香根草的研究与利用

张广伦，肖正春，张卫明，钱学射

(南京野生植物综合利用研究院，江苏 南京 210042)

香根草的研究与利用

张广伦，肖正春*，张卫明，钱学射

(南京野生植物综合利用研究院，江苏 南京 210042)

香根草(Vetiveriazizanioides)是禾本科多年生草本植物，须根发达呈网状，因其具有香味历来被用来提取精油。近年来，它在生态环保方面的作用令人瞩目。阐述了香根草生态生物学特性，在水土保持、矿区生态修复、生物能源等方面最新研究成果，以及精油提取工艺、最新应用领域等，并介绍了一种方法以解决采根与固土保水作用不可兼得这一难题, 为进一步保护和利用香根草提供参考。

香根草；水土保持；生态修复；生物杀虫剂；精油提取；生物能源

香根草(Vetiveriazizanioides)，又名岩兰草，是禾本科多年生草本植物，原产于印度和非洲大陆南部,我国东南部、印度、印度尼西亚、斯里兰卡、斐济、巴西等热带、亚热带地区都有分布，它根系发达，适应能力强，耐旱、耐涝、耐瘠薄，在盐碱地上也能生长。1958年我国从印度尼西亚引种，用它的根提炼精油，用作香料和化妆品的原料。到了80年代，它在水土保持、生态恢复等方面的优越性能越来越受到人们的瞩目，在世界银行的推崇下，香根草工程技术很快在许多国家推广开来。目前，我国已有10多个省市种植利用香根草。目前，除精油等传统应用之外，广泛用于水土保持、工程保护、土壤重金属污染治理等方面，在农田、公路铁路两旁、江河湖泊堤岸等处都能见到它。此外，香根草可用作饲料、燃料、食用菌栽培料、天然杀虫剂、生物能源、建筑材料、造纸原料、园林绿化等方面，并可编织多种精美的工艺品。本文概述了香根草的生态生物学特性，重点阐述香根草在生态环境应用和精油利用等方面的最新研究成果，为它的进一步保护和利用提供参考。

1 形态特征和生态生物学特性

1.1 形态特征[1]

香根草是禾本科多年生草本。茎秆丛生，高1～2.5 m，直径约5 mm，中空。叶鞘无毛，具背脊；叶舌短，长约0.5 mm，边缘具纤毛；叶片线形，直伸，扁平，下部对折，与叶鞘相连而无明显的界线，长30～70 cm，宽5～10 mm，无毛，边缘粗糙，顶生叶片较小。香根草茎直立坚挺，能经受湍急的水流，在清水中能存活2个月。香根草根系结构致密而牢固，根的韧皮部是精油所在部位。条件适宜可长到3～4 m深。在贫瘠的土壤上生长1年，香根草根总数250根左右，根群的影响面积25 cm, 根系长度最长为60 cm, 根主要分布在40 cm深度土层内[2]。遇到泥沙淤积，被埋的节处可长出新根。

圆锥花序大型顶生，长20～30 cm；主轴粗壮，各节具多数轮生的分枝，分枝细长上举，长10～20 cm，下部常裸露；总状花序轴节间与小穗柄无毛；无柄小穗线状披针形，长4～5 mm，基盘无毛；第一颖革质，背部圆形，边缘稍内折，近两侧压扁，5脉不明显，疏生纵行疣基刺毛；第二颖脊上粗糙或具刺毛；第一外稃边缘具丝状毛；第二外稃较短，具1脉，顶端2裂齿间伸出一小尖头；鳞被2，顶端截平，具多脉；雄蕊3，柱头帚状，花自小穗两侧伸出。有柄小穗背部扁平，等长或稍短于无柄小穗。上部小穗花成对出现，形状窄，急尖，无芒。呈绿色、灰色或淡紫色，4～6 mm长。其中一朵小穗花无柄，为两性花，雄蕊3，羽毛状柱头2；另一朵有柄，为雄性花。在自然条件下很少结实，主要以无性方式繁殖。花果期8～10月。

1.2 生态生物学特性[3]

