无患子果实成熟过程及其油脂、皂苷动态变化

郑玉琳，刘济铭，史双龙，贾黎明*，翁学煌，罗水晶，盛克寨

(1．北京林业大学，省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，国家能源非粮生物质原料研发中心，北京 100083；2．福建源华林业生物科技有限公司，福建 建宁 354500；3. 湖南无患子农林发展有限公司，湖南 石门 415300)

无患子(Sapindusmukorossi) 为无患子科(Sapindaceae) 无患子属(SapindusL.) 落叶乔木，于我国南方地区广泛分布[1]。无患子集生物日化、生物质能源、生物医药、园林绿化、生态保护和木材生产等多种价值于一身，具有极大发展潜力。当前，对其研究集中于活性成分的提取与利用、种质资源的评价、整形修剪及种苗繁育等方面[2-5]。其种仁含油率26.15%～44.69%[2]，可用于生产生物柴油和高级润滑油[6]；果皮含皂苷4.14%～27.04%[2]，具有良好非离子表面活性[7]，可替代目前广泛使用的化工表面活性剂生产洗涤用品；此外，种仁榨油后所剩的油渣可用于制作蛋白饼，种壳可用于制作活性炭等。

经过对无患子的物候进行详细调查，笔者将其果实生长阶段划分为初果期、果实膨大期、果实转色期、果实初熟期、果实完全成熟期等5个重要时期[8-9]，再依照BBCH(biologische bundesanstalt, bundessortenamt and chemical industry)标准，将种子和果实成熟的时期进一步划分为：成熟开始、果皮起皱、果皮略带金黄色透明、成熟晚期、完全成熟[10]。前人对无患子不同采果期果实的主要经济性状、果实发育动态及内含物含量变化进行了研究，但果实采收时间间隔长、测定次数少，且未关注种油含量等问题[11-13]，难以满足无患子多联产产业发展对原料的需求。由于无患子果期长，其果实生长发育规律、果皮和种子内含物含量变化等与果实收获相关的系统调查研究仍较少，尚缺乏确定其最佳采收时间的方法，在生产上也没有明确的最佳采收期。

近年来，学者们主要采用果实耐贮性或贮藏品质[14-15]、果实活性物质(如葡萄的酚类物质和柿的单宁含量)的动态变化等[16-18]来确定果实的最佳采收期，着重关注采收期对果实品质的影响[19-20]。随着人工智能技术的发展，基于视觉图像确定果实最佳采收期，在此基础上进行机械化果实采收等方面的研究成为热点[21-22]。笔者对无患子成熟过程的生长发育动态及油脂和皂苷动态变化进行研究，以揭示无患子果实生长发育的变化规律，确定最佳的果实采收期及其相应的外观特征，为实现高质量无患子果实生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于福建省三明市建宁县(116°35′～ 117°04′E，26°30′～27°06′N)，该地属中亚热带海洋性季风气候，同时具有大陆性山地气候特点，雨热同期，四季分明，年均气温17.0 ℃，年均降水量1 950 mm。2017年，年均气温18.3 ℃，总日照时间1 654.4 h，总降水量1 431.5 mm，降水集中在春夏两季。土壤为长石砂岩风化母质上发育成的厚层山地黄红壤(土层厚度>100 cm)[23]。

建宁县是中国重要的无患子生物柴油原料林基地，被中国经济林协会命名为“中国无患子之乡”。试验地分属福建源华林业生物科技有限公司，该公司于2009年开始营造无患子原料林，现有山地种植和四旁绿化无患子林5 200 hm2。我国现存无患子原料林绝大部分为实生苗造林，故本研究选取实生起源的无患子树为研究材料。

1.2 试验材料

2017年，在试验地选取生长状态中等且开花结实良好的5株8年生实生起源的无患子树进行调查和取样，时间为8月28日(处于果实膨大末期[8-9]，果实转色前)至当年11月8日(果实完全成熟，脱落)，每隔4 d采样1次，从每株树上随机选取3个果序，每果序采摘5个发育正常的果实，将每棵树上采摘的果实混合作为一个生物学重复，放入保鲜袋中带回实验室测定相关指标。

1.3 指标测定

果实采收后带回实验室，立即用千分之一分析天平进行果实鲜质量的测定，并肉眼观察果实的颜色及表面纹理。采用游标卡尺测量果实和种子的横径、纵径和侧径，精确到0.01 mm。随后，将其置于70 ℃恒温烘箱中烘至质量恒定，分别称量果实、种子、果皮和种仁的干质量。

