天然纖維原料何首烏藤的結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分分析

崔運花，張曙光，沈銀嬌，余秋曉，錢震揚

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620;2.東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620)

何首烏，屬蓼科，系多年生落葉藤本藥用植物，其藤產(chǎn)量高、多分枝、易纏繞。作為一種名貴中藥材，何首烏的社會需求量和種植量都非常大。據(jù)何首烏主產(chǎn)地——江南某縣有關(guān)部門的統(tǒng)計，該縣何首烏塊根的年產(chǎn)量在20萬 t左右，同時每年產(chǎn)藤6萬～9萬t。目前，何首烏塊根已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于食品、保健、醫(yī)藥、日用化工等領(lǐng)域，但大量的副產(chǎn)品何首烏藤并沒有被充分利用，而是在何首烏塊根收獲后被丟棄在了田間地頭，不僅給環(huán)境帶來污染，而且也是自然資源的極大浪費。

目前，國內(nèi)外對何首烏藤的研究主要集中在醫(yī)藥保健等領(lǐng)域，在紡織領(lǐng)域的開發(fā)利用研究尚屬空白。本文從何首烏藤的結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分入手，對藤的宏觀結(jié)構(gòu)、橫截面形態(tài)、構(gòu)成和化學(xué)成分進(jìn)行分析，探討其可加工利用性，為何首烏藤纖維資源的開發(fā)利用提供科學(xué)參考。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與儀器

材料:江南某縣提供的何首烏藤，如圖1所示。

圖1 何首烏帶葉鮮藤Fig.1 Fresh Polygonum multiflorum rattan with leaves

儀器:東華大學(xué)纖維圖像自動采集和識別系統(tǒng)、脂肪提取器、FA2004A精密電子天平、SHB-ⅢA型循環(huán)水式多用真空泵、Y801A和DK-S16型電熱恒溫水浴鍋、Y802A電熱恒溫干燥箱。

藥品:火棉膠、固體石蠟、無水乙醚、蛋白甘油、氫氧化鈉、濃硫酸(98%)、草酸銨、苯、無水乙醇、氯化鋇、蒸餾水。

1.2 試驗方法

1.2.1 何首烏藤的分類方法

由于何首烏藤系龐大，故在前期探索試驗基礎(chǔ)上，借鑒大麻［1］、毛竹［2］、香蕉假莖［3］的研究方法，將何首烏藤做以下分類，以便進(jìn)行更為細(xì)致的研究。主藤梢部:距主藤底部末端40cm以上的部分。主藤中部:距主藤底部末端20～40cm的部分。主藤底部:距主藤底部末端0～20cm的部分。上側(cè)藤:距主藤底部末端40cm以上部位長出的側(cè)藤。

中側(cè)藤:距主藤底部末端20～40cm之間長出的側(cè)藤。

下側(cè)藤:距主藤底部末端0～20cm之間長出的側(cè)藤。

上/中/下側(cè)藤梢部:距各側(cè)藤底部末端40cm以上的側(cè)藤。

上/中/下側(cè)藤中部:距各側(cè)藤底部末端20～40cm的側(cè)藤。

上/中/下側(cè)藤底部:距各側(cè)藤底部末端 0～20cm的側(cè)藤。

1.2.2 何首烏藤的結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分測試

1.2.2.1 何首烏藤的結(jié)構(gòu)測試 對何首烏藤的結(jié)構(gòu)研究，主要包括藤的宏觀形態(tài)研究、長度測試、橫截面形態(tài)研究等。宏觀形態(tài)的研究是在保證何首烏藤完整性不被破壞的前提下，將其抽出理順，并對各部位藤的宏觀形態(tài)進(jìn)行研究，包括縱向結(jié)構(gòu)觀察、表面形態(tài)觀察、照片拍攝等。

長度測試方法:按上述分類方法分別選取上側(cè)藤、中側(cè)藤、下側(cè)藤和主藤各100根，將其自然理直，用卷尺測量長度，得各自長度的分布區(qū)間，并計算出各平均值及偏差。

