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生物柴油树种无患子研究进展



全 文 :中国农业大学学报 2012,17(6):191-196
Journal of China Agricultural University
生物柴油树种无患子研究进展
贾黎明1,2 孙操稳1
(1.北京林业大学 国家能源非粮生物质原料研发中心,北京100083;
2.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,北京100083)
摘 要 无患子(Sapindusmukorossi)是我国重要的生物柴油能源树种,其果实丰富的含油量、果皮中的皂苷以及
木材的优良价值使其作为一个多功能树种受到高度重视,但规模化、集约化栽培无患子还刚刚起步。笔者从种质
资源、良种选育、苗木培育、栽培技术和加工工艺等方面对无患子国内外研究现状进行了综述,发现缺乏良种、苗木
繁育技术落后、栽培技术落后及油料成本高等是无患子产业发展的瓶颈所在,并分析提出了今后研发的重点领域
和方向。
关键词 无患子;生物柴油;种质资源;育苗技术;栽培技术
中图分类号 S 759.4   文章编号 1007-4333(2012)06-0191-06   文献标志码 A
收稿日期:2012-06-05
基金项目:公益性行业科研专项经费重大项目“生物柴油原料林高效培育关键技术研究与示范”资助
第一作者:贾黎明,教授,博士,主要从事用材林和能源林培育理论与技术研究,E-mail:jlm@bjfu.edu.cn
Research progress of biodiesel tree Sapindus mukorossi
JIA Li-ming1,2,SUN Cao-wen1
(1.National Energy R&D Center for Non-food Biomass,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China;
2.The Key Laboratory of the Forest Cultivation and Protection Built by the Department and the Province,
Beijing Forestry University,Beijing 100083,China)
Abstract Because of the abundant biodiesel and saponin in the seed,Sapindusmukorossi has atracted much atention
in China as a source of non-food plant biomass fuel.The timber of Sapindusalso has important economic value.
However,the study on cultivation techniques of Sapindus is stil at the very beginning.This review summarizes the
curent knowledge on the potential biodiesel tree Sapindus,including germ plasm resource,variety breeding,seedling
cultivation,cultivation techniques and processing technology.The conclusion shows that the lack of superior varieties,
backward seeding &cultivation techniques and high-cost are the main problems impeding the progress of Sapindus
industry.
Key words Sapindus;biodiesel;germ plasm resource;seedling technique;cultivation technique
  无患子(Sapindus mukorossi),又名木患子、肥
皂树、圆角树、洗手果,属无患子科,无患子属落叶乔
木,在我国分布于淮河以南地区[1]无患子适宜在热
带、亚热带地区生长,树高可达25m,属于典型南方
树种。早在先秦时代,《山海经》中便有记载“秩周之
山,其木多桓。”“桓”即为无患子,在明代《本草纲
目》中也有记载。”该树种具有深刻的人文背景,无患
子的果实,即菩提子,就是最早记载的念珠,佛教《木
患子经》写到“苦欲灭烦恼障、报障者,当贯木槵子一
百八,以常自随。”因取其“鬼见愁”的名字,南方仍常
将其作为庭院树种种植。
据研究无患子属在全世界共有13种,其亲缘关
系很近,因此对其他种的研究进展一并综述。
1 途及利用前景
我国国内无患子属树种(Sapindus.L)共4种,
包括:无患子(Sapindus mukorossi)、毛瓣无患子
(Sapindus rarak)、川 滇 无 患 子 (Sapindus
中 国 农 业 大 学 学 报 2012年 第17卷 
delavayi)、星月于菩提(Sapindus tomentosus)[2]。
我国特产1种、1变种,川滇无患子为我国特有树
种,在国内有广泛分布;其余3种均与印度和马来西
亚共有[3](表1)。全世界本属树种共13种,分布中
表1 无患子属植物不同分布及用途[23-24]
Table 1 Different distribution and application of Sapindus
名 称 分布范围 种子利用情况
无患子Sapindus mukorossi 我国长江以南各省,印度北部,尼
泊尔,缅甸北部至中南半岛(老挝,
越南北部)
种皮可提取皂苷,种仁可榨油
毛瓣无患子Sapindus rarak 我国云南、台湾,印度,斯里兰卡,
中南半岛,马来西亚至印尼(爪哇)
种皮可提取皂苷,种仁可榨油
川滇无患子Sapindus delavayi 我国云南、四川、广西,印度 种皮可提取皂苷,种仁可榨油
绒毛无患子Sapindus tomentosus 我国云南,缅甸北部 种子多用于制作菩提子
三叶无患子Sapindus trifoliatus 分布于亚洲南部和东南部 在泰国作为传统药物,其果皮可用作
止痒剂、天然表面活性剂和避孕药
西方无患子 Sapindus saponaria var.
