。菊芋（非盐水中煮）营养成分如表1所示，块茎中富含对人体有益的矿物质元素，少量黄酮和维生素；含有16种氨基酸，其中包括13种人体必需氨基酸[10-11]，较菊苣和马铃薯高几倍[12]；脂肪含量极低或不含，菊芋块茎耐贮存，具有很高的营养价值。

表1 菊芋（非盐水中煮）营养成分含量

2 菊芋的多功能应用前景分析

菊芋功能多样，应用前景广泛，在资源开发利用方面还有很大的潜力有待开发。例如，宁南山区山地较多、降雨量少，导致高产耕地较少；封山禁牧后，发展养殖业面临饲料匮乏的局面，乡村振兴和移民迁出区面临生态修复等紧迫问题，当地选择菊芋和其他作物种植，助力实现“生态美、产业兴、百姓富”的目标。菊芋在种植业、畜牧业、医药业和工业等多个领域具有多种潜在挖掘价值，而且具有多种产业链联合开发利用价值（图1）。政府应重视引导，唤醒更多企业进行投资，不断延长菊芋产业链，拉动地方经济发展，以“小菊芋大产业”助力乡村振兴。

图1 菊芋多功能开发利用途径

2.1 生态保护利用

近些年来，随着政府对生态环境保护与建设工作的不断推进，生态安全广泛深入人心，走一条资源开发与环境保护的协调发展之路是未来农业建设与发展的必由之路。种植菊芋不但可使盐碱地向着农用耕地转变[13]，还具有生态修复的作用[14]，成为应用于生态治理的有效途径[15-16]。菊芋本身具有发达的根系，抗寒、抗旱、耐盐碱、耐瘠薄，适应性强，花期较长，具有一定的园林观赏性，筛选出适应性更强、花色艳丽、花期更长等观赏性菊芋，在花卉研发和生态环境保护方面都具有重要意义。菊芋块茎在－25～－40 ℃的冻土层中可安全越冬，幼苗也能耐1～2 ℃低温[17]，在我国西北干旱缺水地区荒漠化治理已有一定研究基础[18-20]，同时在我国高寒地区也被广泛种植，如青海省（平均海拔2 900 m）的种植面积已经超过1 333 hm2[21]。2022年，宁夏宁苗生态建设股份有限公司助力泾源县燕家山移民迁出区生态修复中选用了彩叶树种——梦幻杨、菊芋、六盘山耐寒百合等植物，历经半年时间实现了燕家山的“生态美”的移民区生态修复，取得了显著成效。

2.2 饲草化开发利用

菊芋最早在美国、德国、法国和瑞典被作为饲料而广泛推广[22]，被称为21世纪人畜共用作物[23]。菊芋秸秆是一种产量高、营养价值丰富和适口性好[24-25]的优质粗饲料，地上部茎叶可直接割取用来制作青贮饲料，也可在秋冬季粉碎后制作干饲料[26]，以干物质计算，其营养价值接近玉米，整株可作为动物优质饲料的原料或饲料添加剂使用[4]，在饲养兔、猪、牛、羊、驴、马等动物方面，饲养价值高于马铃薯、向日葵的基叶[27]，同燕麦、大麦和豆科牧草的青贮饲料相近。菊芋在不同生育期营养物质含量有所不同，从植株现蕾期到成熟期纤维素含量、粗脂肪含量不断增加，蛋白质含量呈下降趋势[28]，选取开花期进行刈割，制作的青贮饲料品质最佳。通过添加适量菊芋秸秆混贮玉米秸秆，可提高玉米青贮饲料品质[29]。菊芋中富含黄酮类化合物、倍半萜、酚酸、氨基酸和多糖等多种生物活性物质，可开发出具有抗炎、抗氧化作用的畜牧抗生素有效替代品，为新型饲料资源的开发提供了新路径。

