近年來，針對(duì)三葉天然橡膠資源緊缺、三葉膠白葉枯病（SALB）的威脅以及石油資源面臨枯竭的局面，中國、歐洲、美國和日本等國家和地區(qū)都在積極開展尋求新型生物橡膠資源的開發(fā)工作。2010年初，歐盟將銀菊膠和蒲公英替代三葉天然膠的研究列入“歐盟第七框架計(jì)劃”；中國近年來也在積極推進(jìn)杜仲橡膠的開發(fā)和應(yīng)用。
據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，地球上有2000多種植物可以提取橡膠，截至目前為止，人們發(fā)現(xiàn)用于工業(yè)橡膠的植物主要有三葉橡膠樹、杜仲樹（含葉林杜仲）、蒲公英草和銀膠菊，最近也有關(guān)于橘皮油、甘蔗發(fā)酵提取橡膠用于輪胎的報(bào)道，隨著研究的不斷深入，新的橡膠資源或?qū)⒗^續(xù)問世。
一、杜仲膠
杜仲膠是具有橡塑二重性的優(yōu)異的高分子材料，化學(xué)成分與產(chǎn)于三葉橡膠樹的天然橡膠相同，但分子結(jié)構(gòu)不同，杜仲膠為反式聚異戌二烯，三葉天然橡膠則為順式聚異戌二烯。天然反式聚異戌二烯橡膠目前主要包括杜仲橡膠、古塔膠和巴拉塔膠。天然杜仲膠系由杜仲樹的籽殼、葉、皮及枝皮中通過物理或化學(xué)提取法制得。古塔膠主要由馬來亞半島、印度尼西亞等熱帶地區(qū)產(chǎn)的山欖科植物的樹皮和樹葉中的膠乳制得。巴拉塔膠主要由產(chǎn)于圭亞那和委內(nèi)瑞拉等地的一種山欖科植物的膠乳制得。
日本、美國和俄羅斯等國家對(duì)杜仲種植均進(jìn)行過一系列研究和實(shí)踐。日立造船公司已分別在中國和美國申請(qǐng)了有關(guān)杜仲生物聚合物提取方法的專利，日本大阪大學(xué)已開展多項(xiàng)杜仲應(yīng)用研究課題。美國也有公司在我國申請(qǐng)了杜仲膠用于牙科材料的專利。
世界95%以上的杜仲資源在中國。杜仲樹也是世界上適應(yīng)范圍最廣、發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮膬?yōu)質(zhì)膠源樹種。杜仲的果、葉、皮中均含有豐富的杜仲膠,其中葉含膠2-3%，籽含膠12-18%，皮含膠6-10%。采用果園化種植模式，每公頃可產(chǎn)杜仲籽3600-4500公斤，籽油可以用來制取高級(jí)食用油、保健品、美容化妝品等；籽殼、葉和皮在提取綠原酸、桃葉珊瑚苷等醫(yī)藥、保健活性成分后，用于提膠，每公頃可產(chǎn)膠600公斤以上。所余殘?jiān)捎糜陲暳?span>、活性炭和有機(jī)肥等。杜仲樹為雌雄異株，杜仲雄花含有極高的營養(yǎng)保健成分，可以用來制成雄花茶和高級(jí)雄花花粉。
我國著名杜仲膠專家嚴(yán)瑞芳先生基于杜仲膠獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與性能，研究開發(fā)出三大類不同用途的材料：橡膠高彈性材料、低溫可塑性材料及熱彈性材料。多年來，眾多科學(xué)家和研究人員不斷開拓杜仲膠的應(yīng)用領(lǐng)域，目前應(yīng)用范圍已覆蓋到多個(gè)領(lǐng)域，如高爾夫球、醫(yī)用代石膏骨科外固定及矯形用杜仲膠夾板、運(yùn)動(dòng)員護(hù)肢具、假肢支撐腔（假肢套）、牙齒填料、運(yùn)動(dòng)員護(hù)齒、實(shí)驗(yàn)室玻璃儀器接管、真空油泵、真空水泵密封接管等。
近年來，我國產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到國家的高度關(guān)注。2011年4月，國家發(fā)改委發(fā)布的“產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整目錄（2011年）中，首次將“杜仲種植生產(chǎn)”和“新型天然橡膠的開發(fā)和應(yīng)用”列入鼓勵(lì)類目錄中，并于當(dāng)年對(duì)部分有杜仲產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的企業(yè)實(shí)施了資金扶持。2012年，國家發(fā)改委、科技部通過重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)、省部會(huì)商項(xiàng)目建設(shè)、火炬項(xiàng)目和863科技支撐計(jì)劃等形式，對(duì)杜仲膠的項(xiàng)目建設(shè)、提取工藝和應(yīng)用開發(fā)給予了資金扶持。充分表明了國家對(duì)杜仲產(chǎn)業(yè)發(fā)展和開發(fā)新型天然橡膠替代材料的重視。
