值得開發利用的蛋白油料樹種——水黃皮

2023-04-06 11:15:38楊衛東蘭雪成趙鳳亮張光旭丁哲利朱治強

熱帶農業科學 2023年1期

楊衛東蘭雪成趙鳳亮張光旭丁哲利朱治強

（1. 浙江大學環境與資源學院浙江杭州 310029；2. 中國熱帶農業科學院環境與植物保護研究所海南海口 571101；3. 黑龍江八一農墾大學作物學院黑龍江大慶 163319；4. 中國熱帶農業科學院?？趯嶒炚竞Ｄ虾？?571101；5. 海南大學熱帶作物學院海南?？?570228）

隨著人口不斷增長，我國面臨食用油與植物蛋白嚴重不足的風險。近些年來，我國日益重視木本蛋白與油料資源的利用，如油茶樹、山桐子、文冠果等。木本油料作物可以利用退化、邊際化土地及山地栽培，不與糧食作物爭地，逐漸成為保障我國糧油安全的重要組成部分。

近些年來，一種原產于亞洲的豆科樹種——水黃皮[Pongamia pinnata(L.) Pierre]，引起多國關注，如澳大利亞、美國、印度、印度尼西亞、孟加拉國等，被稱為新一代生物柴油樹種[1-3]。尤其是澳大利亞與美國，澳大利亞開發出生物柴油與航空柴油，而美國選育出水黃皮結籽量大、含油高品種，并結合深加工技術，把水黃皮籽粒（水黃皮豆）加工為食用油與食用蛋白[3-4]。

水黃皮籽粒油酯與蛋白含量高，每年每公頃能生產3 600~4 800 L油，遠高于麻瘋樹，次于油棕[3]。但是，由于水黃皮籽粒含有次生代謝物質如生物堿及黃酮化合物等，在原產地區如南亞印度、孟加拉國等，人們并不食用水黃皮的種子以及提取的油[5-6]。水黃皮油口感苦、有刺激性氣味，再加上低毒性，僅作為非食用油來利用，如工業用油，尤其作為生物柴油[2,5]。水黃皮榨油后，籽餅雖然含有豐富的蛋白質，但含有生物堿與抗營養因子，不經過處理對家畜生長有負面影響，很多情況下作為綠肥使用[7-8]。

水黃皮并不是美國本土植物，因為花似紫藤，1920年作為觀賞植物被引入。近期，美國農業科技企業TerViva與世界著名食品企業——達能（Danone）合作，TerViva擁有知識產權技術包括水黃皮高產品種與深加工技術。通過深加工技術把水黃皮豆開發為食用油（烹飪油）與食用植物蛋白，經過小試，油質適合作為烹飪用，水黃皮食用油原計劃2022年上市，食用蛋白計劃2023年面市。

目前，許多國家仍把水黃皮開發為生物柴油，而美國率先利用深加工技術把水黃皮豆加工為食用油與食用蛋白，因食用油效益比生物柴油好，深受農戶歡迎。柑橘產業是佛羅里達州的第二大產業，近幾年來，佛羅里達州柑橘黃龍病暴發，再加上颶風、干旱、土壤退化等因素，嚴重影響柑桔、檸檬與酸橙的產量，當地綜合考慮了經濟效益與可持續性，選擇水黃皮樹替代柑橘類作物。近些年，夏威夷甘蔗產業經濟效益不佳，選擇水黃皮樹替代甘蔗。目前，水黃皮已在佛羅里達、夏威夷商業化栽培，而且TerViva公司還計劃在印度收購黃皮籽粒，用于食用油與食用蛋白加工。

隨著育種與栽培技術進展，水黃皮豆理論產量巨大，有望接近油棕[3]。而且作為木本植物，一次栽培，可多年利用，是低投入的可持續性產業，在澳大利亞與美國已經商業化栽培[3]。

水黃皮原產于我國東南部，我國對其藥用與生態應用（用于沿海防護林建設）研究頗多，但相比國際上，對水黃皮深度開發重視不夠[8-13]。我國人口眾多，土地有限，一些后備土地資源也用來發展糧油作物。因此，我國發展水黃皮生物柴油空間狹窄，而作為食用油與食用蛋白資源開發潛力極大。文章簡要介紹水黃皮的研究進展，重點介紹其在遺傳改良、栽培與食用油及食用蛋白開發應用方面的進展，旨在為我國水黃皮開發利用提供參考。

