熱處理過程中桉木水溶性抽提物遷移對材色的影響1)

馬姍姍 陳瑤 高建民

(木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點實驗室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083)

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熱處理過程中桉木水溶性抽提物遷移對材色的影響1)

馬姍姍 陳瑤 高建民

(木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點實驗室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083)

為探討桉木水溶性抽提物組分在熱處理過程中遷移對材色的影響，對桉木弦切板試件進(jìn)行熱水抽提去除水溶性抽提物；然后在不同的溫度和時間條件下，對去除水溶性抽提物的桉木試件進(jìn)行抽提物遷移實驗，分析不同時間和溫度下抽提物在木材徑向的遷移距離及遷移量，以及水溶性抽提物遷移對木材顏色的影響。研究表明：溫度越高，抽提物遷移的速度越快；抽提物的遷移距離隨時間延長而增加，在100 ℃，加熱4 h時達(dá)到最大值51 mm。抽提物分子極性不同，與木材其它組分的吸附性能各異，在80 ℃下抽提物在木材中隨水分的遷移比較均勻。抽提物在木材內(nèi)的吸附隨時間的延長趨于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著水溶性抽提物的遷移，木材的顏色加深，促進(jìn)了木材紋理間顏色趨于均勻。

桉木；熱處理；水溶性抽提物；遷移；木材顏色

The experiment was conducted to study the effect of moving of water-soluble extractives in Eucalyptus on wood color during heat treatment by using the tangential timber ofEucalyptus. The water-soluble extractives moving experiment was conducted under different temperature and duration, the speed and amount of water-soluble extractives moving along with radical orientation at different temperatures and duration was evaluated, and the effect of extractives moving on wood color changes was also analyzed. The speed of extractives moving was increased with temperature increasing, the amount of extractives moving was increased with treated duration, and the moving distance reached 51 mm when heated for 4 h at 100 ℃. The moving and adsorption of the water-soluble extractives was stable when heat treated at 80 ℃, due to the different molecular polarity and adsorption performance. The adsorption of the extractives tended to be stable with the increasing of treatment time. Wood color was darkened and uniformed with the moving of extractives.

木材顏色是木材表面性質(zhì)、木材品質(zhì)和利用價值評定的重要指標(biāo)，是木材產(chǎn)品加工增值的重要影響因子，是決定消費者選擇的重要因素[1]。木材在生長過程中因早、晚材和心、邊材而顏色不均，一定程度上限制了木材的利用范圍。通過熱處理提高木材顏色均一性是現(xiàn)代企業(yè)提高木材經(jīng)濟(jì)價值最易實現(xiàn)、最有效的方法之一，已受到木材加工利用領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

木材變色是復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，主要表現(xiàn)為木材中基本發(fā)色基團(tuán)和助色基團(tuán)的增減和改變[2]，一方面是木材本身具有顯色作用的木質(zhì)素或抽提物發(fā)生變化[3]，另一方面是產(chǎn)生的降解產(chǎn)物含有發(fā)色基團(tuán)或助色基團(tuán)，如醛類物質(zhì)[4]。苗平等[5]發(fā)現(xiàn)泡桐中的酚類物質(zhì)、環(huán)烯醚萜甙類、有機(jī)酸等是導(dǎo)致其熱處理過程變色的內(nèi)因。高建民等[6]通過對三角楓(Acerbuergerianum)木材抽提物的定性分析得出，三角楓在熱處理過程中的變色主要是由于三角楓中的多元酚物質(zhì)以及無色花色素和丹寧在一定的溫度和濕度條件下的氧化反應(yīng)所致。徐永吉[7]等研究認(rèn)為，熱誘導(dǎo)變色常發(fā)生于木材熱處理過程中，木材中的酚類物質(zhì)在加熱過程中被空氣中的氧氣氧化變成有色物質(zhì)。劉元[8]等研究認(rèn)為，無論木材爐干或熱處理，處理后的木材都會因熱作用改變其酚類物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)而使顏色加深。Sun Quist等[9]發(fā)現(xiàn)：木材的熱水抽出物降解產(chǎn)物和丙酮抽出物的降解產(chǎn)物會使木材變色。

