香根草的研究與利用

張廣倫，肖正春，張衛(wèi)明，錢學射

(南京野生植物綜合利用研究院，江蘇 南京 210042)

香根草的研究與利用

張廣倫，肖正春*，張衛(wèi)明，錢學射

(南京野生植物綜合利用研究院，江蘇 南京 210042)

香根草(Vetiveriazizanioides)是禾本科多年生草本植物，須根發(fā)達呈網狀，因其具有香味歷來被用來提取精油。近年來，它在生態(tài)環(huán)保方面的作用令人矚目。闡述了香根草生態(tài)生物學特性，在水土保持、礦區(qū)生態(tài)修復、生物能源等方面最新研究成果，以及精油提取工藝、最新應用領域等，并介紹了一種方法以解決采根與固土保水作用不可兼得這一難題, 為進一步保護和利用香根草提供參考。

香根草；水土保持；生態(tài)修復；生物殺蟲劑；精油提??；生物能源

香根草(Vetiveriazizanioides)，又名巖蘭草，是禾本科多年生草本植物，原產于印度和非洲大陸南部,我國東南部、印度、印度尼西亞、斯里蘭卡、斐濟、巴西等熱帶、亞熱帶地區(qū)都有分布，它根系發(fā)達，適應能力強，耐旱、耐澇、耐瘠薄，在鹽堿地上也能生長。1958年我國從印度尼西亞引種，用它的根提煉精油，用作香料和化妝品的原料。到了80年代，它在水土保持、生態(tài)恢復等方面的優(yōu)越性能越來越受到人們的矚目，在世界銀行的推崇下，香根草工程技術很快在許多國家推廣開來。目前，我國已有10多個省市種植利用香根草。目前，除精油等傳統(tǒng)應用之外，廣泛用于水土保持、工程保護、土壤重金屬污染治理等方面，在農田、公路鐵路兩旁、江河湖泊堤岸等處都能見到它。此外，香根草可用作飼料、燃料、食用菌栽培料、天然殺蟲劑、生物能源、建筑材料、造紙原料、園林綠化等方面，并可編織多種精美的工藝品。本文概述了香根草的生態(tài)生物學特性，重點闡述香根草在生態(tài)環(huán)境應用和精油利用等方面的最新研究成果，為它的進一步保護和利用提供參考。

1 形態(tài)特征和生態(tài)生物學特性

1.1 形態(tài)特征[1]

香根草是禾本科多年生草本。莖稈叢生，高1～2.5 m，直徑約5 mm，中空。葉鞘無毛，具背脊；葉舌短，長約0.5 mm，邊緣具纖毛；葉片線形，直伸，扁平，下部對折，與葉鞘相連而無明顯的界線，長30～70 cm，寬5～10 mm，無毛，邊緣粗糙，頂生葉片較小。香根草莖直立堅挺，能經受湍急的水流，在清水中能存活2個月。香根草根系結構致密而牢固，根的韌皮部是精油所在部位。條件適宜可長到3～4 m深。在貧瘠的土壤上生長1年，香根草根總數250根左右，根群的影響面積25 cm, 根系長度最長為60 cm, 根主要分布在40 cm深度土層內[2]。遇到泥沙淤積，被埋的節(jié)處可長出新根。

圓錐花序大型頂生，長20～30 cm；主軸粗壯，各節(jié)具多數輪生的分枝，分枝細長上舉，長10～20 cm，下部常裸露；總狀花序軸節(jié)間與小穗柄無毛；無柄小穗線狀披針形，長4～5 mm，基盤無毛；第一穎革質，背部圓形，邊緣稍內折，近兩側壓扁，5脈不明顯，疏生縱行疣基刺毛；第二穎脊上粗糙或具刺毛；第一外稃邊緣具絲狀毛；第二外稃較短，具1脈，頂端2裂齒間伸出一小尖頭；鱗被2，頂端截平，具多脈；雄蕊3，柱頭帚狀，花自小穗兩側伸出。有柄小穗背部扁平，等長或稍短于無柄小穗。上部小穗花成對出現(xiàn)，形狀窄，急尖，無芒。呈綠色、灰色或淡紫色，4～6 mm長。其中一朵小穗花無柄，為兩性花，雄蕊3，羽毛狀柱頭2；另一朵有柄，為雄性花。在自然條件下很少結實，主要以無性方式繁殖?；ü?～10月。

