野茉莉屬8個油料樹種燃料特性的比較分析

吳岐奎, 費馨冉, 高 燕，陳 晨，曹媛媛，喻方圓

(1.南京林業(yè)大學 林學院，南方現代林業(yè)協同創(chuàng)新中心，南京210037； 2.煙臺市昆崳山林場，山東 煙臺264112)

隨著化石資源的日趨枯竭以及環(huán)境污染的日益加重，當前社會能源供給形勢十分緊張。開發(fā)可替代、可再生清潔能源成為應對全球能源危機的緊迫任務，其中開發(fā)生物質能源是解決方向之一[1-2]。生物柴油是各類動植物油脂經過酯交換反應形成的可供內燃機使用的一種燃料(通常為脂肪酸甲酯或乙酯)，具有來源廣泛、可再生、可生物降解以及潤滑性能高、儲存運輸更為安全等優(yōu)勢[3]。結合我國國情，篩選出分布廣、性狀優(yōu)良、含油率高、適合荒山和荒地生長的非糧柴油植物，已經成為我國生物柴油產業(yè)發(fā)展的重點[4]。

野茉莉屬(Styraxspp.)為野茉莉科落葉喬木或灌木，我國約有30種，主要分布在長江流域以南各省區(qū)，少數分布在東北或西北地區(qū)[5]。部分物種的油中含有豐富的脂肪酸，特別是不飽和脂肪酸，是潛在的非糧柴油植物[6-7]。但是除東京野茉莉外[8-11]，有關野茉莉屬其他物種還沒開展過相關研究。為此，本研究收集野茉莉屬中具有一定產業(yè)應用潛能的8個油料樹種作為研究對象，分析其種子含油率、油脂脂肪酸組成以及相關生物柴油燃料特性，對其進行評價，為合理開發(fā)利用非糧柴油植物提供一定的基礎依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選擇三年生的白花龍(S.faberiPerk. var. faberi)、楚雄野茉莉(S.limprichtiiLingelsh. et Broza)、垂珠花(S.dasyanthaPerk.)、大花野茉莉(S.grandifloraGriff.)、東京野茉莉(S.tonkinensis(Pierre) Craid ex Hartw)、毛萼野茉莉(S.japonicus Sieb. et Zucc. var. calycothrixGilg)、野茉莉(S.japonicusSieb. et Zucc. var. japonicus)、玉玲花(S.obassiaSieb. et Zucc)8個樹種為研究對象，每個樹種選取5株長勢較好的植株作為采種樹。待果實完全成熟后，在每株樹的東西南北4個方位均勻采樣，收集8個樹種果實，帶回實驗室，去掉種殼，并室溫干燥。

石油醚(30～60℃)，苯，KOH，甲醇。索式提取器等。

1.2 試驗方法

1.2.1 形態(tài)指標測定

對8個樹種種子的種長、種寬、千粒重等指標進行測定。

1.2.2 含油率測定及油脂理化性質分析

將室溫干燥的種仁放入干燥瓶中，然后放入60℃烘箱烘10 h后稱量。參照GB/T 5512—2008中的索氏提取法進行含油率測定；參照GB/T 5532—2008中的氯化碘乙酸法進行碘值的測定；參照GB/T 5534—2008中的氫氧化鉀乙醇法進行皂化值的測定。各指標測定進行3次重復試驗并取平均值。

1.2.3 脂肪酸組成分析及脂肪酸甲酯理化性質分析

脂肪酸經甲酯化后，采用TRACE DSQ(美國Thermo Fisher Scientific公司)進行脂肪酸組成分析[9]，通過面積歸一化法求出各脂肪酸的相對含量并進行定性分析。采用模擬模型法估算脂肪酸甲酯的主要指標，包括運動黏度、十六烷值、密度、冷濾點和高熱值。脂肪酸甲酯的運動黏度和十六烷值根據各組分的質量分數模擬獲得[12-13]，密度根據運動黏度計算獲得[14]，冷濾點根據Maria建立的基于生物柴油長鏈飽和指數(LCSF)的預測模型計算獲得[15]，高熱值根據皂化值和碘值計算獲得[16]。

1.2.4 數據處理

采用Excel 2010進行數據整理，圖表繪制由Excel 2010完成；主成分分析及系統聚類分析由SAS 9.3完成。

2 結果與討論

2.1 8個樹種種子形態(tài)指標分析(見表1)

