值得开发利用的蛋白油料树种——水黄皮

2023-04-06杨卫东兰雪成赵凤亮张光旭丁哲利朱治强

热带农业科学 2023年1期

杨卫东兰雪成赵凤亮张光旭丁哲利朱治强

（1. 浙江大学环境与资源学院浙江杭州 310029；2. 中国热带农业科学院环境与植物保护研究所海南海口 571101；3. 黑龙江八一农垦大学作物学院黑龙江大庆 163319；4. 中国热带农业科学院海口实验站海南海口 571101；5. 海南大学热带作物学院海南海口 570228）

随着人口不断增长，我国面临食用油与植物蛋白严重不足的风险。近些年来，我国日益重视木本蛋白与油料资源的利用，如油茶树、山桐子、文冠果等。木本油料作物可以利用退化、边际化土地及山地栽培，不与粮食作物争地，逐渐成为保障我国粮油安全的重要组成部分。

近些年来，一种原产于亚洲的豆科树种——水黄皮[Pongamia pinnata(L.) Pierre]，引起多国关注，如澳大利亚、美国、印度、印度尼西亚、孟加拉国等，被称为新一代生物柴油树种[1-3]。尤其是澳大利亚与美国，澳大利亚开发出生物柴油与航空柴油，而美国选育出水黄皮结籽量大、含油高品种，并结合深加工技术，把水黄皮籽粒（水黄皮豆）加工为食用油与食用蛋白[3-4]。

水黄皮籽粒油酯与蛋白含量高，每年每公顷能生产3 600~4 800 L油，远高于麻疯树，次于油棕[3]。但是，由于水黄皮籽粒含有次生代谢物质如生物碱及黄酮化合物等，在原产地区如南亚印度、孟加拉国等，人们并不食用水黄皮的种子以及提取的油[5-6]。水黄皮油口感苦、有刺激性气味，再加上低毒性，仅作为非食用油来利用，如工业用油，尤其作为生物柴油[2,5]。水黄皮榨油后，籽饼虽然含有丰富的蛋白质，但含有生物碱与抗营养因子，不经过处理对家畜生长有负面影响，很多情况下作为绿肥使用[7-8]。

水黄皮并不是美国本土植物，因为花似紫藤，1920年作为观赏植物被引入。近期，美国农业科技企业TerViva与世界著名食品企业——达能（Danone）合作，TerViva拥有知识产权技术包括水黄皮高产品种与深加工技术。通过深加工技术把水黄皮豆开发为食用油（烹饪油）与食用植物蛋白，经过小试，油质适合作为烹饪用，水黄皮食用油原计划2022年上市，食用蛋白计划2023年面市。

目前，许多国家仍把水黄皮开发为生物柴油，而美国率先利用深加工技术把水黄皮豆加工为食用油与食用蛋白，因食用油效益比生物柴油好，深受农户欢迎。柑橘产业是佛罗里达州的第二大产业，近几年来，佛罗里达州柑橘黄龙病暴发，再加上飓风、干旱、土壤退化等因素，严重影响柑桔、柠檬与酸橙的产量，当地综合考虑了经济效益与可持续性，选择水黄皮树替代柑橘类作物。近些年，夏威夷甘蔗产业经济效益不佳，选择水黄皮树替代甘蔗。目前，水黄皮已在佛罗里达、夏威夷商业化栽培，而且TerViva公司还计划在印度收购黄皮籽粒，用于食用油与食用蛋白加工。

随着育种与栽培技术进展，水黄皮豆理论产量巨大，有望接近油棕[3]。而且作为木本植物，一次栽培，可多年利用，是低投入的可持续性产业，在澳大利亚与美国已经商业化栽培[3]。

水黄皮原产于我国东南部，我国对其药用与生态应用（用于沿海防护林建设）研究颇多，但相比国际上，对水黄皮深度开发重视不够[8-13]。我国人口众多，土地有限，一些后备土地资源也用来发展粮油作物。因此，我国发展水黄皮生物柴油空间狭窄，而作为食用油与食用蛋白资源开发潜力极大。文章简要介绍水黄皮的研究进展，重点介绍其在遗传改良、栽培与食用油及食用蛋白开发应用方面的进展，旨在为我国水黄皮开发利用提供参考。