桉樹是桃金娘科(Mgrtaceae)桉屬(Eucalyptus)植物的統(tǒng)稱[10]，因其速生豐產(chǎn)而被世界各國廣泛引種。目前，桉樹已成為中國南方人工造林的主要樹種之一，當(dāng)前桉樹的產(chǎn)量雖然巨大，但是由于在實木加工過程中存在干燥缺陷，且邊材色較淺[11]，其心材部分的色品指數(shù)和色飽和度高于邊材，使干燥過程中心邊材顏色差異較大，影響木材的利用率。木材顏色受極性抽提物的影響較大，大多數(shù)極性抽提物可以溶解在水中，在干燥過程中隨水分遷移。但因為抽提物分子的極性不同，且受木材細(xì)胞結(jié)構(gòu)特性的影響，所以并非所有抽提物都能隨水分遷移。通常小分子的極性抽提物在干燥過程中可以隨水分較快地遷移，而非極性或者分子量較大的組分容易沉積在木材細(xì)胞中[12]。若能在干燥過程中通過調(diào)控工藝條件和抽提物遷移、再分布的過程，實現(xiàn)對木材顏色均勻化調(diào)整，將對提高桉木的材色及品質(zhì)有重要的意義。

為了探討桉木水溶性抽提物組分在熱處理過程中的遷移及其對木材顏色的影響，筆者對桉木弦切板試件進(jìn)行熱水抽提去除水溶性抽提物；在不同的溫度和時間條件下，對去除水溶性抽提物的桉木試件進(jìn)行抽提物遷移實驗，分析不同時間和溫度下抽提物在木材徑向的遷移距離及遷移量，并分析水溶性抽提物遷移對木材顏色的影響。研究成果將應(yīng)用于對桉木干燥工藝的指導(dǎo)，提高桉木的顏色品質(zhì)和顏色均勻度，以及桉木利用的經(jīng)濟(jì)價值。

1 材料與方法

使用新鮮桉木作為實驗材料，原產(chǎn)地廣西。主要的實驗設(shè)備有水浴鍋，RE-5299旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，SHD-III型循環(huán)水式多用真空泵，101-1AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱。Unic4820紫外光譜(UV-VIS)儀，掃描范圍195～300 nm，步長1 nm。DF110型光譜光度儀，采用D65光源。

無水溶性抽提物試件的制備：取桉木心材制成50 mm(長)×2 mm(寬)×100 mm(厚)的木片，將制備好的試件放置在1 000 mL的燒杯中用蒸餾水浸沒，放置在水浴鍋中50 ℃恒溫加熱，每隔4 h換蒸餾水直至燒杯內(nèi)的蒸餾水無色。抽提完成后取出試樣用蒸餾水沖洗干凈，烘干，調(diào)節(jié)平衡含水率達(dá)10%～12%，置于密封袋中，放置在干燥器里待用。

桉木心材水溶性抽提物的制備：另取桉木心材磨成80目木粉，密封放置在干燥器中待用。取80目的木粉100 g，放置在1 000 mL的圓底燒瓶中，加入蒸餾水，在50 ℃的恒溫水浴鍋中進(jìn)行抽提，每隔2 h換蒸餾水直至蒸餾水無色，用真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器在50 ℃條件下將獲得的抽提物溶液濃縮。濃縮后的抽提物在帶塞錐形瓶中，16 ℃下避光保存。用紫外分光光度儀測定其紫外光的吸光度，確定吸光度與抽提物質(zhì)量濃度之間的函數(shù)關(guān)系。

抽提物遷移(滲透)試驗：熱處理溫度分別為70、80、90、100 ℃，最高溫度下保溫時間(熱處理時間)分別為0.5、1.0、2.0、4.0 h，進(jìn)行了16組工藝試驗。熱處理條件下抽提物在試件中隨水分遷移實驗裝置如圖1所示。

圖1 抽提物遷移實驗裝置

水溶性抽提物遷移距離及遷移量：根據(jù)木片上抽提物遷移的痕跡，測量抽提物遷移距離。切削1 mm長度的木片，加入10 mL去離子水以溶解出其中所含的抽提物，使用紫外可見分光光度計測出該溶液的吸光度。根據(jù)抽提物質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線計算抽提物的遷移量。

