吳岐奎, 費(fèi)馨冉, 高 燕，陳 晨，曹媛媛，喻方圓

(1.南京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210037； 2.煙臺(tái)市昆崳山林場(chǎng)，山東 煙臺(tái)264112)

隨著化石資源的日趨枯竭以及環(huán)境污染的日益加重，當(dāng)前社會(huì)能源供給形勢(shì)十分緊張。開(kāi)發(fā)可替代、可再生清潔能源成為應(yīng)對(duì)全球能源危機(jī)的緊迫任務(wù)，其中開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能源是解決方向之一[1-2]。生物柴油是各類(lèi)動(dòng)植物油脂經(jīng)過(guò)酯交換反應(yīng)形成的可供內(nèi)燃機(jī)使用的一種燃料(通常為脂肪酸甲酯或乙酯)，具有來(lái)源廣泛、可再生、可生物降解以及潤(rùn)滑性能高、儲(chǔ)存運(yùn)輸更為安全等優(yōu)勢(shì)[3]。結(jié)合我國(guó)國(guó)情，篩選出分布廣、性狀優(yōu)良、含油率高、適合荒山和荒地生長(zhǎng)的非糧柴油植物，已經(jīng)成為我國(guó)生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)[4]。

野茉莉?qū)?Styraxspp.)為野茉莉科落葉喬木或灌木，我國(guó)約有30種，主要分布在長(zhǎng)江流域以南各省區(qū)，少數(shù)分布在東北或西北地區(qū)[5]。部分物種的油中含有豐富的脂肪酸，特別是不飽和脂肪酸，是潛在的非糧柴油植物[6-7]。但是除東京野茉莉外[8-11]，有關(guān)野茉莉?qū)倨渌锓N還沒(méi)開(kāi)展過(guò)相關(guān)研究。為此，本研究收集野茉莉?qū)僦芯哂幸欢óa(chǎn)業(yè)應(yīng)用潛能的8個(gè)油料樹(shù)種作為研究對(duì)象，分析其種子含油率、油脂脂肪酸組成以及相關(guān)生物柴油燃料特性，對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，為合理開(kāi)發(fā)利用非糧柴油植物提供一定的基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選擇三年生的白花龍(S.faberiPerk. var. faberi)、楚雄野茉莉(S.limprichtiiLingelsh. et Broza)、垂珠花(S.dasyanthaPerk.)、大花野茉莉(S.grandifloraGriff.)、東京野茉莉(S.tonkinensis(Pierre) Craid ex Hartw)、毛萼野茉莉(S.japonicus Sieb. et Zucc. var. calycothrixGilg)、野茉莉(S.japonicusSieb. et Zucc. var. japonicus)、玉玲花(S.obassiaSieb. et Zucc)8個(gè)樹(shù)種為研究對(duì)象，每個(gè)樹(shù)種選取5株長(zhǎng)勢(shì)較好的植株作為采種樹(shù)。待果實(shí)完全成熟后，在每株樹(shù)的東西南北4個(gè)方位均勻采樣，收集8個(gè)樹(shù)種果實(shí)，帶回實(shí)驗(yàn)室，去掉種殼，并室溫干燥。

石油醚(30～60℃)，苯，KOH，甲醇。索式提取器等。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 形態(tài)指標(biāo)測(cè)定

對(duì)8個(gè)樹(shù)種種子的種長(zhǎng)、種寬、千粒重等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。

1.2.2 含油率測(cè)定及油脂理化性質(zhì)分析

將室溫干燥的種仁放入干燥瓶中，然后放入60℃烘箱烘10 h后稱(chēng)量。參照GB/T 5512—2008中的索氏提取法進(jìn)行含油率測(cè)定；參照GB/T 5532—2008中的氯化碘乙酸法進(jìn)行碘值的測(cè)定；參照GB/T 5534—2008中的氫氧化鉀乙醇法進(jìn)行皂化值的測(cè)定。各指標(biāo)測(cè)定進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)并取平均值。

1.2.3 脂肪酸組成分析及脂肪酸甲酯理化性質(zhì)分析

脂肪酸經(jīng)甲酯化后，采用TRACE DSQ(美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司)進(jìn)行脂肪酸組成分析[9]，通過(guò)面積歸一化法求出各脂肪酸的相對(duì)含量并進(jìn)行定性分析。采用模擬模型法估算脂肪酸甲酯的主要指標(biāo)，包括運(yùn)動(dòng)黏度、十六烷值、密度、冷濾點(diǎn)和高熱值。脂肪酸甲酯的運(yùn)動(dòng)黏度和十六烷值根據(jù)各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)模擬獲得[12-13]，密度根據(jù)運(yùn)動(dòng)黏度計(jì)算獲得[14]，冷濾點(diǎn)根據(jù)Maria建立的基于生物柴油長(zhǎng)鏈飽和指數(shù)(LCSF)的預(yù)測(cè)模型計(jì)算獲得[15]，高熱值根據(jù)皂化值和碘值計(jì)算獲得[16]。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，圖表繪制由Excel 2010完成；主成分分析及系統(tǒng)聚類(lèi)分析由SAS 9.3完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 8個(gè)樹(shù)種種子形態(tài)指標(biāo)分析(見(jiàn)表1)

表1 8個(gè)樹(shù)種種子形態(tài)指標(biāo)

由表1可知，8個(gè)樹(shù)種的種長(zhǎng)分布在7.79～11.97 mm之間，平均種長(zhǎng)為10.01 mm；種寬分布在5.64～8.94 mm之間，平均種寬為6.75 mm；種子千粒重分布在964.7～3 333.20 g之間，平均千粒重為1 885.07 g。

