乌桕高效栽培与油脂提取技术研究进展

李林鑫，陶长铸，邹秉章，吴鹏飞

(1.福建农林大学林学院，福建 福州 350002； 2.福建省上杭白砂国有林场，福建 上杭 364205)

乌桕(Sapiumsebiferum)为大戟科(Euphorbiaceae)乌桕属(Sapium)落叶乔木，是我国广泛分布的原生树种，西起云南，北至秦岭、淮河，南达两广，东至沿海等地[1]。在国外，乌桕分布已扩展到东至日本，南至中印半岛及印度北部。美国于18世纪在乔治亚州引进种植，随后引入佛罗里达州，现已在美国广泛分布[2]。乌桕利用价值高，籽可提取皮油和梓油，含油量约为种子干重的50%，总出油率可达41%以上[3]。李星霖等[4]调查发现在沪苏皖地区乌桕含油量在30%～50%之间。向珊珊等[5]从美国采集18个乌桕家系种子中，有55.6%的种子含油量达到40%。与麻疯树(Jatrophacurcas)和续随子(Euphorbialathyris)相比，乌桕与前二者所提取的油脂丰度、产量均大于97.5%、84.0%[6]。经测定，提取的油脂中含有棕榈酸、硬脂酸等多种氨基酸，可用于制造肥皂、蜡纸、化妆品、润滑油、高级喷漆和生产生物柴油[7]。此外，乌桕叶、根、皮可入药，具有清热解毒作用[8]。其木材坚硬致密、纹理清晰，是用作板材、建筑的良好用材。同时，乌桕也是一种彩叶绿化树种，用作园林栽植。作为我国亚热带重要油料树种，乌桕具有生长迅速、生命周期长、病虫害少和对环境适应性强的特点，是开发利用的主要生物质能源树种[1]。

然而，目前生产上大规模栽植技术水平仍有待提高，特别是乌桕优质油脂产品工艺提炼技术复杂，对其实现高效利用造成一定阻碍。因此，本文围绕开发高品质、多功能木本植物油脂产品这一林业战略目标，在深入剖析可再生能源的重要性，以及乌桕对全球能源危机问题贡献水平的基础上，提出发展乌桕生物质能源的重要意义，并从乌桕优良种源选择、繁殖培育、高效栽培以及工艺加工技术方面进行分析总结，以期为乌桕油脂生产利用提供参考。

1 发展乌桕生物质能源的重要意义

1.1 可再生能源的重要性

能源问题一直是当今世界关注的热点之一，21世纪能源需求量预计将达到158～179 ZJ，而地球上煤和石油储量总共只有105 ZJ，导致以化石能源等不可再生能源为核心的能源危机日趋严重[9-10]。同时，化石能源使用产生大量人为温室气体，加剧气候变化和环境污染[11]。为缓解严峻的能源危机和减少环境污染，各国已致力于开发清洁无污染的可再生能源。

由国际能源署公布的数据(图1)可以看出，2019年世界可再生能源新增量为1.91亿kW，2020年为1.98亿kW，相比2019年增加3.6%；2021年为2.19亿kW，相比2020年增加10.6%，总体上呈逐年递增态势。中国作为能源消耗大国，2021年可再生能源新增量82 GW，相比2020年有所减少，但仍居世界首位；欧洲联盟区域、美国和印度是仅次于中国可再生能源新增量的大国(区域)。除此之外，世界上其它国家2021年可再生能源新增量为62 GW。可见，未来可再生能源仍是全球能源消耗的主要来源。

图1 2019—2021年按国家/区域划分的可再生能源新增量

1.2 木本油料树种乌桕对全球能源危机问题的贡献

可再生能源包括风能、太阳能、潮汐能、生物质能等[12]。其中，生物质能是植物通过光合作用将太阳能以化学能形式固定在生物质中，是一种可再生的绿色生物能源[13-14]。林业生物质能是生物质能重要组成部分，与其它生物质能原料相比具有不占耕地、多年受益、来源丰富的特点[15]。我国植物种类繁多，木本油料能源树种就有400多种，其中果实含油量15%～60%的有200多种，50%～60%的有50多种，如：乌桕、油茶(Camelliaoleifera)、油桐(Verniciafordii)、油棕(Elaeisguineensis)、胡桃(Juglansregia)、黄连木(Pistaciachinensis)等[16]。主要是夹竹桃科(Apocynaceae)、大戟科(Euphorbiaceae)、萝藦科(Asclepiadaceae)、菊科(Asteraceae)、桃金娘科(Myrtaceae)以及豆科(Fabaceae)类植物[17]。