木材顏色的測定：采用國際發(fā)光照明委員會(CIE1976)L*a*b*標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)對水溶性抽提物遷移后的木材進(jìn)行色度指數(shù)分析。主要視覺物理參數(shù)L*、a*、b*分別代表明度、紅綠色品和黃藍(lán)色品指數(shù)。L*為明度，從0～100表示從黑到白；a*為紅綠色品指數(shù)，正值越大則顏色越偏紅，負(fù)值越大則顏色越偏綠；b*為黃藍(lán)色品指數(shù)，正值越大則顏色越偏黃，負(fù)值越大則顏色越偏藍(lán)。

采用Konica Minolta CM-2500c型分光光度計，D65光源對抽提后及抽提物遷移后的試件進(jìn)行色度指數(shù)測定。沿抽提物遷移的方向上均勻取5個點，測量3次計算平均值，主要記錄明度L*、色品指數(shù)a*和b*。在去抽提物處理及80 ℃抽提物遷移處理后試材原來標(biāo)記的位置測顏色參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 抽提物遷移量與吸光度的關(guān)系

由圖2可見吸光度與抽提物質(zhì)量濃度基本呈正比關(guān)系。經(jīng)計算得出吸光度與抽提物質(zhì)量濃度的函數(shù)關(guān)系式：

C=7.25×A×10-5。

(1)

式中：C為溶液質(zhì)量濃度(g/mL)；A為吸光度。

抽提物遷移量與抽提物質(zhì)量濃度的函數(shù)關(guān)系式：

M=C×V。

(2)

式中：M為抽提物遷移量(mm)；C為溶液質(zhì)量濃度(g/mL)；V為抽提物溶液體積(mL)。

2.2 溫度和時間對抽提物遷移的影響

木材是多孔性天然材料，水溶性抽提物可在木材熱處理過程中隨水分的移動而遷移。在不同溫度和不同加熱時間下抽提物遷移距離隨時間及溫度的變化情況如表1所示?？梢钥闯鐾粶囟认码S著加熱時間的增加，抽提物在試件中的遷移距離增加；同一時間下，抽提物遷移距離隨著加熱溫度的升高而增加，在100 ℃下，加熱4.0 h時滲透距離達(dá)到最大值51 mm。由于抽提物的極性不同，與木材組分的吸附性能各異，因此，隨著抽提物的遷移，與木材組分吸附能力強(qiáng)的部分逐漸停止遷移，與木材組分吸附能力相對較弱的則繼續(xù)向前遷移，形成抽提物成分分布不同的遷移帶。

圖2 抽提物質(zhì)量濃度與吸光度的關(guān)系

2.2.1 溫度對抽提物遷移量及遷移距離的影響

在相同的熱處理時間下，不同熱處理溫度所得

到的抽提物遷移量變化如圖3所示?？梢钥闯?，在相同時間內(nèi)，隨著溫度的增加，桉木抽提物的遷移量也在增加，升高溫度能促進(jìn)抽提物在木材中的遷移。流體在木材中的滲透主要通過毛細(xì)管紋孔系統(tǒng)和微毛細(xì)管系統(tǒng)，木材中的有效紋孔膜微孔大小和數(shù)量是影響木材滲透性最主要的結(jié)構(gòu)因子。水溶性抽提物在木材中的遷移與抽提物種類、極性、分子大小及構(gòu)造等因素有關(guān)。遷移是一個物理的過程，抽提物不與木材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，吸附力強(qiáng)的基團(tuán)停留在試件的底部，吸附力弱的就隨著水分向上移動。高溫能加速分子的運動，使抽提物遷移速度加快，遷移量增加。在80 ℃下加熱，抽提物遷移量曲線較平緩，說明這個溫度下抽提物在木材中隨水分的遷移比較均勻。

表1 不同時間和溫度下抽提物的遷移距離

圖3 相同時間不同溫度下抽提物遷移量

2.2.2 時間對抽提物遷移量及遷移距離的影響

在相同熱處理溫度下，不同加熱時間對木材抽提物遷移量的影響如圖4所示?？梢钥闯觯嗤瑴囟认鲁樘嵛镞w移量隨著加熱時間的增加而增加，但是并沒有呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系。這可能是由于抽提物中所含物質(zhì)的吸附性不同，導(dǎo)致單位時間內(nèi)抽提物遷移量不同。加熱0.5和1.0 h抽提物遷移量差別較大，2.0和4.0 h差別較小，這可能與抽提物溶液的質(zhì)量濃度有關(guān)。2.0 h以后，抽提物溶液質(zhì)量濃度降低，使木材的吸附減弱，遷移量的增長量減小。對比加熱0.5和4.0 h，可以發(fā)現(xiàn)隨著加熱時間的增加，抽提物遷移量的曲線斜率減小，說明隨著時間的增加抽提物在木材內(nèi)的遷移趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 水溶性抽提物遷移對木材材色的影響

