雜交鵝掌楸纖維形態(tài)和化學(xué)組成的縱向變化規(guī)律

時留新，金融融，梁叢叢，翟華敏

（南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京 210037）

雜交鵝掌楸纖維形態(tài)和化學(xué)組成的縱向變化規(guī)律

時留新，金融融，梁叢叢，翟華敏

（南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京 210037）

為深刻了解雜交鵝掌楸的纖維和化學(xué)組成特性，系統(tǒng)分析了多年生雜交鵝掌楸在縱橫向生長過程中的纖維形態(tài)及木材化學(xué)組成的變化，并與制漿造紙常用速生闊葉材（三倍體毛白楊、桉木）和馬尾松就纖維形態(tài)與化學(xué)組成特性進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明：雜交鵝掌楸隨著生長年限的增加，縱向纖維長寬比變大，壁腔比呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；生長8～9年的雜交鵝掌楸具有最佳的纖維形態(tài)特性；與其他造紙速生材相比，雜交鵝掌楸具有較低的抽出物含量，灰分含量低于1%，綜纖維素含量高達(dá)82.39%，木質(zhì)素和戊聚糖含量分別為22.71%和14.02%；同時，雜交鵝掌楸纖維具有接近馬尾松的長寬比和壁腔比、細(xì)長且柔軟的特性，是一種優(yōu)良的造紙、木質(zhì)纖維生物利用新原料。

雜交鵝掌楸；材性；木質(zhì)素；纖維形態(tài)；化學(xué)成分

雜交鵝掌楸Liriodendron hybrids是以鵝掌楸屬Liriodendron兩個現(xiàn)存種（中國馬褂木L.chinense (Hemsl) Sarg.和北美鵝掌楸L.tulipifera L.）為親本創(chuàng)造的種間雜種，由我國著名林木育種學(xué)家葉培忠教授于1963年首次育成[1]。與其親本相比，該雜種在生長速度和抗逆性狀等方面均表現(xiàn)出明顯的雜種優(yōu)勢。雜交鵝掌楸生長迅速、體型高大、葉形奇特，樹干通直圓滿，出材率高，具有十分廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景，可作為重要的用材樹種和城市綠化樹種[2-3]。針對鵝掌楸自身繁殖能力差，自然結(jié)實率低的特點，南京林業(yè)大學(xué)施季森教授的課題組成功地發(fā)明了雜交鵝掌楸體細(xì)胞胚胎發(fā)生與植株再生方法，使規(guī)?；a(chǎn)擴(kuò)大雜交鵝掌楸種苗成為現(xiàn)實可能[4]。本研究基于該細(xì)胞工程技術(shù)的突破，以南京林業(yè)大學(xué)培育出的雜交鵝掌楸為原料，通過分析其纖維形態(tài)及化學(xué)組成特性[5-6]，對其作為造紙、木質(zhì)纖維生物利用新材料的性能進(jìn)行評價[7-8]，為雜交鵝掌楸的產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 原料與方法

1.1 原料及取樣

在縱向上對26 a生的雜交鵝掌楸以1.5 m為間距取樣，共10個樣，劈成火柴桿大小的木條，分析其在縱向生長過程中的纖維形態(tài)變化。同時在相同部位取樣，將其粉碎篩選取40～60目（0.25～0.38 mm）的木粉，分析其化學(xué)組成變化。

在距地面1.5 m位置取一圓盤，按年輪分別取24個樣，劈成火柴桿大小的木條，分析其在橫向生長過程中的纖維形態(tài)變化。

1.2 纖維形態(tài)分析

取1 g試樣置于試管內(nèi)，加入適量蒸餾水反復(fù)煮沸至試樣下沉。隨后加入少量35%硝酸和氯酸鉀，再次煮沸至試樣變白，用蒸餾水洗滌、煮沸、過濾后稀釋。加入2滴2%番紅染液即成纖維解離樣品。纖維長寬比和壁腔比分別采用萊卡光學(xué)顯微鏡和奧林巴斯光學(xué)顯微鏡，參照GB/T 10336-1989，利用南京林業(yè)大學(xué)開發(fā)的FMS-2000A纖維形態(tài)測量系統(tǒng)采樣測定。每個試樣均測定250根纖維，取平均值計算長寬比和壁腔比。

