木薯莖稈纖維形態(tài)和化學成分的初步研究

蔣匯川　韋鵬練　李寧　羅建舉

摘 要 木薯作為一種新型的生物質(zhì)能源作物，近年來在中國特別是廣西發(fā)展迅速。其種植和加工過程中產(chǎn)生的大量廢棄物（如木薯渣、木薯莖稈）已成為制約木薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的重要問題。文章對木薯莖稈的纖維形態(tài)和化學成分進行了初步研究，旨在探索木薯莖稈增值利用的新途徑。結果表明：3種木薯莖稈的纖維長度和寬度種間差異性顯著，種A、種B、種C的平均纖維長度與寬度分別為976、920、815 μm與34、32、36 μm。3種木薯莖稈的總平均纖維長度為904 μm，寬度為34 μm，雙壁厚為7.32 μm，長寬比為27，壁腔比為0.27。種A木薯莖稈的纖維素含量為41.49%，木質(zhì)素含量為21.44%，灰分含量為3.46%，苯醇抽出物含量為6.96%，1% NaOH抽出物含量為22.22%，冷水抽提物為11.89%，熱水抽提物為14.15%。綜合分析表明：木薯莖稈纖維屬于中短長度類纖維原料，長寬比小，壁薄，纖維素含量高，可作為纖維板及造紙原料，但需要與其他長纖維原料搭配使用。

關鍵詞 木薯莖稈；纖維形態(tài)；化學成分

中圖分類號 S533；TS72 文獻標識碼 A

Abstract Cassava is developing rapidly as a new biomass energy crop in China especially in Guangxi. A lot of waste such as cassava stem and cassava residue have become a big question in the development of the cassava industry. To explore a new value-added method of cassava stem， the fiber morphology and chemical components of three different cassava stem（species A， species B， species C）in Guangxi were studied in this paper. The results showed that the three different cassava stems had significant difference in the fiber length and width， and the average length， width， double wall thickness， aspect ratio and wall thickness lumen ratio was 904 μm， 34 μm， 7.32 μm， 27 and 0.27， respectively. The total contents of ash， cool-water extractives， hot-water extractives， 1% NaOH extractives， benzene-alcohol extractives， cellulose， and acid-insoluble lignin of cassava stem of species A was 3.46%， 11.89%， 14.15%， 22.22%， 6.96%， 41.49%， and 21.44%， respectively. The analysis indicated that the fiber length of cassava stem belonged to the medium and short range fiber material and the content of cellulose was high. Therefore， the cassava stem is suitable for fiberboard and papermaking industry with other longer fiber length raw material.

