油莎豆的特性及其开发利用研究进展

曹秭琦，任永峰，2，路战远，2，赵小庆，2

（1.内蒙古大学，内蒙古呼和浩特 010020；2.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古呼和浩特 010031）

油莎豆（Cyperus esculentus）又称油莎果、地下板栗、地下核桃等，是一种抗逆、高产、优质、经济效益和生态效益兼备的作物；其地上部分可作为饲料、绿肥，地下部分可食用、榨油。种植油莎豆还可以防风固沙、培肥地力。油莎豆原产于非洲东北部及地中海沿岸，拥有悠久的栽培历史，公元前8世纪，被阿拉伯人带入欧洲[1]，现广泛分布于非洲、欧洲、亚洲、南美洲以及北美洲。目前，油莎豆种植面积最大的国家是美国，其次是加拿大和西班牙，在埃及、加纳、喀麦隆、俄罗斯等国也有广泛种植。针对油莎豆的研究领域主要涉及食品、医药以及农业领域的高效栽培、高质量育种、营养成分检测和生物柴油制备等[2-9]。

我国最早于20世纪60年代将油莎豆作为解决食用油极度短缺的原料作物从苏联引进，并进行试种，后在20世纪90年代又被农业部列为粮油作物新品种从朝鲜引入，进行栽培推广。目前，黑龙江、吉林、河北、内蒙古、新疆、湖北等省（自治区）均有种植。据不完全统计，到2018年全国油莎豆种植面积达1.46 万hm2，最近几年保持在1.67 万hm2。由于油莎豆较强的抗逆性和生态适应性，在西北、东北、黄淮等土壤沙化较严重地区均有种植，2018年，吉林种植面积约0.47 万hm2、黑龙江种植面积约0.33 万hm2、新疆种植面积约0.20 万hm2、内蒙古种植面积约0.14 万hm2，其他各省零星分布种植面积约0.32 万hm2。油莎豆实际单产一般为4 500～6 000 kg/hm2，年总产量约9 万t。油莎豆种植面积的扩大和相关产业的发展，可为我国沙化土地生态治理、区域农民增收探索新的途径。

1 油莎豆的特征特性

1.1 形态特征

油莎豆属单子叶植物纲莎草目莎草科莎草属，一年生块茎类草本植物。株高在30～120 cm，叶片宽4～8 mm，单叶互生，叶基生、狭窄细长、呈细剑状，表面光滑并附有角质层，具淡褐色叶鞘；花两性，在我国少数植株开花或开花不结果；分蘖能力强，每株可分蘖40～100 个；地下茎呈匍匐状水平斜向生长，根为须根系，根部细长，多呈灰白色，根群发达，因种植条件和品种的不同其根部数量不一，一般有根40～70 条，长度在10～30 cm，末端有膨大的块茎。地下生块茎（油莎豆）大小如花生粒，无硬壳，有圆形、卵形、棒形、月牙形等，块茎长15～25 mm，宽5～10 mm，表面有皮，块茎具有节和鳞片，并带有1～4 个芽点，2 个芽点的块茎居多[10]。

目前，世界上油莎豆主要有黑色、黄色、棕色、红色4 种颜色，较为常见的是黄色和棕色，红色油莎豆只发现于喀麦隆，而黑色油莎豆存在于喀麦隆和加纳[11-13]。COSKUNER 等[14]分析了整粒和磨碎油莎豆的亮度（L*）、红值（a*）和黄值（b*），“L*”代表物体的明亮度，0～100 表示从黑色到白色；“a*”代表物体的红绿色，正值表示红色，负值表示绿色；“b*”代表物体的黄蓝色，正值表示黄色，负值表示蓝色。油莎豆整粒为L*：31.99，a*：7.01，b*：10.89；豆粉为L*：58.78，a*：16.20，b*：16.20。整粒油莎豆的颜色比磨碎的更深（L*、a*和b*值更低）。