1.2 生態(tài)生物學特性[3]

(1)溫度。香根草是熱帶植物，但它氣候適應性廣，在-10～45 ℃的地區(qū)均可生長。在我國長江以南海拔2 000 m以下的地區(qū)可以安全越冬。當日平均溫度穩(wěn)定通過10℃時根開始萌發(fā)。隨著氣溫的升高，生長逐漸加快，當溫度22～40 ℃時達到生長高峰，每天可長高2～3 cm。

(2)光照。香根草屬C-4植物，光合能力強。如果光照不足，生長受到明顯影響。遮光76.8%處理時，分蘗速度只有不遮光的一半左右；連續(xù)遮光3個半月，生長1年的植株高度比不遮光的矮91 cm。因此，要使香根草生長快，分蘗多，就要保證光照充足，尤其是移栽后的第一年更要注意這一點。

(3)水分和養(yǎng)分。香根草是旱生植物，但受到季節(jié)性的水淹仍能存活,在年降雨量800～2 000 mm的地區(qū)生長較好，在年降雨量300～6 000 mm 的地區(qū)都能生長；香根草耐瘠薄，但施肥能促進其長高、增加分蘗數和積累生物量。在公路護坡試驗中，香根草種植5個月后，葉叢高1.4 m, 平均分蘗18個，而不施肥的高0.9 m, 分蘗僅4個。

此外，香根草的耐鹽性也很強，在電導率為47.88 mS·cm-1的鹽脅迫環(huán)境下仍能存活[4]。

總的來說，香根草是一種適應性廣、抗逆性強的植物，耐酸堿，耐瘠薄，很少感染或傳播病蟲害。20世紀90年代以來，它在水土保持、生態(tài)恢復、工程維護等方面中的應用日趨廣泛。

2 香根草的應用

2.1 水土保持[3]

香根草根系能穿透堅硬紅粘土，并穿透礫石之間、巖層之間薄弱的地方，可長至2～3 m深, 最深達到5～6 m。同時，香根草根系數量多，在土壤中成網狀密布，與土壤接觸面積大，粘附力強，護坡效果好。不僅如此，香根草根系的抗拉強度大，達到40～120 MPa，平均75 MPa, 顯著高于黃杉、楊樹、柳樹、越桔等多種喬木、灌木根系的抗拉強度。其根系不但能夠穿過土層起到錨固作用，還可以有效地提高土體的抗剪強度，從而起到穩(wěn)定邊坡的作用。另一方面，香根草具有分蘗特性，一叢叢緊挨在一起形成植物綠籬，綠籬屏障大大減緩了坡面的徑流速度，降低了徑流對坡面的侵蝕，這是其穩(wěn)定邊坡性能好的另一因素。試驗表明，經受的最大水流速達5 m/s，在坡度為15°～42°的坡耕地上種植香根草后，可減少土壤侵蝕90%；和光坡地相比，種草坡地的地表徑流量和土壤侵蝕量分別下降60%和93%。香根草系統(tǒng)(Vetiver system)是指實用的、價格低廉的、維護簡單的水土保持、土地穩(wěn)固和修復的生物工程技術。目前，在世界銀行和國際香根草網絡的推崇下，香根草系統(tǒng)在我國邊坡防護上已得到迅速推廣，種在高速公路、鐵路沿線、防洪堤壩等處及山區(qū)，防止泥石流、巖崩、塌方效果明顯。我國已有廣東、浙江、海南、福建、湖南、湖北、廣西、江西、河南、四川、云南、貴州、江蘇、安徽、山東等10多個省推廣運用香根草生物工程技術。