Key words Cassava stem；Fiber morphology；Chemical components

木薯（Manihot esculenta），大戟科，木薯屬，灌木狀多年生作物，熱帶和亞熱帶地區(qū)植物，世界三大薯類作物（木薯、甘薯、馬鈴薯）之一[1]。原產(chǎn)于南美洲，19世紀20年代引入中國廣東高州地區(qū)，現(xiàn)已廣泛分布于華南地區(qū)，其中以廣西、廣東、海南、云南栽培最多[1]。木薯不僅是一種重要的糧食作物，還是重要的工業(yè)原料，廣泛應用于食品、飼料、醫(yī)藥、造紙、紡織、制酒等行業(yè)。隨著中國-東盟自由貿(mào)易區(qū)的建成和世界生物質(zhì)能源-燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的興起，木薯燃料乙醇產(chǎn)業(yè)在廣西迅速發(fā)展。2012年廣西木薯種植面積達21.32萬hm2，占全國種植面積的48%，總產(chǎn)量達181.31萬t，占全國比重為69%；木薯淀粉產(chǎn)量122.93萬t，木薯酒精達48.1萬t，均占全國比重的70%以上[2]。木薯在種植以及加工過程中，會產(chǎn)生大量的木薯莖稈、木薯粗根、木薯葉、木薯渣、木薯皮等廢棄物，其中作為與木薯塊根產(chǎn)量基本持平的木薯莖稈和木薯粗根基本上直接被丟棄或是作為低熱值的燃料加以應用，不僅會造成資源的浪費，還會造成生態(tài)環(huán)境的污染[3]。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，為滿足國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，尋求合理的木薯廢棄物利用方式，使之產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益已成為木薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要問題。筆者曾對木薯粗根進行了研究，結果表明木薯粗根纖維平均長度818 μm，寬度26.95 μm，長寬比31.34，壁腔比0.37，纖維屬中短纖維長度類纖維原料，壁薄壁腔比小，不適合單獨用于纖維板和紙張制造，宜與其他長纖維原料搭配使用，可用于造紙和人造板行業(yè)[4]。曾有研究者利用木薯渣生產(chǎn)人造板，研究發(fā)現(xiàn)木薯渣可以用來生產(chǎn)刨花板，板材的力學性能與木質(zhì)刨花板生產(chǎn)相比，用木薯渣做原料生產(chǎn)刨花板所需施膠量較大，產(chǎn)品的密度要偏大，但與木質(zhì)刨花板相比，其內(nèi)結合強度都較高[5]。在木薯渣中摻入部分其它纖維材料如甘蔗渣、較細的木質(zhì)刨花等，可以明顯地提高產(chǎn)品的靜曲強度與握螺釘力[5]。如果能將木薯莖稈也應用于制漿造紙和人造板工業(yè)上，能在一定程度上實現(xiàn)木薯廢棄物的增值利用。因此，對木薯莖稈纖維形態(tài)和化學組成進行分析研究，探討以木薯莖稈作為造紙、人造板原料的可行性，對木薯產(chǎn)業(yè)廢棄物的增值利用具有現(xiàn)實指導意義。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用原料于2009年2月采集于廣西南寧市郊。共3個品種（A-G911、B-H201、C-H205），每個品種選取生長良好，具有代表性的植株3株，共9株。

1.2 方法

1.2.1 試樣離析 去掉粗根后在植株基部、中部、稍部各截取1塊厚約2～3 cm圓盤，將所取圓盤沿縱向劈成火柴桿大小，用冰醋酸-雙氧水法將試材離析。經(jīng)染色后采用計算機顯微圖像電腦分析系統(tǒng)進行纖維形態(tài)測定[6]。纖維長度在10×4倍數(shù)下測定，纖維寬度及腔徑在10×40倍數(shù)下進行測定。每個參數(shù)測定60個數(shù)據(jù)，分析各個參數(shù)的平均值、最大值、最小值、一般值（即70%的纖維所在范圍）及纖維長度、寬度的頻率分布。

1.2.2 化學成分 化學成分分析試樣選取品種A-G911進行試驗，試樣處理按GB/T 2677.1-1993進行[7]，試樣水分、灰分、抽出物、酸不溶木素、綜纖維素等指標分別按GB/T 2677.2-1993、GB/T 2677.3-1993、GB/T 2677.4-1993、GB/T 2677.5-1993、GB/T 2677.6-1994、GB/T 2677.8-1994、GB/T 2677.10-1995方法進行[7]，纖維素的測定采用行業(yè)標準硝酸-乙醇法。

2 結果與分析

2.1 纖維形態(tài)特性

纖維形態(tài)是評價植物原料纖維形態(tài)優(yōu)劣的一項重要指標[8]，主要包括纖維的長度、寬度、長寬比、壁厚、長寬的均勻性及各種細胞本身的形態(tài)等方面[9]。

2.1.1 纖維長度和寬度 纖維的長度及寬度特性通常采用數(shù)量平均值、最大值、最小值和一般值等參數(shù)來表征[8]。3種不同品種的木薯莖稈長度及寬度測量結果見表1。