1.2 适应性及抗逆性

油莎豆喜光，良好的光照条件可使其生长健壮、光合效率高，有利于促进植株分蘖。同时，油莎豆具有耐干旱瘠薄的特性，可适应大部分土壤类型，在沙质土壤中生长最佳（沙质土壤有利于地下根系及块茎的生长发育，也有利于油莎豆后期的收获），并可改善土壤质量，提高肥力。油莎豆块茎的萌发需要充足的水分，水分不足时会影响发芽，故在生长的前中期不可缺水，后期分蘖叶片遮盖地表可减少水分蒸发，从而保持水土[15]。朱俊岭等[16]对收获后油莎豆品质指标进行了测定，结果表明，随灌水量的增加油莎豆品质呈先上升后降低的趋势。因此，在水资源匮乏的地区，用水3 750 m3/hm2可以满足油莎豆的正常生长需要。油莎豆耐盐碱，适应性广，杨鹭生等[17]沙培试验结果表明，在100 mmol/L NaCl 胁迫下油莎豆的发芽率与对照并无差异。另外，油莎豆种植成本低、易管理、产量高，既可以进行大面积种植，又可以利用小面积闲散零星土地进行间作套种，如与马铃薯、大豆、山桐子等间作套种，也可在茶园、桑园、菜园中间种植，增加收益[18]。研究表明，在山桐子结果前，在林下套种油莎豆，每年增加经济效益约75 000.00 元/hm2，可解决山桐子生长前期经济效益较差的问题[19]。油莎豆的生育期为110～130 d，3—7月初均可播种（5月最佳），日平均气温20 ℃左右时生长最快。

2 油莎豆种植及产量

油莎豆每株产50～200 个块茎，每个块茎重2.0～2.6 g，块茎数为2 000～2 600 个/kg[20]，油莎豆块茎鲜产6 000～10 500 kg/hm2，是优质食用油及食品的原材料；鲜草产量约30 000 kg/hm2，可作为优质饲料饲养牛、羊、猪等家畜；块茎产量为花生的3～4 倍、油菜的5～6 倍。油莎豆综合利用效益可达60 000.00 元/hm2以上，大豆的收益约为22 500.00 元/hm2，向日葵的收益约为30 000.00 元/hm2。由此可见，相比传统油料作物，油莎豆的经济价值较高。

北非尼罗河流域是油莎豆的原产地，我国新疆地区光热条件、气候类型等自然因素与油莎豆的原产地相似，适宜种植油莎豆的区域广阔。2010年，在新疆昌吉市吉木萨尔县首次引种的30 hm2油莎豆，出苗率为95%，产量为15 000 kg/hm2，后期又在喀什、和田等地引种栽培，表现良好。吉林省长春市的农安县、白城市的通榆县已初步形成一套适合油莎豆优质高产栽培技术规程，吉林省油莎豆科研团队成功研制出高效播种机、收获机；在加工方面，已开发出油莎豆啤酒、饼干、豆奶粉等系列产品。

3 油莎豆主要营养成分

陈星等[21]对油莎豆主要营养成分进行检测，结果表明，油莎豆主要营养成分：油脂、碳水化合物、淀粉、蛋白质、水分的含量分别为26.50%、23.35%、23.21%、8.00%和7.00%，有机酸、甾类化合物、萜类等功能性有效成分均被检出。

3.1 油脂

油莎豆中含量最高的营养成分是油脂。油莎豆块茎含油量最高可达36%，出油率为32.5%～38.7%，是花生的2 倍、油菜籽的4 倍[22]。其中，不饱和脂肪酸含量高达60%～90%，不饱和脂肪酸中含量最高的是油酸，可达50%～70%；其次是亚油酸，可达10%～20%。饱和脂肪酸中含量最高的是棕榈酸，可达8%～20%；此外还含有棕榈油酸、硬脂酸、亚麻酸等多种脂肪酸（表1）。师茜等[23]比较了油莎豆油和几种常见食用油的脂肪酸组成，结果表明，油莎豆油是一种天然高油酸食用油，抗氧化性好，不易酸败变质，有与橄榄油媲美的营养价值，并具有降低胆固醇、改善血液循环、提高脑细胞活性等保健作用。