2.2 (重)金屬吸收和污染土壤修復

重金屬污染具有致畸、致癌、致突變的環(huán)境效應，并具有隱蔽性、長期性而備受公眾關注。植物修復(phytoremediation)以其經濟有效，環(huán)境友好等特點，已成為當今環(huán)境科學領域的研究熱點。

劉云國以香根草為材料，通過水溶液培養(yǎng)，研究了不同濃度鎘(Cd)對香根草生理和生化的影響。結果，香根草富集的鎘主要在根內，最高富集系數達到24.06%，溶液鎘的濃度與香根草根內鎘的積累量呈顯著正相關。低濃度鎘(≤1 mmol·L-1)處理根系活力隨時間呈現(xiàn)先升后降的趨勢，中、高濃度(≥1.5 mmol·L-1)處理根系活力城顯著下降的趨勢。進一步分析表明，香根草體內的鎘的NaCl提取態(tài)占絕對優(yōu)勢，在根和莖內的平均占52.06%和64.03%。因此認為，香根草在鎘脅迫下生長發(fā)育受到一定抑制，但對鎘仍具有較強的耐性和富集能力[5]。

楊兵在廣東、廣西、湖南的13個重金屬污染區(qū)進行了香根草野外栽培試驗，得出的結果跟上述有所不同：香根草對重金屬有較強的耐性，其體內有一定數量的銅、鉛、鋅，但鎘未檢出。當土壤中Cd、Cu、Pb和Zn平均濃度為32、37、816、4 378 mg·kg-1時，其Cd、Cu、Pb、Zn的積累量分別為0、18、90和282 g·hm-2· a-1[6]。

水培試驗證實香根草對鋅和鉛的吸收率很高，但對銅和鉻的吸收能力不強。培養(yǎng)30天后，用ICP-AES法測定根和莖葉中金屬離子的濃度。其根和莖葉中的鉻和銅含量均低于0.1%，鉛含量分別達1%，0.4%，鋅在根和莖葉的含量均達到1%。因此，香根草可以作為鉛和鋅的超富集植物[7]。

盆栽實驗結果也顯示香根草適合作鉛鋅尾礦生物凈化植物。香根草在純尾礦或由尾礦和垃圾組成的混合基質上都能生長，但長勢隨基質中重金屬含量的增加而減弱。其體內的重金屬含量高低為Zn>Pb>Cu。香根草的根系對3種重金屬都有較強的滯留效應,滯留率均在50%以上；當用25%的垃圾改良金屬尾礦時,香根草則在尾礦和垃圾各占50%的基質中吸收最多的重金屬。因此,添加一定量的垃圾(25%～50%左右)用于尾礦改良時,不僅能使尾礦得到更快的植被恢復與更高的植物修復效果,而且能使垃圾資源得到充分合理的利用。香根草生物量大，可用于尾礦中的鋅、鉛等(重)金屬的生物凈化[8]。

2.3 能源植物

(1)發(fā)酵產沼氣。胡曉明等對香根草作能源植物進行了探索。以香根草為發(fā)酵原料,在28 ℃恒溫下進行批量沼氣發(fā)酵,發(fā)酵料液體積為1 200 mL,發(fā)酵90 d。結果表明:香根草產沼氣潛力(TS)為471 mL/g,產氣潛力為512 mL/g；香根草的熱值為17.784 kJ/g；經發(fā)酵產沼氣的能量轉化效率為52.18%；且香根草發(fā)酵前后的纖維素含量、脂肪含量、木質素含量變化不明顯[9]。

(2)制備乙醇。李云飛報道，香根草每100 g可水解得到木糖(17.29±0.27)g,葡萄糖(1.97±0.06)g,阿拉伯糖(4.38±0.23)g及半乳糖(1.59±0.01)g。經過預處理后測得香根草的總還原糖含量為36.43 g/L。將馴化后的樹干畢赤酵母(Pichiastipitis)接種于香根草酸水解發(fā)酵液中,經過96 h,酒精產量最大值達到為3.3 g/L，比甜高粱的2.63 g/L高21.7%[10]。