2.2 8個(gè)樹(shù)種種仁含油率、油脂理化性質(zhì)及脂肪酸組成(見(jiàn)表2、表3)

由表2可知，8個(gè)樹(shù)種的種仁均具有較高的含油率(≥20%)，含油率最低的為楚雄野茉莉，其種仁含油率為22.24%；含油率最高的為東京野茉莉，其種仁含油率為54.86%。8個(gè)樹(shù)種中的6個(gè)樹(shù)種含油率超過(guò)40%，高于目前國(guó)內(nèi)其他油料植物，如黃連木(35.1%)、麻瘋樹(shù)(39.8%)、烏桕(42.1%)、油桐(40.0%)等[17-20]。這與林鐸清等[21]的研究結(jié)果一致，同時(shí)種仁含油率與樟科、蕓香科、大戟科及胡桃科等富油科相近[6]。

8個(gè)樹(shù)種的油脂碘值(I)和皂化值(KOH)分別為114.16～124.34 g/100 g和159.89～168.98 mg/g。我國(guó)對(duì)于柴油原料油脂酸價(jià)、皂化值和碘值沒(méi)有明確的質(zhì)量指標(biāo)要求，除白花龍和東京野茉莉油脂的碘值(I)略高于120 g/100 g外，其余6個(gè)樹(shù)種油脂碘值均達(dá)到德國(guó)生物柴油關(guān)于碘值(I)的質(zhì)量指標(biāo)(<120 g/100 g)。

不同油料的油脂脂肪酸組成不同，具有不同的燃料特性及用途[22]。由表3可知，8個(gè)樹(shù)種油脂脂肪酸碳鏈長(zhǎng)度介于C14～C20的含量均超過(guò)95%，且未檢測(cè)到雙鍵數(shù)大于等于3的多不飽和脂肪酸。8個(gè)樹(shù)種油脂脂肪酸組成含量較為相似，主要為油酸(C18∶1)和亞油酸(C18∶2)，兩者的總含量為77.74%～83.95%。因此，根據(jù)相關(guān)脂肪酸組成的初步評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[19-20]，本研究中8個(gè)樹(shù)種均適合用于開(kāi)發(fā)非糧柴油植物。

表2 8個(gè)樹(shù)種種仁含油率及油脂理化性質(zhì)

表3 8個(gè)樹(shù)種油脂脂肪酸組成及含量 %

2.3 8個(gè)樹(shù)種油脂脂肪酸甲酯的理化性質(zhì)(見(jiàn)表4)

表4 8個(gè)樹(shù)種油脂脂肪酸甲酯理化性質(zhì)

由表4可知，8個(gè)樹(shù)種油脂脂肪酸甲酯的運(yùn)動(dòng)黏度介于3.55～3.60 mm2/s之間，平均值為3.58 mm2/s；十六烷值介于48.87～50.73之間，平均值為49.98；密度介于862.88～864.58 kg/m3之間，平均值為863.80 kg/m3；高熱值介于40.67～41.10 kJ/g之間，平均值為40.88 kJ/g；冷濾點(diǎn)介于-6.70～-1.54℃之間，平均值為-4.24℃。其中，運(yùn)動(dòng)黏度、密度、高熱值及冷濾點(diǎn)符合歐盟(EN 14214)、德國(guó)(DIN V 51606)、美國(guó)(ASTM D6751)及我國(guó)(GB/T 20828—2007)相關(guān)要求，十六烷值符合德國(guó)、美國(guó)及我國(guó)相關(guān)要求[23]。因此，本研究中的8個(gè)樹(shù)種均可作為我國(guó)非糧柴油植物的初步篩選樹(shù)種。

2.4 8個(gè)樹(shù)種燃料特性的主成分分析及聚類(lèi)分析(見(jiàn)圖1、圖2)

根據(jù)種子形態(tài)、含油率以及柴油特性等指標(biāo)，通過(guò)SAS對(duì)8個(gè)油料樹(shù)種進(jìn)行主成分分析發(fā)現(xiàn)，第一主成分特征值為3.30，其貢獻(xiàn)率為47.08%；第二主成分特征值為1.56，其貢獻(xiàn)率為22.21%，前兩個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)69.29%，可以有效地描述8個(gè)樹(shù)種燃料特性各項(xiàng)指標(biāo)信息。由圖1可知，將8個(gè)樹(shù)種劃分為3類(lèi)：I類(lèi)包含2個(gè)種質(zhì)，即白花龍和東京野茉莉；II類(lèi)包含3個(gè)種質(zhì)，即垂珠花、大花野茉莉和毛萼野茉莉；III類(lèi)包含3個(gè)種質(zhì)，即楚雄野茉莉、玉玲花和野茉莉。由圖2可知，在歐式距離0.8時(shí)，聚類(lèi)分析結(jié)果與主成分分析結(jié)果一致。其中，I類(lèi)種質(zhì)為中型、富油種子，II類(lèi)種質(zhì)為小型、較富油種子，III類(lèi)種質(zhì)為大型、少油種子。

圖1 8個(gè)樹(shù)種基于種子柴油特性的主成分分析

圖2 8個(gè)樹(shù)種基于種子柴油特性的聚類(lèi)分析

3 結(jié) 論

本研究對(duì)野茉莉?qū)?個(gè)油料樹(shù)種的含油率、油脂脂肪酸組成及理化性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，并通過(guò)模型模擬法預(yù)估其燃料特性。結(jié)果表明：8個(gè)油料樹(shù)種均符合生物柴油標(biāo)準(zhǔn)，可作為我國(guó)非糧柴油植物的初步篩選樹(shù)種。