葡萄藤材的化學組成和紅外光譜分析1)

王傳貴 馬欣欣

(安徽農(nóng)業(yè)大學，合肥，230036)

葡萄科共12屬700種，其中我國有7屬106種。在葡萄產(chǎn)量集中的地區(qū)，每年有大量的藤材更替下來卻未得到充分利用，成為資源的浪費。葡萄藤的藤莖含粗蛋白約13%、粗纖維約24%、鈣約13%，還含有還原糖、蔗糖、淀粉、鞣質(zhì)和黃酮類［1］;但對其加工方面的研究利用鮮有報道。為了解葡萄藤材的基本材性，提高我國非木材類植物資源高附加值加工利用水平，筆者從化學組成、纖維形態(tài)和分子結(jié)構(gòu)方面對葡萄藤材進行了初步探究，以期為其加工利用提供科學依據(jù)。

化學組成和纖維形態(tài)是判別植物原料優(yōu)劣與利用價值的一個重要方面，也是合理利用纖維原料的重要依據(jù)。

紅外吸收光譜屬于分子振動光譜，主要研究聚合物分子組成和結(jié)構(gòu)與紅外吸收譜圖的關(guān)系，同時它也可以提供纖維的組成和結(jié)構(gòu)信息［2］。紅外光譜對有機物的定性分析具有鮮明的特性，因為每一化合物都具有特異的紅外吸收光譜，其譜帶中吸收峰的位置和強度均隨化合物及其聚集態(tài)的不同而不同。因此化合物的紅外光譜就象人的指紋一樣，具有唯一性，可確定化合物或官能團是否存在。筆者通過傅立葉變換紅外光譜法對葡萄藤材的分子結(jié)構(gòu)進行了初步分析。探索葡萄藤纖維和一般木材纖維的結(jié)構(gòu)共性和個性差異，對其鑒別和進一步理論研究提供科學依據(jù)［3］。

1 材料與方法

安徽省合肥市包河區(qū)大圩鎮(zhèn)葡萄園，3年生。

化學成分測定:將藤莖分為上、中、下3部分，藤皮和藤莖分別用粉碎機粉碎后，篩取40～60目的粉末進行化學組成分析，參照國家標準，測試葡萄藤材的水分(GB/T2677.2—1993)、灰分 (GB/T2677.3—1993)、酸不溶木質(zhì)素 (GB/T2677.8—1994)、綜纖維素(GB/T2677.10—1995)、纖維素(硝酸乙醇法)、半纖維素等質(zhì)量分數(shù)。取其統(tǒng)計平均值作為最終試驗結(jié)果。

纖維形態(tài)的測定:選擇生長中等的3株葡萄藤，在中部取樣。劈成火柴桿大小，放置于V(H2O2)∶V(CH3COOH)=1∶1混合液中，加熱至80℃離析后，測量其纖維長度。取其統(tǒng)計平均值作為最終試驗結(jié)果。

傅立葉變換紅外光譜特征分析:美國NICOLET is10－FTIR型傅立葉變換紅外光譜儀，掃描范圍:4 000～400 cm－1，分辨率4 cm－1，掃描次數(shù)32次/min。

在葡萄藤中部取樣。將原料磨成細粉，80～120目。干燥至恒質(zhì)量。按比例與溴化鉀固體混合(m(藤材)∶m(KBr)=1∶50)，研磨均勻，采用壓片法進行IR光譜測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 化學成分

葡萄藤材的化學成分結(jié)果見表1。葡萄藤材主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素3種天然高分子物質(zhì)組成。在化學組成中，最重要的是纖維素的質(zhì)量分數(shù)。一般來講，原料的纖維素質(zhì)量分數(shù)越高，產(chǎn)品的力學強度越高。而半纖維素的吸濕性、潤脹能力比纖維素大得多，對提高原料的塑性和增進人造板強度是有利的。但如果半纖維質(zhì)量分數(shù)過高，會對人造板制品的耐水性、尺寸穩(wěn)定性等帶來不利的影響。木質(zhì)素本身強度較低，但耐水性好，耐高溫，可塑性好，木質(zhì)素的熱塑性是人造板生產(chǎn)工藝條件制定的主要依據(jù)，如在纖維板生產(chǎn)中是纖維分離和纖維重新結(jié)合的重要前提條件之一。所以，木質(zhì)素質(zhì)量分數(shù)較高，亦有利于人造板的生產(chǎn)［4］。由實驗數(shù)據(jù)可得，葡萄藤材的纖維素質(zhì)量分數(shù)約為40%，半纖維素質(zhì)量分數(shù)約為38%，木質(zhì)素質(zhì)量分數(shù)約為21%。在藤莖高度方向上，3大素的質(zhì)量分數(shù)由基部向上呈增大趨勢。加工應(yīng)用時，需要考慮一下半纖維素的影響。