(1)温度。香根草是热带植物，但它气候适应性广，在-10～45 ℃的地区均可生长。在我国长江以南海拔2 000 m以下的地区可以安全越冬。当日平均温度稳定通过10℃时根开始萌发。随着气温的升高，生长逐渐加快，当温度22～40 ℃时达到生长高峰，每天可长高2～3 cm。

(2)光照。香根草属C-4植物，光合能力强。如果光照不足，生长受到明显影响。遮光76.8%处理时，分蘖速度只有不遮光的一半左右；连续遮光3个半月，生长1年的植株高度比不遮光的矮91 cm。因此，要使香根草生长快，分蘖多，就要保证光照充足，尤其是移栽后的第一年更要注意这一点。

(3)水分和养分。香根草是旱生植物，但受到季节性的水淹仍能存活,在年降雨量800～2 000 mm的地区生长较好，在年降雨量300～6 000 mm 的地区都能生长；香根草耐瘠薄，但施肥能促进其长高、增加分蘖数和积累生物量。在公路护坡试验中，香根草种植5个月后，叶丛高1.4 m, 平均分蘖18个，而不施肥的高0.9 m, 分蘖仅4个。

此外，香根草的耐盐性也很强，在电导率为47.88 mS·cm-1的盐胁迫环境下仍能存活[4]。

总的来说，香根草是一种适应性广、抗逆性强的植物，耐酸碱，耐瘠薄，很少感染或传播病虫害。20世纪90年代以来，它在水土保持、生态恢复、工程维护等方面中的应用日趋广泛。

2 香根草的应用

2.1 水土保持[3]

香根草根系能穿透坚硬红粘土，并穿透砾石之间、岩层之间薄弱的地方，可长至2～3 m深, 最深达到5～6 m。同时，香根草根系数量多，在土壤中成网状密布，与土壤接触面积大，粘附力强，护坡效果好。不仅如此，香根草根系的抗拉强度大，达到40～120 MPa，平均75 MPa, 显著高于黄杉、杨树、柳树、越桔等多种乔木、灌木根系的抗拉强度。其根系不但能够穿过土层起到锚固作用，还可以有效地提高土体的抗剪强度，从而起到稳定边坡的作用。另一方面，香根草具有分蘖特性，一丛丛紧挨在一起形成植物绿篱，绿篱屏障大大减缓了坡面的径流速度，降低了径流对坡面的侵蚀，这是其稳定边坡性能好的另一因素。试验表明，经受的最大水流速达5 m/s，在坡度为15°～42°的坡耕地上种植香根草后，可减少土壤侵蚀90%；和光坡地相比，种草坡地的地表径流量和土壤侵蚀量分别下降60%和93%。香根草系统(Vetiver system)是指实用的、价格低廉的、维护简单的水土保持、土地稳固和修复的生物工程技术。目前，在世界银行和国际香根草网络的推崇下，香根草系统在我国边坡防护上已得到迅速推广，种在高速公路、铁路沿线、防洪堤坝等处及山区，防止泥石流、岩崩、塌方效果明显。我国已有广东、浙江、海南、福建、湖南、湖北、广西、江西、河南、四川、云南、贵州、江苏、安徽、山东等10多个省推广运用香根草生物工程技术。

2.2 (重)金属吸收和污染土壤修复

重金属污染具有致畸、致癌、致突变的环境效应，并具有隐蔽性、长期性而备受公众关注。植物修复(phytoremediation)以其经济有效，环境友好等特点，已成为当今环境科学领域的研究热点。

刘云国以香根草为材料，通过水溶液培养，研究了不同浓度镉(Cd)对香根草生理和生化的影响。结果，香根草富集的镉主要在根内，最高富集系数达到24.06%，溶液镉的浓度与香根草根内镉的积累量呈显著正相关。低浓度镉(≤1 mmol·L-1)处理根系活力随时间呈现先升后降的趋势，中、高浓度(≥1.5 mmol·L-1)处理根系活力城显著下降的趋势。进一步分析表明，香根草体内的镉的NaCl提取态占绝对优势，在根和茎内的平均占52.06%和64.03%。因此认为，香根草在镉胁迫下生长发育受到一定抑制，但对镉仍具有较强的耐性和富集能力[5]。

