張嬌嬌周瑋劉明騫陳曉陽

(1.廣州草木蕃環(huán)境科技有限公司，廣東 廣州 510000；2.華南農業(yè)大學林學與風景園林學院/廣東省木本飼料工程技術研究中心，廣東 廣州 510642；3.華南農業(yè)大學文博館，廣東 廣州 510642)

隨著世界人口的增加以及人們生活水平的提高，人類對肉類和動物蛋白質等畜產品的需求增大，但我國整個飼料資源供求關系呈現精飼料缺乏、蛋白質飼料缺乏、綠色飼料缺乏和總量不足的特征，嚴重制約了我國畜產業(yè)的發(fā)展[1]。面對這種形勢，開發(fā)植物高蛋白飼料迫在眉睫。

豆科植物枝葉中常含有豐富的粗蛋白質等營養(yǎng)物質，可以為畜牧業(yè)提供大量的優(yōu)質飼料。劍豆不僅是高蛋白飼料豆科植物，而且還具有多種用途，本文對劍豆的開發(fā)利用優(yōu)勢和國內外對其開發(fā)利用現狀進行了系統(tǒng)介紹，為劍豆的基礎研究以及在我國的綜合開發(fā)和合理利用提供了參考依據。

1 劍豆及其概況

刀豆屬(Canavalia)為豆科植物，有50余種[2]。其中，劍豆(Canavalia ensiformis)，英文名為Jack bean或Sword bean，為栽培較廣的多年生植物，最早起源于南美洲，現廣泛分布于美國西南部、拉丁美洲、非洲、印度西部等地區(qū)[3]。因形似古代刀劍，故稱劍豆或洋刀豆、海刀豆。

劍豆是直立或攀爬的灌木，葉片呈橢圓形，花序腋生，通常為自花授粉。單株均產豆莢7個，豆莢稍微彎曲，長20～35cm，寬2.5～3.5cm，豆莢中種子的長寬厚約為21～22mm×14～15mm×8～10mm，重量約為1.5g/粒，種子呈白色或象牙色，或淺褐色，種皮光滑而有光澤，種臍狹長，位于中部，一般為褐色或灰色[4]。

2 劍豆開發(fā)利用優(yōu)勢

2.1 劍豆及生長環(huán)境

劍豆適合熱帶亞熱帶氣候，其最適生長環(huán)境是海拔1800m，溫度15～30℃，土壤pH為4.5～8.0。條件合適時可一年四季結莢，收獲多次。劍豆具有耐鹽、耐旱、耐澇的生理特性，能在土壤貧瘠的地區(qū)生長，適應性極強。其根系發(fā)達，可作護坡植物，用于山地的生態(tài)恢復，防止水土流失。劍豆可在林下生長，具有耐陰特性，在免耕種植中作為覆蓋綠肥廣為推廣[5]，其根瘤菌豐富，固氮作用強，可以改良土壤質量。此外，劍豆覆蓋林地能力極強，可有效抑制雜草。

2.2 劍豆的營養(yǎng)價值

2.2.1 富含高蛋白和多種氨基酸

劍豆種子粗蛋白含量高達22.8%～35.3%，葉片中粗蛋白含量15.0%～22.5%，莖粗蛋白含量3.8%～6.6%，整株粗蛋白含量為11.1%～19.2%[3]。無論是種子還是葉片，或是整株，其蛋白含量均高于小麥(8.55%)、大米(7.4%)、牛奶(3.5%)、雞蛋(13.3%)。此外，劍豆的氨基酸種類齊全，不僅含有人體必需的8種氨基酸，而且還含有多種非必需氨基酸，如天冬氨酸、谷氨酸和組氨酸，第一限制氨基酸蛋氨酸和胱氨酸含量則較低。

2.2.2 粗脂肪含量較低

劍豆粗脂肪含量僅有1.6%～12.1%，但富含亞油酸和亞麻酸，不飽和脂肪酸含量超過豌豆、鷹嘴豆和菜豆。

2.2.3 理想的天然膳食纖維

劍豆種皮的粗纖維(4.7%～11.4%)和碳水化合物含量高(45.8%～65.4%)，是一種理想的天然膳食纖維[6]，含油量在10%以上，能量值高達1470～1910kJ，飼料的營養(yǎng)價值超過玉米、蠶豆、豌豆等農作物[7-9]。

