3種叢生竹化學(xué)成分與纖維形態(tài)研究

蘇文會 范少輝 余 林 封煥英 彭 穎

（國際竹藤網(wǎng)絡(luò)中心，國家林業(yè)局竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100102）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國內(nèi)對紙的需求量不斷上升，竹子作為非木質(zhì)資源，以其生長快、產(chǎn)量高、周期短等生物學(xué)優(yōu)勢成為制漿造紙的重要原料之一。目前，川西南、滇東北、滇中、黔南等許多西部縣市大面積營造竹林，同時也新建或擴(kuò)建了一大批大型竹漿造紙企業(yè)，然而，從用于制漿的造林竹種來看，大多數(shù)為中小徑竹，產(chǎn)材量并不樂觀，已成為影響竹原料基地效益乃至整個竹漿造紙產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的瓶頸問題。

車筒竹（Bambusa sinospinosaMcClure）、箣竹（Bambusa blumeanaSchult.f.）和越南巨竹（Dendrocalamus yunnanicusHsueh）是主要分布于云南、廣西和廣東等省區(qū)的大型叢生竹，據(jù)文獻(xiàn)資料［1-3］和實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該3種叢生竹產(chǎn)材量高、徑級大，作為材用原料在產(chǎn)量上有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢和發(fā)展?jié)摿?。然而，有關(guān)這3種叢生竹的研究還比較缺乏，且主要集中在生物學(xué)特性、育苗和竹葉利用等方面［2-6］，有關(guān)竹材化學(xué)成分和纖維形態(tài)等的研究尚未見報(bào)道。本研究從當(dāng)前竹漿造紙產(chǎn)業(yè)面臨的現(xiàn)實(shí)問題出發(fā)，對車筒竹等3種叢生竹稈材中的主要化學(xué)成分和纖維形態(tài)進(jìn)行了分析，以制漿性能優(yōu)良的青皮竹（Bambusa textilisMc-Clure）為參比竹種，并同木本和草類原料進(jìn)行比較，旨在評價(jià)3種叢生竹作為造紙?jiān)系倪m宜性，為竹漿原料林優(yōu)良竹種的選育提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

采樣點(diǎn)為廣西壯族自治區(qū)南寧市近郊竹林，分散選取生長良好、無病蟲害的3年生車筒竹、箣竹和越南巨竹各5株，共計(jì)15株，齊地砍倒，去梢頭，然后將竹稈分成5等份，自基部至梢部分別標(biāo)記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。取其中的Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ段帶回實(shí)驗(yàn)室，從每段靠近基部的一端向上截取高約10cm的竹環(huán)，分別代表3種竹材的基、中、梢部的測試材料。3種竹材的狀況見表1。

表1 3種叢生竹的狀況

1.2 測試方法

1.2.1 化學(xué)成分的測定

在車筒竹、箣竹和越南巨竹基、中、梢部的每個環(huán)上取大約500g試材，劈成細(xì)片，風(fēng)干后，經(jīng)粉碎機(jī)磨碎，截取通過40目篩而不能通過60目篩的細(xì)末，涼至室溫后，貯存于1000mL有磨砂玻璃塞的廣口瓶中，供分析使用。

測定3種叢生竹的基、中、梢部位的綜纖維素（GB/T2677.10—1995）；酸不溶木素（GB/T2677.8—1994）；酸溶木素（GB10337—1989）；熱水抽出物（GB/T2677.4—1993）；1％氫氧化鈉抽出物（GB/T2677.5—1993）；有機(jī)溶劑抽出物（GB/T2677.6—1994）。

1.2.2 纖維形態(tài)的測定

自3種叢生竹每個部位的竹環(huán)中，取長、寬各約1cm的竹塊，均取2份，一份作為竹稈縱向部位的測定試樣，另一份對各測試竹塊進(jìn)一步按壁厚3等份剖開，作為竹壁徑向部位的測定試樣。

將試樣劈成小細(xì)條，混勻，隨機(jī)取若干條放入試管中，用過氧化氫-冰醋酸法進(jìn)行軟化［7］：取工業(yè)過氧化氫和冰醋酸混合液浸泡試樣，待軟化至試樣表面材色淡白或邊緣開始離析為止，倒出藥液，用水沖洗數(shù)次。然后注水少許于試管中，用拇指按住試管口輕輕振蕩使試材結(jié)構(gòu)解離。用鑷子從中挑取少許于干凈的載玻片上，番紅染色，輕輕壓上蓋玻片，用吸水紙吸去多余的水，放在三目顯微鏡下觀測。纖維長度放大40倍，每個部位均測定100根以上；纖維寬度、壁厚和腔徑放大400倍，各部位測定50根以上。

