木薯莖稈的解剖特性與纖維形態(tài)研究

袁納新，盧　俊，李重根，張新昌，王　飛(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，廣東廣州510642)

木薯莖稈的解剖特性與纖維形態(tài)研究

袁納新，盧俊，李重根，張新昌，王飛
(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，廣東廣州510642)

摘要:【目的】觀察木薯莖稈的解剖特征，測定其纖維形態(tài)，分析其制漿造紙、纖維板制造的適應(yīng)性.【方法】采用光學(xué)和掃描電子顯微鏡觀察，利用硝酸氯酸鉀法離析纖維細胞，分析纖維形態(tài).【結(jié)果和結(jié)論】木薯莖稈靠近根部的髓心率(體積比)低，靠近梢部的髓心率較高，多年生木薯莖稈的主莖段髓心率遠低于1年生;木薯莖稈為散孔材，主要由導(dǎo)管、木纖維細胞、木射線組成，多數(shù)為徑向復(fù)管孔，導(dǎo)管有互列單紋孔和梯狀紋孔，木射線為單列，纖維細胞有具緣紋孔，木射線和纖維細胞腔內(nèi)均有豐富的淀粉顆粒;多年生木薯莖稈的主莖段纖維細胞壁厚度是其分枝段的1.5倍多，是1年生的2倍多.木薯莖稈的纖維細胞長度為638～661 μm，長寬比為36.22～37.43，壁腔比為0.14～0.32.木薯莖稈的纖維細胞長度和寬度主要分布在500～900和10～25 μm范圍內(nèi)，屬壁薄短纖維型，符合造紙和纖維板制造原材要求.

關(guān)鍵詞:木薯莖稈;解剖特性;纖維形態(tài)

袁納新，盧俊，李重根，等.木薯莖稈的解剖特性與纖維形態(tài)研究［J］.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，36(3) : 109-113.

優(yōu)先出版時間:2015-04-14

優(yōu)先出版網(wǎng)址: http: / /www.cnki.net/kcms/detail/44.1110.s.20150414.0931.008.html

木薯Manihot esculenta為大戟科木薯屬植物，灌木狀，株高2～5 m，具有生物產(chǎn)量高、抗逆性強、耐貧瘠和病蟲害少等優(yōu)點，塊根淀粉含量高，是生產(chǎn)燃料乙醇的理想原料［1-2］，在燃料乙醇能源方面，得到了較好的開發(fā)利用，為拉動農(nóng)業(yè)，保護環(huán)境起到了一定的作用［3-6］.木薯生長在地面上的莖稈產(chǎn)量與生長在地面下的塊根產(chǎn)量基本持平，除少部分用作種源外，大量的木薯莖稈，農(nóng)民只能將其堆放在田頭地角和荒地路邊，任其自然腐爛，既占據(jù)土地、影響交通，又浪費資源、污染環(huán)境［7］.如果能開發(fā)利用木薯莖稈，制造纖維板、木塑復(fù)合材料、重組材和造紙，不僅能變廢為寶，增加農(nóng)民收入，還能節(jié)約大量木材資源.木薯莖稈的生物構(gòu)造、纖維形態(tài)與其產(chǎn)品的制造方法、工藝及木薯莖稈的利用率有密切的關(guān)系.蔣匯川等［8］研究了木薯塊根纖維形態(tài)，楊望等［9］研究了木薯及其莖稈的力學(xué)性能，為科學(xué)收獲和合理利用木薯塊根發(fā)揮了一定的作用.至今鮮見有關(guān)木薯莖稈構(gòu)造及其纖維形態(tài)的研究.為科學(xué)合理地開發(fā)利用木薯秸稈，擴大制漿造紙、人造纖維生產(chǎn)、纖維板制造等原料來源，本文采用光學(xué)和掃描電子顯微鏡研究分析木薯莖稈的解剖結(jié)構(gòu)特征，測定其纖維形態(tài)，為識別木薯莖稈及高效利用木薯莖稈提供依據(jù)及參考數(shù)據(jù).