菊芋饲草化开发利用具有诸多优点，一是受土地、土壤等环境条件制约少，一般山坡、道路两旁绿化带、狭窄地块（地头）等均可种植；二是管理简单和种植成本低、附加值高，菊芋属于多年生植物，1年种植可多年收获，投入成本低，地上部开发成饲料，地下块茎还可作菜用或其他用处；三是菊芋秸秆营养价值高于一般粗饲料，单独开发成饲料，亦或跟玉米一起青贮还有提高青贮玉米饲料品质的作用；四是菊芋饲草产量高，在青贮或黄贮饲料等开发方面潜力较大。而我国对菊芋饲料开发较晚，直到2019年，才首次纳入中国饲料数据库[7]。我国耕地面积少，加之环境保护的压力，好多地方禁牧，畜牧业发展面临着饲料短缺的严峻考验，而筛选出耐盐、耐寒、耐贫瘠、耐干旱和高产优质饲料的专用菊芋品种，有利于缓解我国优质粗饲料资源短缺的现状，进而促进畜牧养殖业的发展。

2.3 蔬菜化开发利用

菊芋地下块茎通常作为蔬菜食用，脆嫩适口，营养价值高，且1年种植多年连续收获[30]；菊芋块茎一般667 m2产量在3 000～3 300 kg[7]，青海省种植面积近1 333.3 hm2，单个最大块茎在250 g以上[31]，菊芋地下块茎富含淀粉、菊糖等果糖多聚物，食用方式多样，有少量喜爱鲜食人群，多数为煮食或熬粥、腌制咸菜、制作酱菜或泡菜、晒制菊芋干等[32]，生产成本低，工艺简单，但目前直接食用消费量不大，多为家庭或小企业生产。菊芋块茎经过脱皮、干燥、粉碎等程序后制作成菊粉，通过混合其他淀粉类制作成菊芋面条（面粉添加菊粉制作而成，如网上销售的云阳面等）、饼干[33]和米糕[34]等，利用方式日益增多。

2.4 药用价值和医疗保健功能开发利用

菊芋地下块茎是目前我国菊糖提取的主要原材料，其富含的黄酮类化合物、酚酸、倍半萜、多糖和氨基酸等具有抗炎、抗氧化作用，可以作为畜牧抗生素的有效替代品；菊粉中含有可溶性膳食纤维，有促进钙吸收、降血脂和调节血糖的作用，对人体健康长寿具有重要作用。菊芋茎叶中含有较为丰富的绿原酸[35]；绿原酸被称为“植物黄金”[36]，具有抗菌、抗病毒、清除自由基、抗衰老、抗肌肉骨骼老化、抑制突变和抗肿瘤、保护心血管、降压和抗氧化等多种功能，已被食品、医疗、保健、化妆品等多种行业广泛应用；同时，其叶片中含有绿原酸的其他同分异构体、黄酮类和倍半萜内酯类等多种天然生物活性物质，经济应用前景良好[37]。在医疗保健开发方面，可制作成菊芋花与山楂保健茶、菊芋牛蒡保健茶[38]、人参菊芋复合饮料[39-40]和菊芋苦荞山药复合功能膏[41]等。菊芋药用保健价值受到越来越多科研人员的特别关注，市场挖掘潜力巨大。

2.5 工业中的应用

在工业应用方面，以生产菊粉系列产品和理想糖源被越来越多的人所接受，在菊芋块茎利用中，杨梅等[42]、袁文杰等[43]提出利用菊芋块茎生产燃料乙醇，并建立了一系列的生产工艺，制作生物乙醇取代化石燃料，因此，被称为最有潜能的能源作物之一。菊芋叶浸提液对根结线虫病害有较好的防治效果，可以作为防治番茄根结线虫病害的植物源制剂[44]。非粮能源植物菊芋可开发的工业产品很多，但目前较为成熟的产品仅限于乙醇、菊粉或菊糖之类，还远远不够，大力开发菊芋的工业化应用技术，对加快菊芋生物资源的开发利用具有重要意义[45]。目前，2021年固原地区菊芋块茎加工厂收购价格为900元/t左右，种植菊芋667m2收益在2 700～2 970元，且较一般作物管理简单，投入成本低。