2.4 水體凈化與生物殺蟲劑

章典探討了香根草油的抑藻效應。結果表明：巖蘭草油對銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)和斜生柵藻(Scenedesmusobliquus)在單獨和共培養(yǎng)狀態(tài)下均有良好的抑制作用，對單獨培養(yǎng)的銅綠微囊藻和斜生柵藻抑制作用的EC50分別為0.20和0.30 mL·L-1，說明巖蘭草油對藍藻(銅綠微囊藻)的抑制效果明顯好于對綠藻(斜生柵藻)。進一步研究發(fā)現(xiàn)，巖蘭草油中的倍半萜類物質是抑藻主要成分，并建立了巖蘭草油對兩藻共培養(yǎng)狀態(tài)下抑制作用的數學模型[11]。河流湖泊水體富營養(yǎng)化嚴重會導致藻類過度增殖，嚴重影響漁業(yè)生產和生態(tài)環(huán)境和人類健康。該研究為控制藻類過度生長，預防水華暴發(fā)探索出一條新路。

香根草油不僅可抑制藻類，也是白蟻等昆蟲有效的驅避劑。Zhu[12]研究了香根草油等8種精油對家白蟻(CoptotermesformosanusShiraki)的作用。結果表明香根草油作用持續(xù)時間長，驅避效果最好。當每克沙所含的香根草油低至5 μg時，也能顯著降低家白蟻的掘洞力；每克沙中油的含量高于25 μg時，白蟻便失去了掘洞和啃食紙張的能力。Maistrello[13]等認為，諾卡酮是其活性成分。因此，香根草油是有前途的新型殺白蟻劑。Jain[14]研究認為，香根油中的2個三環(huán)倍半萜類成分—zizanal和epizizanal是驅蛾活性成分。此外，香根油有驅除蒼蠅、蟑螂等作用及抗真菌作用[15]，可開發(fā)天然殺蟲抗菌產品。

3 香根草油及其利用

除了用作生物殺蟲劑外，香根草油傳統(tǒng)用于調配食用和日化香精。香根草油(Vetiver oil)又名香根油、巖蘭草油，由香根草的干燥根水蒸氣蒸餾而得，根含油1.5%～2.5%，為棕色至紅棕色粘稠液體，呈甜的木香兼草香，香氣持久。相對密度(25 ℃)0.983～1.022，折射率(20 ℃)1.515～1.530，旋光度+10°～+46°(20 ℃)[1]。

香根草油主要成分有：倍半萜烯類碳水化合物，如，γ-杜松萜烯、丁香萜烯、α-紫穗槐烯、香樹素和檜萜烯；醇衍生物：巖蘭草醇，例如客稀醇、表藍桉醇、匙葉桉油稀醇、客素醇；羰基衍生物：巖蘭草酮，如α-巖蘭草酮，β-巖蘭草酮，客素酮以及酯類衍生物例如客素稀醇醋酸酯。人們認為，對香根草油氣味影響最大的是3種羰基化合物：α-巖蘭草酮，β-巖蘭草酮和客素酮，被認為是香根草油的“指紋”。 王飛生等以氣相色譜-質譜聯(lián)用儀分析了水蒸餾法制備的香根油的化學成分，主要成分含量占53.9%,其中巖蘭草醇等萜烯類化合物質占11.4%。并在香根油中鑒定出異丁香酚等 21 種化學成分的化學結構，其中有異丁香酚、香蘭素等 2 種化合物是香根油中首次發(fā)現(xiàn)的天然化合物[16]，該發(fā)現(xiàn)對以香根油為原料的新食品添加劑及日用香精研發(fā)具有重要意義。

