龍竹稈材化學成分分析

成聃睿，史正軍，劉瑞華，鄭志鋒，劉蔚漪，輝朝茂，鄧 佳＊

（1.西南林業(yè)大學 云南省高校生物質(zhì)化學煉制與合成重點實驗室，云南 昆明650224；2.教育部省部共建西南山地森林資源保育與利用重點實驗室，云南 昆明650224）

龍竹（Dendrocalamus giganteus），別名“大麻竹”、“印度麻竹”，屬禾本科（Gramineae）竹亞科（Bambusoideae）牡竹屬（Dendrocalamus）竹種。其稈高可達20～30m，莖圍15～30cm，稈基部的壁厚可以達到3～4cm，節(jié)間長30～40cm，竹材產(chǎn)量是毛竹的5～8倍［1-3］。龍竹材質(zhì)好，筍味佳，繁殖容易，成林成材迅速，是云南省栽培面積最大、用途最廣、經(jīng)濟價值最高的大型經(jīng)濟用材竹種之一［4-6］。目前，已有云南云景林紙股份有限公司、云南永利發(fā)林業(yè)有限公司等多家地方企業(yè)以龍竹為主要原材料生產(chǎn)竹漿紙、竹板材等高附加值工業(yè)產(chǎn)品。然而，由于分布地科技文化相對滯后，有關(guān)龍竹基礎理化性能方面的研究報道十分有限。本研究選取龍竹稈材作為試驗材料，系統(tǒng)分析其化學成分，以期為龍竹的開發(fā)利用、推廣種植提供可靠的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試樣采集

所用試驗材料龍竹采自云南省臨滄市滄源縣，地處云南省西南部，屬亞熱帶低緯度山地季風氣候，年平均氣溫16.8～17.7℃，日照2 552.6h，降雨量1 158.2mm，相對濕度71%，是龍竹的主要原生地和集中分布地之一。選取正常生長、無病蟲害的3～5年生龍竹3株，先去除梢和側(cè)枝，再均分為根部、中部、梢部3段，每段從下端起截取長約1.5m、包含2個節(jié)和3個節(jié)間的一段試材。

1.2 試材制備

先將長約1.5m的圓形竹材，縱向劈開，得到寬2～3cm、長1.5m的竹條，依次每隔2條取1條，然后用鋸機橫向?qū)⒅駰l鋸成長約3cm、寬2～3cm的竹片，再用刀將竹片切成近似火柴棍的小棍。均勻混合不同竹株上同一部位稈材制得的竹條，粉碎后，選取40～60目的竹粉，保存于廣口瓶中，備用。

1.3 分析測試方法

本研究測定龍竹的灰分、水分、綜纖維素含量、1%氫氧化鈉抽出物含量、冷水抽出物含量、熱水抽出物含量、酸不溶木質(zhì)素含量、酸溶木質(zhì)素含量、多戊糖含量、乙醚抽出物含量、苯醇抽出物含量等11項指標。各指標均按照造紙原料分析方法國家標準進行測定（GB／T742-2008，GB／T2677.2-2011，GB／T2677.10-1995，GB／T2677.5-93，GB／T2677.4-93，GB／T2677.8-94，GB／T10337-2008，GB／T2677.9-94，GB／T2677.6-94，GB／T2677.7-81）。

2 結(jié)果與分析

2.1 測試結(jié)果

對龍竹稈材化學成分測定結(jié)果詳見表1。其中，參比纖維原料慈竹、毛白楊、云杉、麥草等化學組分相關(guān)數(shù)據(jù)來源于《植物纖維化學》［7］，甜龍竹化學組分相關(guān)數(shù)據(jù)來源于課題組此前相關(guān)報道［8］。

表1 龍竹及其他造紙纖維原料化學成分Table 1 The chemical composition of D.giganteus and some fibrous raw materials %

2.2 測試結(jié)果分析

2.2.1 木質(zhì)素 木質(zhì)素是苯基丙烷單元通過碳碳鍵和醚鍵聚合而成的三維結(jié)構(gòu)天然高分子化合物［9］。在化學法制漿造紙過程中，木質(zhì)素是需要去除的主要成分，在蒸煮以及漂白過程中，木質(zhì)素的含量越高，化學藥品的消耗越大，紙漿的得率越低，生產(chǎn)成本越高；若化學制漿過程中木質(zhì)素殘留量多，則非常容易引起紙張返黃［10］。試驗測得龍竹稈材木質(zhì)素平均含量為23.87%，梢部、中部、根部的木質(zhì)素含量相差不大。龍竹的木質(zhì)素含量低于慈竹、甜龍竹、云杉等常用制漿造紙原料，與毛白楊和麥草木質(zhì)素含量接近，說明在化學法制漿的蒸煮、漂白等生產(chǎn)工藝中除去龍竹原料中木質(zhì)素的成本相對較低。

2.2.2 綜纖維素 綜纖維素是造紙植物纖維原料除去抽出物和木質(zhì)素后所留下的部分。綜纖維素含量是衡量木質(zhì)纖維原料的重要經(jīng)濟指標，綜纖維素含量的高低對紙漿的得率有很大影響［11-12］。試驗測得龍竹稈材綜纖維素平均含量為67.64%，其中梢部70.73%、中部67.14%、根部65.05%，在稈材由下到上方向呈遞增分布趨勢。這一結(jié)果與本課題組此前對甜龍竹棕纖維素含量及其在稈材不同部位分布規(guī)律的測定結(jié)果相一致［8］，也與杜凡［13］等報道的龍竹稈材從基部到梢部維管束密度和纖維比量逐步遞增這一結(jié)論相吻合。與毛白楊、甜龍竹等原料相比，龍竹的稈材的綜纖維素含量較低。若將龍竹作為化學漿生產(chǎn)原料，則紙漿得率可能略低于表1中的其他幾種參比原料。