1　材料與方法

1.1試驗材料、試劑和儀器設(shè)備

木薯莖稈取自于廣州市某地，為1年生和4年生五葉木薯莖稈.主要化學(xué)藥劑為氯酸鉀，質(zhì)量分數(shù)分別為30%的硝酸和1%的番紅苯胺溶液，以及中性樹膠等.主要儀器設(shè)備: XL-30E型掃描電子顯微鏡(SEM)，LEICA DFC295光學(xué)數(shù)碼攝像顯微鏡，Leica SM2000切片機，水浴鍋等.

1.2試驗方法

1.2.1髓心率測定1年生木薯莖稈截成下段(接近根部)和中段2部分，4年生截成主莖及分枝中段2部分，再分別截成長為2 cm的莖段，測其直徑，計算木薯莖稈髓心所占的體積比(髓心率).

1.2.2木薯莖稈的解剖構(gòu)造及纖維形態(tài)分析將木薯莖稈切成約10 mm×10 mm×10 mm小塊，用水蒸煮軟化直至下沉，再蒸煮浸泡2 d，用Leica SM2000切片機切取厚度為15～20 μm的薄片，用番紅苯胺溶液染色，樹膠封片.用硝酸氯酸鉀法(Schultze法)離析纖維細胞.用LEICA DFC295光學(xué)數(shù)碼攝像顯微鏡及其圖像分析軟件觀察、分析和拍攝薄片及纖維細胞.從切片上隨機選取100根完整的纖維細胞，測量雙壁厚、弦向直徑，并計算壁腔比.從離析的纖維細胞中，隨機選取50根完整纖維測量其長度、寬度，并計算長寬比.

用單面刀片從橫向、徑向和弦向?qū)⒛臼砬o稈分別切成長、寬均約3 mm，厚約1～2 mm試件，并噴金鍍膜，在XL-30E掃描電子顯微鏡下觀察并拍照.

2　結(jié)果與分析

2.1木薯莖稈的髓心率

1年生木薯莖稈高可達1 m以上，4年生木薯莖稈分為主莖段和分枝段，莖高可達2 m以上.由圖1可見:木薯莖稈由木質(zhì)部、髓心及少量的外皮組成，濕木薯莖稈的外皮容易剝離; 4年生木薯莖稈的主莖段較粗，直徑達59 mm，木質(zhì)部較厚，髓心較小，髓心率僅為0.9%，而分枝段直徑較細，髓心較大，髓心率為10%; 1年生木薯莖稈中段直徑23.7 mm，髓心率為22.9%，下段直徑28.0 mm，髓心率為14.1%，木薯莖稈從下段至中段、上段的髓心率越來越大，有的可達21.4%～41.3%，髓心率越高，出材率越低.因此，用木薯莖稈生產(chǎn)纖維板、刨花板、木塑復(fù)合材料和重組材應(yīng)除髓，否則，既增加膠黏劑用量，又影響產(chǎn)品的膠合強度和耐久性［10］.

圖1　木薯莖稈橫切面Fig.1　 The transections of cassava stems

2.2木薯莖稈的解剖結(jié)構(gòu)特性

利用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對木薯莖稈顯微結(jié)構(gòu)進行研究，結(jié)果如圖1所示.

在橫切面觀察木薯莖稈為散孔材，有單管孔、復(fù)管孔和管孔鏈(圖2a、2b、2c和圖3a)，其中多數(shù)為徑向排列的復(fù)管孔，內(nèi)含少量侵填體(圖2a和圖3b、3c).導(dǎo)管有互列單紋孔和梯狀紋孔2類(圖3d、3e).在橫切面和弦切面有發(fā)達的單列木射線薄壁細胞(圖3b、3c、3f)，在弦切面沿木纖維方向成縱向單列排列，細胞端部為單紋孔(圖3g)，有些木射線薄壁細胞腔內(nèi)淀粉顆粒很少(圖3g)，有些木射線薄壁細胞腔內(nèi)有豐富的淀粉顆粒(圖3h).纖維細胞腔內(nèi)有些地方充滿大小不同的淀粉粒(圖3i)，而有些地方淀粉粒卻較少(圖3j).正因為木薯莖稈細胞腔內(nèi)含有較豐富的淀粉，因而在收集和貯存過程中，易霉變和蟲蛀，在制漿造紙中，會產(chǎn)生較高的熱水抽提物，造成較高濃度的廢水污染物.纖維細胞壁呈現(xiàn)層狀微纖絲45°～50°方向螺旋排列(圖3g)，且有具緣紋孔(圖3e).髓心蜂窩狀(圖3k)，手感似海棉，輕薄，有微孔(圖3l).木薯莖稈由導(dǎo)管、木纖維、木射線等細胞組成，細胞腔內(nèi)有豐富的淀粉顆粒，木射線細胞發(fā)達，為散孔材，多數(shù)為徑向復(fù)管孔.宏觀上觀察，多年生木薯莖稈木質(zhì)化較好，但采用7～30倍的放大鏡未能觀察到年輪(圖1).