1 水黃皮植物學特性、分布與生境

在中國，水黃皮分布于福建、廣東、臺灣、海南等省，現在廣西等地也有栽培[14]。水黃皮在中國又名水流豆、九重吹、臭腥子等，為豆科水黃皮屬常綠或半落葉喬木[14]。水黃皮屬是單種屬，即此屬世界上僅有一種——水黃皮[14]，高8~15 m，為中型喬木[3]；羽狀復葉長20~25 cm；小葉2–3對，近革質，卵形、闊橢圓形至長橢圓形；總狀花序腋生，通常2朵花簇生于花序總軸的節上，花紫色；莢果長4~5 cm，寬1.5~2.5 cm，一般有種子1粒，稀2粒（一粒發育不完全），種子腎形[1,3,14]；在中國，花期在5—6月，果期在8—10月[14]。

在世界上，水黃皮分布于東南亞（印度尼西亞、馬來西亞、菲律賓、越南、緬甸等）、南亞（印度、孟加拉國、斯里蘭卡、巴基斯坦）、太平洋一些國家（如斐濟）、澳大利亞等[1,3,15]，被引種到美國、新西蘭、波多黎各、非洲等一些國家栽培[15]。

水黃皮為熱帶、暖亞熱帶樹種，習見于沖積平原，分布在海平面至海拔1 200 m，年降雨為500~2 500 mm地區[16]。自然生境為海岸帶邊緣、河岸、溪邊、塘旁等，能適應氣候波動，具有抗風、耐貧瘠、耐鹽堿、耐水濕、耐熱、耐旱、耐霜、耐陰、耐重金屬等特性[4,8,10,15,17-18]。水黃皮喜濕生環境，可在積水情況下生長數周，故名水黃皮[14]。作為濕生植物，是海濱森林、溪流、河岸等生態系統的組成部分[19]。水黃皮根深而粗壯，抗臺風，是我國沿海防護林樹種之一[8,10]；極耐鹽，62%的水黃皮可生長在含鹽量為10~12 dS/m的環境中，個別能生長在19 dS/m條件下[3,20]。在我國，水黃皮通常生長在紅樹林邊緣，生態功能與紅樹林相近，這類植物稱之為半紅樹，因此，水黃皮又被稱為半紅樹水黃皮[8,10]。

2 水黃皮的多種用途

水黃皮為速生樹種，4~5年就達到成年高度，在南亞如印度、孟加拉國，水黃皮被可用作薪材與木材（小徑材）[3,21]。作為豆科樹種，與根瘤菌Bradyrhizobium、Rhizobium共生，具有固氮能力，栽培上接種高效固氮菌株可進一步提高固氮潛力[3,22]。水黃皮耐貧瘠，能生長在多種土壤類型如石質、鈣質與粘土等，加上固氮作用，可改善土壤肥力，修復退化土壤，促進土壤健康[4,21]。作為固氮樹種，可以與咖啡等植物間作[23]。水黃皮生長快，固碳能力強，5年樹齡水黃皮種植園，每公頃可固碳49.28 t[24]。水黃皮側根發達，可防止水土流失與侵蝕[16,25]。因此，水黃皮是一種優良的生態樹種。

在印度、孟加拉國及我國，水黃皮全株均可入藥，被作為藥用植物資源開發利用[8,9,11,13,16,19]。水黃皮含有苦味黃酮類化合物等次生物質，可以作為生物農藥與毒魚劑[19,21]。

最重要的是水黃皮籽粒（水黃皮豆，Pongamia bean）油酯與蛋白質含量高，籽粒產量大，水黃皮豆利用價值最大[1]。水黃皮籽粒經壓榨或浸提，產生橙黃色的水黃皮油，具有多種用途，可作為藥用、燃料（烹飪與照明）、潤滑劑、肥皂材料、化妝品原材料等[5,16,21]。現在多國把水黃皮作為新一代生物柴油樹種，尤其澳大利亞，已把水黃皮油開發為高端的生物航空柴油[3]。植物葉與種子含有豐富的氮與蛋白質，可以作為動物飼料，也可以用作綠肥[1,16]。脫酯后的籽粕含有較高氮與蛋白質，經處理后可以作為動物飼料[1]。