1 水黄皮植物学特性、分布与生境

在中国，水黄皮分布于福建、广东、台湾、海南等省，现在广西等地也有栽培[14]。水黄皮在中国又名水流豆、九重吹、臭腥子等，为豆科水黄皮属常绿或半落叶乔木[14]。水黄皮属是单种属，即此属世界上仅有一种——水黄皮[14]，高8~15 m，为中型乔木[3]；羽状复叶长20~25 cm；小叶2–3对，近革质，卵形、阔椭圆形至长椭圆形；总状花序腋生，通常2朵花簇生于花序总轴的节上，花紫色；荚果长4~5 cm，宽1.5~2.5 cm，一般有种子1粒，稀2粒（一粒发育不完全），种子肾形[1,3,14]；在中国，花期在5—6月，果期在8—10月[14]。

在世界上，水黄皮分布于东南亚（印度尼西亚、马来西亚、菲律宾、越南、缅甸等）、南亚（印度、孟加拉国、斯里兰卡、巴基斯坦）、太平洋一些国家（如斐济）、澳大利亚等[1,3,15]，被引种到美国、新西兰、波多黎各、非洲等一些国家栽培[15]。

水黄皮为热带、暖亚热带树种，习见于冲积平原，分布在海平面至海拔1 200 m，年降雨为500~2 500 mm地区[16]。自然生境为海岸带边缘、河岸、溪边、塘旁等，能适应气候波动，具有抗风、耐贫瘠、耐盐碱、耐水湿、耐热、耐旱、耐霜、耐阴、耐重金属等特性[4,8,10,15,17-18]。水黄皮喜湿生环境，可在积水情况下生长数周，故名水黄皮[14]。作为湿生植物，是海滨森林、溪流、河岸等生态系统的组成部分[19]。水黄皮根深而粗壮，抗台风，是我国沿海防护林树种之一[8,10]；极耐盐，62%的水黄皮可生长在含盐量为10~12 dS/m的环境中，个别能生长在19 dS/m条件下[3,20]。在我国，水黄皮通常生长在红树林边缘，生态功能与红树林相近，这类植物称之为半红树，因此，水黄皮又被称为半红树水黄皮[8,10]。

2 水黄皮的多种用途

水黄皮为速生树种，4~5年就达到成年高度，在南亚如印度、孟加拉国，水黄皮被可用作薪材与木材（小径材）[3,21]。作为豆科树种，与根瘤菌Bradyrhizobium、Rhizobium共生，具有固氮能力，栽培上接种高效固氮菌株可进一步提高固氮潜力[3,22]。水黄皮耐贫瘠，能生长在多种土壤类型如石质、钙质与粘土等，加上固氮作用，可改善土壤肥力，修复退化土壤，促进土壤健康[4,21]。作为固氮树种，可以与咖啡等植物间作[23]。水黄皮生长快，固碳能力强，5年树龄水黄皮种植园，每公顷可固碳49.28 t[24]。水黄皮侧根发达，可防止水土流失与侵蚀[16,25]。因此，水黄皮是一种优良的生态树种。

在印度、孟加拉国及我国，水黄皮全株均可入药，被作为药用植物资源开发利用[8,9,11,13,16,19]。水黄皮含有苦味黄酮类化合物等次生物质，可以作为生物农药与毒鱼剂[19,21]。

最重要的是水黄皮籽粒（水黄皮豆，Pongamia bean）油酯与蛋白质含量高，籽粒产量大，水黄皮豆利用价值最大[1]。水黄皮籽粒经压榨或浸提，产生橙黄色的水黄皮油，具有多种用途，可作为药用、燃料（烹饪与照明）、润滑剂、肥皂材料、化妆品原材料等[5,16,21]。现在多国把水黄皮作为新一代生物柴油树种，尤其澳大利亚，已把水黄皮油开发为高端的生物航空柴油[3]。植物叶与种子含有丰富的氮与蛋白质，可以作为动物饲料，也可以用作绿肥[1,16]。脱酯后的籽粕含有较高氮与蛋白质，经处理后可以作为动物饲料[1]。