橫截面形態(tài)的研究，是按照主藤和上/中/下側(cè)藤各自的梢部、中部和底部共12個部位進(jìn)行取樣，并制作橫截面切片。每個部位選取20個完整切片，利用纖維圖像自動采集和識別系統(tǒng)［4］，拍攝照片，測量各部位的尺寸。

1.2.2.2 何首烏藤的化學(xué)成分測試 因目前尚無何首烏藤化學(xué)成分分析的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，故何首烏藤的化學(xué)成分分析參照 GB5889—1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 何首烏藤的形態(tài)結(jié)構(gòu)及長度

2.1.1 何首烏藤的宏觀形態(tài)及長度分布

從整體形態(tài)上看，何首烏藤的下部多分枝(見圖2)，主藤及側(cè)藤的上部均呈蔓性、易纏繞(見圖3)。從主、側(cè)藤的表觀形態(tài)來看，都具有明顯的節(jié)和節(jié)間，節(jié)間中空，類似竹子。在主藤及側(cè)藤距各自底部0～40cm的范圍內(nèi)，藤的形態(tài)變化都比較大，主要表現(xiàn)為越靠近底部，節(jié)間長度越短、節(jié)越粗大。以主藤為例，在距其底部0～20cm的范圍內(nèi)，節(jié)間長為2～4 cm;在20～40cm的范圍內(nèi)，節(jié)間長為4～10cm。40cm以上，節(jié)間長為15～25cm，而且藤的宏觀形態(tài)變化較小。

圖2 何首烏主藤的下部Fig.2 Lower part of Polygonum multiflorum main rattan

圖3 何首烏側(cè)藤的上部Fig.3 Upper part of Polygonum multiflorum branch rattan

何首烏各個部位藤的長度及偏差見表1。可以看出，何首烏藤的主藤和側(cè)藤長度不同，側(cè)藤長度大于主藤長度，側(cè)藤中又以下側(cè)藤的平均長度最大;何首烏側(cè)藤的長度分布基本在200～350cm之間，主藤的長度分布基本在150～250cm之間。

表1 主、側(cè)藤的長度平均值及偏差Tab.1 Mean length and its deviation of main and branch rattan

2.1.2 何首烏藤的橫截面形態(tài)及構(gòu)成

以主藤為例，其梢、中、底部橫截面切片照片見圖4～6。從各部位橫截面的照片可看出，何首烏藤具有皮芯結(jié)構(gòu)特點，中腔形狀為不規(guī)整的四邊形，并非圓形，其中梢部近似為正方形，底部近似為長方形。何首烏藤從外向內(nèi)由4個明顯不同的部分構(gòu)成，依次為保護(hù)層、韌皮層、形成層和木質(zhì)層(見圖5)。其中，保護(hù)層不是特別發(fā)達(dá)，且藤干燥后，與韌皮層結(jié)合緊密，韌皮層的厚度比較均勻，形成層呈現(xiàn)不連續(xù)的透明狀，木質(zhì)層的厚度分布不勻，具有明顯的薄邊和厚邊。在結(jié)構(gòu)上，木質(zhì)層自外向內(nèi)由完整的致密部分和疏松部分組成。致密部分緊貼著形成層，且厚度分布不勻，在對位分布的薄邊，致密部分的尺寸小而均勻，內(nèi)部結(jié)構(gòu)單一;在對位分布的厚邊，致密部分的尺寸大而不勻，內(nèi)部分布著一些大圓腔。疏松部分緊接中腔，尺寸均勻，由3～5圈的小圓腔構(gòu)成。