表1 油莎豆油和几种食用植物油的主要脂肪酸成分比较[23] 单位：%

3.2 淀粉

油莎豆淀粉属于慢消化淀粉，具有较高的消化率，其缓慢升高餐后血糖水平的优点有助于预防糖尿病、肥胖等疾病[24]。陈丽娜等[25]采用双波长分光光度法测定得出，油莎豆淀粉中支链淀粉含量为77.43%，直链淀粉含量为13.90%。直链淀粉具有抗润胀性、成膜性强度大、近似纤维的性能，可制成薄膜，且透明度较高；支链淀粉保水能力好，同时具有易糊化、不易老化等特点。于淑艳等[26]对油莎豆淀粉的溶解度、膨胀度、透明度、沉降体积、老化值、冻融稳定性、蓝值、黏度、颗粒性质进行了研究，结果表明，油莎豆淀粉具有典型的二段膨胀过程，属限制型膨胀淀粉，在95 ℃膨胀度最大。油莎豆淀粉冻融稳定性和老化性均优于玉米淀粉，沉降体积小，形成凝胶能力强。冻融稳定性和老化性优良的特性使得油莎豆淀粉可较好地应用于果冻及冷饮食品生产[27]。

3.3 水溶性糖

油莎豆中含有多种糖类。刘雷等[28]探讨了以油莎豆为原料，提取水溶性糖的最佳工艺条件，并通过TLC 鉴定，得到油莎豆水溶性糖的组成为果糖、棉籽糖、蔗糖和葡萄糖。棉籽糖也被称作蜜三糖，是一种功能性三糖，也是双歧杆菌的增殖因子，具有调节肠道菌群、促进益生菌再生、维持肠道正常功能的作用。

3.4 蛋白质

油莎豆中的蛋白质营养价值较全面，是一种优良的蛋白质来源。房芳等[29]对油莎豆蛋白质进行模拟体外消化率的测定与氨基酸成分的分析，得出油莎豆蛋白质的必需氨基酸指数为76%，含有18 种氨基酸（表2），第一限制氨基酸为甲硫氨酸和半胱氨酸。油莎豆蛋白质具有比大豆蛋白质和马铃薯蛋白质更高的氨基酸比值系数分值和必需氨基酸指数，分别为82.41 和93.80（表3），比大豆蛋白质和马铃薯蛋白质具有更高的营养价值。油莎豆具有与鸡蛋接近的营养价值，可以制作成油莎豆豆奶等蛋白质饮料，补充日常需要。

表2 油莎豆蛋白质中氨基酸组成[29] 单位：%

表3 油莎豆蛋白质氨基酸比值系数分值与大豆、马铃薯的比较[29]

3.5 膳食纤维

油莎豆中含有丰富的纤维素。膳食纤维被认为是除了水、蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素、矿物质之外的第七大营养素，具有缓解便秘、降低胆固醇水平、控制体重等功效。于红等[30]研究表明，油莎豆提取后的固体物主要由高达99.80%的不溶性膳食纤维组成。与其他食物中的膳食纤维相比，油莎豆中的膳食纤维具有较高的持水能力、持油能力和较低的吸水率、水吸附能力，分别为8.01、6.92、1.79、0.23 g/g，乳化能力为70.33 mL/100 mL，可作为天然食品添加剂，改善食物口感，提高食品品质。

3.6 矿物质

矿物质是人体不可缺少的一类物质，矿物质与酶结合参与人体代谢调控，成人每日需要钙800～1 000 mg、磷800～1 200 mg、镁200～300 mg，油莎豆富含这类矿物质。EKEANYANWU 等[31]研究表明，油莎豆中含钙100.00 mg/100 g、铁4.12 mg/100 g、钾486.00 mg/100 g、镁94.40 mg/100 g、钠34.30 mg/100 g、磷219.00 mg/100 g。其中，钙、磷是人体骨骼和牙齿发育的主要元素；镁能促进细胞代谢、预防心血管疾病；铁参与各类酶的合成，可以提高人体免疫力。