表2 3種叢生竹的化學(xué)成分 ％

2 結(jié)果與分析

2.1 竹材的化學(xué)成分

車筒竹、箣竹和越南巨竹的綜纖維素等化學(xué)成分測試結(jié)果見表2。

2.1.1 綜纖維素

植物綜纖維素含量是衡量該植物作為制漿造紙或水解工業(yè)原料優(yōu)劣的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，是纖維原料中碳水化合物的全部，包括纖維素和半纖維素，其含量越高，可能達(dá)到的纖維得率也越高。由于纖維素含量測定存在著一定缺陷，分析結(jié)果往往不能正確反映纖維的真實(shí)含量，因而選擇綜纖維素含量來評價(jià)其制漿性能更為適宜［8］。3種叢生竹的綜纖維素含量從大到小依次為，車筒竹73.43％、箣竹71.71％、越南巨竹67.37％；除越南巨竹略小外，車筒竹和箣竹與參比竹種青皮竹及筆者曾研究過的大型叢生竹種大木竹［9］的綜纖維素含量基本相當(dāng)。纖維素含量同樹種有較大關(guān)系，一般說來，針葉材的綜纖維含量為65％～73％、闊葉材的為70％～82％，禾本科的為64％～80％，可見，3種竹材的綜纖維素含量屬于中上等。從竹稈部位的變化來看，從基部到梢部，竹材綜纖維素略有增加，但增加幅度不明顯。

2.1.2 木素

原料中木素含量是造紙工業(yè)的主要測定指標(biāo)之一。在生產(chǎn)化學(xué)漿時，需去除原料中80％以上的木素；生產(chǎn)半化學(xué)漿時，需將木素去除25％～50％；而化學(xué)機(jī)械漿生產(chǎn)工藝基本上對木素進(jìn)行保留，但制得的紙漿強(qiáng)度較差，漂白后易返黃［10］，因此，木素含量是制定合理蒸煮與漂白工藝的重要條件。車筒竹、箣竹和越南巨竹的總木素含量分別為24.28％、23.13％和25.38％，比青皮竹的相應(yīng)值略高，酸不溶木素含量與青皮竹基本相當(dāng)。一般認(rèn)為，木素含量高，蒸煮困難，消耗的化學(xué)藥品也相對較多，但木素對真菌的危害有一定的抗性［11］。木素含量在竹稈不同部位也有一定差異，表現(xiàn)為竹稈梢部略高。

2.1.3 抽出物

（1）熱水抽出物

植物纖維原料中所含的部分無機(jī)鹽、糖、植物堿、環(huán)多醇及單寧等物質(zhì)均能溶于水，稱為水抽出物。熱水抽提是用沸水反復(fù)溶解抽提，抽提主要成分除包含單糖、低聚糖和氨基酸及水溶性色素、無機(jī)鹽等以外，還含有淀粉、樹膠等多糖類［12］。車筒竹、箣竹和越南巨竹的熱水抽出物含量分別為16.66％、18.36％和21.24％，均明顯高于青皮竹的相應(yīng)值。

（2）氫氧化鈉抽出物

氫氧化鈉抽出物是用1％氫氧化鈉溶液對試樣進(jìn)行浸泡抽提，除能溶解熱水所溶出的物質(zhì)外，還能溶出部分木素、聚戊糖和樹脂酸等，抽出物含量高，則易蟲蛀、霉變。在一定程度上，氫氧化鈉抽出物可以反映測試材料受光、熱、微生物降解的程度，在造紙工藝中能反映耗堿量，氫氧化鈉抽出物多，則耗堿量大，也可用來反映堿法制漿得率的相對高低。由于堿法蒸煮過程是在遠(yuǎn)比1％氫氧化鈉抽提物測定劇烈得多的堿-熱-水條件下進(jìn)行的，能否具有較高得率，主要取決于構(gòu)成紙漿的主要成分纖維素與半纖維素在蒸煮過程中發(fā)生堿性降解、剝皮反應(yīng)、終止反應(yīng)等影響制漿得率高低的化學(xué)反應(yīng)的程度［13］。由表2的測試數(shù)據(jù)可以看出，車筒竹、箣竹和越南巨竹的1％氫氧化鈉抽出物的含量分別為33.33％、40.23％和40.05％，亦大于參比竹種青皮竹的相應(yīng)值。

（3）苯-醇抽出物

在制漿造紙工業(yè)中，苯-醇抽出物常常被稱為“樹脂”，主要成分是脂肪、脂肪酸、樹脂、樹脂酸、蠟及酚類化合物等，在制漿過程中，苯-醇抽出物多，蒸煮時化學(xué)藥品的消耗通常也較多，而且還可能延緩蒸煮過程，影響紙漿顏色，特別對酸性亞硫酸鹽法制漿，嚴(yán)重時可形成“樹脂障礙”，對生產(chǎn)工藝不利［10］。車筒竹、箣竹和越南巨竹的苯-醇抽出物含量分別為2.47％、3.63％和5.22％，小于參比竹種青皮竹，亦比大木竹等［9］的相應(yīng)值小，對制漿較為有利。

各抽出物含量在竹稈縱向部位的變化均未呈現(xiàn)出明顯的變異規(guī)律。

2.2 竹材的纖維特性

竹材的纖維特性也是衡量造紙性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，纖維特性主要包括纖維長度、長寬比與壁腔比等形態(tài)指標(biāo)，與竹材的造紙性能直接相關(guān)［14］。車筒竹、箣竹和越南巨竹纖維形態(tài)在竹稈縱向和徑向部位的測試結(jié)果分別見表3和表4。