圖4 主藤梢部橫截面Fig.4 Upper cross-section of Polygonum multiflorum main rattan

圖5 主藤中部橫截面Fig.5 Middle cross-section of Polygonum multiflorum main rattan

圖6 主藤底部橫截面Fig.6 Bottom cross-section of Polygonum multiflorum main rattan

為了研究何首烏藤不同部位的生長變化情況，利用纖維圖像自動采集和識別系統(tǒng)的長度測量工具軟件測定韌皮層、形成層、木質(zhì)層和中腔的尺寸，結(jié)果見表2。從表中可以看出:1)同一側(cè)藤的不同部位，所有指標(biāo)都符合梢部 ＜中部 ＜底部的規(guī)律;對于各藤的相同部位，所有指標(biāo)都符合上側(cè)藤＜中側(cè)藤＜下側(cè)藤 ＜主藤的規(guī)律。2)同一部位形成層與韌皮層尺寸的大小關(guān)系不同，各側(cè)藤梢部的形成層尺寸都小于同部位韌皮層的尺寸，而其余部位的形成層尺寸都大于同部位的韌皮層尺寸。3)各部位木質(zhì)層的尺寸分布不勻，由梢部至底部，厚、薄邊尺寸的差值逐漸增大。4)各部位中腔的尺寸變化幅度也不同，由梢部至底部，中腔長、短邊的差值增大。

表2 何首烏藤不同部位各構(gòu)成的生長情況Tab.2 Size of each constituents in different parts of Polygonum multiflorum rattan μm

2.2 何首烏藤的化學(xué)成分分析

2.2.1 各部位整藤的化學(xué)成分

何首烏藤各部位整藤的化學(xué)成分定量分析結(jié)果見表3。

表3 何首烏藤的化學(xué)成分含量Tab.3 Content of chemical composition of Polygonum multiflorum rattan %

從表3可看出:1)何首烏藤的脂蠟質(zhì)含量不高，其中主藤梢部及側(cè)藤的脂蠟質(zhì)含量較高，而主藤中部和底部的含量較低，均在1.0%以下。2)各部位整藤的水溶物含量都較高，且側(cè)藤高于主藤。側(cè)藤水溶物的含量由上側(cè)藤至下側(cè)藤遞增，主藤水溶物的含量也是由梢部至底部遞增。3)側(cè)藤的果膠含量均高于主藤，下側(cè)藤含量最高，主、側(cè)藤的含量均是由梢部至底部遞增。4)主藤各部位的半纖維素含量高于側(cè)藤，主藤梢部最高;主、側(cè)藤半纖維素的含量都是由梢部至底部遞減。5)側(cè)藤和主藤的木質(zhì)素含量都很高，且主藤的木質(zhì)素含量高于側(cè)藤;變化規(guī)律都是由梢部至底部遞增。6)主、側(cè)藤纖維素的含量在37%～41%之間。

2.2.2 各部位韌皮層及芯骨的化學(xué)成分

由于何首烏藤具有皮芯結(jié)構(gòu)特點，進(jìn)一步將不同部位何首烏藤的韌皮和芯骨分離，分別進(jìn)行化學(xué)成分定量分析，結(jié)果見表4、5。

表4 何首烏藤韌皮的化學(xué)成分Tab.4 Content of each chemical composition in phloem of Polygonum multiflorum %

表5 何首烏藤芯骨的化學(xué)成分Tab.5 Content of each chemical composition in woody part of Polygonum multiflorum %

從表4、5可看出:1)韌皮層的脂蠟質(zhì)含量明顯高于同部位的芯骨;側(cè)藤韌皮層的脂蠟質(zhì)含量都是由梢部至底部遞減，主藤則規(guī)律相反;而各部位芯骨的脂蠟質(zhì)含量都是由梢部至底部遞減。2)韌皮層的水溶物含量約是同部位芯骨的2倍;梢部的水溶物含量較低，中部和底部均較高;韌皮層和芯骨的水溶物含量都是由梢部至底部遞增。3)韌皮層的果膠含量是同部位芯骨的2倍多;由梢部至底部，各部位側(cè)藤韌皮層的果膠含量遞減，而主藤韌皮及各部位芯骨的變化趨勢為遞增。4)韌皮層和芯骨的半纖維素含量均較高;各部位芯骨的半纖維素含量高于同部位的韌皮層;韌皮層和芯骨的半纖維素含量變化規(guī)律不同，前者由梢部至底部遞增，后者則為遞減。5)芯骨的木質(zhì)素含量較高，而韌皮層的木質(zhì)素含量較低;韌皮層和芯骨的木質(zhì)素含量都是由梢部至底部遞增。6)韌皮層纖維素含量較高，除主藤中部和底部外，其余部位的纖維素含量都在50%以上;芯骨含量稍低，在40%左右;韌皮層和芯骨的纖維素含量都是由梢部至底部遞減。