drummondii Western Soapberry
美国西南部 种子育苗绿化
心位于热带美洲,我国位于本属分布区的边缘[4]。
近年来,随着化石能源的日益枯竭,各国都开始
寻求能源替代品,针对我国的特殊国情,考虑到耕地
面积的红线问题,开发林业生物质能源成为我国生
物质能源的发展趋势。无患子种仁含油率高达
40.7%,无患子油氧化稳定性好,全果压榨出的油脂
中油酸和亚油酸高达62.5%,其中C16~C20的脂
肪酸占98.2%,其各项指标都符合生物质原料油的
要求[5]。同时无患子产种量大,在我国南方分布广
泛,是开发生物柴油的理想树种。
无患子以往多从皂苷植物的角度进行研究。其
果皮中的皂苷是一种天然的非离子型表面活性剂,
去污能力强,与化工合成洗涤剂相比,易降解,无污
染;同时其皂苷具有洗脱重金属铅、锰、铬、砷和汞等
的能力,洗脱率超过90%[6]皂苷和苷元还具有多种
生物活性如抗细菌、抗真菌、抗肿瘤[7]、免疫调节、抗
病毒、杀精[8]和镇痛等。无患子皂苷经提取后可制
成肥皂、洗发精、杀虫剂、生物农药[9]、丝毛净、贵重
首饰清洗剂、癫痫药、避孕药、降血压药和镇痛药
等[10-11]。无患子在国外研究也多以日化、药用研究
为主。印度和缅甸称之为洗手果,用于制作肥皂。
泰国多用三叶无患子(Sapindus trifoliatus)作为
止疼药成分。Mitzy F.Porras等[12]曾利用美洲无
患子(Sapindus saponaria)含有皂苷的特性驱虫。
在美国,西方无患子(Sapindus drumondii)常常被
作为生态防护林栽培。
另外,其木材含有天然皂素,具有防虫效果,可
以制作家具、雕刻和工艺品等以发展有机木材产业;
传统使用的打鬼棒,也是由无患子木材制成[13];无
患子树根可入药,嫩叶可制成菩提茶;同时无患子根
系发达,抗逆性强,水土保持能力也很强;其树形优
美,抗病虫害,秋季叶色金黄,硕果累累,是我国南方
常见的绿化树种[14]。
发展无患子产业具有十分可观的潜在经济效
益,在无患子的皂苷工业生产中,主要将种皮作为工
业原料,对其综合开发利用程度低[15],而随着生物
质能源研究的兴起,无患子果实具备了更加巨大的
潜在经济价值[16]。目前已经有企业尝试大规模营
建无患子林。但是缺乏系统科学的栽培方式,同时
在良种选育及市场推广等诸多方面也仍处于起步阶
段。如何解决这些关键问题,发展完整的无患子产
业链,促进该产业的良性循环,是亟待解决的问题。
2 研究进展
2.1 种质资源
地域分隔对于果用无患子的种源差异影响很
大,甚至超过不同种间差异。在选择良种时应以优
良单株、优势地域作为主要筛选因子,这也是今后大
291
 第6期 贾黎明等:生物柴油树种无患子研究进展
规模 繁 育 及 保 护 管 理 种 质 资 源 的 重 要 依 据。
Kamalesh S.Mahar等[17]在对印度无患子的生物多
样性研究中提出,不同种间个体基因变异的百分数
差异最大达到48%,而由于地域原因形成差异可达
38%,而不同种间差异仅为20%。这表明,该树种
个体间遗传变异差异更加明显,相对而言种间差异
很有限。同时,研究所得的遗传分类系统树图中将
西部喜马拉雅地区与印度东北部(2个印度无患子
的最主要产地)作为首要分隔,表明从总体上看,地
域分割对基因型变异的影响十分关键。岳华锋