水黃皮葉濃綠，花似紫藤，具有極高的觀賞價值，是優良的綠化樹種，廣泛植于公園、庭院、街道、河岸等[3]。

水黃皮含油量同大豆，產量接近油棕[3]，最近，美國率先把水黃皮豆加工成食用油與食用蛋白，水黃皮利用邁上新臺階。

3 油用與蛋白質應用

水黃皮籽粒產量大，油酯與蛋白質含量高，產油量高于其他生物柴油植物，是一種具有極大利用潛力的木本豆類[15]。水黃皮種子長2.2 cm、寬1.3 cm，平均籽粒重量為1.3~2.6 g，平均重為2 g，最重可達3 g，含油率為30%~41%[20]。風干的種仁含有27.5%油、17.4%蛋白質、6.6%淀粉、7.3%粗纖維和2.3%灰分[16]。種子含有油酸、硬脂酸、亞麻酸、亞油酸等[5]。

在中國及南亞，水黃皮種子作為藥用，主要利用籽粒含有的次生物質如黃酮類化合物、生物堿、苷類等[6,7,9,26]。現在，已發現水黃皮種子內含有karanjin、pongamol、pongagalabrone、pongapin、pinnatin、kanjone、pongol等次生物質[19,26]。通過壓榨法與溶劑提取法（常用正己烷）制取水黃皮油，為橙黃色到紅棕色非干性油，含有苦味的黃酮類化合物如karanjin、pongapin、pongaglubin等物質[5,7]。這些生物活性成分有極大的利用價值，但也嚴重影響水黃皮籽粒的食用性與飼用性[7,26-27]。水黃皮油有不愉快的氣味、味苦，食之后引起惡心與嘔吐，是一種非食用油[5]。因此，一直以來認為水黃皮種子不能食用與直接飼用，榨取的油只能作為工業用油與生物柴油，籽餅作為生物肥[16]。

油酸是高質量生物柴油中一種關鍵的脂肪酸，水黃皮油酸含量高，為55%[20]。制取的粗油進一步脫膠與精煉，在KOH催化劑存在下與甲醇發生脂肪酸甲基酯化反應轉化為甲酯（生物柴油）[28-29]。作為生物柴油與航空柴油，是一種無硫排放和無腐蝕性清潔燃料，能滿足歐洲標準。

種子及提取油含有生物活性物質，具有特殊的生物功能，分離出來可供醫藥、日化及農業應用[23,26,30,31]。黃酮pongamol是水黃皮籽油中一種主要生物活性成分，有抗癌、抗炎、抗氧化功效[26,31]。Katekhaye等[30]與Raghav等[32]研究發現，種子油中的karanjin對人的毒性很低，而且具有多種生物功能，可用作醫藥與生物農藥。

水黃皮豆及脫酯后副產品（籽粕）含有豐富的蛋白質，但含有生物堿以及其他抗營養因子，不能食用與直接飼用[33]。水黃皮籽粒的蛋白為優質植物蛋白，氨基酸組成相似于大豆，有強凝膠與乳化特性，引起過敏性蛋白含量低[33]。脫酯后籽粕含有生物堿，仍需要深加工去除豆粕中生物堿，不經過處理，也不適合食用與飼用，僅作為有機肥料應用[33]。Housman等[34]研究發現，通過壓榨法與溶劑提取法獲得水黃皮籽餅，可以作為牛飼料蛋白補充物，而采用溶劑提取法獲得籽餅對牛適口性好于壓榨法，然后這2種方法所獲籽餅均使牛消化率降低。

育種改良與深加工是降低油料作物有毒成分和抗營養因子的有效方法。誠如棉籽與油菜籽一樣，二者均是重要的食用油與植物蛋白資源，棉籽含有棉酚，油菜籽含有硫代葡萄糖苷與芥酸等有毒成分，在深加工過程中去除有毒成分，可滿足食用要求[35-36]。早在20世紀80年代，曾嘗試把水黃皮油通過精煉方法去除有毒化合物黃酮karanjin與pongamol，消除苦味感與不愉快口味氣味，將其作為食用油來用[37]。精煉后，發現水黃皮油成分確實相似大豆油，然而，經過毒理檢驗，精煉后的水黃皮油仍不能供食用[37]。美國農業科技企業TerViva與達能集團合作，通過具有知識產權深加工技術，將榨取的水黃皮油進行精煉，去除了有毒成分與抗營養因子，把水黃皮油加工成烹飪用油。同時，通過深加工方法去除水黃皮籽粕中有害成分與抗營養物質，把籽粕轉化為食用蛋白與飼用蛋白。