2.2.3 多戊糖 多戊糖是半纖維素的一種主要成分，是由五碳糖單元構(gòu)成的聚糖混合物，半纖維素含量可以用原料中的多戊糖含量來衡量。在制漿造紙過程中，多戊糖會影響打漿性能和成紙的透明性［14］。較高的多戊糖含量，利于纖維水化，利于分絲帚化，纖維結(jié)合的機械強度也相應較好［15-16］。龍竹稈材多戊糖的平均含量為15.88%，高于云杉、甜龍竹，低于其他幾種原料，處于中等水平。龍竹稈材中適量多戊糖的存在，對于將其用作紙漿原料是有益處的。

2.2.4 灰分 灰分是竹子纖維經(jīng)過灼燒后殘留的無機物，是表示竹材無機成分總量的一項指標，其主要元素有Ca、Mg、K、Na、Si、P、Fe、Al、I等［7］。對制漿造紙工藝來說，太高灰分會導致堿液不易處理，污染環(huán)境［17-18］。從灰分在竹稈的縱向分布來看，龍竹的梢部、中部、根部灰分含量分別為1.09%、1.16%、2.73%，由稈材自上而下呈現(xiàn)出明顯的遞增分布趨勢。究其原因，可能是竹材生長過程中，竹材根部礦物質(zhì)和硅化細胞不斷沉積的結(jié)果。此外，通過對比可知，龍竹的灰分含量略高于慈竹、甜龍竹，明顯高于毛白楊和云杉，遠低于麥草。因此，若以龍竹為造紙原料，應盡可能將竹材不同部位分開處理。

2.2.5 抽出物 抽出物就是植物纖維原料中的非細胞壁物質(zhì)，分布在細胞內(nèi)外液中［7］，不同的溶劑對抽出物有不同的溶解度。

2.2.5.1 冷水、熱水抽出物 冷水抽出物中主要包含親水性低分子物質(zhì)。熱水抽出物包含了冷水抽出物和一些多糖類物質(zhì)，也屬于親水性物質(zhì)。龍竹稈材冷水抽出物含量為11.28%，熱水抽出物含量為11.81%，二者非常接近。該分析結(jié)果一方面表明龍竹稈材中單糖、低聚糖、氨基酸、可溶性礦物質(zhì)等低分子親水性成分含量顯著高于慈竹、甜龍竹、毛白楊、云杉和麥草等原料；另一方面也表明龍竹稈材中淀粉、樹膠等多糖組分含量低。淀粉、樹膠等組分含量低對于竹材原料儲存過程中防蟲、防霉是十分有利的。

2.2.5.2 1%NaOH抽出物 1%NaOH抽出物主要成分是熱水抽出物和脂肪酸及降解過后的半纖維和木質(zhì)素。1%NaOH抽提物含量高說明竹材中小分子量的半纖維素、木質(zhì)素及蠟等物質(zhì)的含量高。龍竹1%NaOH抽出物含量為27.24%，高于毛白楊、云杉和甜龍竹，低于麥草和慈竹。說明龍竹稈材中低分子量半纖維素和木質(zhì)素等化合物含量沒有麥草和慈竹原料高。

2.2.5.3 乙醚抽出物 乙醚抽出物主要是脂類化合物。在堿法蒸煮中，乙醚抽出物過多會產(chǎn)生皂化物；在酸性蒸煮中，乙醚抽出物可能妨礙藥液滲透。在蒸煮工藝中，如果原料中乙醚抽提物太多，可能導致糊網(wǎng)，粘紙輥，成紙強度低［10］。龍竹的乙醚抽出物含量為0.44%，對制漿無較大影響。

2.2.5.4 苯醇抽出物 苯醇抽出物包含乙醚抽出物和弱、中極性物質(zhì)，又稱“樹脂”。在制漿時，苯醇抽出物會影響化學藥品用量、蒸煮時間以及紙漿顏色。龍竹的苯醇抽出物含量為4.80%，高于毛白楊、甜龍竹和麥草。因此，用龍竹作為原料制備化學漿時，應該適量增加蒸煮化學藥品用量或適當延長蒸煮時間。

3 結(jié)論

龍竹稈材化學成分分別為灰分1.66%、木質(zhì)素23.87%、綜纖維素67.64%、多戊糖15.88%、冷水抽出物11.28%、熱水抽出物11.81%、1%NaOH抽出物27.24%、乙醚抽出物0.44%和苯醇抽出物4.80%。從細胞壁主要組成成分含量來看，龍竹綜纖維素含量高，木質(zhì)素含量相對較低，滿足紙漿工業(yè)對原料的基本要求，屬于優(yōu)良的制漿造紙原料，值得在其后適宜的地區(qū)推廣種植。但是，由于龍竹稈材灰分含量和苯醇抽出物含量較高，且在各部位間分布差異較大，在以龍竹為原料生產(chǎn)化學漿時，應該盡量將不同部位的竹材分開處理，并適當增加蒸煮時化學藥品的用量或適當延長蒸煮時間。

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