4 油莎豆的开发利用

4.1 食用

油莎豆块茎部分具有丰富的营养价值，可以作为多种食品的原料。首先，油莎豆以其高含油量（18%～36%）和高出油率（20%～40%）成为食用油的原料。油莎豆油颜色明亮，味道香醇，具有预防心血管疾病、降血脂、抗癌等保健功能，是保健食用油的潜在来源[32]。其次，由于油莎豆淀粉含量高，可以用来制粉，每100 g 热量为1.816×106J，超过大麦粉（1.423 ×106J）和玉米粉（1.485×106J）。因此，油莎豆粉可以代替面粉、米粉等用来制作面条、饼干、糕点等，或者进行酿造[33]。此外，油莎豆羧甲基淀粉糊具有很好的冻融稳定性，因可替代褐藻胶、黄原胶、槐豆胶等价格较高的胶凝剂而广泛使用于果冻及冷饮食品生产[34]。

除了用于食品原料，油莎豆还可以做成各种风味小吃及饮品，如通过加工制成五香油莎豆、怪味油莎豆、椒盐油莎豆等风味休闲食品，从而满足消费者需求。“HORCHATA”是一种不含酒精的乳白色饮料，由油莎豆的块茎与糖、水混合而成，在西班牙有很大的市场需求[35]。在国内，曹凯光[36]研制出了以油莎豆、水、银杏叶提取物、白砂糖、全脂奶粉等制作的银杏叶油莎豆保健乳，品质较佳。

4.2 作为饲料

油莎豆产量高，种植成本低，营养价值较全面，茎叶富含粗脂肪、碳水化合物、粗蛋白质、粗纤维，含量分别为7.6%～9.1%、10.6%、9.8%、19.3%，是优良饲料。油莎豆鲜草可以直接供牛、马、羊等食草动物饲用。用油莎豆干草粉喂猪，可占家养猪每日饲料来源的20%～25%；油莎豆干草粉喂鸡，可占鸡每日饲料来源的4%～6%。将油莎豆榨油后的饼粕喂猪，可占猪每日饲料来源的40%～60%；喂鹅可占每日饲料来源的30%～40%；喂鸡可占每日饲料来源的8%～10%，饲喂效果较好[37]。据美国研究人员报道，用油莎豆干草粉喂养奶牛，牛的产奶量显著增加；在美国南部各州，将猪放牧于油莎豆田，饲养效果良好。油莎豆草还可以作为青贮饲料[38]。

4.3 防风固沙

油莎豆适应性强，耐旱、耐盐碱，地下根系发达，是一种极具潜力的防风固沙先锋植物。研究表明，油莎豆种植当年，将油莎豆根、茎及地下块茎埋入地下，作为培肥土地的营养源，连续种植3年后，可使退化土地的人工物种群落和原生植物群落恢复到较佳状态[39]。据国外报道，一粒油莎豆种子一年内能在3 m2的面积内长出1 900 株新植株，并结出近7 000 粒新块茎[40]。油莎豆生长较快，60 d 左右的生长就可以基本覆盖周围土地，具有防风固沙的作用，可显著改善生态环境。

4.4 天然药物

《新华本草纲要》中记载：油莎豆块茎性辛、甘、温，有疏肝行气、健脾和健胃功效，主治肝郁气滞所致的胁痛、胸闷，脾胃气滞所致的脘腹胀满、胃痛纳呆、脾虚食少、食积停滞、消化不良等症[41]。此外，油莎豆油中所含的菜油甾醇、豆甾醇、β-谷甾醇等都具有一定的药用价值[42]。胡学烟等[43]研究表明，植物甾醇具有类似羟基保泰松和氢化可的松的抗炎作用，可用于杀菌消炎。