杨兵在广东、广西、湖南的13个重金属污染区进行了香根草野外栽培试验，得出的结果跟上述有所不同：香根草对重金属有较强的耐性，其体内有一定数量的铜、铅、锌，但镉未检出。当土壤中Cd、Cu、Pb和Zn平均浓度为32、37、816、4 378 mg·kg-1时，其Cd、Cu、Pb、Zn的积累量分别为0、18、90和282 g·hm-2· a-1[6]。

水培试验证实香根草对锌和铅的吸收率很高，但对铜和铬的吸收能力不强。培养30天后，用ICP-AES法测定根和茎叶中金属离子的浓度。其根和茎叶中的铬和铜含量均低于0.1%，铅含量分别达1%，0.4%，锌在根和茎叶的含量均达到1%。因此，香根草可以作为铅和锌的超富集植物[7]。

盆栽实验结果也显示香根草适合作铅锌尾矿生物净化植物。香根草在纯尾矿或由尾矿和垃圾组成的混合基质上都能生长，但长势随基质中重金属含量的增加而减弱。其体内的重金属含量高低为Zn>Pb>Cu。香根草的根系对3种重金属都有较强的滞留效应,滞留率均在50%以上；当用25%的垃圾改良金属尾矿时,香根草则在尾矿和垃圾各占50%的基质中吸收最多的重金属。因此,添加一定量的垃圾(25%～50%左右)用于尾矿改良时,不仅能使尾矿得到更快的植被恢复与更高的植物修复效果,而且能使垃圾资源得到充分合理的利用。香根草生物量大，可用于尾矿中的锌、铅等(重)金属的生物净化[8]。

2.3 能源植物

(1)发酵产沼气。胡晓明等对香根草作能源植物进行了探索。以香根草为发酵原料,在28 ℃恒温下进行批量沼气发酵,发酵料液体积为1 200 mL,发酵90 d。结果表明:香根草产沼气潜力(TS)为471 mL/g,产气潜力为512 mL/g；香根草的热值为17.784 kJ/g；经发酵产沼气的能量转化效率为52.18%；且香根草发酵前后的纤维素含量、脂肪含量、木质素含量变化不明显[9]。

(2)制备乙醇。李云飞报道，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。经过预处理后测得香根草的总还原糖含量为36.43 g/L。将驯化后的树干毕赤酵母(Pichiastipitis)接种于香根草酸水解发酵液中,经过96 h,酒精产量最大值达到为3.3 g/L，比甜高粱的2.63 g/L高21.7%[10]。

2.4 水体净化与生物杀虫剂

章典探讨了香根草油的抑藻效应。结果表明：岩兰草油对铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)和斜生栅藻(Scenedesmusobliquus)在单独和共培养状态下均有良好的抑制作用，对单独培养的铜绿微囊藻和斜生栅藻抑制作用的EC50分别为0.20和0.30 mL·L-1，说明岩兰草油对蓝藻(铜绿微囊藻)的抑制效果明显好于对绿藻(斜生栅藻)。进一步研究发现，岩兰草油中的倍半萜类物质是抑藻主要成分，并建立了岩兰草油对两藻共培养状态下抑制作用的数学模型[11]。河流湖泊水体富营养化严重会导致藻类过度增殖，严重影响渔业生产和生态环境和人类健康。该研究为控制藻类过度生长，预防水华暴发探索出一条新路。

香根草油不仅可抑制藻类，也是白蚁等昆虫有效的驱避剂。Zhu[12]研究了香根草油等8种精油对家白蚁(CoptotermesformosanusShiraki)的作用。结果表明香根草油作用持续时间长，驱避效果最好。当每克沙所含的香根草油低至5 μg时，也能显著降低家白蚁的掘洞力；每克沙中油的含量高于25 μg时，白蚁便失去了掘洞和啃食纸张的能力。Maistrello[13]等认为，诺卡酮是其活性成分。因此，香根草油是有前途的新型杀白蚁剂。Jain[14]研究认为，香根油中的2个三环倍半萜类成分—zizanal和epizizanal是驱蛾活性成分。此外，香根油有驱除苍蝇、蟑螂等作用及抗真菌作用[15]，可开发天然杀虫抗菌产品。

