以數(shù)量為基準的橡膠粒子粒徑多樣性及年度變化研究

王越 桂涌 胡彥師 周世俊 曾霞

關鍵詞：橡膠粒子；粒徑；年變化

巴西橡膠樹（HeveabrasiliensisMuell.Arg.）因其具有豐富乳汁、產(chǎn)量高、質(zhì)量好、產(chǎn)膠期長、采割簡易、加工輕便等特點，其產(chǎn)量已占天然橡膠總產(chǎn)量的99%以上[1-2]。膠乳屬于農(nóng)產(chǎn)品，其組成是復雜的橡膠-水基分散體系，除含橡膠烴和水外，還含有少量的多種非橡膠物質(zhì)，一部分溶于水成為乳清，一部分吸附在橡膠粒子上，形成保護層，其余部分則構成懸浮于膠乳的非橡膠粒子，其中橡膠粒子約占膠乳體積的20%～50%[3-4]。橡膠粒子除對膠乳的穩(wěn)定性、成膜特性有重要影響外[5-6]，與橡膠生物合成也有重要關聯(lián)。通過電鏡觀測，橡膠粒子大小不是均一的，直徑在0.02～2.00μm之間[7]，YEANG等[8]發(fā)現(xiàn)橡膠粒子存在雙峰分布。LUCKSANAPORN等[9]進一步研究認為，通過體積基準，可使用250nm為標準劃分為小橡膠粒子（SRP）和大橡膠粒子（LRP），膠乳中70%以上的橡膠粒子為LRP，大約為SRP的2.5倍。JITLADDA等[10]研究表明SRP與LRP間的分子鏈存在差異，SRP由單峰分子量分布的橡膠分子組成，其峰值位于LRP的雙峰之間。多位學者研究發(fā)現(xiàn)橡膠粒子大小與其加工性能密切相關。HESSLS曾將不同橡膠粒子大小的膠乳制成生膠，測定黏度、德弗彈性、凝膠含量和永久變形，發(fā)現(xiàn)前3個測試項目的數(shù)值隨橡膠粒子粒徑的增加而增高，永久變形則隨橡膠粒子粒徑的增加而減小[3]。MANUS等[11-12]研究發(fā)現(xiàn)，在含有30%SRP膠乳的硫化膠中，其機械性能、粘彈性等物理性能最佳。何思敏等[13]研究表明大小橡膠粒子的質(zhì)量比為7∶3時，溫升和壓縮永久變形最低、疲勞壽命最長。以往對不同種質(zhì)材料間橡膠粒子粒徑的研究鮮見報道，尚無周年年度變化的研究。本課題組前期測定發(fā)現(xiàn)，粒徑大小和分布在不同種質(zhì)材料間存在差異，本研究通過對保存于國家橡膠樹種質(zhì)資源鑒定評價基地的486份橡膠樹種質(zhì)的橡膠粒子粒徑及其年度變化進行研究，以期為深入開展橡膠樹種質(zhì)粒子粒徑鑒定，進而為優(yōu)異種質(zhì)挖掘、優(yōu)良品種選育和天然橡膠加工提供參考和依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

選取中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院試驗場三隊國家橡膠種質(zhì)資源圃鑒定評價基地2007年定植的種質(zhì)，參試種質(zhì)486份，包含巴西橡膠樹野生種質(zhì)270份，巴西橡膠樹栽培種質(zhì)216份。每份種質(zhì)種植5株，株行距3.0m×6.0m。種質(zhì)種植集中，連片，具有較好的氣候、土壤的均一性，栽培條件、采割條件基本一致。

1.2方法

1.2.1采樣在2020—2021年割膠期間，每月下旬進行采樣。每份種質(zhì)采集3～5株的膠乳混合后取樣，冰浴帶回實驗室，每份種質(zhì)抽取10～15μL膠乳加入裝有100mmol/LTris-HCl緩沖液的離心管中。

1.2.2橡膠粒子粒徑測定從離心管中抽取100～150μL混有緩沖液的膠乳，使用日本堀場公司的激光散射粒度分布分析儀（型號：HORIBA/LA-960S），采用數(shù)量基準進行測定，記錄每份種質(zhì)的平均徑（Da）、中徑（Di），計算Di/Da的比值，統(tǒng)計粒徑≤0.197μm和粒徑≤0.259μm的橡膠粒子頻度。