2.2.4 礦質元素含量高

劍豆種子富含鈉、鉀、鈣、鎂、磷、銅等礦質元素，礦質元素含量達到美國咨詢中心和美國國家科學院推薦膳食礦質營養(yǎng)的2/3，其中所含鈣與磷的比值與大豆的相近，是礦物元素的良好來源[4]。

2.3 劍豆的應用價值

2.3.1 可應用于醫(yī)學、化學、食品等領域

劍豆種子中含有一些高價值的蛋白質，如已被用作商業(yè)開發(fā)提取的凝集素(ConA，刀豆球蛋白A)和刀豆氨酸，這些蛋白類化合物具有抗癌作用，醫(yī)藥、保健前景廣闊[10]；劍豆毒素和脲酶具有殺蟲、殺菌的作用，可作為生物農藥防治作物蟲害；同時脲酶還可以制成各種酶制劑，可廣泛地應用于臨床醫(yī)學、分析化學、食品工業(yè)，甚至用于電子學研究領域[11]。

2.3.2 可作為乙醇原料

劍豆種子中淀粉含量高，可作為乙醇原料，成熟的豆莢可壓縮成型，用作生物質能源，或生產活性碳[12]。

2.3.3 具有可食用價值

劍豆還可作為蔬菜食用。幼嫩的葉、豆莢和種子煮熟后可以食用。日本常把其幼嫩的豆莢作為蔬菜[11]。

2.3.4 可作為綠肥或是覆草植物

劍豆具有很強的適應能力，可作為綠肥或是覆草植物。

3 劍豆開發(fā)利用現狀

劍豆作為高蛋白食品和飼料植物以及植被和綠肥，在印度、尼日利亞、坦桑尼亞、肯尼亞、美國夏威夷等熱帶、亞熱帶地區(qū)均有栽培。20世紀90年代，美國國家科學院將劍豆認定為熱帶地區(qū)潛在的食物來源[10]，已經在美國中部地區(qū)、南美洲和非洲一些國家種植，主要用作高蛋白飼料。2008年聯合國開發(fā)計劃署將劍豆的開發(fā)利用作為非洲援助項目，以補充非洲國家的糧食和飼料。

與傳統(tǒng)的飼料相比，劍豆生物量大、飼料價值高、成本低、種子營養(yǎng)豐富，但因其含有一些有毒的或是抗營養(yǎng)因子，使其利用率達不到預期效果，甚至產生負面影響。

3.1 劍豆抗營養(yǎng)因子

劍豆中的抗營養(yǎng)因子主要包括伴刀豆球蛋白A(ConA)、刀豆氨酸、多酚、蛋白酶抑制劑、脲酶、刀豆毒素、多巴等。伴刀豆球蛋白A能與消化道粘液上的糖蛋白和糖脂結合，抑制腸道刷狀緣酶的活性，并且阻礙腸道細菌吸附到腸道內壁上，其還與小腸上皮細胞上的專一受體結合，細胞表面結合伴刀豆球蛋白A后，對細胞產生深遠的生理效應，嚴重損害小腸細胞從胃腸道吸收營養(yǎng)物質[13]；刀豆氨酸與副刀豆氨酸是精氨酸與鳥氨酸的類似物，其能夠減少機體糖蛋白合成、抑制堿性磷酸酶活性及RNA的合成。此外，刀豆氨酸能代替精氨酸進入細胞合成有生理缺陷的蛋白質，從而具有良好的抗腫瘤效果；多酚類物質，如單寧，能與鐵離子形成復合物，可將鐵離子轉變?yōu)椴豢杀焕玫蔫F復合物；蛋白酶抑制劑通過和胰蛋白酶及糜蛋白酶形成穩(wěn)定的復合物，以占據酶結合位點的方式使其失活，降低蛋白質的消化效率，并能導致胰腺肥大[14]；脲酶能特異性地催化尿素水解釋放出氨和二氧化碳，脲酶本身無營養(yǎng)意義，其與胰蛋白酶抑制劑的含量接近，遇熱變性失活的程度與蛋白酶抑制劑相似，因此，脲酶活性可作為蛋白酶抑制劑間接估測的指標；刀豆毒素可引起受試動物抽搐甚至死亡，對某些昆蟲的消化系統(tǒng)也具有毒副作用[15]；多巴可以使人或動物產生幻覺、運動困難及胃腸道失調。