2.2.3 與其他麻類韌皮成分的對比分析

為了更好地研究何首烏藤資源的性能，將何首烏藤與其他麻類韌皮的化學(xué)成分含量［5－13］進(jìn)行比較，結(jié)果見表6。

表6 何首烏藤與其他常見韌皮的化學(xué)成分對比表Tab.6 Comparison of chemical compositions among Polygonum multiflorum rattan and other phloems %

從表6可看出:何首烏藤韌皮的脂蠟質(zhì)含量與亞麻差不多，高于其他常見麻類韌皮，但低于葛根渣、桑皮、構(gòu)樹皮等;水溶物含量與苧麻相當(dāng)，低于大麻和紅麻;果膠含量與構(gòu)樹皮相當(dāng)，高于大多數(shù)種類的韌皮;半纖維素含量與大麻、紅麻、蕁麻相當(dāng);木質(zhì)素含量與大麻、蕁麻相當(dāng)，低于黃麻等;纖維素的含量與黃麻、大麻、紅麻相當(dāng)。

何首烏藤芯骨的脂蠟質(zhì)含量與苧麻、黃麻相當(dāng);水溶物、果膠的含量均低于大多數(shù)種類的韌皮;半纖維素、木質(zhì)素的含量都較高，與棉稈皮、竹子、秋葵纖維的含量相當(dāng)，2種成分的含量之和都在50%左右;纖維素的含量低于構(gòu)樹皮但高于桑皮。

3 結(jié)語

本文采用纖維圖像自動采集識別和化學(xué)成分定量分析等技術(shù)，對何首烏藤的結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究。通過試驗及對試驗數(shù)據(jù)的分析得出以下結(jié)論:

1)何首烏藤系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由主藤和沿主藤長度方向向外生長的側(cè)藤構(gòu)成;主藤及側(cè)藤的長度均較長、易纏繞，由底部至梢部，藤的宏觀形態(tài)變化較大。

2)何首烏藤具有皮芯結(jié)構(gòu)，橫截面層次分明，由外向內(nèi)依次分布著保護(hù)層、韌皮層、形成層、木質(zhì)層和中腔。中腔形狀為不規(guī)則的四邊形;不同部位的生長發(fā)育情況不同，其中，保護(hù)層不太發(fā)達(dá)，韌皮層厚度穩(wěn)定，形成層呈現(xiàn)不連續(xù)的透明狀，木質(zhì)層的厚度變化較大，且其內(nèi)部分布著許多小圓腔。

3)何首烏藤的脂蠟質(zhì)、水溶物和果膠都主要分布在韌皮層中，芯骨里的含量相對較少;韌皮層的水溶物與果膠含量相差很小，芯骨亦是如此;芯骨中的半纖維素含量稍高于韌皮層的含量，但二者均在20%左右;木質(zhì)素主要分布在芯骨中，含量約為30%。何首烏藤的韌皮層和芯骨中的纖維素含量都較高，其中，前者的纖維素含量達(dá)到52%左右，后者的纖維素含量達(dá)到39%左右。

4)與其他常見韌皮的化學(xué)成分對比得出，何首烏藤的纖維素含量較高，具有很好的紡織開發(fā)應(yīng)用價值，但是，由于韌皮層和芯骨的化學(xué)成分含量不同，需要采用不同工藝來制取何首烏藤的韌皮纖維和芯骨纖維。

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