水黄皮叶浓绿，花似紫藤，具有极高的观赏价值，是优良的绿化树种，广泛植于公园、庭院、街道、河岸等[3]。

水黄皮含油量同大豆，产量接近油棕[3]，最近，美国率先把水黄皮豆加工成食用油与食用蛋白，水黄皮利用迈上新台阶。

3 油用与蛋白质应用

水黄皮籽粒产量大，油酯与蛋白质含量高，产油量高于其他生物柴油植物，是一种具有极大利用潜力的木本豆类[15]。水黄皮种子长2.2 cm、宽1.3 cm，平均籽粒重量为1.3~2.6 g，平均重为2 g，最重可达3 g，含油率为30%~41%[20]。风干的种仁含有27.5%油、17.4%蛋白质、6.6%淀粉、7.3%粗纤维和2.3%灰分[16]。种子含有油酸、硬脂酸、亚麻酸、亚油酸等[5]。

在中国及南亚，水黄皮种子作为药用，主要利用籽粒含有的次生物质如黄酮类化合物、生物碱、苷类等[6,7,9,26]。现在，已发现水黄皮种子内含有karanjin、pongamol、pongagalabrone、pongapin、pinnatin、kanjone、pongol等次生物质[19,26]。通过压榨法与溶剂提取法（常用正己烷）制取水黄皮油，为橙黄色到红棕色非干性油，含有苦味的黄酮类化合物如karanjin、pongapin、pongaglubin等物质[5,7]。这些生物活性成分有极大的利用价值，但也严重影响水黄皮籽粒的食用性与饲用性[7,26-27]。水黄皮油有不愉快的气味、味苦，食之后引起恶心与呕吐，是一种非食用油[5]。因此，一直以来认为水黄皮种子不能食用与直接饲用，榨取的油只能作为工业用油与生物柴油，籽饼作为生物肥[16]。

油酸是高质量生物柴油中一种关键的脂肪酸，水黄皮油酸含量高，为55%[20]。制取的粗油进一步脱胶与精炼，在KOH催化剂存在下与甲醇发生脂肪酸甲基酯化反应转化为甲酯（生物柴油）[28-29]。作为生物柴油与航空柴油，是一种无硫排放和无腐蚀性清洁燃料，能满足欧洲标准。

种子及提取油含有生物活性物质，具有特殊的生物功能，分离出来可供医药、日化及农业应用[23,26,30,31]。黄酮pongamol是水黄皮籽油中一种主要生物活性成分，有抗癌、抗炎、抗氧化功效[26,31]。Katekhaye等[30]与Raghav等[32]研究发现，种子油中的karanjin对人的毒性很低，而且具有多种生物功能，可用作医药与生物农药。

水黄皮豆及脱酯后副产品（籽粕）含有丰富的蛋白质，但含有生物碱以及其他抗营养因子，不能食用与直接饲用[33]。水黄皮籽粒的蛋白为优质植物蛋白，氨基酸组成相似于大豆，有强凝胶与乳化特性，引起过敏性蛋白含量低[33]。脱酯后籽粕含有生物碱，仍需要深加工去除豆粕中生物碱，不经过处理，也不适合食用与饲用，仅作为有机肥料应用[33]。Housman等[34]研究发现，通过压榨法与溶剂提取法获得水黄皮籽饼，可以作为牛饲料蛋白补充物，而采用溶剂提取法获得籽饼对牛适口性好于压榨法，然后这2种方法所获籽饼均使牛消化率降低。