3.2 國外對劍豆的開發(fā)利用研究

為了減少或消除劍豆中一些抗營養(yǎng)因子，研究者采用浸泡、擠壓和發(fā)酵等不同的方法對劍豆進行處理，以期將這些負面作用降到最低。A B I Udedibie等[16]研究發(fā)現，將劍豆種子在水中浸泡48～72h后置于96℃水中煮3h，或是粉碎后在高壓下煮15min可以使伴刀豆球蛋白A失活；V S Babar等[10]研究發(fā)現，將劍豆種子放在水中浸泡24h后煮20min并烘干，可以使胰蛋白酶抑制劑失活。此外，近些年利用微生物發(fā)酵的方式對劍豆去毒化也得到了研究者極大的關注。Gabriel[17]利用8種細菌/真菌對劍豆進行發(fā)酵處理，結果發(fā)現，與對照組相比，發(fā)酵處理的劍豆中抗營養(yǎng)因子的含量均顯著降低。

在對劍豆去毒化研究的基礎上，研究者以飼料添加的方式做了大量的喂養(yǎng)試驗。J A Akinlade等[18]將劍豆磨成粉飼養(yǎng)山羊，發(fā)現劍豆具有飼喂養(yǎng)山羊的潛在價值；D I Osuigwe等[19]將劍豆種子用水煮沸，然后烘干并磨成粉添加至鯰魚飼料中，發(fā)現其對鯰魚腸粘膜無影響；B O Esonu等[20]研究發(fā)現，可用添加20%以內的水煮處理過的劍豆粉飼喂已斷奶的兔子；Leon發(fā)現，在反芻動物口糧中添加20%～25%的劍豆種子，對反芻動物的生長無任何影響；Federman于2004年指出，反芻動物胃中的瘤胃微生物可能具備降低劍豆種子中一些抗營養(yǎng)因子的作用。

研究者一致認為，劍豆可以以一定比例添加到各種飼料中。由于劍豆生物量大、成本低、種子產量高等特點，可大幅度降低各種飼料的生產成本，同時增加飼料的整體價值，具有廣闊的開發(fā)前景。

3.3 我國對劍豆的開發(fā)利用研究

目前，國內有關劍豆的研究主要集中于劍豆種子營養(yǎng)成分分析，伴刀豆球蛋白和脲酶的藥理研究，凝集素的滅活及凝集素和尿素酶的提取等領域[13]。劍豆在我國廣東、廣西、四川、云南和湖南等地也有少量的栽培試驗，華南農業(yè)大學于2008年開始有計劃開展劍豆研究工作。現共收集到原產于16個國家的劍豆種質資源29份，其中2009年從廣西、海南等地收集到4份種質資源；2010年從澳大利亞熱帶作物和飼料研究中心(Australian Tropical Crops and Forages Collection，AusTRCF)引進12份種質資源，從巴西引進3份種質資源；2012年從美國農業(yè)部國家植物種質中心(National Plant Germplasm system，NPGS)引進10份種質資源。對所收集的29份種質資源的生長節(jié)律、栽培模式以及遺傳多樣性等進行了研究，試驗結果表明，各種源劍豆在我國南方具有很好的適應性，生長和繁殖情況良好；SRAP分子標記遺傳多樣性分析記表明在物種水平上，劍豆的總遺傳多樣性指數(Ht)為0.2418，種源內遺傳多樣性指數(Hs)為0.0244，基因流為0.0561，說明劍豆不同種源間基因流動非常少；各種源遺傳多樣性分析和分子方差分析表明，劍豆各種源間差異較大，占總差異的92%，種源內差異較小，只占總差異的8%；分子標記結合表型性狀聚類分析結果表明，29個劍豆種源可以分成5個類群，不同的類群具有不同特點，可用于種子采集、林地覆蓋、土壤改良、荒坡水土保持等不同用途；采用R和ASReml-R軟件對劍豆種源試驗進行分析，結果表明，單株結實量的遺傳力屬于中等遺傳水平，單株結實量與生長前期地徑呈極顯著的負遺傳相關關系，與生長前期株高呈極顯著的正遺傳相關關系，前期株高越高，地徑越小，單株結實量也就越大。課題組現正在對劍豆的土壤改良能力和耐酸性、耐重金屬性能力進行評價，為劍豆的的生產利用提供依據。

4 結論

飼料本身就是一大產業(yè)，發(fā)展植物高蛋白飼料，可以有效地拉動當地經濟。劍豆不僅是高蛋白飼料植物，而且還具有多種用途，隨著未來人類對資源多方面的需求，劍豆的潛能會得到進一步開發(fā)。