烏桕高效栽培與油脂提取技術研究進展

李林鑫，陶長鑄，鄒秉章，吳鵬飛

(1.福建農林大學林學院，福建 福州 350002； 2.福建省上杭白砂國有林場，福建 上杭 364205)

烏桕(Sapiumsebiferum)為大戟科(Euphorbiaceae)烏桕屬(Sapium)落葉喬木，是我國廣泛分布的原生樹種，西起云南，北至秦嶺、淮河，南達兩廣，東至沿海等地[1]。在國外，烏桕分布已擴展到東至日本，南至中印半島及印度北部。美國于18世紀在喬治亞州引進種植，隨后引入佛羅里達州，現已在美國廣泛分布[2]。烏桕利用價值高，籽可提取皮油和梓油，含油量約為種子干重的50%，總出油率可達41%以上[3]。李星霖等[4]調查發現在滬蘇皖地區烏桕含油量在30%～50%之間。向珊珊等[5]從美國采集18個烏桕家系種子中，有55.6%的種子含油量達到40%。與麻瘋樹(Jatrophacurcas)和續隨子(Euphorbialathyris)相比，烏桕與前二者所提取的油脂豐度、產量均大于97.5%、84.0%[6]。經測定，提取的油脂中含有棕櫚酸、硬脂酸等多種氨基酸，可用于制造肥皂、蠟紙、化妝品、潤滑油、高級噴漆和生產生物柴油[7]。此外，烏桕葉、根、皮可入藥，具有清熱解毒作用[8]。其木材堅硬致密、紋理清晰，是用作板材、建筑的良好用材。同時，烏桕也是一種彩葉綠化樹種，用作園林栽植。作為我國亞熱帶重要油料樹種，烏桕具有生長迅速、生命周期長、病蟲害少和對環境適應性強的特點，是開發利用的主要生物質能源樹種[1]。

然而，目前生產上大規模栽植技術水平仍有待提高，特別是烏桕優質油脂產品工藝提煉技術復雜，對其實現高效利用造成一定阻礙。因此，本文圍繞開發高品質、多功能木本植物油脂產品這一林業戰略目標，在深入剖析可再生能源的重要性，以及烏桕對全球能源危機問題貢獻水平的基礎上，提出發展烏桕生物質能源的重要意義，并從烏桕優良種源選擇、繁殖培育、高效栽培以及工藝加工技術方面進行分析總結，以期為烏桕油脂生產利用提供參考。

1 發展烏桕生物質能源的重要意義

1.1 可再生能源的重要性

能源問題一直是當今世界關注的熱點之一，21世紀能源需求量預計將達到158～179 ZJ，而地球上煤和石油儲量總共只有105 ZJ，導致以化石能源等不可再生能源為核心的能源危機日趨嚴重[9-10]。同時，化石能源使用產生大量人為溫室氣體，加劇氣候變化和環境污染[11]。為緩解嚴峻的能源危機和減少環境污染，各國已致力于開發清潔無污染的可再生能源。

由國際能源署公布的數據(圖1)可以看出，2019年世界可再生能源新增量為1.91億kW，2020年為1.98億kW，相比2019年增加3.6%；2021年為2.19億kW，相比2020年增加10.6%，總體上呈逐年遞增態勢。中國作為能源消耗大國，2021年可再生能源新增量82 GW，相比2020年有所減少，但仍居世界首位；歐洲聯盟區域、美國和印度是僅次于中國可再生能源新增量的大國(區域)。除此之外，世界上其它國家2021年可再生能源新增量為62 GW。可見，未來可再生能源仍是全球能源消耗的主要來源。

圖1 2019—2021年按國家/區域劃分的可再生能源新增量

1.2 木本油料樹種烏桕對全球能源危機問題的貢獻

可再生能源包括風能、太陽能、潮汐能、生物質能等[12]。其中，生物質能是植物通過光合作用將太陽能以化學能形式固定在生物質中，是一種可再生的綠色生物能源[13-14]。林業生物質能是生物質能重要組成部分，與其它生物質能原料相比具有不占耕地、多年受益、來源豐富的特點[15]。我國植物種類繁多，木本油料能源樹種就有400多種，其中果實含油量15%～60%的有200多種，50%～60%的有50多種，如：烏桕、油茶(Camelliaoleifera)、油桐(Verniciafordii)、油棕(Elaeisguineensis)、胡桃(Juglansregia)、黃連木(Pistaciachinensis)等[16]。主要是夾竹桃科(Apocynaceae)、大戟科(Euphorbiaceae)、蘿藦科(Asclepiadaceae)、菊科(Asteraceae)、桃金娘科(Myrtaceae)以及豆科(Fabaceae)類植物[17]。