表1 葡萄藤材的化學成分 %

2.2 纖維形態(tài)分析

葡萄藤材的纖維平均長度為1 584.17 μm，平均寬度為38.61 μm，胞腔徑為 20.02 μm，雙壁厚為18.59 μm，長寬比為41.96，壁腔比為 0.93。

木纖維的功能主要是支持樹體，承受力學強度。約占整個木材解剖分子量的50%，木纖維形態(tài)特征直接影響木材材質(zhì)且是木漿強度的指標之一［5］。纖維一定的長度、長寬比對板制造中纖維交織和結(jié)合性能有重要的影響。其中尤以纖維長度最為重要。在考慮纖維平均長度的影響時，只看纖維平均長度是不全面的，還必須注意其不均一性，不均一性常用頻率分布圖表示。表2是葡萄藤材的纖維長度頻率分布?？梢钥闯觯w維長度符合正態(tài)分布，且長度值大多集中在1 200～2 000 μm，大約占總數(shù)的96.6%，說明葡萄藤材的纖維均整性較好。僅從纖維形態(tài)而言，葡萄藤材不能劃到好原料之列，柔韌性和可塑性較差，剛性較高，所以加工利用時對生產(chǎn)工藝制定和設(shè)備的選擇應(yīng)充分予以考慮。

表2 葡萄藤材的纖維長度

2.3 紅外光譜特征分析

葡萄藤材除了主要的3大素外，還含有蔗糖、淀粉、鞣質(zhì)和黃酮類等物質(zhì)，其化學組成和結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜［1］。

其中，纖維素的結(jié)構(gòu)較為簡單，一般認為纖維素的特征吸收峰為 2 900、1 425、1 370、890 cm－1。半纖維素的紅外光譜主要以1 730 cm－1附近的乙酰基和羧基上的C—O伸縮振動吸收峰與其他組分的特征進行區(qū)別。木質(zhì)素的紅外光譜最為復(fù)雜。圖1是對葡萄藤材紅外光譜峰進行的歸屬分析［6］106－107。

圖1 葡萄藤材的紅外光譜圖

表3 葡萄藤材紅外光譜中吸收帶的歸屬

3 420 cm－1處的強且寬的吸收帶是羥基的特征峰，說明葡萄藤材表面存在羥基，該伸縮振動是由于葡萄藤材的醇羥基、其他羥基和吸收水分中游離和締合的羥基振動引起的。

2 927.1 cm－1附近的吸收峰通過歸屬，判斷應(yīng)為CH3的碳氫不對稱伸縮振動峰，峰形較窄，說明葡萄藤材中有與苯環(huán)相連的甲氧基和甲基。

1 739.9 cm－1和 1 623.4 cm－1的吸收峰通過歸屬，判斷是來自羧基或醛和酮基中C=O伸縮振動峰，二者也可能與苯環(huán)發(fā)生了共軛。從譜圖整體看，1 739.9 cm－1歸屬為揮發(fā)油類成分特征峰，為多種物質(zhì)光譜疊加的結(jié)果［7］。

1 423.2 cm－1處的吸收峰通過歸屬，判斷為芳香族骨架振動和C—H面內(nèi)彎曲振動。其中C—H彎曲振動包括CH2剪式振動(纖維素)和CH2彎曲振動(木質(zhì)素)。

1 374.6 cm－1處的吸收峰通過歸屬，判斷應(yīng)為脂肪族在CH3和酚羥基上的C—H彎曲振動(纖維素和半纖維素)。

1 242.6 cm－1處的吸收峰通過歸屬，判斷應(yīng)為苯羥基和羥酸類中C—O鍵的伸縮振動和O—H面內(nèi)變形振動引起的，也可能是木質(zhì)素酚醚鍵C—O—C伸縮振動。

1 046.2 cm－1附近的吸收峰通過歸屬，判斷應(yīng)為C—H芳香族面內(nèi)彎曲(G型)和C—O鍵的伸縮振動:乙?；械耐檠蹑I伸縮振動，強度較強。

830 cm－1附近的吸收峰通過歸屬，判斷為C—H面外彎曲振動，G 環(huán)的 2，6 位(紫丁香基結(jié)構(gòu)木質(zhì)素)［7－9］。

3 結(jié)論

從化學組成看，葡萄藤材適宜制造人造板。從纖維形態(tài)看，葡萄藤材的纖維均整性較好，柔韌性和可塑性較差，剛性較高，所以加工利用時對生產(chǎn)工藝制定和設(shè)備的選擇應(yīng)充分予以考慮。根據(jù)葡萄藤材的紅外光譜圖可以初步推斷出葡萄藤材中的木質(zhì)素主要為紫丁香基型和愈瘡木基型結(jié)構(gòu)［6］107。結(jié)合化學組成和紅外光譜特征分析，發(fā)現(xiàn)葡萄藤材的化學結(jié)構(gòu)與闊葉木材相似，這為葡萄藤材制造人造板提供了一定的依據(jù)。

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