極性溶劑，可以抽提出木粉中極性較強(qiáng)的多元酚類化合物。這些化合物由于含有不飽和結(jié)構(gòu)，在受熱的過程中易發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化，即而產(chǎn)生變色現(xiàn)象。研究表明經(jīng)熱水抽提的木粉色差變化最大，說明極性溶劑抽提可以除去大量有色物質(zhì)[13]。對去抽提物處理后的木片進(jìn)行抽提物遷移實驗，可以看出在80 ℃加熱4.0 h時水溶性抽提物在木材內(nèi)遷移最穩(wěn)定(圖3、圖4)。對比顏色的變化，分析抽提物遷移對木材顏色的影響(表2)。數(shù)據(jù)表明，抽提物去除處理以后每個位置測量得到的L*值降低，a*值增加，b*值降低，ΔL*的變化范圍在-4.38～-3.98，Δa*的變化范圍在3.22～3.27，Δb*的變化范圍在-1.26～-1.04，變化幅度都甚小。80 ℃處理后木材的L*值繼續(xù)降低，ΔL*隨遷移距離增加從-8.28逐漸變?yōu)?2.17；a*值增加，Δa*隨著遷移距離的增加從9.65逐漸變?yōu)?3.10；Δb*均為正值，從2.55逐漸變?yōu)?0.32。抽提物遷移處理后色度值變化與抽提物的遷移量成正比，木材顏色變化與水溶性抽提物遷移量相一致，說明熱處理過程中抽提物的遷移對木材顏色有重要作用。隨著水溶性抽提物的遷移，木材的顏色加深，促進(jìn)了木材紋理間顏色趨于均勻。

圖4 相同溫度不同時間下抽提物遷移量

位置抽提前色度值L*a*b*抽提后色度值L*a*b*抽提前后色差ΔL*Δa*Δb*遷移后色度值L*a*b*遷移后與抽提后色差ΔL*Δa*Δb*172.844.7117.6568.577.9816.39-4.273.27-1.2660.2917.6318.94-8.289.652.55273.174.7817.8569.198.0216.71-3.983.24-1.1462.2415.4718.77-6.957.452.06373.795.2117.4169.428.4316.37-4.373.22-1.0463.5413.4417.56-5.885.011.19472.855.1117.4968.478.3416.24-4.383.23-1.2565.1211.8516.94-3.353.510.70572.514.6417.4468.487.8816.35-4.033.24-1.0966.3110.9816.67-2.173.100.32

3 結(jié)論

抽提物的遷移距離與溫度、時間呈線性關(guān)系；抽提物分子極性及吸附性能不同，在80 ℃下抽提物在木材中隨水分的遷移比較均勻。加熱溫度相同，隨著加熱時間的增加，抽提物在木材內(nèi)的遷移趨于穩(wěn)定。熱處理過程中水溶性抽提物的遷移對木材顏色有重要作用。

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Effect of Moving of Water-soluble Extractives inEucalyptuson Wood Color during Heat Treatment//

Ma Shanshan, Chen Yao, Gao Jianmin

(Key Laboratory of Wood Materials Science and Application, Ministry of Education, Beijing Forestry University, Beijing 100083, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(10)：84-87.

Eucalyptus； Heat treatment； Water-soluble extractives； Moving； Wood color

1)國家自然科學(xué)基金(3140030098)。

馬姍姍，女，1993年2月生，木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點實驗室(北京林業(yè)大學(xué))，碩士研究生。E-mail：380035215@qq.com。

高建民，木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點實驗室(北京林業(yè)大學(xué))，教授。E-mail：gaojm@bjfu.edu.cn。

2016年2月2日。

S781

責(zé)任編輯：戴芳天。