超越薪柴：探索米奥姆森林中非洲独蕊木木材与树皮的多维特性及其生物活性与能源潜力

《Trees, Forests and People》：Beyond solid fuel: Exploring the multifaceted properties of wood and bark, Monotes africanus from the Miombo Forest

本研究针对非洲独蕊木（Monotes africanus）这一米奥姆林地常见硬木树种，首次系统分析了其木材和树皮的解剖结构、化学组成、热学性质及乙醇-水提取物的抗氧化活性。研究揭示了该物种木材与树皮在灰分（0.49% vs. 2.0%）、提取物（6.1% vs. 22.6%）、多糖（57.2% vs. 42.1%）含量上的差异，以及相似的木质素含量（~30.6%），并发现其提取物富含酚类（444.3/412.2 mg GAE/g）、黄酮类（145.9/125.3 mg CE/g）和单宁（140.5/62.7 mg CE/g），表现出极强的抗氧化活性（FRAP: 2.8/1.7 mM TEAC/g; DPPH AAI > 2）。木材与树皮均显示出高固定碳含量（82.3%/76.7%）和高热值（HHV: 19.4/19.2 MJ/kg），表明其不仅是优质的生物能源原料，亦是生物活性化合物的潜在来源，为米奥姆森林资源的可持续增值利用提供了科学依据。

　　

在广袤的非洲南部，分布着一种名为米奥姆（Miombo）的独特干旱森林生态系统，它是该地区乃至全球最大的干旱林地之一，覆盖面积可达数百万平方公里。然而，生活在这片土地上的许多社区却面临着贫困的挑战，他们对生物质资源的依赖，尤其是将木材用于木炭和薪柴生产，成为了导致森林砍伐的主要原因之一。在这种背景下，深入了解当地树种的非传统利用价值，对于促进可持续森林管理和社区发展显得至关重要。非洲独蕊木（Monotes africanus）便是米奥姆林地中一种常见的硬木树种，当地居民传统上利用其坚硬的木材制作工具柄，并作为优质的薪柴和木炭原料。此外，其叶、根和树皮在传统医学中用于治疗炎症等疾病，树叶还可作为牲畜饲料和重要的蜜源。尽管其用途多样，但除了传统应用外，科学界对其木材和树皮的详细特性，如解剖结构、化学组成、热学性质以及生物活性等，知之甚少。这种认知上的空白限制了对该物种进行更高价值开发的潜力。

为了填补这一知识空白，由Abílio Malengue、Ana Louren?o、Helena Patrício、Teresa Quilhó和Jorge Gominho组成的研究团队，在《Trees, Forests and People》期刊上发表了一项开创性的研究，首次对非洲独蕊木的木材和树皮进行了全面的多学科表征。这项研究旨在揭示该物种 beyond solid fuel（超越固体燃料）的潜在价值，探索其在生物活性化合物提取和可再生能源生产方面的应用前景。

研究人员为开展此项综合研究，运用了多种关键技术方法。样本采集自安哥拉卡阿拉地区的三棵非洲独蕊木树。研究手段包括：利用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）进行木材与树皮的解剖学观察；通过标准湿化学方法（如Soxhlet提取、Klason木质素测定、离子色谱）分析化学成分（灰分、提取物、木质素、多糖）；采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析二氯甲烷提取物中的脂质成分；通过分光光度法评估乙醇-水提取物的酚类、黄酮类、单宁含量及抗氧化活性（DPPH、FRAP法）；利用分析热解（Py-GC-MS）研究木质素单体组成；使用元素分析仪和弹式量热计进行工业分析（ proximate analysis）和热值（HHV）测定；并通过电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）分析矿物元素组成。

3.1. 解剖学特征

研究首次详细描述了非洲独蕊木树皮的解剖结构，发现其外部呈片状或裂隙状，树皮（rhytidome）包含2个周皮（periderm），其间夹杂着木质化的韧皮部细胞。韧皮部主要由筛管、伴胞、轴向薄壁组织、射线和纤维组成，纤维形成大的群集体（"结节"）。非功能性韧皮部中，轴向薄壁组织转化为厚壁的石细胞（sclereids）。木材为散孔材，但导管具两种直径等级，主要为单管孔，具单穿孔板，纤维壁非常厚。这些高度木质化的厚壁细胞结构为物种提供了显著的硬度和耐久性，也与其高木质素含量相呼应。