圖2　木薯莖稈的光學(xué)顯微照片(×100)Fig.2　 Optical micrographs of cassava stems(×100)

圖3　木薯莖稈的掃描電子顯微照片F(xiàn)ig.3　 SEM micrographs of cassava stems

2.3木薯莖稈的纖維形態(tài)

纖維形態(tài)是指纖維細胞的長度、寬度、細胞壁厚、細胞腔的大小以及長寬比、壁腔比等.纖維形態(tài)對纖維板產(chǎn)品性能具有重要的影響.長寬比越大，纖維之間的交織性能越好，壁腔比越小，纖維之間的交織性能也越好，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品力學(xué)性能也就越好.

木纖維是兩端尖削，呈長紡錘形的細胞(圖4).由表1和表2可知，1年生和4年生木薯莖稈纖維細胞的長度、寬度相差不大，但壁厚相差較大，其中主莖段是其分枝段的1.5倍多，分枝段為1年生的1倍多.可見，生長期對木薯莖稈纖維細胞的長度、寬度及其長寬比、腔徑尺寸影響不明顯，但對纖維細胞的壁厚及其壁腔比影響較明顯.細胞壁及其壁腔比越大，莖稈材料的密度和強度越高［11］.

圖4　木薯莖稈的纖維細胞Fig.4　 Fiber cells of cassava stems

按國際木材解剖協(xié)會對纖維長度分等的規(guī)定: 500 μm以下為極短，500～700 μm為短，700～900 μm為稍短，900～1 600 μm屬中等纖維［11-12］，木薯莖稈的纖維長度為638～661 μm，屬于短纖維.按造紙原料要求，植物原料的纖維長寬比應(yīng)大于33，壁腔比應(yīng)小于1，木薯莖稈的纖維長寬比為36.22～37.43，壁腔比為0.14～0.32，符合纖維板制造和造紙原材的要求.

由圖5可知，1年生和4年生木薯莖稈的纖維細胞長度和寬度分布頻率近似正態(tài)分布，長度主要分布在500～900 μm，寬度主要分布在10～25 μm，4年生的長度和寬度分布比率分別為90%和98%，略高于1年生的分布比率(88%和89%)，長寬分布均較集中.

表1　木薯莖稈的纖維細胞長和寬Tab.1 Fiber cells length and width of cassava stems

表2　木薯莖稈的纖維細胞壁腔Tab.2 Fiber cells wall-thickness and lumen-diameter of cassava stems

圖5　木薯莖稈的纖維細胞長度和寬度分布Fig.5　 Frequency distribution of fiber cells length and width of cassava stems