种仁含油率测定：将种仁放入105 ℃恒温烘箱中烘至质量恒定，用球磨仪粉碎。准确称取种仁样品(记为m1)，置于索氏提取器(索氏抽提系统，Soxtec 2050, FOSS)中，加入90 mL石油醚，于105 ℃提取2 h，而后将提取物放入105 ℃恒温烘箱中去除石油醚，即为种仁油样品，称量其质量(记为m2)，种仁含油率=m2/m1×100%。

计算单种仁油质量：单种仁油质量=种仁含油率×单种仁干质量。

果皮含皂苷率测定：将果皮放入70 ℃恒温烘箱中烘至质量恒定，用球磨仪粉碎。用万分之一天平准确称取0.4g果皮粉末，置于索氏提取器中，加入90 mL体积分数95%的乙醇，于130 ℃条件下提取4.5 h[24]。提取物经正丁醇萃取、酸水解、乙酸乙酯萃取后，使用甲醇进行溶解，用分光光度计(VERTEX70, Bruker)测量其在547 nm处的吸光度值[24]，并计算相应的皂苷质量，记为m3，果皮含皂苷率=2.5m3×100%。

计算单果皮皂苷质量：单果皮皂苷质量=果皮含皂苷率×单果皮干质量。

1.4 数据处理

采用Excel 2016 和SPSS 22.0进行数据处理。运用Change-point analyzer 2.3 拐点分析软件(Taylor Enterprises, USA)对不同采收期各项指标的拐点进行分析，以确定各指标发生变化的时间[25-26]。

2 结果与分析

2.1 果实外观形态与表型指标的动态变化

2.1.1 果实外观形态

由观察结果(图1)可知，8月28日—9月13日，无患子果皮为淡青绿色且表面光滑；9月17日，果实开始转黄；9月25日—9月29日，果实颜色由黄中带绿转变为完全金黄色，但果皮仍保持光滑；10月3日，果皮开始皱缩；10月11日—11月8日，果实的外观变化较小，表现为金黄色，且表面皱缩明显(图1)。

图1 无患子果实外观变化

8月底至9月初，无患子种仁体积较小，呈绿色；随后逐渐长大，在9月17日—21日期间，种仁开始由绿转黄，9月29日种仁完全转黄。

2.1.2 表型指标

10月3日—10月19日，果实横径和侧径显著下降，果皮开始失水，皱缩。横径均值从19.75 mm下降到18.18 mm，下降了7.95%；侧径均值从17.37 mm下降到15.51 mm，下降了10.71%(图2)。

图2 果实与种子的横径、纵径和侧径变化

研究期间，种子的横径、纵径和侧径表现出相同变化趋势，均在9月29日—10月7日这9天内出现显著下降。横径均值从12.77 mm下降到11.39 mm，下降了10.81%；纵径均值从13.56 mm下降到12.90 mm，下降了4.87%；侧径均值从11.27 mm下降到10.26 mm，下降了8.96%(图2)。

果实和果皮的干质量变化趋势相同，从8月28日—10月15日逐渐上升，果实干质量均值从1.45 g上升至2.55 g，果皮干质量均值从0.60 g增加至1.53 g；果实干质量、果皮干质量分别在9月17日、10月11日和9月17日、9月29日出现两次较为明显的增加。在果皮干质量发生第2次明显上升的同时，种子干质量出现了明显下降(图3)。

图3 无患子果实、种子、果皮及种仁干质量动态变化

种仁干质量变化幅度较其他干质量大，均值由0.14 g(8月28日)增加0.38 g(9月25日)，在1个月内增加了165.86%，但在果实成熟后期变化幅度变小。

2.2 果实含水率动态变化

果实含水率在9月29日—10月15日期间大幅度下降，从64.60%下降到13.77%，下降了78.68%，随后在11.24%～15.19%小幅波动，说明无患子果实的失水主要发生在10月的上半月，这与其果皮表面出现皱缩、果实的横径和侧径下降的时间基本一致。生产上通常使用自然风干的方式处理果实，本研究同时测定了无患子果实的风干含水率，结果表明，风干含水率和烘干含水率变化趋势相似，二者差值为7.59%～10.08%。因此在生产上可以采用风干含水率来估计烘干含水率，进一步指导采收(图4)。

图4 无患子果实含水率动态变化

2.3 种仁油脂和皂苷含量动态变化

2.3.1 油脂

种仁含油率(图5A)和单种仁油质量(图6A)都呈现先上升后下降的趋势。由图5、图6可见，种仁含油率和单种仁油质量都在9月9日—13日期间出现跃迁，并于10月3日达到最高值，说明种仁中油脂的积累在10月初完成。

B、C.拐点探测结果。拐点探测分析图中，黄色为背景色，明显处于两片蓝色之间的区域中心点可视为拐点或变化的敏感点。下同。B， C. Change point detection results. In the change point detection analysis chart, yellow is the background color, and the center point of the area that is clearly between the two pieces of blue can be regarded as an inflection point or a sensitive point of change. The same below.