烏桕俗稱“油脂樹”，是我國特有的木本油料植物，盛產期可產1620～3000 kg·hm-2干種子(圖2)，單位面積產油量甚至超過“油中之王”油棕[18]。其油可通過酸堿催化脂交換法制取，酯化率達到98%，梓油富含脂肪酸，脂肪酸平均分子量273.36 g·mol-1，碳鏈結構和長度與普通柴油組成相近，理化特性測定結果表明其酸值10.07 mg·g-1，皂化值167.57 mg·g-1，符合生物柴油理化特性標準[19-20]。隨著我國生物質能林業產業化的發展，烏桕等能源樹種制取的油脂產品，一定程度上將成為傳統化石能源的良好替代品。

圖2 烏桕全株及果實和葉子形態

2 烏桕高效栽培研究進展

2.1 烏桕優良種源篩選

優質苗木是建立能源林的基礎，不同地理種源的植物由于地形、氣候、土壤等條件不同而表現出相當大的遺傳變異，油脂產量及其品質也存在差異。因此，開展烏桕優良種源選擇，有利于篩選出適宜特殊生境且優質油脂特性的種源。吳文景等[21]以福建、安徽、江西烏桕種子作為試驗材料，篩選出來自安徽黃山的烏桕種子為產油量高且油脂特性優良的烏桕種源。周俊新等[22]對6省24個種源開展了優良種源選擇試驗，篩選出適于在閩北地區種植的優良烏桕Ⅰ類種源：WJ-02(福建浦城)、WJ-19(湖北大悟)。駱緒美等[23]采用ISSR分子標記方法，初步建立了5 個烏桕優良單株遺傳分子標記，并篩選出優良的烏桕品種。

不同種源的烏桕形態及生理特性均存在明顯差異，種子形態大小在一定范圍內隨著緯度增加而呈現逐漸增大的變化趨勢；其含油率高低與水平地帶性變化差異不大，但種子含蠟率和含油脂率隨緯度降低而極顯著升高[24]。經過UV-B輻射增強和氮沉降后，來源于美國的烏桕種群相比于中國本地烏桕種群，具有較高實際光能轉化效率和株高生長速度以及較低SPAD值(葉綠素的相對含量)，并對UV-B輻射脅迫更敏感[25]。烏桕耐間歇性水淹，但耐性不同，輕度水分脅迫能夠促進浙江種源的烏桕生長和光合作用，而福建種源在淹水脅迫和澇漬脅迫下均死亡[26]。在研究不同化學試劑提取烏桕種皮和胚乳中抑制種子萌發的物質濃度時，發現來源于武漢的烏桕種子抑制水平顯著高于來自貴陽和黃山的烏桕種子[27]。金雅琴等[28]試驗發現干旱條件下烏桕表現出缺水特征，葉片相對含水量逐漸減小，但12 d后幼苗葉片凈光合作用速率仍維持一定強度，通過隸屬函數法分析得出安徽黃山和河南商城種源抗旱性較強。

以上研究報道進一步證明：不同種源烏桕在長期適應地理環境過程中，其形態特征與生理特性產生了適應性變化[29]。因此，進行種源選擇時應結合形態特征與生理特性篩選出優質種苗。

2.2 烏桕壯苗繁育與高效栽培技術

目前，烏桕主要繁殖技術有播種育苗和無性繁殖。對于播種育苗，因種子具有休眠習性，播種前需對種子進行處理以打破休眠和提高發芽率。用赤霉素500或1000 mg·L-1處理，再層積100 d能夠有效打破烏桕種子休眠[30]。用一定濃度化學試劑對種子進行處理可提高發芽率，陳黎等[31]試驗表明：不同濃度NaN3處理對烏桕種子有“低促高抑”現象。然而，烏桕種子深休眠的生物學特性對其發芽率即出苗整齊度仍具較大影響，近年來有關烏桕無性繁殖培育的研究報道也有所增加。陳佳等[32]用幼嫩莖段直接誘導出不定芽；郄亞微等[33]用烏桕莖段在最佳培養基WPM+6-BA 0.5 mg·L-1+NAA 0.05 mg·L-1中進行芽誘導，30 d后誘導率可達62.9%。

在烏桕壯苗繁育技術逐步完善的基礎上，不斷提升栽培技術水平也是促進烏桕高產的重要途徑。烏桕對環境適應能力較強，在山坡、谷地、河溪邊均能正常生長，一般在秋季完成林地清理。烏桕造林時間宜在3—4月，萌芽時造林成活率高，苗木栽植時需帶土球，選擇山體中下部土層深厚肥沃的陽坡進行淺栽，坡度15°以下為宜，配置方式以群植或孤植為主[34]。