1.3數(shù)據(jù)處理

使用Excel2016和SPSSV.20.0.0軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析。

2結果與分析

2.1不同種質(zhì)Da和Di分析

通過對486份橡膠樹種質(zhì)橡膠粒子Da進行測定，結果表明，不同種質(zhì)間Da達極顯著差異（P<0.01），變幅范圍為0.313～0.439μm，平均值為0.373μm，其中Da最大的種質(zhì)為桂輻矮1號，最小的種質(zhì)為XJ007522；年度變異系數(shù)為0.008～0.206，平均值為0.070，其中變異系數(shù)最大的為XJ000636，最小的為KRS13。Da分布呈正態(tài)分布，在0.37～0.38μm范圍內(nèi)最多，其次為0.36～0.37μm，Da在0.36～0.38μm范圍內(nèi)的占總數(shù)的39.7%（圖1）。野生種和栽培種間差異不顯著。生產(chǎn)中主栽品種的Da基本在平均值以下，其中RRIM600的Da為0.347μm，變異系數(shù)為0.05；PR107的Da為0.338μm，變異系數(shù)為0.10；GT1的Da為0.336μm，變異系數(shù)為0.05；93-114的Da為0.357μm，變異系數(shù)為0.05；熱研7-33-97的Da為0.348μm，變異系數(shù)為0.02；云研77-2的Da為0.339μm，變異系數(shù)為0.02；云研77-4的Da稍高于平均值，為0.381μm，變異系數(shù)為0.10。

486份橡膠樹種質(zhì)間的橡膠粒子Di也達極顯著差異（P<0.01），變幅范圍為0.209～0.366μm，平均值為0.253μm，其中Di最大的種質(zhì)為紅星72-5，最小的為XJ001320；年度變異系數(shù)范圍為0.009～0.235，平均值為0.090，其中變異系數(shù)最大的種質(zhì)為文昌217，最小的為XJ003627。粒子Di分布呈偏正態(tài)分布，在0.24～0.25μm范圍內(nèi)最多，其次為0.23～0.24μm，Di在0.23～0.25μm范圍內(nèi)的占總數(shù)的39.9%（圖2）。野生種和栽培種間差異不顯著。生產(chǎn)中主栽品種的橡膠粒子Di也基本在平均值以下，其中RRIM600的Di為0.230μm，變異系數(shù)為0.09；PR107的Di為0.226μm，變異系數(shù)為0.07；GT1的Di為0.227μm，變異系數(shù)為0.06；93-114的Di為0.226μm，變異系數(shù)為0.06；熱研7-33-97的Di為0.230μm，變異系數(shù)為0.07；云研77-2的Di為0.220μm，變異系數(shù)為0.02；云研77-4的Di高于平均值，為0.292μm，變異系數(shù)為0.13。

通過比較486份橡膠樹種質(zhì)橡膠粒子Da和Di，結果顯示，Di均小于Da。以常見橡膠種質(zhì)RRIM600和PR107為例，粒子的分布呈雙峰分布，高峰為偏小的橡膠粒子，低峰為偏大的橡膠粒子（圖3）。Di/Da值為58.3%～84.9%，平均值為67.7%，變異系數(shù)為0.015～0.123。Di/Da值呈偏正態(tài)分布，在64.0%～66.0%范圍內(nèi)最多，其次為66.0%～68.0%和68.0%～70.0%區(qū)間，在64.0%～70.0%范圍內(nèi)的占總數(shù)的52.5%（圖4）。生產(chǎn)中主栽品種的橡膠粒子Di/Da值也基本在平均值以下，并接近平均值，其中RRIM600的Di/Da值為66.4%；PR107的Di/Da值為66.7%；GT1的Di/Da值為67.4%；93-114的Di/Da值為63.2%；熱研7-33-97的為66.0%；云研77-2的為65.0%；云研77-4的則遠高于平均值，為76.6%。

2.2不同月份的Da和Di分析

對486份橡膠樹種質(zhì)橡膠粒子Da和Di的年內(nèi)變化進行分析，結果表明，各月份間存在一定差異，Da的年內(nèi)變異系數(shù)為0.080～0.108，Di的年內(nèi)變異系數(shù)為0.117～0.154（表1）。Da和Di在年內(nèi)變化表現(xiàn)出不同態(tài)勢。9月和11月的Da略低于其余月份，而其余月份間差異不顯著（圖5）。10月的Di稍低于其他月份，而其余月份間差異不顯著（圖6）。