再將木薯莖稈與木薯粗根［8］、沙柳莖木質(zhì)部［13］、常用的農(nóng)作物莖稈［14－15］、速生木材［16－17］的纖維形態(tài)進行比較分析.由表3可知，木薯莖稈纖維細胞長度比木薯粗根、蓖麻莖稈木質(zhì)部、棉莖稈木質(zhì)部、煙莖稈木質(zhì)部、豆莖稈木質(zhì)部、6年生檸檬桉、5年生尾巨桉、5年生楊木的纖維細胞均短，但比沙柳莖木質(zhì)部纖維細胞(520 μm)長; 1年生木薯莖稈和4年生木薯莖稈分枝的纖維細胞壁厚度小，接近木纖維壁厚的下限值(1 μm)［11］，4年生木薯莖稈的主莖纖維細胞壁厚度達2.37 μm，高于沙柳莖木質(zhì)部(2.20 μm)和蓖麻莖稈木質(zhì)部(1.67 μm)，與5年生尾巨桉木質(zhì)部(2.67 μm)相當.從纖維長寬比看，木薯莖稈略高于木薯粗根(31.34)和沙柳莖木質(zhì)部(35.00)，低于煙莖稈木質(zhì)部(40.10)、豆莖稈木質(zhì)部(40.18)、5年生楊木木質(zhì)部(41.00)，屬于粗短型纖維細胞;從壁腔比看，木薯莖稈與木薯粗根(0.37)、蓖麻莖稈木質(zhì)部(0.16)、煙莖稈木質(zhì)部(0.32)、5年生尾巨桉木質(zhì)部(0.29)、5年生楊木木質(zhì)部(0.25)相當，屬于壁薄型纖維細胞.

表3　木薯莖稈與木薯粗根、農(nóng)作物莖稈、速生材的纖維形態(tài)比較Tab.3 Fiber morphology comparisons of cassava stems and cassava roots，crop stalks and fast growing wood

3　討論與結(jié)論

木薯莖稈由木質(zhì)部、髓心及外皮組成.濕木薯莖稈的外皮容易剝離.多年生木薯莖稈分為主莖段和分枝段.木薯莖稈由下段至中段、上段的髓心越來越大，髓心率較低部位僅約1%，較高的部位可達41.3%.多年生木薯莖稈木質(zhì)化理想，髓心率遠低于1年生木薯莖稈.與蔗渣生產(chǎn)刨花板、纖維板一樣，采用木薯莖稈制造纖維板、木塑復(fù)合材料及造紙應(yīng)增加除髓工序［10］.

木薯莖稈為散孔材，多數(shù)為徑向復(fù)管孔.細胞結(jié)構(gòu)簡單，主要由導(dǎo)管、木纖維細胞、木射線構(gòu)成.導(dǎo)管細胞具互列單紋孔和梯狀紋孔2類.木射線薄壁細胞較多，會給纖維板生產(chǎn)和制漿造紙產(chǎn)生較嚴重的粉塵和水污染.纖維細胞壁薄，胞腔大，有具緣紋孔.類似于香根草［18］，木纖維和木射線細胞內(nèi)有豐富的淀粉，致使水抽提物較高.

木薯莖稈的木纖維是兩端尖削，呈長紡錘形細胞.4年生木薯莖稈的主莖段纖維細胞壁較厚，是其分枝段的1.5倍多，而分枝段又為1年生的1倍多.木薯莖稈的纖維長度為638～661 μm，長寬比為36.22～37.43，壁腔比為0.14～0.32，長度和寬度分布頻率近似正態(tài)分布，長度主要分布在500～900 μm，寬度主要分布在10～25 μm，長寬分布集中，頻率近90%或以上，屬壁薄短纖維型，符合造紙和纖維板制造原材要求.

參考文獻:

［1］王惠君，王文泉.木薯應(yīng)用及發(fā)展對策的思考［J］.西南農(nóng)業(yè)學(xué)報，2006，19(S1) : 380-383.

［2］ADENIYI O D，KOVO A S，ABDULKAREEM A S，et al.Ethanol fuel production from cassava as a substitute for gasoline［J］.J Dispers Sci Technol，2007，28(4) : 501-504.

［3］李國梁，平鈞.燃料乙醇工廠的能源高效利用:以年產(chǎn)15萬t木薯燃料乙醇項目的熱電站選型為例［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2009，35(8) : 81-83.

［4］董丹丹，趙黛青，廖翠萍，等.木薯燃料乙醇生產(chǎn)的技術(shù)提升及全生命周期能耗分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24(7) : 160-164.