图6 无患子单种仁油质量及单果皮皂苷质量动态变化及其拐点探测

种仁含油率均值于10月3日达到最高值49.62%，在10月11日降至42.38%，下降了14.59%(图5B)，且于10月15日—19日间再次出现明显下降，后期波动较大。种仁含油率在9月21日至10月7日期间保持在较高水平。

单种仁油质量在10月3日达到最高值0.187 g，较8月28日高311%。根据拐点探测分析，单种仁油质量在9月9日—13日期间出现跃迁后，后期没有明显下降(图6B)，单种仁油质量从9月中旬至果实脱落均保持在较高水平。

2.3.2 皂苷

果皮含皂苷率(图5A)和单果皮皂苷质量(图6A)都呈现先升后降的趋势。由图5C和6C可见，果皮含皂苷率在10月11日—15日间出现显著下降，随后一直降低，说明果皮含皂苷率在果皮失水前较高。

单果皮皂苷质量在9月25日—29日间出现跃升，10月11日达到最高值0.212 g，表明皂苷在10月上旬完成积累。随后在10月23日—27日间出现明显下降(图6C)，从13.00%降低到10.45%，下降了19.62%。单果皮皂苷质量在10月上中旬较高。

3 讨 论

3.1 无患子主要内含物动态变化规律

本研究表明，无患子种仁含油率在9月中旬至10月中旬较高，单种仁油质量在9月中旬后较高，油的积累在10月初完成。而范辉华等[11]在福建顺昌于2013 年 9 月 12 日、 9 月 29 日、10 月 20 日、11 月 10 日分 4 次采收无患子果实，研究不同采果期对无患子主要经济性状的影响，认为种仁含油率在10月下旬渐趋稳定，指出针对种仁油生产的采收应在10月下旬以后进行，该结论与本研究结果存在一定差异，这可能是其仅设置4个采果期，间隔期较长造成的。

对于果皮皂苷的动态变化规律，本研究结果表明果皮含皂苷率在10月上旬之前较高，单果果皮含皂苷量在10月上旬和中旬最高，皂苷的积累在10月上旬完成。范辉华等[11]研究认为，10月20日前后果皮含皂苷率最高，针对皂苷产出应在10月20日左右进行果实采收，该结论与本研究结果基本一致。此外，刁松锋[12]、邵文豪等[13]在2010年对浙江天台果实表型、果皮含皂苷率、含水量、可溶性糖的动态变化进行研究也得出了类似的结论。

果皮干质量在9月29日—10月3日明显上升的同时，种子干质量明显下降，果实干质量小幅上升，同时，单果皮皂苷质量和单种仁油质量也在增加。可见此期间果实开始大幅失水的阶段，种子和果皮内含物(淀粉、可溶性糖、粗蛋白质、氨基酸[27]及黄酮等物质)可能发生了转化和运输。

3.2 无患子采果期及果实外观表现

本研究目的是确定无患子果实的最佳采收期，所以采样时间在8月28日—11月8日(采样时间间隔4 d)，从果实膨大期末期开始到果实脱落结束，包括了果实转色、失水皱缩的整个过程。在指标的选取上，除了果实和种子横、纵、侧径以及质量等果实表型性状，还增加了含水率、油、皂苷、果实外观表现的变化动态等，相较于前人的研究更合理且更具针对性。

从果实的外观表现来看，在无患子果实完全变金黄，且果皮开始皱缩后的20 d内均为无患子的最佳采果期，其后10 d次之；无患子种仁油质量和果皮皂苷质量均在10月上中旬保持在较高水平，随后呈下降趋势；此外，11月后果实容易脱落，且遇雨容易发霉，这些因素均会影响其果实品质。综上，无患子在福建建宁的最佳采果期为10月上旬和中旬，也可将10月下旬作为备选采果时间段。本研究得出的最佳采果期总体上比高媛等[8-9]划分的果实完全成熟期，以及刁松锋[12]、邵文豪等[12-13]和范辉华等[11]确定的采果期早15～20 d，这可能与年份间无患子的生长发育物候存在差异、研究地区和研究方法不同等因素相关。高媛等[8-9]仅从果实外观对成熟度进行判断，没有研究其内含物的动态变化，而范辉华等[11]的采样间隔时间过长，刁松锋[12]、邵文豪等[13]认为应在果实完全干燥后才进行采收，否则影响果实保存，不同研究在判断采收期方面有各自的局限性。本研究认为，在生产上果实采收后，企业或农户会对果实进行一段时间的风干，因此并不影响果实保存，且能实现皂苷产出的最大化。

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