等[18]对国内7省9个产地无患子进行了种源评价,
认为果实质量、体积和果皮厚度等受产地影响显著,
果实性状可依据地理聚类。而对于种仁含油率和种
子出仁率来说,个体间的变异影响显著,地理因子影
响并不显著。种子皂苷出油率受产地海拔和经度的
影响显著。对于个体差异和地域差异所造成的无患
子果实不同成分含量变化的规律,还有待进一步的
分析研究。
目前,在亚洲热带、亚热带地区,以生物柴油作
为种源筛选标准的皂苷类树种以毛瓣无患子和无患
子为主。Bertrand Matthaus等[19]对越南油料植物
进行了含油量的测定,共选取植物40种,其中无患
子属只选取了毛瓣无患子,其含油量可达42.3%,
脂肪酸含量也符合生物能源树种要求。相比之下,
国外对于美洲无患子、三叶无患子等多以研究皂苷
功效为主,其种仁含油量与成分研究较少(几种无患
子属植物分布及种子用途见表1)。尽管我国已经
开始开发无患子,但目前为止还没有进行过全国性
的无患子种质资源普查,我国南方福建和浙江地区
已经开展了无患子的大面积种植工作,同时进行了
种质资源的部分调查。目前有研究报道称福建顺昌
无患子良种选育项目获国家级立项,筛选出无患子
优树52株,已经初选出果用无患子优良品系5
个[20]。王荔英,姚湘明[21]提出我国不同产地种源的
苗木生长节律受纬度影响较大,普遍表现为随种源
地纬度的降低其芽苗生长的封顶时间延长。福建顺
畅林场在引种中发现,在10个不同种源中,浙江杭
州的种源封顶时间最早,生长期短,纬度偏低的云南
昆明的种源封顶时间最迟,生长期长。这说明较高
温度会促进无患子芽苗的徒长:辜夕容[22]已经在重
庆进行了引种试验,其中四川会理(位于攀枝花市东
部,年平均温度较高)种子发芽率高达63.07%,果
实千粒重和皂苷含量相比其他种源也为最优。
2.2 育苗技术
无患子育苗技术研究主要包括播种育苗和几种
无性繁殖育苗。
播种育苗中,无患子种子通常以吸胀吸水的方
式打破种子休眠,谢必武研究表明湿砂层积法是打
破无患子种子休眠的最好催芽方法,发芽率可达
82.7%[25],显著高于浓 H2SO4 浸种+温汤浸种、
1%苏打水浸种、热水(70℃)浸种等其他处理方式。
播种圃地选择以坡度较缓,土壤深厚,土壤肥力好,
便于灌溉、土质疏松的砂质壤土地为宜。播种前对
土壤进行消毒,可使用硫酸亚铁或呋喃丹消毒,播种
前应施足基肥,复合肥、农家腐熟肥均可。播种时播
种方式可分为春播和秋播,以点播为主。播种后应
注意保墒,可用地膜或稻草覆盖,防寒保湿。种子发
芽期重点防治地老虎、蛴螬等地下害虫。待种子发
芽既可揭去覆盖物,施肥促进幼苗生长,所施肥以N
肥为主,配合芽苗的生长节律,促进芽苗生长,同时
注意补苗、间苗和除草。陈小勤等[26]在上海市南部
利用芽苗切根移栽的技术培育无患子苗木,有效提
高了种苗根系的生长和苗木的发育,其优质苗木的
比例显著高于当地直播培育的苗木。值得注意的
是,芽苗过分徒长易导致苗茎的木质化不完全,引
发苗木猝倒病[27]。因此9月下旬即应控制肥水,
采取措施促进苗木木质化,提高抗逆性,使苗木顺
利越冬,如可以在幼苗叶面喷洒磷酸二氢钾液
肥[28]。为避免无患子苗木移栽[26,29]过程中苗木木
质化程度较差造成枯梢,可利用截干移栽的技术
促进其生长和提高成活率,其成活率比不截干情况
高出13.7%[25,30]。