由表1可知，種A、種B和種C的纖維平均長度分別為976.00、919.64、815.18μm，纖維平均寬度分別為33.64、31.53、35.99μm，長寬比分別為29.00、29.17、22.69。根據(jù)國際木材解剖學協(xié)會（1937年）纖維分級標準[10]，種A、種B木薯莖稈的纖維長度>900 μm，屬于中等纖維類，而種C木薯莖稈纖維屬于短纖維類。對3種木薯莖稈纖維長度的方差分析結果表明，不同品種木薯莖稈之間差異非常顯著。從表1可知，3種木薯莖稈的纖維平均長度為903.61 μm，平均寬度為33.72 μm，平均長寬比為26.96，長度中等，長寬比小。

纖維的長度特性通常采用數(shù)量平均值、長度加權平均值和質(zhì)量加權平均值等來衡量。由于纖維原料中細小組分含量多，但其長度和質(zhì)量分率相對較小，細小纖維數(shù)量會對數(shù)量平均值產(chǎn)生非常顯著的影響，因此數(shù)量平均長度并不能真實代表纖維的制漿造紙?zhí)匦訹11]，同時由于長度加權平均長度同紙張的物理性能有密切的關系，故通常采用長度加權平均值表示纖維的平均長度[11]。3種木薯莖稈的平均長度見表2。纖維長度的變異系數(shù)直接影響原料造紙性能的穩(wěn)定性。從表2可知，3種木薯莖稈（種A、種B和種C）的纖維長度變異系數(shù)分別為13.26%、13.61%和12.14%，三者差距不大。

2.1.2 纖維長、寬度的均一性 同一原料中纖維各種長、寬度的頻率分布是造紙工業(yè)在確立各種漿料配比的主要依據(jù)之一[9， 12]。纖維長、寬度的頻率分布是纖維長、寬度非均一性的體現(xiàn)，從纖維長、寬度頻率分布可以了解不同長度、寬度的纖維在原料中所占的比例，從而確定原料的配比。圖1和圖2是3種木薯莖稈長度和寬度的頻率分布。從圖2～3可以看出，3種木薯莖稈纖維的長度、寬度均成正態(tài)分布，纖維長度在700～900 μm范圍內(nèi)，種A約占23%，種B約占42%，種C約占67%；在900～1 600 μm范圍內(nèi)，種A約占74%，種B約占54%，種C約占21%；寬度在25～32 μm范圍內(nèi)，種A約占46%，種B約占61%，種C約占20%；寬度在33～40 μm范圍內(nèi)，種A約占46%，種B約占34%，種C約占62%；寬度在40 μm以上，種A約占8%，種B約占2%，種C約占18%。3種木薯莖稈的纖維長度和寬度頻率分布差異性較大。但總體來看，3種木薯莖稈的纖維長度頻率分布主要集中在700～1 100 μm，寬度頻率分布主要集中在29～40 μm。

2.1.3 纖維細胞壁厚、胞間直徑和壁腔比 3種木薯莖稈纖維細胞壁厚、壁腔比等形態(tài)參數(shù)見表3。由表3可知，木薯莖稈種A、種B和種C的平均腔徑分別為26.59、24.86、30.66 μm，平均雙壁厚分別為7.14、8.17、6.67 μm，平均壁腔比分別為0.27、0.33、0.22。總體來看，3種木薯莖稈的平均腔徑、雙壁厚和壁腔比分別為27.37 μm、7.32 μm、0.27。

2.2 化學成分

木薯莖稈是天然的有機材料，其化學成分跟其他木質(zhì)材料相似，主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及抽提物等組成[10]。種A木薯莖稈與其他常見木質(zhì)材料的化學成分組成見表4。

木薯莖稈（種A）的灰分含量為3.46%，含量大于木材原料[10]（0.3%～1.0%）。木薯莖稈（種A）的抽出物含量較高，冷/熱水抽出物分別為11.89%與14.15%，苯醇抽出物為6.96%，1%NaOH抽出物含量為22.22%。木質(zhì)素含量為21.44%，高于小麥莖稈、稻草莖稈、蘆葦?shù)确悄举|(zhì)材料，略低于落葉松、馬尾松等，與毛白楊十分接近。木薯莖稈（種A）的纖維素含量為41.49%（硝酸-乙醇法纖維素），僅高于表4中稻草莖稈，而低于其他木質(zhì)材料。