11月和12月的Di/Da值顯著高于其他月份，7月和10月的Di/Da值則顯著低于其他月份，6月、8月和9月之間差異不顯著（圖7）。結合Da和Di分析，表明7月和10月的Da和Di偏離較大，意味著橡膠粒子粒徑呈現(xiàn)出向兩極分化的態(tài)勢；11月和12月的Da和Di符合度稍高，呈現(xiàn)出趨于均化的態(tài)勢。

2.3不同橡膠種質(zhì)粒徑的頻度分布及其年度變化

根據(jù)文獻[9，11-12]，以0.25μm作為劃分大、小橡膠粒子的標準。由于本研究的測試設備輸出的直徑為0.259μm，因此以0.259μm作為統(tǒng)計基準。通過對486份橡膠樹種質(zhì)橡膠粒子粒徑≤0.259μm的頻度進行統(tǒng)計，結果表明，不同種質(zhì)間差異達極顯著（P<0.01），變幅范圍為31.1%～61.8%，平均值為51.70%，其中粒子粒徑≤0.259μm頻度最大的種質(zhì)為XJ001320，最小的為紅星72-5。年內(nèi)變異系數(shù)范圍為0.013～0.322。粒子粒徑≤0.259μm的頻度分布呈偏正態(tài)分布，集中分布在50%～56%之間，占53.1%（圖8）。野生種和栽培種間差異不顯著。

由于粒徑≤0.259μm的頻度占50%左右，還對測試設備輸出粒子粒徑≤0.197μm的頻度進行統(tǒng)計，表明不同種質(zhì)間差異達極顯著（P<0.01），變化范圍為17.6%～46.4%，平均值為36.4%，頻度最大的種質(zhì)和最小的種質(zhì)均與粒徑≤0.259μm的相同。年內(nèi)變異系數(shù)的變化范圍為0.018～0.588，表明粒徑≤0.197μm的頻度在不同種質(zhì)間具有較大的變異性。粒子粒徑≤0.197μm的頻度分布基本呈偏正態(tài)分布，集中分布在32%～42%之間，占73.7%（圖9）。野生種和栽培種間差異不顯著。

在年內(nèi)變化上，粒子粒徑≤0.259μm的頻度和粒徑≤0.197μm的頻度趨勢相同，在開割后期呈下降趨勢（圖10，圖11）。

2.4各指標間相關性分析

對486份橡膠樹種質(zhì)橡膠粒子Da、Di、Di/Da、粒徑≤0.259μm頻度和粒徑≤0.197μm頻度各指標間進行相關性分析，其中粒徑≤0.259μm頻度和粒徑≤0.197μm頻度間的相關系數(shù)為0.976，達極顯著正相關（P<0.01）；Da和Di達極顯著正相關，相關系數(shù)為0.781；Da與Di/Da和粒徑≤0.197μm頻度雖然均呈極顯著相關，但相關系數(shù)較小，而與粒徑≤0.259μm頻度不相關；Di與Di/Da呈極顯著相關，相關系數(shù)為0.814，與粒徑≤0.259μm頻度和粒徑≤0.197μm頻度均達到極顯著負相關，相關系數(shù)分別為–0.520和–0.632，顯示出更強的統(tǒng)計學意義；Di/Da與粒徑≤0.259μm頻度和粒徑≤0.197μm頻度間也達到極顯著負相關，表明Di/Da與偏小橡膠粒子占比具有更好的相關性（表2）。

2.5Da、Di、粒徑≤0.259μm頻度和粒徑≤0.197μm頻度測試時期分析

對Da、Di、Di/Da、粒徑≤0.259μm頻度和粒徑≤0.197μm頻度的年平均值與每月測定值進行相關性分析（表3），結果表明，6月、10月與全年相關性相對較高，而8月、12月與全年相關性相對較低。對年平均值與隔月3次測定平均值（6月、8月、10月，7月、9月、11月，8月、10月、12月）進行相關性分析，結果表明相關性明顯提高，相關系數(shù)均高于0.850。