1.3 化學(xué)成分分析

篩選的40～60目的木粉分別按照Tappi標(biāo)準(zhǔn)測定，苯醇抽提物含量參照Tappi T204 cm-97；灰分含量參照Tappi T211 om-02；綜纖維素含量參照Tappi useful method T249；戊聚糖含量參照Tappi T223 cm-01；Klason木質(zhì)素含量參照Tappi T222 om-02；酸溶木素含量參照Tappi T13 wd-74。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維形態(tài)在縱橫向的變化規(guī)律

雜交鵝掌楸在縱向高度方向上，其長寬比從底部到頂部呈現(xiàn)逐步減小的趨勢，如圖1所示。木材底部為多年生纖維，纖維已成熟，在0～7.5 m間其長寬比較為穩(wěn)定，長寬比在74～77之間。頂部為新生纖維，纖維在寬度方向上與成熟纖維尺寸相仿，但在長度上要小的多。越靠近底部，纖維越長，長寬比越大。但即使在最頂部的新生纖維，其長寬比仍大于60，為優(yōu)質(zhì)的造紙用材。雜交鵝掌楸纖維壁腔比在縱向高度方向上的變異規(guī)律與長寬比的變異規(guī)律類似。頂部新生纖維由于細(xì)胞腔較大，細(xì)胞壁尚未長成，其壁腔比相對較低。從頂部到底部，隨著生長年限的增加，纖維壁腔比逐步增大，到達(dá)一定值后相對穩(wěn)定。在底部0～7.5 m之間，其壁腔比穩(wěn)定在0.58～0.60之間。

圖1 雜交鵝掌楸縱向纖維長寬比及壁腔比的變化Fig. 1 Changes of length-width ratio and cell wall-lumen ratio along tree longitudinal direction

圖2 為雜交鵝掌楸長寬比和壁腔比在徑向上隨年輪的變化規(guī)律。最外層的新生纖維（1年生）其長寬比較小，在50左右。隨著生長年限的增加，纖維在長度方向上生長較寬度方向更為明顯，長寬比增加[9]。雜交鵝掌楸生長8～9 a后，其徑向上長寬比趨于穩(wěn)定，長寬比穩(wěn)定在75左右。雜交鵝掌楸在徑向上其壁腔比隨樹齡的變化呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，見圖2。隨著生長年限的增加，細(xì)胞壁厚度逐步增加。在8～9 a的時候其壁腔比也趨向于穩(wěn)定。生長年限超過20 a后，由于木質(zhì)化程度增加，其壁腔比又略有減少，但壁腔比仍大于0.50。

2.2 化學(xué)組成在縱向的變化規(guī)律

圖2 雜交鵝掌楸徑向長寬比和壁腔比隨樹齡的變化Fig. 2 Changes of length-width ratio and cell wall-lumen ratio along tree radial direction with age change

圖3 所示為雜交鵝掌楸灰分及抽提物含量在縱向高度方向上的變化情況?；曳旨俺樘嵛锖烤S著取樣高度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢。這說明在取樣高度較高的頂端，新生纖維中抽提物及灰分含量均較少。隨著生長年限的增加，所形成的樹脂含量增加，無機(jī)物也逐漸累積。在縱向高度9 m到樹干頂端中所含有的抽提物和灰分均維持在較低值，不會引起造紙過程中樹脂障礙和黑液回收的硅干擾。

圖3 雜交鵝掌楸縱向高度方向上灰分及抽提物含量的變化Fig. 3 Changes of ash and extractive contents along tree longitudinal direction