3 香根草油及其利用

除了用作生物杀虫剂外，香根草油传统用于调配食用和日化香精。香根草油(Vetiver oil)又名香根油、岩兰草油，由香根草的干燥根水蒸气蒸馏而得，根含油1.5%～2.5%，为棕色至红棕色粘稠液体，呈甜的木香兼草香，香气持久。相对密度(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：倍半萜烯类碳水化合物，如，γ-杜松萜烯、丁香萜烯、α-紫穗槐烯、香树素和桧萜烯；醇衍生物：岩兰草醇，例如客稀醇、表蓝桉醇、匙叶桉油稀醇、客素醇；羰基衍生物：岩兰草酮，如α-岩兰草酮，β-岩兰草酮，客素酮以及酯类衍生物例如客素稀醇醋酸酯。人们认为，对香根草油气味影响最大的是3种羰基化合物：α-岩兰草酮，β-岩兰草酮和客素酮，被认为是香根草油的“指纹”。 王飞生等以气相色谱-质谱联用仪分析了水蒸馏法制备的香根油的化学成分，主要成分含量占53.9%,其中岩兰草醇等萜烯类化合物质占11.4%。并在香根油中鉴定出异丁香酚等 21 种化学成分的化学结构，其中有异丁香酚、香兰素等 2 种化合物是香根油中首次发现的天然化合物[16]，该发现对以香根油为原料的新食品添加剂及日用香精研发具有重要意义。

香根油主产于印度、斯里兰卡、马来西亚、安哥拉、海地、巴西，品质有明显的地区差异。留尼旺的香根草油在业界声誉很高，印度北部平原出产的野生香根草(Khus,又称芳香须芒草)油也是公认的佳品。1958年起我国从印度尼西亚引种并生产少量香根草油。作烟用、酒用香精有很好的定香能力，也可用于糖果、饮料的增香，并可用作化妆品、香水、皂用香精。常用作木香或琥珀香基以及东方香型、檀香型、玫瑰型等香精配方中。以东方香型香精配方[17]为例：岩兰草油250，岩兰草醇 200，檀香油 150，甲基紫罗兰酮 150，香叶油75，金合欢醇75，异丁香酚 50，麝香酮 50，共1 000份。美国有香根草油作香水配方的专利[18]。

除此之外，香根草还有多种用途[19]：(1)饲料。老的香根草叶质地坚硬，含硅量高(叶外表面硅含量11.96%，叶内表面 4.86%[20])，没有饲用价值，而嫩叶是优良的饲料。据报道，香根草嫩叶含蛋白质6%～7%，脂肪3.05%，可提供能量2.18 kJ/g,可消化率51%,可用来喂养牛、羊等。其营养物质含量随季节、生长期和土壤肥力而变化。在印度一些地区，每1～3个月收割1次作饲料。若与其它高质量的饲料混用，其饲用效果更好。(2)传统医药。香根草根和叶被用来治疗多种疾病。在泰国农村，人们用香根草根治疗发烧、胆石以及与胆汁和胆囊有关的疾病；在印度一些地方，人们利用香根草油治疗风湿、腰部风湿痛、头痛和扭伤；喀麦隆一些居民发现香根草对治疗虚脱、糖尿病、疝、皮肤病等有效。(3)食用菌栽培基质。除蛋白质外，香根草还含有纤维素、半纤维素、木质素及矿物质等。蒋德俊将香根草用香菇栽培试验：将香根草老茎秆粉碎成0.5～0.8 cm长，加入5种不同比例的木屑、麸皮、石膏、食用菌专用肥等。结果表明,采用免割袋栽培,以香根草屑70%、木屑19%、麦麸10%、石膏1%配方为最佳,该配方较对照降低成本14%,产量提高7.5%,产值增加18%[21]；张若泰发明了香根草栽培食用菌的专利[22]。(4)香根草根制品。在印度，香根草根被用来制作席子、垫子、扇子、衣饰挂件，粉碎后制作香袋等。印度北部流行一种叫做Tatti的窗帘，是用香根草根编成的。把这种窗帘挂到窗户上能阻挡室外的酷热。往上面洒水过后，屋内凉意阵阵，并散发出特有的香甜味道[19]。