自2010年以來，我國部分高校和科研機(jī)構(gòu)在杜仲膠的分子育種、杜仲膠提取、設(shè)備制造和應(yīng)用開發(fā)方面取得了一系列突破性進(jìn)展。
1、高膠含量杜仲分子育種研究取得新突破
中南林業(yè)科技大學(xué)通過對(duì)杜仲葉片和果實(shí)的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序及深度分析研究，獲得了大量基因的表達(dá)規(guī)律，如杜仲膠、α-亞麻酸、苯丙素類、黃酮類、類胡蘿卜素等重要活性物質(zhì)生物合成途徑的相關(guān)基因的表達(dá)規(guī)律及關(guān)鍵酶基因信息，果實(shí)和葉片差異表達(dá)基因和特異表達(dá)基因的信息；發(fā)現(xiàn)了杜仲膠合成上游相關(guān)基因124條，并分離克隆了28條杜仲膠合成上游途徑MEP和MVA途徑的重要基因cDNA全長；發(fā)現(xiàn)杜仲膠合成下游相關(guān)基因共74條，其中分離克隆了35條如乳膠管蛋白（MLP）、橡膠延伸因子（REF）、橡膠小顆粒蛋白SRPP和杜仲膠合成關(guān)鍵酶基因異戊二烯磷酸二合酶（TIDS）的cDNA全長；構(gòu)建了杜仲膠合成基因的RNA干擾表達(dá)載體和過量表達(dá)載體，并對(duì)杜仲和煙草進(jìn)行轉(zhuǎn)基因試驗(yàn)，篩選出了杜仲膠合成上游和下游關(guān)鍵酶基因，初步分析表明，將提高杜仲膠含量18.65%~26.54%，為將來大幅度提高杜仲膠產(chǎn)量奠定了基礎(chǔ)。
2、天然杜仲膠提取工藝及設(shè)備制造獲新進(jìn)展
青島科技大學(xué)將超臨界二氧化碳技術(shù)、超聲波輔助技術(shù)、逆流提取工藝應(yīng)用到天然杜仲橡膠的提取過程中，克服了提取過程中提取次數(shù)多、產(chǎn)率低等操作帶來的成本高、污染重的問題，大大提高了提取效率和溶劑的使用率。為配合天然杜仲膠的提取，開發(fā)了連續(xù)逆流超聲提取成套設(shè)備及自動(dòng)化、信息化控制系統(tǒng)。
3、合成杜仲膠領(lǐng)跑應(yīng)用開發(fā)
中國杜仲膠科學(xué)研究院、青島第派新材有限公司在合成杜仲膠的應(yīng)用開發(fā)方面不斷取得新的進(jìn)展。研究表明，在目前所有用于輪胎的橡膠中，硫化合成杜仲膠的滾動(dòng)阻力和生熱是最低的，僅為乳聚丁苯橡膠的50%左右，而且任何膠料(包括國際上新發(fā)展的低滾阻低生熱橡膠溶聚丁苯膠在內(nèi))與合成杜仲膠并用，都能明顯降低其滾動(dòng)阻力和生熱。經(jīng)轎車和輕型載重子午胎試用證明，在胎面膠中使用20-25質(zhì)量份合成杜仲膠，替代SBR即可節(jié)省汽車燃油消耗2.5%左右，行駛里程超過15萬公里。經(jīng)過配方的優(yōu)化和在胎面膠、胎側(cè)膠、三角膠中都使用杜仲膠，可以生產(chǎn)出節(jié)油3%的綠色半鋼子午胎。
進(jìn)行了合成杜仲膠/聚丙烯合金的制備。試驗(yàn)表明，在保持合金強(qiáng)度較高的條件下，其懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度高達(dá)近40kJ/m2，可以制成超韌性改性的聚丙烯，應(yīng)用于汽車配件、體育運(yùn)動(dòng)器材及其它對(duì)強(qiáng)韌性要求較高的器件或配件。
二、銀菊膠