雜交鵝掌楸木質(zhì)素在縱向高度方向上的變異情況如圖4所示。在縱向較高取樣點處的纖維含有較低的Klason木質(zhì)素和總木質(zhì)素。隨著生產(chǎn)年限的增加，纖維開始木質(zhì)化，木質(zhì)素逐漸增加，越靠近底部的纖維中含有較高的木質(zhì)素含量。但即使對26 a生的雜交鵝掌楸，其底部的木質(zhì)素含量也不超過24%，不會明顯增加脫木質(zhì)素的負(fù)荷及化學(xué)品消耗。

圖4 雜交鵝掌楸縱向上木質(zhì)素含量的變化Fig. 4 Changes of lignin content along tree longitudinal direction

圖5 為雜交鵝掌楸綜纖維素及戊聚糖含量在縱向高度方向上的變化情況。與木質(zhì)素的變化情況相反，在頂端的新生纖維中含有較多的綜纖維素。在取樣高度9 m以下，由于生長年限較長，木質(zhì)化程度明顯，綜纖維素含量減少。同樣，在新生纖維中含有較多的戊聚糖，隨著生長年限的增加，戊聚糖含量也呈現(xiàn)減少趨勢。對雜交鵝掌楸而言，即使26 a生材質(zhì)，其底部綜纖維素含量仍接近80%，這對獲得高得率的紙漿是十分有利的。

圖5 雜交鵝掌楸縱向上綜纖維素及戊聚糖含量的變化Fig. 5 Changes of holocellulose and pentosan contents along tree longitudinal direction

2.3 與常用速生闊葉材的比較

我國是一個木材資源短缺的國家，目前用于造紙工業(yè)的木材原料以人工速生闊葉材為主，呈現(xiàn)出“南桉”、“北楊”的局面。本研究選用目前造紙工業(yè)中常用的速生三倍體毛白楊（圓葉、裂葉）和速生桉木“U6、DH201-2”，同時選用常見的針葉材原料馬尾松為參照，用以比較雜交鵝掌楸的纖維形態(tài)及化學(xué)組成特性，初步評價其作為造紙原料的特性。

2.3.1 纖維形態(tài)特征

雜交鵝掌楸與速生楊木、桉木及馬尾松的纖維形態(tài)對比見表1。作為紙漿造紙用材，一般要求原料的平均纖維長度大于0.9 mm，長寬比大于50，壁腔比小于1[10]。長寬比大的纖維有利于紙張強度的提高，壁腔比小的纖維通常有較好的柔軟性。雜交鵝掌楸平均長度為1.45 mm，雖遠(yuǎn)小于馬尾松，但要明顯優(yōu)于2種三倍體毛白楊和2種速生桉木。其平均寬度雖高于2種速生桉木，但小于2種三倍體毛白楊。雜交鵝掌楸的長寬比可達(dá)72.35，遠(yuǎn)高于三倍體毛白楊，也高于2種速生桉木，與馬尾松原料的長寬比類似，這對紙張強度的提高是非常有利的。雜交鵝掌楸也具有較低的壁腔比，與馬尾松原料接近。雖高于2種三倍體毛白楊和2種速生桉木，但不會對其造紙性能產(chǎn)生不利影響。雜交鵝掌楸具有接近于馬尾松的纖維長寬比和壁腔比，完全符合紙張抄造所需的纖維特性要求。

表1 雜交鵝掌楸與常見速生楊、桉木及馬尾松纖維形態(tài)對比Table 1 Comparison of fiber morphology of L. hybrids,poplar, Eucalyptus and Pinus massoniana

2.3.2 化學(xué)組成特性

雜交鵝掌楸與速生楊木、桉木及馬尾松的化學(xué)組成如表2所示。雜交鵝掌楸的苯醇抽提物含量遠(yuǎn)低于馬尾松和2種三倍體毛白楊，僅略高于2種速生桉木，不會給造紙過程帶來額外的樹脂障礙。其灰分含量略高于其他幾種原料，但遠(yuǎn)低于1%，也不會對制漿過程產(chǎn)生不利影響。多年生的雜交鵝掌楸木質(zhì)素含量為22.71%，略高于2種三倍體毛白楊，但遠(yuǎn)小于2種桉木和馬尾松。同時該原料具有高達(dá)82.39%的綜纖維素含量，戊聚糖含量僅為14.02%。雜交鵝掌楸具有非常高的綜纖維素含量，較低的木質(zhì)素和戊聚糖含量，這對減少制漿過程中化學(xué)品消耗，獲得高得率的紙漿是非常有利的。