扦插育苗和嫁接育苗是无性繁殖育苗的主要方
法。蔡建武等[30]研究结果表明利用萘乙酸生根粉
处理一年生无患子截干枝条进行扦插效果明显,扦
插成活率高达97.5%。林文荣采用母树一年生木
质化健康枝条进行扦插试验,插穗基部采用双削处
理并蘸萘乙酸后根系最为发达,成活 率 达 到
93%[31]。采用一年生实生苗作为砧木、盛果期枝条
作为接穗的低位嫁接方式已经比较成熟[32-34]。无患
子为高大乔木,使用一年生实生苗作为砧木培育嫁
接苗木,有利于压低树高,提早结果;同时,一年生实
生苗砧木便于快速繁殖,以较快的建立起规模化嫁
接苗木培育基地。另外,国外已成功利用组培技术
繁育出无患子、三叶无患子的完整植株,国内组织培
养方面也已经能够繁育完整植株,陈光荣[35]等认
391
中 国 农 业 大 学 学 报 2012年 第17卷 
为,较高的6-BA 浓度(1.5~2.5mg/L)与较低的
NAA浓度(0.2mg/L)配比有利于无患子愈伤组织
诱导。张凤龙[36]利用不同配比的 MS培养基进行
组培实验,认为剥除鳞片的越冬芽是无患子快速繁
殖最理想的外植体。组培的成功对规模化、集约化
的生产一年生砧木,扩大生产规模具有重要意义。
但是目前国内无患子组培技术有待推广普及。同
时,为便于不同目的的栽培经营,利用营养生长旺盛
的多年生砧木进行嫁接,也是今后的研究方向。
2.3 栽培技术
我国已经开始了无患子大面积种植,无患子在
福建规划种植的面积达10多万hm2,已经种植的面
积达近7 000hm2,其中2007年在建宁种植2 000
hm2,2008年在闽南种植地区种植1 000多hm2,
2009年在屏南种植3 000多hm2,在其他地区都是
少量间种,但整体存在大量培育管理问题[37-39]。有
报道称在浙江天台开展了“茶树+无患子”套种模式
并取得较好效果[40]。总体来说,从原料林的角度,
无患子的栽培技术还十分不成熟。
无患子造林一般采取植苗造林方法,以春季造
林效果最佳。起苗时,注意保护顶芽和根系,根系带
护土或者蘸泥浆,适当修剪树冠。整地穴规格60
cm×60cm×60cm,株行距以4m×3m为宜,密度
56株/667m2[14]。林分郁闭前要适当施肥、中耕除
草,确保养分供给。杨众家[29]研究发现,在福建省
将乐县对于无患子幼龄林施氮、磷和钾分别为5g/
株,林木树高、胸径和材积均为最优。定植后,针对
其高大乔木的特点,若以果实为培育目的,须进行矮
化处理,对于实生苗幼树需要摘除顶芽,压低树高,
确保果实产量[41-42]。对于低位芽嫁接苗[43]幼树应
注意清除砧芽,保证接穗养分供应。在作为绿化树
种种植栽培时,首要原则是要确保顶芽和根系的完
好,修剪侧枝,确立顶端优势,培养良好树形,栽植密
度可适当增加。病虫虫害方面苗期和成树期应主要
防治天牛[14]。
2.4 无患子加工工艺
国内外关于无患子种仁生物柴油工业化提取方
法的工艺研究处于起步阶段,王建章等[5,18]对其理
化性质进行了分析,其植物油成分比例与其他一些
油料树种如油橄榄相似,可以借鉴其他油料树种的
工艺进行提取。对无患子生物油提取工艺的研究中
使用了压榨法、浸出法(萃取法)及超临界CO2 萃取
法。3种方法中[5],超临界法处于工艺研究阶段,压
榨法与浸出法是目前生物柴油的主要工业提取方
式,单一的使用一种生产工艺是无法满足工业需求