乌桕俗称“油脂树”，是我国特有的木本油料植物，盛产期可产1620～3000 kg·hm-2干种子(图2)，单位面积产油量甚至超过“油中之王”油棕[18]。其油可通过酸碱催化脂交换法制取，酯化率达到98%，梓油富含脂肪酸，脂肪酸平均分子量273.36 g·mol-1，碳链结构和长度与普通柴油组成相近，理化特性测定结果表明其酸值10.07 mg·g-1，皂化值167.57 mg·g-1，符合生物柴油理化特性标准[19-20]。随着我国生物质能林业产业化的发展，乌桕等能源树种制取的油脂产品，一定程度上将成为传统化石能源的良好替代品。

图2 乌桕全株及果实和叶子形态

2 乌桕高效栽培研究进展

2.1 乌桕优良种源筛选

优质苗木是建立能源林的基础，不同地理种源的植物由于地形、气候、土壤等条件不同而表现出相当大的遗传变异，油脂产量及其品质也存在差异。因此，开展乌桕优良种源选择，有利于筛选出适宜特殊生境且优质油脂特性的种源。吴文景等[21]以福建、安徽、江西乌桕种子作为试验材料，筛选出来自安徽黄山的乌桕种子为产油量高且油脂特性优良的乌桕种源。周俊新等[22]对6省24个种源开展了优良种源选择试验，筛选出适于在闽北地区种植的优良乌桕Ⅰ类种源：WJ-02(福建浦城)、WJ-19(湖北大悟)。骆绪美等[23]采用ISSR分子标记方法，初步建立了5 个乌桕优良单株遗传分子标记，并筛选出优良的乌桕品种。

不同种源的乌桕形态及生理特性均存在明显差异，种子形态大小在一定范围内随着纬度增加而呈现逐渐增大的变化趋势；其含油率高低与水平地带性变化差异不大，但种子含蜡率和含油脂率随纬度降低而极显著升高[24]。经过UV-B辐射增强和氮沉降后，来源于美国的乌桕种群相比于中国本地乌桕种群，具有较高实际光能转化效率和株高生长速度以及较低SPAD值(叶绿素的相对含量)，并对UV-B辐射胁迫更敏感[25]。乌桕耐间歇性水淹，但耐性不同，轻度水分胁迫能够促进浙江种源的乌桕生长和光合作用，而福建种源在淹水胁迫和涝渍胁迫下均死亡[26]。在研究不同化学试剂提取乌桕种皮和胚乳中抑制种子萌发的物质浓度时，发现来源于武汉的乌桕种子抑制水平显著高于来自贵阳和黄山的乌桕种子[27]。金雅琴等[28]试验发现干旱条件下乌桕表现出缺水特征，叶片相对含水量逐渐减小，但12 d后幼苗叶片净光合作用速率仍维持一定强度，通过隶属函数法分析得出安徽黄山和河南商城种源抗旱性较强。

以上研究报道进一步证明：不同种源乌桕在长期适应地理环境过程中，其形态特征与生理特性产生了适应性变化[29]。因此，进行种源选择时应结合形态特征与生理特性筛选出优质种苗。

2.2 乌桕壮苗繁育与高效栽培技术

目前，乌桕主要繁殖技术有播种育苗和无性繁殖。对于播种育苗，因种子具有休眠习性，播种前需对种子进行处理以打破休眠和提高发芽率。用赤霉素500或1000 mg·L-1处理，再层积100 d能够有效打破乌桕种子休眠[30]。用一定浓度化学试剂对种子进行处理可提高发芽率，陈黎等[31]试验表明：不同浓度NaN3处理对乌桕种子有“低促高抑”现象。然而，乌桕种子深休眠的生物学特性对其发芽率即出苗整齐度仍具较大影响，近年来有关乌桕无性繁殖培育的研究报道也有所增加。陈佳等[32]用幼嫩茎段直接诱导出不定芽；郄亚微等[33]用乌桕茎段在最佳培养基WPM+6-BA 0.5 mg·L-1+NAA 0.05 mg·L-1中进行芽诱导，30 d后诱导率可达62.9%。

在乌桕壮苗繁育技术逐步完善的基础上，不断提升栽培技术水平也是促进乌桕高产的重要途径。乌桕对环境适应能力较强，在山坡、谷地、河溪边均能正常生长，一般在秋季完成林地清理。乌桕造林时间宜在3—4月，萌芽时造林成活率高，苗木栽植时需带土球，选择山体中下部土层深厚肥沃的阳坡进行浅栽，坡度15°以下为宜，配置方式以群植或孤植为主[34]。