4 香根油的提取加工

香根草油世界年产量大约为140 t,。目前国内外需求量很大，每年需求量达到2 500～3 000 t, 国内产量不足，来源主要依靠进口，国内的每年销售总量在60～70 t 之间。目前，加工方法主要有水蒸气蒸馏法和有机溶剂提取法[1，23-24]。

(1) 水蒸气蒸馏法。水蒸气蒸馏法是香根油传统加工方法，先把根龄15～18个月的香根挖出，用水洗净根上的泥土，在通风处阴干，打包贮藏。如果一时处理不了，需储存在低温环境。加工前挑选粗壮的根，切成2 cm左右的小段，用于蒸油。利用精油的挥发性和水不溶性，通过200～300 kPa压力的水蒸气将香根草精油蒸馏出来，蒸馏时间15～17 h。压力过高，时间过长，会产生烟焦味，酸值较大。蒸馏开始后头2小时，流出液中主要是低沸点的烯烃类、醇类、酮类和酸性化合物，为“轻油”， 酸值30～37，随后蒸出的是高沸点的烯烃类、醇类、酮类和大量酸性化合物，即为“重油”，酸值75～85。蒸馏法油得率较低，一般为1%左右。

(2)有机溶剂提取法。吕义长等用石油醚连续提取、蒸馏、稀醇脱腊、分离酸性成分并将香根油转化为醇类化合物，再进行重新调配等一系列步骤而获得香根净油。曹红梅研究了香根草精油提取过程中溶剂种类、浸取时间、辅助方法等影响因素的研究, 筛选出一种用乙醇提取、微波辅助的方法,可以较大幅度提高香根草精油的产量。以95%乙醇作溶剂，自然浸提36 h或微波辅助提取15 min,在温度80～90 ℃提取，提取时间2 h，得到棕黄色香根净油，得率达到6.64%，且油的质量较好，接近香根油国际标准(ISO4716：2002)[25]。

此外，Hatami等[26]报道了超临界流体提取(SFE)法提取香根草油的方法。用SFE法获得香根草油树脂性质稳定，流动性更强，为金色液体，不含残留物，在乙醇中溶解度高，气味上佳。

5 讨 论

综上所述，香根草在生态环境治理和提制精油两大方面显现突出的应用价值。目前，已在我国长江以南多个省份的水土保持，水体净化，采矿区重金属治理中发挥积极作用。应继续保持其提制精油的传统优势，不断提高精油的产量和品质；采用组织培养等现代生物技术解决种苗供不应求的状况。进一步加强栽培技术、加工技术等方面的研究；筛选培育低温型品种，扩大其可栽培地域范围。传统上，利用地块栽培香根草来提取精油，在收获根的时候会挖松土壤，易造成土壤侵蚀，并且有相当数量的根残留在地下，收获量受到影响。国外有一种袋栽法生产根的方法[19]，已应用到生产上。方法是模拟土壤中的暗环境，采用38 cm×50 cm的黑塑料袋装土，栽上香根草苗，长成后，割去茎叶，脱掉塑料袋，得到一个个高可过膝的圆台状的根块。用刀把根块纵切为两半，再敲打除去泥土，理出根用水冲去余下粘附的少量泥土，再放入洗涤池，洗净后捆扎成小把放到阴凉处晾干。该法省工省力，且不会因为收获根而破坏田地土壤，根产量也比在地里栽培的高。另一方面，采取经济鼓励政策和提高香根草的综合效益也是解决收获根与固土保水作用不可兼得这一难题的有效措施。如可适时适量割取河堤岸边、田边、路旁的香根草的茎叶，用作食用菌栽培料等，这样可较大程度地发挥其生态效益和经济效益。

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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

国家“十二五”科技支撑计划重点项目(2012BAD36B01)。

10.3969/j.issn.1006-9690.2015.02.017

X53; TQ654+.2

A

1006-9690(2015)02-0070-05

*通讯作者：肖正春。