［5］羅菊香，林香權(quán)，蘇志忠，等.木薯莖稈作為型煤黏結(jié)劑的研究［J］.潔凈煤技術(shù)，2012，18(1) : 45-48.

［6］方佳，濮文輝，張慧堅.國內(nèi)外木薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展近況［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，2010，26(16) : 353-361.

［7］陳漢東.木薯秸稈綜合利用技術(shù)應(yīng)用淺析［J］.廣西農(nóng)業(yè)機械化，2011(5) : 26-28.

［8］蔣匯川，韋鵬練，李寧，等.木薯粗根纖維形態(tài)、組織比量及化學(xué)成分分析［J］.廣西林業(yè)科學(xué)，2009，38 (4) : 218-222.

［9］楊望，楊堅，鄭曉婷，等.木薯力學(xué)特性測試［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(S2) : 50-54.

［10］袁納新，李重根.蔗渣刨花板的物理力學(xué)性能分析［J］.林業(yè)科技通訊，1999 (8) : 33-34.

［11］劉一星，趙廣杰.木質(zhì)資源材料學(xué)［M］.北京:中國林業(yè)出版社，2004: 79-80.

［12］COMMITTEE I.IAWA list of microscopic features for hardwood identification［J］.IAWA Bulletinns，1989，10 (3) : 269-332.

［13］許鳳.JONES-GWYNN L L，孫潤倉.速生灌木沙柳的纖維形態(tài)及解剖結(jié)構(gòu)研究［J］.林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2006，26(1) : 91-94.

［14］潘明珠，周定國.蓖麻稈化學(xué)組成及纖維形態(tài)研究［J］.纖維素科學(xué)與技術(shù)，2007，15(4) : 39-42.

［15］宋孝周，郭康權(quán)，馮德君，等.農(nóng)作物秸稈特性及其重組材性能［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(7) : 180-184.

［16］張堅.三種桉木的纖維形態(tài)和化學(xué)成份［J］.中國造紙，1992，11(4) : 66-67.

［17］陳希，王志杰，王建.常見四種闊葉材纖維形態(tài)和化學(xué)成分的研究［J］.湖南造紙，2009(1) : 5-6.

［18］王欣，吳燕.香根草的植物學(xué)特性及制板的可行性研究［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，31 (1) : 214-217.

【責(zé)任編輯李曉卉】

Anatomical characteristics and fiber morphology of cassava stems

YUAN Naxin，LU Jun，LI Chonggen，ZHANG Xinchang，WANG Fei
(College of Forestry，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China)

Abstract:【Objective】The aim of this research was to study anatomical features and the adaptations of fiber cells of the cassava stem for pulp-making of paper and fiberboard.【Method】Anatomical structure and fiber morphology of the cassava stems were studied using optical microscopy and scanning electron microscope.【Result and conclusion】The pith dimension of a cassava stem near the root was smaller than its upper part.Perennial cassava stems with branches were well lignified，and the volume ratio of pith was far below that of annual ones.Cassava stems were composed of diffuse porous wood.Their cells consisted of duct，wood fiber cells and xylem ray，and most of them were radial multiple pores.There were alternate pitting and scalariform pitting in the duct.The wood had uniseriate wood ray，a few fiber cells with bordered pit，and abundant starch granule in wood ray and fiber cells.The perennial stem fiber cell wall was 1.5 times thicker than that of the branches，and was over 2 times thicker than that of annual ones.Fiber cell length was 638－661 μm，and length-width ratio was 36.22－37.43.The ratio of wall-thickness to lumen-diameter of fiber cells was 0.14－0.32，mostly in 500－900 and 10－25 μm，thus belonging to the thin cell wall and short fiber type and meeting the requirements of paper and fiberboard industry for raw material.

Key words:cassava stem; anatomical characteristic; fiber morphology

基金項目:廣東省科技計劃項目(2013B020305002) ;廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新專項資金項目(2013KJCX010-01)

作者簡介:袁納新(1961—)，女，副教授，博士，E-mail: nxyuan@ scau.edu.cn

收稿日期:2014-04-02

文章編號:1001-411X(2015) 03-0109-05

文獻標志碼:A

中圖分類號:S781