3.2. 木材和树皮密度

非洲独蕊木木材和树皮的基本密度均较高，分别为707 kg/m³ 和 624 kg/m³，高于许多其他米奥姆树种，这对其作为能源原料的运输和燃烧性能有积极影响。

3.3. 化学分析

summative chemical composition（综合化学成分分析）显示，木材和树皮的灰分含量较低（分别为0.5%和2.0%）。树皮的总提取物含量（22.6%）远高于木材（6.1%），且主要为极性化合物（乙醇和水提取物）。两者的总木质素含量相似，约为30.6%。木材的多糖含量（57.2%）高于树皮（42.1%），其中葡萄糖和木糖是主要单糖。这种化学组成表明该物种适合用于能源生产。

3.4. 非极性提取物组成

GC-MS分析表明，木材和树皮的二氯甲烷提取物中，脂肪酸（饱和与不饱和）是主要的脂质成分家族（木材40.8%，树皮34.1%）。木材中萜类（11.9%）和甾醇（10.7%）含量也较高，而树皮中甾醇（5.9%）和酚类（2.2%）相对更突出。这些化合物具有多种生物活性潜力。

3.5. 极性提取物的植物化学成分和抗氧化活性

乙醇-水（80:20, v/v）提取物的植物化学分析显示，木材提取物中的总酚类（444.3 mg GAE/g提取物）、总黄酮类（145.9 mg CE/g提取物）和缩合单宁（140.5 mg CE/g提取物）含量均高于树皮提取物（分别为412.2, 125.3, 62.7 mg/g）。在抗氧化活性方面，木材提取物也表现出更强的活性（DPPH: 650.4 mg TEAC/g, FRAP: 2.8 mM TEAC/g），其抗氧化活性指数（AAI）大于2，属于极强抗氧化活性。树皮提取物活性稍弱但依然显著（DPPH: 493.8 mg TEAC/g, FRAP: 1.7 mM TEAC/g, AAI=3.01）。

3.6. 分析热解

热解分析证实了木材富含紫丁香基（S）单元（S/G比率=1.2），而树皮富含愈创木基（G）单元（S/G比率=0.76）。这与化学分析中木材S/G比率较高（1.2 vs. 0.8）的结果一致。

3.7. 工业分析、元素分析和热值分析

proximate analysis（工业分析）显示木材的固定碳（fixed carbon）含量高达82.3%，树皮为76.7%。两者都具有较高的热值（HHV），木材为19.4 MJ/kg，树皮为19.2 MJ/kg，与其它优质薪柴树种相当。元素分析（ultimate analysis）显示碳、氢、氧是主要元素，树皮的氮含量（0.57%）高于木材（0.16%）。低O/C比率表明其具有较高的能量密度。

3.8. 矿物质组成

矿物质分析显示，木材中钾（2275.7 mg/kg）含量最高，而树皮中钙（5597.4 mg/kg）含量显著高于木材，这与树皮中存在草酸钙晶体有关。重金属含量普遍较低，但树皮中铬（Cr, 6.3 mg/kg）含量相对较高，在燃烧过程中需注意其潜在影响。

3.9. 潜在应用

基于上述研究结果，非洲独蕊木不仅延续其传统的能源（木炭、薪柴）和工具材用途，其木材和树皮更显示出作为生物活性化合物（如抗氧化剂）来源的巨大潜力。高固定碳和高热值使其成为生物能源生产的理想原料。建议可采用生物精炼（biorefinery）模式，先提取高价值的生物活性成分，再将剩余物用于能源生产或材料制造，从而实现资源的最大化增值利用。

结论与意义

本研究首次对非洲独蕊木的木材和树皮进行了从解剖到化学、从热学到生物活性的全面、系统表征。研究结果证实了其作为优质固体燃料的传统价值，更重要的是，揭示了其在超越薪柴之外的巨大潜力：富含具有强抗氧化活性的酚类、黄酮类等生物活性化合物，以及作为生物能源原料的优良特性。这项研究为科学管理和可持续利用米奥姆森林资源提供了重要的基础数据。通过挖掘非洲独蕊木的多功能价值，并推广基于生物精炼理念的增值利用策略，不仅可以为当地社区带来经济效益，促进其生计多元化，还能增强他们保护森林资源的动力，从而有助于缓解森林砍伐压力，实现生态保护与社区发展的双赢。这对于生物多样性丰富但经济相对落后的米奥姆生态系统区域的可持续发展具有重要的理论与实践意义。