表2 雜交鵝掌楸與常見速生楊、桉木及馬尾松化學(xué)組成對比Table 2 Comparison of chemical components of L. hybrids,poplar, Eucalyptus and Pinus massoniana

3 結(jié) 論

雜交鵝掌楸的縱橫向纖維形態(tài)呈現(xiàn)一定的差異性。新生的纖維具有較低的長度、長寬比和壁腔比。隨著生長年限的增加，在8～9 a時具有最佳的纖維形態(tài)特性，隨后其纖維形態(tài)變化趨于平穩(wěn)，纖維長寬比維持在72～74左右，壁腔比維持在0.6～0.7之間。同時纖維的化學(xué)組成隨生長年限的增加，灰分和抽提物含量略有增加。隨著生長年限的增加，木材木質(zhì)化繼續(xù)，木質(zhì)素含量增加，綜纖維素含量減少，戊聚糖含量減少。

與制漿造紙常用的速生楊木和桉木相比，雜交鵝掌楸纖維長度更長，長寬比更大，平均壁腔比為0.6，具有與馬尾松類似的長寬比和壁腔比。雜交鵝掌楸抽提物含量為1.69%，略高于速生桉木，但遠(yuǎn)低于三倍體毛白楊；灰分含量為0.66%，不會帶來制漿過程的硅干擾；木質(zhì)素含量為22.71%，綜纖維素高達(dá)82.39%，而戊聚糖含量僅為14.02%，這有利于減輕脫木素化學(xué)品消耗，獲得高得率的紙漿。雜交鵝掌楸具有細(xì)長而柔軟的纖維，具有高的纖維素和綜纖維素含量和較低的木質(zhì)素含量，是非常具有應(yīng)用潛力的造紙和生物質(zhì)利用新材料。

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Changing laws of fber morphology and chemical component of Liriodendron hybrids along tree longitudinal direction

SHI Liu-xin, JIN Rong-rong, LIANG Cong-cong, ZHAI Hua-min
(Jiangsu Provincial Key Lab. of Pulp and Paper Science and Technology, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jianhshu, China)

The variations of fiber morphology and chemical components of Liriodendron hybrids along longitudinal direction were studied, and were compared with the fast-growing broadleaf timber commonly used in pulping and papermaking. The results indicate that the length-width ratio of the fbers increased with the rise of growing years, and the cell wall-lumen ratio increased initially and declined slightly after 8～9 years. The L. hybrid had the optimum fber morphology after 8～9 years; In contrast to other fast-growing wood, such as triploid Populus tomentosa and Eucalyptus, and the extractive content of L. hybrids was lower, its ash content was less than 1%, the holocellulose, lignin and pentosan contents were 82.39%, 22.71% and 14.02% respectively, which were suitable for pulping to get pulp with higher yield; Meanwhile, the L. hybrids were similar to Masson pine in length-width ratio, cell wall-lumen ratio and fber long and flexible, so it is an excellent commercial forest for pulping and bio-refnery.

Liriodendron hybrids; wood property; lignin; fber morphology; chemical component

S792.21

A

1673-923X(2013)08-0006-04

2013-05-15

國家林業(yè)局948項目（2012-4-09）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目（PAPD）

時留新（1968―），男，江蘇蘇州人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事制漿造紙和生物質(zhì)資源利用方面的研究；E-mail:shiliuxin@njfu.edu.cn

翟華敏（1956―），男，江蘇高淳人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事制漿造紙和生物煉制方面的研究；

E-mail:hzhai@njfu.edu.cn

[本文編校：文鳳鳴]