4.5 生物柴油

由于传统能源的短缺，世界各国开始调整能源结构，积极寻找传统能源的替代物。与传统的柴油相比，生物柴油作为一种新型能源具有润滑性能好，贮存、运输、使用安全，抗爆性好，燃烧充分等优良性能[44]。欧盟国家率先开展了能源作物的研究[45]。目前，美国、巴西、日本等国都在积极进行能源作物的研究。我国在20世纪末也曾以大豆、油菜等油料作物为研究对象，但因我国人口众多，对食用油的需求量大，国务院在2006年12月和2007年6月分别发布禁令[22]，禁止以大豆、葵花籽、花生等食用油料作物为原料生产生物柴油。因此，油莎豆作为一种产量高、含油量高、适应性强的油料作物，成为能源作物研究的首要对象。通过研究发现，油莎豆油和柴油以体积比100∶100 或300∶100 的比例混合，能产生比单一使用柴油更高的十六烷值和更好的发动机油性能[46]。李国平等[47]研究表明，催化剂用量为油莎豆油质量的0.5%，醇油摩尔比为6∶1，反应温度50 ℃，反应时间4.5 h，在最佳反应条件下，油莎豆生物柴油转化率达94.5%。

5 油莎豆发展面临的问题

油莎豆作为一种集粮、油、牧、饲、药于一体的多功能油料作物，引入我国已有60 余年，目前仍未得到综合、全面发展，主要有以下原因。

5.1 大众认知度低

油莎豆在世界各地广泛分布。在国外，油莎豆早已被开发成饮料、奶粉等婴幼儿、老年保健食品，也作为冰激凌和各种糕点的美味添加剂[48]，被称作上帝的休闲食品[49]。美国航空航天局（NASA）曾对各种太空食品进行评估，结果认为，油莎豆在多项测试指标中表现优异[50]。欧美各国的油莎豆种植、加工技术也较为成熟。但国内油莎豆产业仍处于起步阶段，技术、设备等不是很成熟，市面上相关产品不是很多，大众对油莎豆的了解、关注程度较低；此外，我国油莎豆综合效益与预期差距较大，与传统作物相比优势不显著，很难调动农民种植的积极性，这也成为阻碍油莎豆产业发展的原因之一。如何推广油莎豆及其精加工产品，使其为更多人所接受，成为亟待解决的问题。

5.2 品种良莠不齐

良好的种质资源是油莎豆产量和品质的保证。但是目前只有少数科研单位和企业在培育、筛选优质种质资源，田间种植的油莎豆品种大多选择无性繁殖。我国现有的油莎豆优良品种很少，尤其是油莎豆遗传多样性较差，利用常规杂交的方法培育优良品种比较困难。培育大粒、丰产、含油量高的油莎豆新品种，仍然是需要研究的课题。

5.3 收获效率低，成本高

油莎豆种植管理容易、收获难。由于油莎豆形态不规则，块茎与地下须根连接较紧密、不易分离，清洗去皮效率低，油莎豆机械收获设备质量参差不齐，容易造成油莎豆块茎的破损，因此，人工收获成本较高。油莎豆收获带来的问题难以适应当下快速的产业发展，研发生产性能优良的收获机械是摆在科研人员面前的一大难题。

5.4 综合利用方式简单，深加工滞后

目前，我国油莎豆综合利用方法简单，大部分企业只关注一种或少数几种利用方式，缺乏精加工、深加工的企业，低利用率造成了油莎豆资源的浪费。此外，对于油莎豆所含的各类有效成分分离、提取的技术和设备不成熟，也导致市面上相关产品缺乏，质量参差不齐。

6 油莎豆产业发展前景及展望

6.1 国家对油莎豆产业发展的重视

我国高度重视油莎豆产业的发展，2007年，已将油莎豆油认证为无公害农产品［农业农村部、国家认证认可监督管理委员会公告（第699 号）］。“十一五”期间，科技部首次将油莎豆列入国家科技支撑计划重大项目“农林生物质工程”，开展油莎豆高效培育技术研究，并推动地方政府和企业投入大量资金自主开展油莎豆的研发工作。2012年，油莎豆认证为有机产品（农业农村部、国家认证认可监督管理委员会2012年第2 号公告）。2016年，油莎豆列入农业农村部《全国种植业结构调整规划（2016—2020年）》。科技部农村科技司于2018年底组织专项召开油莎豆产业科技创新会议，以推动该产业规模高效发展[51-52]。