3討論

3.1橡膠粒子粒徑的測試基準

粒子粒徑的測試可以采取電鏡觀測、肥皂滴定、沉降分析、光散射等方法，隨著檢測技術的發(fā)展，粒度儀被廣泛用于粒子粒徑的測試，該技術操作簡便、快速[14]。粒子粒徑測試主要有數(shù)量、長度、面積、體積4種基準，在膠乳測試中，大多使用數(shù)量和體積，其中使用數(shù)量基準賦予小粒子更多權重，而體積基準會賦予大橡膠粒子更多權重。本研究前期使用數(shù)量和體積2種基準對橡膠樹種質(zhì)進行鑒定發(fā)現(xiàn)，使用體積基準測得的Da與Di基本接近，粒徑大多在1μm左右，且相關系數(shù)達到0.98以上，呈現(xiàn)單峰，且峰形窄且高，無法反映膠乳中大、小橡膠粒子的分布情況，因此本研究采取數(shù)量為基準進行測定和分析。

3.2大、小橡膠粒子的劃分

膠乳中大、小橡膠粒子比例國內(nèi)外均有較多的關注和研究，并證明大、小橡膠粒子的分子量不同，與后期加工性能也有較密切的聯(lián)系。在大、小橡膠粒子的劃分上，LUCKSANAPORN等[9]以0.25μm為劃分標準，何思敏等[13]以0.30μm為劃分標準。二者均采用英國馬爾文公司的設備，以體積基準進行測定，且均認為大、小橡膠粒子為7∶3時天然橡膠硫化性能最好，這個比例也與天然膠乳中大小橡膠粒子分布基本吻合[11-13]。

據(jù)貝佳鵬等[15]對英國馬爾文公司、日本堀場公司、美國貝克曼庫爾特公司和中國丹東百特公司的激光粒度儀器設備進行比較發(fā)現(xiàn)，不同激光粒度儀器的測試結果存在差異，這種差異，不同程度地體現(xiàn)在測定原理、不同的統(tǒng)計參數(shù)和統(tǒng)計方法上。按照大、小橡膠粒子7∶3的比例，使用日本堀場公司的設備，以數(shù)量基準進行測定，則大、小橡膠粒子的劃分標準應低于0.197μm。

天然橡膠通用性能等優(yōu)于合成橡膠，其中一個重要原因是天然橡膠具有較寬的分子量分布[16]。不同種質(zhì)材料在粒子的大小和分布具有顯著差異，且在存在一定的周年變化，這種變化與橡膠生物合成是否有密切關系，對后期加工性能是否有顯著影響，均有待于進一步深入探討。

3.3粒徑作為膠乳特性指標的可行性

橡膠樹種質(zhì)膠乳特性指標的鑒定工作起步較晚，目前已經(jīng)就分子量、蛋白質(zhì)含量、5種重要金屬離子的含量作為膠乳特性指標的可行性進行了探討和研究[17-19]。橡膠粒子作為膠乳中最重要的組分，其表征參數(shù)中，較為常用的為Da。本研究表明，除Da外，Di、Di/Da、粒徑≤0.259μm的頻度、粒徑≤0.197μm的頻度均可作為橡膠粒子的重要表征。其中橡膠粒子粒徑≤0.259μm的頻度和粒徑≤0.197μm的頻度的相關系數(shù)達到0.976，按照接近大、小橡膠粒子的劃分標準，選取粒徑≤0.197μm的頻度更佳。與Da相比，Di與Di/Da的相關性更大，與粒徑≤0.259μm頻度和粒徑≤0.197μm頻度也更為相關，表明Di較Da具有更強的統(tǒng)計學意義。此外，Da、Di、Di/Da、粒徑≤0.259μm的頻度、粒徑≤0.197μm的頻度在486份種質(zhì)中均呈正態(tài)或偏正態(tài)分布，可依據(jù)分布情況建立分級標準，開展后續(xù)的定性評價。

3.4粒徑指標的測試時期

橡膠樹膠乳通過割破樹皮乳管獲得，一般3d或4d一刀，一年60～80刀次（生產(chǎn)中一般根據(jù)割膠勞動力進行選擇，目前最長周期可達到7d一刀）[20]。為克服橡膠樹膠乳性狀鑒定需要長周期的難點，在橡膠樹產(chǎn)量性狀的鑒定中，經(jīng)長期的總結，可采取每月一次或代表性月份測產(chǎn)的方式[21]。本研究對Da、Di、Di/Da、粒徑≤0.259μm的頻度、粒徑≤0.197μm的頻度在不同月份的測定值進行分析，雖然與月份間的測定值均達到極顯著相關，但通過隔月測定值的3次平均值，相關系數(shù)可以達到0.850以上，可在未來橡膠樹種質(zhì)膠乳粒徑指標性狀測定中采用。