育种改良与深加工是降低油料作物有毒成分和抗营养因子的有效方法。诚如棉籽与油菜籽一样，二者均是重要的食用油与植物蛋白资源，棉籽含有棉酚，油菜籽含有硫代葡萄糖苷与芥酸等有毒成分，在深加工过程中去除有毒成分，可满足食用要求[35-36]。早在20世纪80年代，曾尝试把水黄皮油通过精炼方法去除有毒化合物黄酮karanjin与pongamol，消除苦味感与不愉快口味气味，将其作为食用油来用[37]。精炼后，发现水黄皮油成分确实相似大豆油，然而，经过毒理检验，精炼后的水黄皮油仍不能供食用[37]。美国农业科技企业TerViva与达能集团合作，通过具有知识产权深加工技术，将榨取的水黄皮油进行精炼，去除了有毒成分与抗营养因子，把水黄皮油加工成烹饪用油。同时，通过深加工方法去除水黄皮籽粕中有害成分与抗营养物质，把籽粕转化为食用蛋白与饲用蛋白。

影响食用与饲用的成分往往是生物活性物质，如生物碱、黄酮等，分离出来供药用与其他应用[26,32]。水黄皮籽粒中含有丰富的黄酮类等次生物质，具有抗氧化、抗微生物、抗发炎及抗糖尿病活性，对哺乳动物细胞低毒性[26]。美国企业采用物理与化学方法（技术没有公开）去除水黄皮油有害成分（生物活性物质）与抗营养因子，把水黄皮油加工食用油，回收加工副产品——有害成分（生物活性物质）用于医药、化妆品与农用，从而提高了产业附加值。同样，籽粒与籽饼经过物理与化学处理，去除有害物质与抗营养因子，加工成可食用植物蛋白——水黄皮豆粉，去除的有害成分再回收供药用或其他应用。

植物蛋白与植物油可通过遗传育种方法与深加工方法改善其食用品质。现在水黄皮种子内一些关键成分合成途径已经清楚[38]，将来可以通过生物技术手段来抑制或降低生物活性物质合成，类似选育的低棉酚棉花品种与双低油菜品种（低硫苷与低芥酸)，满足食用目标。同时，通过多学科相结合不断改进深加工方法，提高水黄皮油酯与蛋白的食用品质，回收生物活性成分，提高水黄皮附加值。

4 育种与栽培

在亚洲，水黄皮仍为野生树种，鲜有人工驯化与改良[15]。水黄皮作为多用途树种，目前驯化改良目标仍是提高籽粒产量与含油率，增强对病虫害的抗性[3,6,39]。水黄皮繁殖是由蜂类传粉的异型交配策略，而且在世界上分布广、遗传多样性丰富、变异大，这给水黄皮驯化与遗传改良提供了机遇[1,3,6,15,20,39-41]。可充分利用种内遗传变异的潜力，采用选择育种方法选择优株优树，培育高油无性系，提高产油量[1,3,4,6,15,20,21,39,42]。

虽然水黄皮驯化改良历史很短，但在一些基础研究方面也取得进展。Aminah等[15]研究发现，不同基因型之间油酯与蛋白质含量有显著差异，并且籽粒油含量与蛋白质含量呈正相关。籽粒是经济收获产品，籽粒产量是重要选择指标，而荚果产量变化大，籽粒产量不能仅依据荚果产量，表观性状树冠形状、枝条数、繁殖效率与籽粒产量密切相关[43]。这些可以为野外选择高油与高蛋白质优树提供参考。

水黄皮为多年生木本植物，遗传改良耗时长[1]。应开展优树苗期选择（早期选择），缩短育种时间，提高选择效率[1]。Kumar等[6]研究了含油量变异与苗期性状表现关系，为优树（苗期）早期选择提供了基础。在前期选择的优树基础上，利用优树作为亲本进一步杂交育种选育出新品种。Prasad[43]建立了基于籽粒丰产、含油高野外优树早期选择方法。表观性状树冠体积、树冠面积、荚果去壳率、单株籽粒总产量等稳定指标与籽粒产量相关。因此，优树选择标准为：优树树冠半径至少比非优树长3 m，树冠面积至少比非优树多12 m2，荚果去壳率至少比非优树多40%，单株籽粒产量至少比非优树多50 kg。这些指标均容易测量，适合在野外应用。