影響食用與飼用的成分往往是生物活性物質，如生物堿、黃酮等，分離出來供藥用與其他應用[26,32]。水黃皮籽粒中含有豐富的黃酮類等次生物質，具有抗氧化、抗微生物、抗發炎及抗糖尿病活性，對哺乳動物細胞低毒性[26]。美國企業采用物理與化學方法（技術沒有公開）去除水黃皮油有害成分（生物活性物質）與抗營養因子，把水黃皮油加工食用油，回收加工副產品——有害成分（生物活性物質）用于醫藥、化妝品與農用，從而提高了產業附加值。同樣，籽粒與籽餅經過物理與化學處理，去除有害物質與抗營養因子，加工成可食用植物蛋白——水黃皮豆粉，去除的有害成分再回收供藥用或其他應用。

植物蛋白與植物油可通過遺傳育種方法與深加工方法改善其食用品質?，F在水黃皮種子內一些關鍵成分合成途徑已經清楚[38]，將來可以通過生物技術手段來抑制或降低生物活性物質合成，類似選育的低棉酚棉花品種與雙低油菜品種（低硫苷與低芥酸)，滿足食用目標。同時，通過多學科相結合不斷改進深加工方法，提高水黃皮油酯與蛋白的食用品質，回收生物活性成分，提高水黃皮附加值。

4 育種與栽培

在亞洲，水黃皮仍為野生樹種，鮮有人工馴化與改良[15]。水黃皮作為多用途樹種，目前馴化改良目標仍是提高籽粒產量與含油率，增強對病蟲害的抗性[3,6,39]。水黃皮繁殖是由蜂類傳粉的異型交配策略，而且在世界上分布廣、遺傳多樣性豐富、變異大，這給水黃皮馴化與遺傳改良提供了機遇[1,3,6,15,20,39-41]。可充分利用種內遺傳變異的潛力，采用選擇育種方法選擇優株優樹，培育高油無性系，提高產油量[1,3,4,6,15,20,21,39,42]。

雖然水黃皮馴化改良歷史很短，但在一些基礎研究方面也取得進展。Aminah等[15]研究發現，不同基因型之間油酯與蛋白質含量有顯著差異，并且籽粒油含量與蛋白質含量呈正相關。籽粒是經濟收獲產品，籽粒產量是重要選擇指標，而莢果產量變化大，籽粒產量不能僅依據莢果產量，表觀性狀樹冠形狀、枝條數、繁殖效率與籽粒產量密切相關[43]。這些可以為野外選擇高油與高蛋白質優樹提供參考。

水黃皮為多年生木本植物，遺傳改良耗時長[1]。應開展優樹苗期選擇（早期選擇），縮短育種時間，提高選擇效率[1]。Kumar等[6]研究了含油量變異與苗期性狀表現關系，為優樹（苗期）早期選擇提供了基礎。在前期選擇的優樹基礎上，利用優樹作為親本進一步雜交育種選育出新品種。Prasad[43]建立了基于籽粒豐產、含油高野外優樹早期選擇方法。表觀性狀樹冠體積、樹冠面積、莢果去殼率、單株籽?？偖a量等穩定指標與籽粒產量相關。因此，優樹選擇標準為：優樹樹冠半徑至少比非優樹長3 m，樹冠面積至少比非優樹多12 m2，莢果去殼率至少比非優樹多40%，單株籽粒產量至少比非優樹多50 kg。這些指標均容易測量，適合在野外應用。

因此，充分利用野外變異，選擇優良表現型，進一步深度馴化與改良[6,20,39-40]。選擇的具有優良性狀的無性系通過無性繁殖方法（扦插、嫁接和組織培養）保存下來，建立無性系種質園，然后進行規模化擴繁供生產應用[1,3]。

近些年，現代生物技術（結合生物學、遺傳學、基因組學和生物化學多學科）已經滲入到水黃皮馴化改良進程中來[1,3,20,44]。Huang等[44]通過轉錄組學分析種子發育過程中油富集基因表達。Kazakoff等[4]解析水黃皮葉綠體與線粒體基因組。澳大利亞昆士蘭大學開發出分子標記工具，有助于提高水黃皮馴化改良效率[3,45]。這些將為水黃皮分子育種與遺傳工程手段獲得高油產量與優良品質，加快水黃皮育種效率提供基礎。