的,如何将几种方法改进和组合以降低生产成本,是
今后研究的方向。
作为一个多功能树种,无患子加工工艺方面的
研究多集中在果皮皂苷的提取上,目前主要有大孔
吸附树脂法、连续泡沫分离法、超滤法、酶法、乙醇回
流法、微波萃取法、生物化学制备技术等。其中泡沫
分离法操作简单,易于工程放大,设备成本低,更适
合工业化应用。但与大孔吸附树脂法相比,产品收
率偏低,仅为23.64%,仅适用于低质量浓度物质的
分离。而大孔树脂吸附法产品得率能够达到
83.48%,且树脂可以多次重复使用。因此在工业技
术推广中,可将两种提取技术联用[44-54]。
在国内,已经有多项次级加工技术比较成熟,包
括研发无患子皂、生物农药辅助剂等,也都申请了中
国国家专利。
3 存在的问题与展望
3.1 存在的问题
在无患子的生物柴油原料林栽培中存在一些关
键性问题亟待解决:
1)缺乏优良的种质资源,无患子个体变异对果
实产量影响明显,目前国内林分果实产量不稳定;
2)嫁接和组培等无性繁殖技术并未得到很好的推
广,无法为规模化苗木繁育提供技术支持;3)无患
子顶端优势明显,不耐修剪,矮化栽培困难等特性制
约了它的规模化种植。目前国内无患子林经营过于
粗放,缺乏完整的集约化栽培技术体系,虽然对于无
患子的栽培有过不少研究,但是缺乏系统性、集约
性,并不适宜大规模的原料林栽培;4)尽管无患子发
展潜力巨大,国内却缺乏对于无患子资源的综合开
发利用技术,其作为商业产品还没有得到广泛认可。
相反国外一些国家却已经十分重视无患子资源,我
国生产原料多以较低的价格出口国外,然后在国外
进行加工利用。这样对于栽培者来说获得利润小,
生产积极性无法保证,对整个树种产业产生消极影
响。因此,从无患子产业发展的角度看,我国国内缺
乏对于该树种的产业化构建。综合开发利用树种优
势,带动生物柴油原料林的发展生产,是发展该树种
的关键所在。
3.2 我国无患子产业发展建议
面对我国生物质能源树种无患子发展存在的问
491
 第6期 贾黎明等:生物柴油树种无患子研究进展
题,提出如下几点建议:
1)普查、收集国内无患子种质资源,掌握国内各
省无患子分布及地理变异情况,一方面搞清树种起
源,另一方面分析不同种源表型差异。在此基础上
采用杂交等常规育种手段配合生物工程进行良种选
育,尽快选育出高产良种是无患子生物柴油发展亟
待解决的首要问题;2)推广无患子无性育苗技术体
系,包括组织培养技术体系、嫁接技术体系和扦插育
苗技术体系等,利用组培与嫁接、扦插结合的方式大
大加快无患子苗木的生产速度,扩大生产规模,促进
产业发展;3)调查、分析国内无患子树龄、分布处小
气候、结果年份、树势、立地因子对于树种结果量的
影响。研究建立无患子集约化栽培管理技术体系,
包括适生立地选择技术、栽植技术、密度控制技术、
优化树型管理技术、合理水肥管理技术等,以保障生
物柴油原料林的规模化发展,确保果实充足供应和
优质丰产;4)以生产无患子生物柴油为主要目标,兼
顾无患子皂苷等的综合开发利用,加强对于该树种
的推广普及,形成成熟的无患子产业链,提高产业的
整体经济效益。
参 考 文 献
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责任编辑:王燕华
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