2.2.1 纖維長度

纖維長度是衡量竹材造紙性能的一個重要指標(biāo)，一般說來，在一定范圍內(nèi)，細(xì)而長的纖維能提高抗張強(qiáng)度、耐折度和耐破度，并與撕裂度直接相關(guān)，纖維過短，如平均長度小于0.4mm，則不宜用于造紙［15］，只能以填料漿的形式少量配用；如果纖維太長，平均長度大于5mm時，漿料容易絮凝，也難于抄出勻度較好的紙張。由表3可知，3種竹材纖維由長到短依次是越南巨竹2.49mm、車筒竹2.37mm、箣竹2.27mm，均不低于青皮竹的纖維長度2.19mm，按國際木材解剖協(xié)會規(guī)定，亦屬于長纖維原料，并且長于一般闊葉材［10］。

表3 3種叢生竹竹稈縱向部位的纖維形態(tài)

表4 3種叢生竹竹稈徑向部位的纖維形態(tài)

在竹稈的不同部位上，纖維長度呈現(xiàn)出一定的變異，從竹稈縱向部位看，3種竹材均表現(xiàn)為稈中部纖維較長、基部與梢部稍短的變化規(guī)律，而參比青皮竹變化趨勢不明顯。關(guān)于纖維長度在竹稈縱向部位的變異，宇野昌一認(rèn)為該指標(biāo)與節(jié)間長度隨高度的變化規(guī)律相似［16］，而Liese則認(rèn)為從基部到梢部纖維長度變異不大［17］。從對其他竹種纖維長度在竹稈縱向部位的分析來看，有些竹種表現(xiàn)為中部纖維長、基部和梢部變短［18-19］，而有的竹種則變化不明顯，筆者曾對大型叢生竹大木竹的纖維形態(tài)做了系統(tǒng)分析，也未表現(xiàn)出明顯的變異規(guī)律［20］。在竹稈的徑向部位，3種叢生竹的纖維長度均表現(xiàn)出竹壁中部大、內(nèi)側(cè)和外側(cè)有所減小的趨勢，這與以往研究的毛竹及部分叢生竹的變化規(guī)律基本一致［20-22］。

2.2.2 纖維寬度與長寬比

纖維寬度（粗度）直接與原料的密度及細(xì)胞壁厚度相關(guān)，在其他條件相似的情況下，粗度大的纖維發(fā)僵挺直，單根纖維強(qiáng)度較大，但纖維結(jié)合力較差。由纖維長度和寬度的比值計(jì)算的長寬比對制漿性能的優(yōu)劣有較大影響，纖維越細(xì)長即長寬比越大的竹材強(qiáng)固性和撕裂性好，適合做造紙?jiān)?，一般來講，原料的纖維長寬比應(yīng)大于30［23］。3種叢生竹纖維長寬比由大到小依次為車筒竹144、越南巨竹128、箣竹124，與參比青皮竹的相應(yīng)值相當(dāng)或略小，同其他竹材相比，也屬于長寬比較大的纖維原料。

同纖維長度的變化趨勢相似，長寬比在竹稈縱向和徑向部位，3種竹材均表現(xiàn)為：竹稈縱向中部長寬比較大、基部和梢部有所減小，徑向的中部長寬比較大、外側(cè)和內(nèi)側(cè)有所減小，這與朱惠方等人的研究結(jié)果相同［24］。

2.2.3 纖維壁厚、腔徑與壁腔比

通常來說，壁薄、壁腔比小的纖維原料，可壓扁性好，在纖維與纖維間易形成較大的接觸面，能賦予紙張較好的纖維結(jié)合強(qiáng)度，成紙質(zhì)地緊密，可用于生產(chǎn)高級紙張［15］。3種叢生竹的纖維壁腔比從大到小依次為車筒竹3.77、越南巨竹3.65、箣竹2.68，均小于參比青皮竹的相應(yīng)值4.68。壁腔比在竹稈不同部位的變異，無論是竹稈縱向還是徑向上，3個叢生竹的壁腔比均未表現(xiàn)出明顯的變異規(guī)律。

3 結(jié)論

通過對車筒竹、箣竹和越南巨竹的化學(xué)成分與纖維特征的分析來看，3種竹材的綜纖維素含量較高，將能達(dá)到較好的紙漿得率，而木素和抽出物含量較少或中等，纖維較長，壁腔比小，所以，從竹材的化學(xué)成分來講，如果用作紙漿材，原料的利用率較高，并能相對節(jié)約化學(xué)藥品，減輕對環(huán)境的污染，具有較好的適宜性。

我國是森林資源較少的國家，但日前蓬勃發(fā)展的竹漿造紙亦面臨著常規(guī)制漿竹材產(chǎn)量較低、竹材原料供應(yīng)嚴(yán)重不足的局面。在此背景下，鑒于本研究的3個竹材的高產(chǎn)量和較適宜造紙的纖維狀況，大力發(fā)展該竹種將具有廣闊的前景。

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