澳大利亞、美國等國率先開展水黃皮育種工作，選育的品種植株矮化，開花結果早，產量高。美國授權的一些品種其籽粒產量大、含油量高、抗病性強，如K606（含油率為38.6%）、K128b（含油率為38.5%）、K140（籽粒重2.1 g，油含量為41.4%）[46-48]。在2020年，TerViva BioEnergy公司又申請水黃皮25個新品種權，這些申請的品種具有性狀穩定、高產、適合農藝栽培、莢果量豐富、種子含油量高等特征[49]。

在亞洲，水黃皮鮮有人工栽培，更沒有優良無性系或品種供應用。無論作為一般經濟樹種還是作為木本油料作物，生產上主要目的都是提高籽粒產量。水黃皮耐貧瘠，可栽培于邊際與退化土地上，不與糧油作物爭地，不用毀林，病蟲害少，用肥少，管理維護成本低[4,6,20]。

澳大利亞與美國已經開始商業化栽培，優良無性系加上先進栽培技術提高籽粒與油產量。目前，水黃皮主要栽培于熱帶與暖亞熱帶地區，在澳大利亞，水黃皮能栽培于比較涼爽的亞熱帶地區——昆士蘭[20]。Jiang等[20]報道，在休眠期間，水黃皮能在低于?5℃的環境下生存，我國主要分布于熱帶與南亞熱帶地區，上海辰山植物園有引種栽培，因此在我國的適生區有待進一步研究。作為木本植物，回報期長，一般在4年后就有經濟產量，改良的水黃皮品種豐產期為25年，2年開花結果[3]。

商業化栽培目的為提高經濟產量，因此，要對種植園充分規劃，改良土壤，增施有機肥等[23]。水黃皮可種子繁殖與無性繁殖。種子繁殖實生苗變異大，開花結籽晚，產量低[21]。在生產上為了豐產與保持無性系或品種優良性狀，通常采取無性繁殖方式，如莖扦插、壓條、根蘗苗、根插、嫁接與組織培養等。目前，扦插、嫁接與組織培養等快繁種苗技術都已成熟[16,20,21,50-51]。莖扦插快繁，生長激素IBA處理（濃度為800 mg/L）有效誘導生根，而且采自幼樹扦條生根率高于采自成熟樹的扦條[21]。澳大利亞與美國已采用容器苗栽培。

要想獲得高產，必需建立高產無性系種植園[21,42]。一般選擇高油品種或基因型，而且宜采用不同優樹無性系混合栽培，而不是僅選擇單一無性系栽培[20]。嫁接苗可以明顯縮短水黃皮童性階段，提前結果，較早獲得經濟產量[21]。栽培密度、樹體結構與產量有密切關系，采用矮化密植栽培[3,16]。選擇高產量半矮化品種，也可以通過修剪把樹體轉變成半矮化樹型，栽培密度1 000~1 200株/hm2[3]。

良好的田間管理可進一步優化生長條件，提高籽粒產量[6]。通過修剪，創立豐產樹勢樹形[1]。加強營養管理，尤其在花期與莢果期，提高籽粒產量[23]。同時控制病蟲害，減少損失[23,43]。種植園生草，引入覆蓋作物，采用復合農林業系統，與咖啡等農作物間作，都取得顯著進展[1,16,23]。目前，在美國，采用收獲開心果的機械采收水黃皮莢果，收獲水黃皮豆后，用壓榨法與浸提法制取水黃皮油，進一步深加工。

5 展望

水黃皮具有大豆的出油率與油棕的產量，但同大豆與油棕相比，水黃皮樹可栽培于退化或邊際土地上，不與糧油爭地，不用毀林，用肥少，基本不用農藥，對環境更友好，為新一代木本豆類作物。

水黃皮籽粒中次生物質含量高，長期以來被定位于非食用性。隨著馴化改良與深加工技術進展，水黃皮籽粒朝向食用性轉變，加上高產，具有巨大的食用油與植物蛋白開發利用潛力。

水黃皮原產于我國，至今，我國對水黃皮開發利用相對滯后。我國人口眾多，食用油與食用蛋白缺口大，我國并沒有充足的土地資源栽培生物柴油植物，可以朝食用油與食用蛋白方向發展。水黃皮為優良生態樹種，可以栽培于不同環境條件下，同時，水黃皮極高的觀賞價值，可形成優美田間景觀，具有良好的生態效益與經濟效益。