栽植后及时浇水，以保证苗木有充足水分。研究发现圆叶乌桕在干旱胁迫条件下，其苗高净生长量比正常情况下减少2%～5%[35]。为防止高温天气对苗木造成灼烧，可用地膜将苗木根部覆盖，有效减少地表水分蒸发，降低地面温度。此外，避免出现长期积水现象，以免对根、叶正常生长造成影响[36]。栽植后当年无需施肥，以后每年分别在5—9月施肥3次。平时要中耕除草，对枯枝、病枝进行合理修剪，一般以自然整枝为好。

3 乌桕油脂产品提取技术

乌桕籽壳仁分离及皮籽分离程度是影响油脂特性与产油量的重要因素。目前，乌桕壳仁分离主要依赖工业设备进行。利用工业加工工艺，可明显提高坏、残、杂原料的剔除机率，以有效提高原料利用率。随着现代化工艺技术水平的迅猛发展，人们对传统工艺制备技术不断进行改进，通过对乌桕种子进行喷蒸处理、加热，可使表面皮脂受热，以利于壳、仁分离。

目前，通过乌桕油脂产品加工制取生物柴油的方法主要有：酸碱催化法[37]、响应面法[38]、索氏提取法[39]。王文静等[40]用超声波辅助提取乌桕油脂，采用响应面分析法中的Box-Behnken法对影响油脂得率的主要因素进行优化，结果表明：影响乌桕油脂得率的因素主次顺序为提取温度>提取时间>超声波功率>料液比。李琴等[41]采用响应面法对固定化洋葱假单胞菌脂肪酶催化乌桕梓油制备生物柴油的工艺参数进行优化，确定了最佳工艺参数，生物柴油制得率达到96.22%。Li Q等[20]研究了脂肪酶催化生产生物柴油的新工艺，结果表明生物柴油制备的最佳条件是甲醇∶油=4∶1、脂肪酶2.7% (w / w)、温度41 ℃。吴开金等[37]采用酸碱催化法提取乌桕油脂产品，在碱催化酯交换反应过程中发现随着温度、醇油比、催化剂含量的升高，乌桕梓油转化率呈上升趋势，在温度60 ℃，醇油比6∶1，KOH 1%条件下，生物柴油转化率可达98.84%。

研究表明，乌桕梓油进一步加工可制取化学产品。卢美贞等[42]采用减压间歇精馏方法进行乌桕梓油中2，4-癸二烯酸甲酯分离，在精馏压力低于500 Pa、回流比为1的工艺条件下，收集塔顶温度在90～93 ℃的塔顶馏分，得到纯度为96.0%、收率为76.5%的2，4-癸二烯酸甲酯产品。尹立军等[43]利用柱层析技术，结合紫外分光光度法(UV)、气相色谱(GC)、气相色谱-质谱联用(GC-MS)和高效液相色谱(HPLC)技术从乌桕梓油中得到纯度为98% 的梓油四酯产品。可见，通过设置不同条件，结合多种技术和优化各种反应参数，能够得到更加优质的乌桕梓油附加产品。

4 问题与展望

能源是社会发展基石，木本油料树种高效开发利用对我国生物质能源发展以及能源总量提升和能源结构调整具有重要影响。对乌桕等能源树种相关研究显得尤为重要，建议今后从以下几个方面加强研究。

1)优良种源评价指标应是多方面的，乌桕优良种源仅从形态、抗逆性和油脂品质进行种源筛选，还不全面充分。今后可采用多种技术手段，完善评价体系，如建立乌桕优良种源种质资源库；利用现代分子技术进行转录组测序，发掘乌桕与油脂相关遗传信息；充分利用现代计算机技术，如黄利斌等[44]运用计算机数字图像分析了影响乌桕叶片呈色相关因素；路璐等[45]利用耦合地理信息系统(GIS)空间分析与生命周期分析(LCA)进行能源植物黄连木开发利用潜力评估，可加强此类方法在乌桕树种上的试验研究。

2)乌桕无性繁殖还未建立大规模快速繁育技术，并且乌桕茎段进行无性繁殖过程中容易受污染，导致繁育成功率不高。建议加强乌桕茎段无性繁殖过程中抗污染性研究，可在培养基中加入抗生素等杀菌物质；同时，建立乌桕无性繁殖工厂化育苗技术体系，进行大规模繁殖育苗，达到批量化、规模化生产。

3)不同地理来源的乌桕油脂产品加工提炼工艺条件不尽相同，针对同一种源应加强不同提炼方法研究比较。可参考油茶等能源树种加工提炼方法[46]，研究水酶法、浸出法和压榨法等多种加工工艺对木本植物果实产油的主要理化指标和微量营养成分的影响研究，从而不断提升其提炼技术，以提高原料利用率。