因此，充分利用野外变异，选择优良表现型，进一步深度驯化与改良[6,20,39-40]。选择的具有优良性状的无性系通过无性繁殖方法（扦插、嫁接和组织培养）保存下来，建立无性系种质园，然后进行规模化扩繁供生产应用[1,3]。

近些年，现代生物技术（结合生物学、遗传学、基因组学和生物化学多学科）已经渗入到水黄皮驯化改良进程中来[1,3,20,44]。Huang等[44]通过转录组学分析种子发育过程中油富集基因表达。Kazakoff等[4]解析水黄皮叶绿体与线粒体基因组。澳大利亚昆士兰大学开发出分子标记工具，有助于提高水黄皮驯化改良效率[3,45]。这些将为水黄皮分子育种与遗传工程手段获得高油产量与优良品质，加快水黄皮育种效率提供基础。

澳大利亚、美国等国率先开展水黄皮育种工作，选育的品种植株矮化，开花结果早，产量高。美国授权的一些品种其籽粒产量大、含油量高、抗病性强，如K606（含油率为38.6%）、K128b（含油率为38.5%）、K140（籽粒重2.1 g，油含量为41.4%）[46-48]。在2020年，TerViva BioEnergy公司又申请水黄皮25个新品种权，这些申请的品种具有性状稳定、高产、适合农艺栽培、荚果量丰富、种子含油量高等特征[49]。

在亚洲，水黄皮鲜有人工栽培，更没有优良无性系或品种供应用。无论作为一般经济树种还是作为木本油料作物，生产上主要目的都是提高籽粒产量。水黄皮耐贫瘠，可栽培于边际与退化土地上，不与粮油作物争地，不用毁林，病虫害少，用肥少，管理维护成本低[4,6,20]。

澳大利亚与美国已经开始商业化栽培，优良无性系加上先进栽培技术提高籽粒与油产量。目前，水黄皮主要栽培于热带与暖亚热带地区，在澳大利亚，水黄皮能栽培于比较凉爽的亚热带地区——昆士兰[20]。Jiang等[20]报道，在休眠期间，水黄皮能在低于‒5℃的环境下生存，我国主要分布于热带与南亚热带地区，上海辰山植物园有引种栽培，因此在我国的适生区有待进一步研究。作为木本植物，回报期长，一般在4年后就有经济产量，改良的水黄皮品种丰产期为25年，2年开花结果[3]。

商业化栽培目的为提高经济产量，因此，要对种植园充分规划，改良土壤，增施有机肥等[23]。水黄皮可种子繁殖与无性繁殖。种子繁殖实生苗变异大，开花结籽晚，产量低[21]。在生产上为了丰产与保持无性系或品种优良性状，通常采取无性繁殖方式，如茎扦插、压条、根蘖苗、根插、嫁接与组织培养等。目前，扦插、嫁接与组织培养等快繁种苗技术都已成熟[16,20,21,50-51]。茎扦插快繁，生长激素IBA处理（浓度为800 mg/L）有效诱导生根，而且采自幼树扦条生根率高于采自成熟树的扦条[21]。澳大利亚与美国已采用容器苗栽培。

要想获得高产，必需建立高产无性系种植园[21,42]。一般选择高油品种或基因型，而且宜采用不同优树无性系混合栽培，而不是仅选择单一无性系栽培[20]。嫁接苗可以明显缩短水黄皮童性阶段，提前结果，较早获得经济产量[21]。栽培密度、树体结构与产量有密切关系，采用矮化密植栽培[3,16]。选择高产量半矮化品种，也可以通过修剪把树体转变成半矮化树型，栽培密度1 000~1 200株/hm2[3]。

良好的田间管理可进一步优化生长条件，提高籽粒产量[6]。通过修剪，创立丰产树势树形[1]。加强营养管理，尤其在花期与荚果期，提高籽粒产量[23]。同时控制病虫害，减少损失[23,43]。种植园生草，引入覆盖作物，采用复合农林业系统，与咖啡等农作物间作，都取得显著进展[1,16,23]。目前，在美国，采用收获开心果的机械采收水黄皮荚果，收获水黄皮豆后，用压榨法与浸提法制取水黄皮油，进一步深加工。