表1 8個樹種種子形態(tài)指標

由表1可知，8個樹種的種長分布在7.79～11.97 mm之間，平均種長為10.01 mm；種寬分布在5.64～8.94 mm之間，平均種寬為6.75 mm；種子千粒重分布在964.7～3 333.20 g之間，平均千粒重為1 885.07 g。

2.2 8個樹種種仁含油率、油脂理化性質及脂肪酸組成(見表2、表3)

由表2可知，8個樹種的種仁均具有較高的含油率(≥20%)，含油率最低的為楚雄野茉莉，其種仁含油率為22.24%；含油率最高的為東京野茉莉，其種仁含油率為54.86%。8個樹種中的6個樹種含油率超過40%，高于目前國內其他油料植物，如黃連木(35.1%)、麻瘋樹(39.8%)、烏桕(42.1%)、油桐(40.0%)等[17-20]。這與林鐸清等[21]的研究結果一致，同時種仁含油率與樟科、蕓香科、大戟科及胡桃科等富油科相近[6]。

8個樹種的油脂碘值(I)和皂化值(KOH)分別為114.16～124.34 g/100 g和159.89～168.98 mg/g。我國對于柴油原料油脂酸價、皂化值和碘值沒有明確的質量指標要求，除白花龍和東京野茉莉油脂的碘值(I)略高于120 g/100 g外，其余6個樹種油脂碘值均達到德國生物柴油關于碘值(I)的質量指標(<120 g/100 g)。

不同油料的油脂脂肪酸組成不同，具有不同的燃料特性及用途[22]。由表3可知，8個樹種油脂脂肪酸碳鏈長度介于C14～C20的含量均超過95%，且未檢測到雙鍵數大于等于3的多不飽和脂肪酸。8個樹種油脂脂肪酸組成含量較為相似，主要為油酸(C18∶1)和亞油酸(C18∶2)，兩者的總含量為77.74%～83.95%。因此，根據相關脂肪酸組成的初步評價標準[19-20]，本研究中8個樹種均適合用于開發(fā)非糧柴油植物。

表2 8個樹種種仁含油率及油脂理化性質

表3 8個樹種油脂脂肪酸組成及含量 %

2.3 8個樹種油脂脂肪酸甲酯的理化性質(見表4)

表4 8個樹種油脂脂肪酸甲酯理化性質

由表4可知，8個樹種油脂脂肪酸甲酯的運動黏度介于3.55～3.60 mm2/s之間，平均值為3.58 mm2/s；十六烷值介于48.87～50.73之間，平均值為49.98；密度介于862.88～864.58 kg/m3之間，平均值為863.80 kg/m3；高熱值介于40.67～41.10 kJ/g之間，平均值為40.88 kJ/g；冷濾點介于-6.70～-1.54℃之間，平均值為-4.24℃。其中，運動黏度、密度、高熱值及冷濾點符合歐盟(EN 14214)、德國(DIN V 51606)、美國(ASTM D6751)及我國(GB/T 20828—2007)相關要求，十六烷值符合德國、美國及我國相關要求[23]。因此，本研究中的8個樹種均可作為我國非糧柴油植物的初步篩選樹種。

2.4 8個樹種燃料特性的主成分分析及聚類分析(見圖1、圖2)

根據種子形態(tài)、含油率以及柴油特性等指標，通過SAS對8個油料樹種進行主成分分析發(fā)現，第一主成分特征值為3.30，其貢獻率為47.08%；第二主成分特征值為1.56，其貢獻率為22.21%，前兩個主成分累計貢獻率達69.29%，可以有效地描述8個樹種燃料特性各項指標信息。由圖1可知，將8個樹種劃分為3類：I類包含2個種質，即白花龍和東京野茉莉；II類包含3個種質，即垂珠花、大花野茉莉和毛萼野茉莉；III類包含3個種質，即楚雄野茉莉、玉玲花和野茉莉。由圖2可知，在歐式距離0.8時，聚類分析結果與主成分分析結果一致。其中，I類種質為中型、富油種子，II類種質為小型、較富油種子，III類種質為大型、少油種子。

圖1 8個樹種基于種子柴油特性的主成分分析

圖2 8個樹種基于種子柴油特性的聚類分析

3 結 論

本研究對野茉莉屬8個油料樹種的含油率、油脂脂肪酸組成及理化性質進行測定，并通過模型模擬法預估其燃料特性。結果表明：8個油料樹種均符合生物柴油標準，可作為我國非糧柴油植物的初步篩選樹種。