2.6 畜牧业生产中的应用

饲草生产是国家食物安全与生态安全的重要保障[46]，饲料作物和牧草为现代畜牧业提供了优质蛋白和活性物质营养，在某种程度上讲，饲草也是一种粮食，寻找一种安全、高效、环境友好型饲草对我国畜牧业的发展尤为重要。随着青贮饲料制作技术的日趋完善[47]，青贮饲料已经成为反刍动物的基础性饲料[48]。菊芋块茎是动物饲料的优质添加剂，块茎中含量较多的菊糖作为一种可溶性膳食纤维，能够为单胃及幼龄反刍动物胃肠道中的双歧杆菌等益生菌生长提供能源，并能降低肠道的pH值，抑制病原微生物（沙门氏菌、大肠杆菌及艰难梭菌）等增殖[49]。用风干的菊芋茎叶，部分代替苜蓿干草30%的干物质饲喂绵羊，绵羊消化率和代谢能未受影响[50]。菊芋直接饲用效果不佳，青贮后的菊芋饲料具有味道酸香，适口性好，增加动物食欲和重量，消化率高等特点[51]。杨立杰等[52]发现，饲养奶牛日粮添加10%的菊芋青贮茎秆3周，使奶牛乳成分中的乳脂率提高7.7%，提高了奶牛血清中的谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）活性和超氧化物歧化酶（SOD）活性，改善了奶牛血清和乳汁的抗氧化能力。何春红等[53]在菊芋块茎饲喂仔猪的试验中发现，菊芋块茎能显著提高仔猪血液中铁离子、血红蛋白水平，对治疗仔猪贫血具有较好的效果。尽管菊芋饲料科学研究方面有所提高，并且菊芋中含有作为药饲同源的饲料原料，但多数地方尚未形成饲草利用的产业化，在推广和利用方面还有一段很长的路要走。

3 展望

目前，菊芋资源开发利用势头强劲，从田间地头到房前屋后，从最初的观赏到新鲜蔬菜和优质饲料，再到能源作物、膳食纤维、叶原酸提取、功能性饮料开发[54]等，功能性不断扩大，发展潜力和拓展空间越来越大。在菊芋的种植和推广方面，应注重发挥企业的带动作用，走出一条“生产—加工”高质量发展之路，并不断完善循环产业链；同时，还要不断提高科研水平，把菊芋多功能性和品种专一性有效结合，培育更多有针对性的专一品种，才能更好地发挥菊芋的多功能性。例如，培育高叶原酸菊芋品种可大幅度提高叶原酸的提炼效率，种植块茎集中高产的菊芋品种可有效提高菊芋块茎产量等。

通常，市场需求是推动菊芋种植的有效动力，确保菊芋种植收益是提高农民种植的关键，如早年固原市隆德县有菊粉加工厂时，菊芋种植面积连年扩大，一旦工厂倒闭，菊芋种植面积迅速减少，此种现象在农业推广方面数不胜数。菊芋的多功能开发也不能盲目过热，首先应符合当地政策，选择菊芋合适的功能开发。其次，选择适宜当地产业的菊芋品种，避免盲目种植，不同的菊芋品种差异较大，建议选择块茎集中、产量高的菊芋品种，方便机械化收获；也有块茎小、分布较为分散的品种，较为适用生态修复或保护。最后，菊芋产业应走“产—学—研”结合的道路，而创新是激活产业活力的关键，更需要政府的投入、学校、科研院所和企业多方面的共同努力，并充分利用当地自然条件优势，因地制宜地利用菊芋的多功能性中的某一或某几个优势特色发展生产，逐渐带动其他功能的开发利用，不断提高经济社会效益。