銀膠菊（Parthenium hysterophorusL）為菊科銀膠菊屬一年生草本植物，原產(chǎn)于墨西哥和美國南部半沙漠地區(qū)，18世紀(jì)墨西哥印第安人發(fā)現(xiàn)可從銀膠菊中提取橡膠物質(zhì)，就嘗試用銀菊膠來制作游戲用的皮球。由于當(dāng)時(shí)三葉膠價(jià)格昂貴，當(dāng)?shù)劂y膠菊有大片的野生資源，美國與墨西哥合資建立了橡膠提取工廠，1904年正式商品問世，向美國出口了40公斤膠。到1907年，墨西哥已經(jīng)有20套提取裝置運(yùn)轉(zhuǎn)或建設(shè)中，1910年，銀菊膠產(chǎn)量達(dá)到1萬噸，占當(dāng)時(shí)美國橡膠進(jìn)口量的24%。一直到1912年，大陸橡膠公司還在堅(jiān)持生產(chǎn)。但由于大面積銀膠菊枯死，銀菊膠在墨西哥逐漸消失。
墨西哥的加工廠關(guān)閉后，美國國際橡膠公司開始了農(nóng)業(yè)和育種研究，并嘗試商業(yè)化生產(chǎn)。上世紀(jì)20年代末，美國銀膠菊種植面積達(dá)到3200公頃，銀菊膠產(chǎn)量1400噸，直到1991年美國經(jīng)濟(jì)大蕭條才停止生產(chǎn)。
二次世界大戰(zhàn)期間，為了應(yīng)戰(zhàn)爭所需，美國組織了1000多名科學(xué)家和技術(shù)人員，9000多名工人，種植了13000公頃銀膠菊，同時(shí)也形成了完整的種植和加工技術(shù)體系，后來由于合成橡膠的開發(fā)而中止。
上世紀(jì)70年代，由于油價(jià)暴漲，又支撐銀菊膠研究延續(xù)了約12年，不僅產(chǎn)量增長，技術(shù)也日益成熟。美國固特異等公司在上世紀(jì)70年代也曾種植過銀膠菊，并開始了加工和應(yīng)用。上世紀(jì)80年代，固特異用銀菊膠試制出汽車輪胎和航空輪胎，其行駛里程、起落次數(shù)等使用性能均接近天然膠。
2012年初，普利司通和固鉑輪胎公司先后宣布進(jìn)行銀菊膠用于輪胎制造的研究工作。
銀菊膠除物理機(jī)械性能與天然膠相近外，其最大特點(diǎn)是不含蛋白質(zhì)，非常適合制造醫(yī)用手套等醫(yī)療產(chǎn)品。美國正計(jì)劃逐步用合成膠和其他非致敏材料替代三葉天然膠，其中銀菊膠成為首選，種植銀色橡膠菊也被提升到發(fā)展本土天然膠資源的高度。美國農(nóng)業(yè)部自2000年開始，將開發(fā)無過敏性反應(yīng)的天然膠乳列入美國農(nóng)業(yè)研究機(jī)構(gòu)項(xiàng)目發(fā)展計(jì)劃，并于當(dāng)年9月與Yulex公司簽訂了為期5年、撥款230萬美元的項(xiàng)目合同。合同內(nèi)容包括：完善采收后處理技術(shù)，提高可萃取膠乳的產(chǎn)量；研究將銀色橡膠菊種植納入現(xiàn)有耕種體系的管理方法；尋找更有效的育種、栽培技術(shù)等。
根據(jù)歐盟最近在法國蒙彼利埃和西班牙卡特赫娜兩個(gè)種植基地的試驗(yàn)結(jié)果，法國蒙彼利埃年降水量多，植物不需要灌溉，每公頃年產(chǎn)膠乳450公斤，而西班牙卡特赫娜較干燥，缺水時(shí)可適當(dāng)補(bǔ)充水分，每公頃膠乳年產(chǎn)量可達(dá)1600公斤。
近年來，銀膠菊綜合開發(fā)也取得很大進(jìn)展。將銀膠菊的樹脂提取后用于制造涂料和粘合劑，剩余不含樹脂的部分用來提取橡膠，提膠后的余渣進(jìn)一步用來生產(chǎn)復(fù)合板、建筑材料和用作肥料等。
Yulex公司將膠乳和樹脂分離后，可以從樹脂中回收萜類化合物、脂肪酸等。膠渣可以轉(zhuǎn)化為生物能源，經(jīng)發(fā)酵可以轉(zhuǎn)化為乙醇，經(jīng)裂解可以制成生物燃料，經(jīng)汽化可以生成合成氣，燃燒用于發(fā)電等。
但也有研究認(rèn)為，銀膠菊植株體表的微細(xì)狀體和花粉對(duì)人類及動(dòng)物有害，可引起過敏性鼻炎、過敏性皮炎等，也可引起肝臟和遺傳病變。銀膠菊對(duì)其他植物也會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的化感作用，危害入侵地的植物生態(tài)平衡。目前對(duì)銀膠菊的化感作用、花粉毒性以及銀膠菊生物防治等方面的研究正在進(jìn)行中。