香根油主產于印度、斯里蘭卡、馬來西亞、安哥拉、海地、巴西，品質有明顯的地區(qū)差異。留尼旺的香根草油在業(yè)界聲譽很高，印度北部平原出產的野生香根草(Khus,又稱芳香須芒草)油也是公認的佳品。1958年起我國從印度尼西亞引種并生產少量香根草油。作煙用、酒用香精有很好的定香能力，也可用于糖果、飲料的增香，并可用作化妝品、香水、皂用香精。常用作木香或琥珀香基以及東方香型、檀香型、玫瑰型等香精配方中。以東方香型香精配方[17]為例：巖蘭草油250，巖蘭草醇 200，檀香油 150，甲基紫羅蘭酮 150，香葉油75，金合歡醇75，異丁香酚 50，麝香酮 50，共1 000份。美國有香根草油作香水配方的專利[18]。

除此之外，香根草還有多種用途[19]：(1)飼料。老的香根草葉質地堅硬，含硅量高(葉外表面硅含量11.96%，葉內表面 4.86%[20])，沒有飼用價值，而嫩葉是優(yōu)良的飼料。據報道，香根草嫩葉含蛋白質6%～7%，脂肪3.05%，可提供能量2.18 kJ/g,可消化率51%,可用來喂養(yǎng)牛、羊等。其營養(yǎng)物質含量隨季節(jié)、生長期和土壤肥力而變化。在印度一些地區(qū)，每1～3個月收割1次作飼料。若與其它高質量的飼料混用，其飼用效果更好。(2)傳統(tǒng)醫(yī)藥。香根草根和葉被用來治療多種疾病。在泰國農村，人們用香根草根治療發(fā)燒、膽石以及與膽汁和膽囊有關的疾病；在印度一些地方，人們利用香根草油治療風濕、腰部風濕痛、頭痛和扭傷；喀麥隆一些居民發(fā)現(xiàn)香根草對治療虛脫、糖尿病、疝、皮膚病等有效。(3)食用菌栽培基質。除蛋白質外，香根草還含有纖維素、半纖維素、木質素及礦物質等。蔣德俊將香根草用香菇栽培試驗：將香根草老莖稈粉碎成0.5～0.8 cm長，加入5種不同比例的木屑、麩皮、石膏、食用菌專用肥等。結果表明,采用免割袋栽培,以香根草屑70%、木屑19%、麥麩10%、石膏1%配方為最佳,該配方較對照降低成本14%,產量提高7.5%,產值增加18%[21]；張若泰發(fā)明了香根草栽培食用菌的專利[22]。(4)香根草根制品。在印度，香根草根被用來制作席子、墊子、扇子、衣飾掛件，粉碎后制作香袋等。印度北部流行一種叫做Tatti的窗簾，是用香根草根編成的。把這種窗簾掛到窗戶上能阻擋室外的酷熱。往上面灑水過后，屋內涼意陣陣，并散發(fā)出特有的香甜味道[19]。

4 香根油的提取加工

香根草油世界年產量大約為140 t,。目前國內外需求量很大，每年需求量達到2 500～3 000 t, 國內產量不足，來源主要依靠進口，國內的每年銷售總量在60～70 t 之間。目前，加工方法主要有水蒸氣蒸餾法和有機溶劑提取法[1，23-24]。

(1) 水蒸氣蒸餾法。水蒸氣蒸餾法是香根油傳統(tǒng)加工方法，先把根齡15～18個月的香根挖出，用水洗凈根上的泥土，在通風處陰干，打包貯藏。如果一時處理不了，需儲存在低溫環(huán)境。加工前挑選粗壯的根，切成2 cm左右的小段，用于蒸油。利用精油的揮發(fā)性和水不溶性，通過200～300 kPa壓力的水蒸氣將香根草精油蒸餾出來，蒸餾時間15～17 h。壓力過高，時間過長，會產生煙焦味，酸值較大。蒸餾開始后頭2小時，流出液中主要是低沸點的烯烴類、醇類、酮類和酸性化合物，為“輕油”， 酸值30～37，隨后蒸出的是高沸點的烯烴類、醇類、酮類和大量酸性化合物，即為“重油”，酸值75～85。蒸餾法油得率較低，一般為1%左右。