栽植后及時澆水，以保證苗木有充足水分。研究發現圓葉烏桕在干旱脅迫條件下，其苗高凈生長量比正常情況下減少2%～5%[35]。為防止高溫天氣對苗木造成灼燒，可用地膜將苗木根部覆蓋，有效減少地表水分蒸發，降低地面溫度。此外，避免出現長期積水現象，以免對根、葉正常生長造成影響[36]。栽植后當年無需施肥，以后每年分別在5—9月施肥3次。平時要中耕除草，對枯枝、病枝進行合理修剪，一般以自然整枝為好。

3 烏桕油脂產品提取技術

烏桕籽殼仁分離及皮籽分離程度是影響油脂特性與產油量的重要因素。目前，烏桕殼仁分離主要依賴工業設備進行。利用工業加工工藝，可明顯提高壞、殘、雜原料的剔除機率，以有效提高原料利用率。隨著現代化工藝技術水平的迅猛發展，人們對傳統工藝制備技術不斷進行改進，通過對烏桕種子進行噴蒸處理、加熱，可使表面皮脂受熱，以利于殼、仁分離。

目前，通過烏桕油脂產品加工制取生物柴油的方法主要有：酸堿催化法[37]、響應面法[38]、索氏提取法[39]。王文靜等[40]用超聲波輔助提取烏桕油脂，采用響應面分析法中的Box-Behnken法對影響油脂得率的主要因素進行優化，結果表明：影響烏桕油脂得率的因素主次順序為提取溫度>提取時間>超聲波功率>料液比。李琴等[41]采用響應面法對固定化洋蔥假單胞菌脂肪酶催化烏桕梓油制備生物柴油的工藝參數進行優化，確定了最佳工藝參數，生物柴油制得率達到96.22%。Li Q等[20]研究了脂肪酶催化生產生物柴油的新工藝，結果表明生物柴油制備的最佳條件是甲醇∶油=4∶1、脂肪酶2.7% (w / w)、溫度41 ℃。吳開金等[37]采用酸堿催化法提取烏桕油脂產品，在堿催化酯交換反應過程中發現隨著溫度、醇油比、催化劑含量的升高，烏桕梓油轉化率呈上升趨勢，在溫度60 ℃，醇油比6∶1，KOH 1%條件下，生物柴油轉化率可達98.84%。

研究表明，烏桕梓油進一步加工可制取化學產品。盧美貞等[42]采用減壓間歇精餾方法進行烏桕梓油中2，4-癸二烯酸甲酯分離，在精餾壓力低于500 Pa、回流比為1的工藝條件下，收集塔頂溫度在90～93 ℃的塔頂餾分，得到純度為96.0%、收率為76.5%的2，4-癸二烯酸甲酯產品。尹立軍等[43]利用柱層析技術，結合紫外分光光度法(UV)、氣相色譜(GC)、氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)和高效液相色譜(HPLC)技術從烏桕梓油中得到純度為98% 的梓油四酯產品。可見，通過設置不同條件，結合多種技術和優化各種反應參數，能夠得到更加優質的烏桕梓油附加產品。

4 問題與展望

能源是社會發展基石，木本油料樹種高效開發利用對我國生物質能源發展以及能源總量提升和能源結構調整具有重要影響。對烏桕等能源樹種相關研究顯得尤為重要，建議今后從以下幾個方面加強研究。

1)優良種源評價指標應是多方面的，烏桕優良種源僅從形態、抗逆性和油脂品質進行種源篩選，還不全面充分。今后可采用多種技術手段，完善評價體系，如建立烏桕優良種源種質資源庫；利用現代分子技術進行轉錄組測序，發掘烏桕與油脂相關遺傳信息；充分利用現代計算機技術，如黃利斌等[44]運用計算機數字圖像分析了影響烏桕葉片呈色相關因素；路璐等[45]利用耦合地理信息系統(GIS)空間分析與生命周期分析(LCA)進行能源植物黃連木開發利用潛力評估，可加強此類方法在烏桕樹種上的試驗研究。

2)烏桕無性繁殖還未建立大規模快速繁育技術，并且烏桕莖段進行無性繁殖過程中容易受污染，導致繁育成功率不高。建議加強烏桕莖段無性繁殖過程中抗污染性研究，可在培養基中加入抗生素等殺菌物質；同時，建立烏桕無性繁殖工廠化育苗技術體系，進行大規模繁殖育苗，達到批量化、規模化生產。

3)不同地理來源的烏桕油脂產品加工提煉工藝條件不盡相同，針對同一種源應加強不同提煉方法研究比較。可參考油茶等能源樹種加工提煉方法[46]，研究水酶法、浸出法和壓榨法等多種加工工藝對木本植物果實產油的主要理化指標和微量營養成分的影響研究，從而不斷提升其提煉技術，以提高原料利用率。