三、蒲公英膠
蒲公英傳統(tǒng)上是一種制作沙拉、中藥茶和酒的材料。早在上世紀(jì)初，歐洲一些國家如法國、芬蘭、瑞士、匈牙利以及捷克等國家的科學(xué)家就開始了蒲公英種植和提膠的研究工作，并提出了蒲公英含膠量12%的理論。近年來，德國亞琛弗勞恩霍夫分子生物學(xué)與應(yīng)用生態(tài)學(xué)研究所的克里斯蒂安•舒爾茨（Christian Schulze Gronover）和他的同事們確認(rèn)了基因在俄羅斯蒲公英產(chǎn)生橡膠中的作用，他們發(fā)現(xiàn)，多酚氧化酶能令橡膠草膠液凝結(jié)。與此同時(shí)，美國俄亥俄州立大學(xué)的馬修•克萊因亨茨也在研究如何提高蒲公英橡膠草的橡膠產(chǎn)量?？巳R因亨茨博士用的是舊式的辦法——種植多個(gè)株系的橡膠草，然后磨碎根部（大部分汁液存在于這一部位）以尋找橡膠含量最高的那些株系，然后再將這些株系雜交。結(jié)合兩種方法（高技術(shù)含量的生物工程方法和低技術(shù)含量的植物育種方法），他們認(rèn)為，或許能培育出一種現(xiàn)代社會(huì)鮮有的全新作物品種。
總部設(shè)在美國阿克倫城的德爾塔公司也正致力于開發(fā)蒲公英橡膠草（Taraxacum kok-saghyz）資源并準(zhǔn)備將其產(chǎn)業(yè)化。蒲公英橡膠草又稱為俄國蒲公英或者TKS。據(jù)文獻(xiàn)介紹，每公頃TKS可年產(chǎn)膠約1120公斤。萃取后產(chǎn)生的副產(chǎn)品是230萬加侖乙醇，這種替代燃料產(chǎn)生的價(jià)值完全能抵消TKS的成本，從而拉低TKS的市場(chǎng)價(jià)格。從TKS得到的天然橡膠，其物理機(jī)械性能與三葉天然橡膠不一樣，用于輪胎還需要一個(gè)適應(yīng)過程。在加工工藝上會(huì)有些細(xì)微的差異，但加工設(shè)備，比如密煉機(jī)、壓延機(jī)都是一樣的。
歐盟向哈薩克斯坦提供了800萬歐元的科技援助資金，支持哈薩克斯坦的科技工作者研究從蒲公英中提取天然橡膠。哈薩克斯坦廣闊田野中生長著大面積的野生蒲公英，且今后也可以人工種植蒲公英，哈薩克斯坦有望成為蒲公英橡膠生產(chǎn)大國。哈薩克斯坦的科學(xué)家希望，今后哈薩克斯坦不僅要向科技發(fā)達(dá)國家出口能提取橡膠的蒲公英根莖，而且還將出口從蒲公英中提取出的天然橡膠和橡膠制品。
四、其他生物基工程彈性體
生物基工程彈性體是由可再生的生物質(zhì)資源，比如玉米、土豆、甘蔗等經(jīng)發(fā)酵得到生物基單體，比如癸二酸、衣康酸、丁二酸、1,3-丙二醇及1,4-丁二醇，再經(jīng)化學(xué)合成得到的彈性體聚合物。北京化工大學(xué)彈性體研究中心在國家自然科學(xué)基金和美國固特異輪胎有限公司的資助下正在對(duì)這一領(lǐng)域展開深入的研究，目前已開發(fā)出三種最有希望的生物基工程彈性體：聚酯基生物基工程彈性體、衣康酸酯基生物基工程彈性體和豆油基生物工程彈性體。北京化工大學(xué)彈性體研究中心的研究人員認(rèn)為：生物基彈性體可以像傳統(tǒng)的天然橡膠或者合成橡膠一樣制成輪胎以及其它一些橡膠制品。
五、結(jié)語
各種天然橡膠替代資源的研究開發(fā)，標(biāo)志著人類向植物產(chǎn)品回歸的道路上邁出了重要一步。
每一種天然橡膠替代植物，將伴隨著科學(xué)家的不斷探索和試驗(yàn)向人類展示出其越來越多的潛在價(jià)值。
在中國，截至目前的研究表明，杜仲是我國發(fā)展?jié)摿ψ畲?、綜合開發(fā)價(jià)值最高的生物橡膠資源。杜仲樹集工業(yè)應(yīng)用、醫(yī)藥、農(nóng)產(chǎn)業(yè)、林產(chǎn)業(yè)、養(yǎng)殖、生態(tài)于一身，即可以發(fā)展多種種植模式，又可以發(fā)展立體種植，是極具社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的寶貴植物。
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