(2)有機溶劑提取法。呂義長等用石油醚連續(xù)提取、蒸餾、稀醇脫臘、分離酸性成分并將香根油轉化為醇類化合物，再進行重新調配等一系列步驟而獲得香根凈油。曹紅梅研究了香根草精油提取過程中溶劑種類、浸取時間、輔助方法等影響因素的研究, 篩選出一種用乙醇提取、微波輔助的方法,可以較大幅度提高香根草精油的產量。以95%乙醇作溶劑，自然浸提36 h或微波輔助提取15 min,在溫度80～90 ℃提取，提取時間2 h，得到棕黃色香根凈油，得率達到6.64%，且油的質量較好，接近香根油國際標準(ISO4716：2002)[25]。

此外，Hatami等[26]報道了超臨界流體提取(SFE)法提取香根草油的方法。用SFE法獲得香根草油樹脂性質穩(wěn)定，流動性更強，為金色液體，不含殘留物，在乙醇中溶解度高，氣味上佳。

5 討 論

綜上所述，香根草在生態(tài)環(huán)境治理和提制精油兩大方面顯現(xiàn)突出的應用價值。目前，已在我國長江以南多個省份的水土保持，水體凈化，采礦區(qū)重金屬治理中發(fā)揮積極作用。應繼續(xù)保持其提制精油的傳統(tǒng)優(yōu)勢，不斷提高精油的產量和品質；采用組織培養(yǎng)等現(xiàn)代生物技術解決種苗供不應求的狀況。進一步加強栽培技術、加工技術等方面的研究；篩選培育低溫型品種，擴大其可栽培地域范圍。傳統(tǒng)上，利用地塊栽培香根草來提取精油，在收獲根的時候會挖松土壤，易造成土壤侵蝕，并且有相當數量的根殘留在地下，收獲量受到影響。國外有一種袋栽法生產根的方法[19]，已應用到生產上。方法是模擬土壤中的暗環(huán)境，采用38 cm×50 cm的黑塑料袋裝土，栽上香根草苗，長成后，割去莖葉，脫掉塑料袋，得到一個個高可過膝的圓臺狀的根塊。用刀把根塊縱切為兩半，再敲打除去泥土，理出根用水沖去余下粘附的少量泥土，再放入洗滌池，洗凈后捆扎成小把放到陰涼處晾干。該法省工省力，且不會因為收獲根而破壞田地土壤，根產量也比在地里栽培的高。另一方面，采取經濟鼓勵政策和提高香根草的綜合效益也是解決收獲根與固土保水作用不可兼得這一難題的有效措施。如可適時適量割取河堤岸邊、田邊、路旁的香根草的莖葉，用作食用菌栽培料等，這樣可較大程度地發(fā)揮其生態(tài)效益和經濟效益。

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Research and Utilization of Vetiver (Vetiveriazizanioides)

Zhang Guanglun, Xiao Zhengchun, Zhang Weiming, Qian Xueshe

(Nanjing Institute of Comprehensive Utilization of Wild Plants, Nanjing 210042, China)

With its hair roots flourishing and fragrant,Vetiveriazizanioides, a kind of perennial grass of Poaceae, was used to extract essential oil. In recent years, its functions in eco-environmental protection have attracted people’s attention. In this paper, the ecological and biological characteristics, the newest research achievements concerning water and oil conservation, tailings’ ecological remediation and biomass energy, as well as extraction process and novel application fields , etc. were expounded. Besides, a method was introduced to resolve the contradictions between harvesting rooting and planting as a water retention and soil fixation plant so as to provide references for its protection and utilization.

Vetiveriazizanioides;water and oil conservation; ecological remediation; biotic insecticide; essential oil extraction; biomass energy

2014-07-20

國家“十二五”科技支撐計劃重點項目(2012BAD36B01)。

10.3969/j.issn.1006-9690.2015.02.017

X53; TQ654+.2

A

1006-9690(2015)02-0070-05

*通訊作者：肖正春。