3 討論與結論

3.1 纖維形態(tài)特性

目前對木薯加工剩余物（木薯粗根、木薯莖稈和木薯渣）的研究主要集中在飼料、燃料、菌類培養(yǎng)基等方面[13-17]，對于天然纖維素基質(zhì)材料的木薯莖稈和木薯粗根而言，研究其纖維形態(tài)特性并將其用作造紙和人造板纖維原料具有十分重要的理論和現(xiàn)實意義。

根據(jù)國際木材解剖學協(xié)會（1937年）纖維分級標準[10]，種A、種B木薯莖稈的纖維長度>900 μm，屬于中等纖維類，而種C木薯莖稈纖維屬于短纖維類。根據(jù)纖維寬度分級標準[10]， 3種木薯莖稈的纖維寬度屬于3、4級，高于普通木材。與前期木薯粗根纖維研究相比較[4]，3種木薯莖稈的纖維平均長度（903.61 μm）略大于木薯粗根纖維平均長度（818 μm），纖維平均寬度（33.72 μm，4級）大于木薯粗根纖維平均寬度（26.95 μm，3級）。3種木薯莖稈的平均長寬比為26.96，小于木薯粗根纖維平均長寬比（31.34），亦小于在造紙工業(yè)中植物纖維的長寬比一般要求（>30）[18]。由此可見，木薯莖稈和木薯粗根均不屬于很好的長纖維（>1 600 μm）原料，不宜單獨作為造紙和人造板纖維原料。

根據(jù)纖維原料要求：當壁腔比<1時，為很好的纖維原料，壁腔比約為1時，為好的纖維原料，壁腔比>1時，為劣等纖維原料[19]。本研究結果表明，木薯莖稈纖維細胞壁較薄，細胞腔大，壁腔比小，約為0.27，說明木薯莖稈屬于很好的纖維原料，這樣的纖維柔韌性大，制漿時很容易被壓潰變形，形成細纖維，抄紙時結合比表面積大，有利于提高紙張的強度，成紙質(zhì)量較好[20-21]。

本研究纖維形態(tài)分析表明，3種木薯莖稈的纖維長度和寬度種間存在顯著性差異，種A和種B屬于中等纖維長度類原料，種C屬于短纖維長度類原料。3種木薯莖稈的平均纖維長度為904 μm，平均寬度為34 μm，平均雙壁厚為7.32 μm，長寬比為27，壁腔比為0.27。綜合來看，3種木薯莖稈屬于中短纖維長度類纖維原料，壁薄，長寬比小，可作為造紙和人造板纖維原料，不適宜單獨使用，宜與其他針、闊葉材等長纖維原料配合使用。

3.2 化學成分

本研究結果顯示，木薯莖稈的灰分含量大于木材原料（0.3%～1.0%）。木薯莖稈的抽出物含量較高，說明木薯莖稈中脂肪酸、樹脂、植物堿、小分子木素、蠟、色素、酚類、不皂化物、無機鹽等含量遠高于一般的木材及其常用的針、闊葉材原料[22]。一般來說，抽出物的存在會增加蒸煮中化學藥品的消耗，延緩蒸煮過程，影響紙漿的顏色，還可能產(chǎn)生樹脂障礙，不利于生產(chǎn)[22]。木薯莖稈的木素含量為21.44%，說明木薯莖稈的材質(zhì)硬度小，在削片、擠碾過程中能耗較小[22]，蒸煮中也可減少化學藥品的消耗，漿料也容易漂白。木薯莖稈的纖維素含量為41.49%，均低于杉木、落葉松等木質(zhì)材料。

總體而言，木薯莖稈的木素含量較低，纖維素含量較高，用木薯莖稈制漿可獲得與木材原料相當?shù)睦w維得率，表明被測木薯莖稈可作為造紙和人造板纖維原料。

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