6.2 科研院所、企业加快对油莎豆的研究和开发利用

科研院所和企业加快对油莎豆的研究和开发。2004年湖南天然生物能源有限公司正式引种栽培油莎豆，并将其作为润滑油和生物柴油生产原料进行开发[53]。2009年成立的湖北欧博美生态食品股份有限公司与中国农业科学院油料作物研究所签署协议，引进中油莎1 号，建设10 万t 低温萃取生产线。2014年成立的吉林康达油莎豆科技农业有限公司，开展了油莎豆种植、系列食品加工及植物油生产的综合利用。2020年1月以“生态油源聚力领航”为主题的中国首届油莎豆产业高峰论坛暨中国农业产业化龙头企业协会油莎豆产业发展专业委员会筹备会议在北京召开[54]；同年11月吉林省万龙油莎豆产业发展集团与吉林大学签署校企产学研战略合作协议，助力油莎豆产业全程机械化发展。

6.3 适宜油莎豆种植的土地广阔

我国是世界上沙漠化最严重的国家之一，据《第五次全国荒漠化和沙化状况公报》显示，我国沙漠化土地面积172.12 万km2，约占国土面积17.93%[55]，有明显沙化趋势的土地面积30.03 万km2，占国土面积的3.12%。油莎豆最适宜栽植的土壤类型为沙质土，利用如此广阔的沙漠化土地种植油莎豆，一方面可以提升地力，改善生态环境；另一方面可以增加收益，助力脱贫。

6.4 油莎豆产品需求量较大

目前，我国油料的自给率约为30%，这意味着每年需要进口大量油料满足国内需求。2020年，我国油料净进口量为1.04 亿t，较上一年增加12.80%。大豆净进口量占我国油料净进口量的比例一直在90.00%以上，2020年达到96.50%[56]，因此，我国亟须解决油料生产不足的问题。油莎豆作为含油量高的经济作物有望成为替代大豆的油料作物，此外，在食品、医疗、保健等领域，油莎豆的相关产品具有较大的发展潜力。

7 油莎豆产业发展建议

油莎豆作为一种综合利用价值较高的新型作物，在保障国家粮油供应安全、振兴乡村经济、增加农民收益、提高边际土地资源利用效率等方面都具有重大意义。要解决油莎豆在我国发展的问题，需要从以下几点着手。

7.1 生产种植方面

政府应加大油莎豆这种新型作物的经济、生态价值宣传力度，出台扶持政策和措施，吸引农民自发种植：加强企业与农户合作，推广集中大面积种植油莎豆；提供优质品种及栽培技术，推广机械化采收，提高生产效率；发展租赁式、合同化生产模式，调动农民生产积极性，增加农民收入。

7.2 产业体系方面

产品加工企业应逐步建立与科研院所、种植大户、合作社的联系，实现联合攻关，鉴选和培育高产、优质、抗逆性强的油莎豆品种资源，优化种植管理技术，突破油莎豆机械化采收关键技术瓶颈，提高成果转化和工程化应用效率。另外，加工生产企业应该加强综合化利用探索，改进加工工艺，研发生产设备，加快油莎豆高附加值产品开发和深加工工艺研发，延长和完善产业链，带动油莎豆产业健康快速发展。

7.3 生态效益方面

油莎豆能够有效遏制风沙区土壤自然侵蚀和表层沙土流动，提高沙化退化土地生产力，提升边际土地利用效率，维护和修复风沙区生态系统，是一种理想的防风固沙绿色植物。油莎豆生态价值的发挥，一方面，需要国家的政策支持，如在2019年，国家正式启动实施了国家重点研发计划“北方风沙区油莎豆防风固沙技术研究与示范”项目[57-60]。另一方面，需要鉴选油莎豆优良种质资源，加强油莎豆适沙、耐盐生态适应性机制与调控途径的研究，解析油莎豆抗逆调控机理，挖掘油莎豆优质、抗逆功能基因；选育并扩繁适宜北方沙化土地种植的适沙、抗旱、耐盐油莎豆新品种（系）。此外，还可以加强产品开发与市场培育，发挥企业带动和市场推动作用，从而促进油莎豆产业发展。