蒸煮處理對栓皮櫟軟木主要物理特性的影響

苑一丹，朱玲燕，宋孝周

(西北農(nóng)林科技大學林學院，陜西楊凌712100)

蒸煮處理對栓皮櫟軟木主要物理特性的影響

苑一丹，朱玲燕，宋孝周*

(西北農(nóng)林科技大學林學院，陜西楊凌712100)

研究了沸水不同蒸煮處理時間對秦巴山區(qū)初生和再生栓皮櫟軟木的微觀結(jié)構(gòu)、物理特性和表面色度學參數(shù)的影響。結(jié)果表明，沸水蒸煮可使栓皮櫟軟木細胞膨脹、細胞壁褶皺減少。在試驗范圍內(nèi)，沸水蒸煮可使栓皮櫟軟木體積增大、密度降低，初生和再生軟木體積膨脹率分別為15.4%～17.1%和24.8%～26.8%，密度變化比值均小于1。不同時間沸水蒸煮處理后，初生和再生軟木的徑向尺寸變化明顯大于軸向和弦向。與未處理軟木相比，沸水蒸煮可降低軟木硬度和壓縮回彈率，蒸煮處理1 h后，初生和再生軟木壓力釋放24 h后的壓縮回彈率分別為85.20%和84.23%，硬度變化比值分別為0.804和0.724。沸水蒸煮后軟木表面明度降低，蒸煮前后的總體綜合色差隨著蒸煮時間的延長而增大。

栓皮櫟軟木；蒸煮處理；物理特性；色度學參數(shù)；細胞結(jié)構(gòu)

軟木也稱栓皮，為栓皮樹的樹皮產(chǎn)物，由木栓形成層向外分生而產(chǎn)生，主要來源樹種為國內(nèi)的栓皮櫟和國外的栓皮櫧[1-4]。第一次采剝的軟木稱為初生軟木，以后每隔9～15 a再次采剝的軟木稱為再生軟木。軟木因質(zhì)輕、回彈性好、滲透性低和化學穩(wěn)定性優(yōu)等特點，被廣泛應(yīng)用于葡萄酒瓶塞、絕熱層和室內(nèi)裝飾材料等諸多領(lǐng)域[5-9]。

從樹上采剝并經(jīng)自然干燥后的軟木表面不平整，呈弧狀，表面雜質(zhì)較多，容重和硬度較大，未完全呈現(xiàn)出其優(yōu)良的性能，影響后續(xù)的加工和應(yīng)用。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中，軟木原材料要經(jīng)過預處理才能進行后續(xù)的生產(chǎn)加工，而熱水蒸煮處理是一種常見的原料預處理方法[10-11]。通過熱水蒸煮可以去除軟木表面的雜質(zhì)和水溶性物質(zhì)，使軟木體積膨脹、密度降低、各項異性減小，提高軟木的性能，有利于后續(xù)加工[12-13]。

國外已有關(guān)于栓皮櫧軟木熱水蒸煮過程的研究報道。Rosa等[14]研究了水煮過程中相關(guān)指標對軟木試件的影響，包括水煮溫度、水煮時間、軟木質(zhì)量等，結(jié)果表明，水煮可顯著增加軟木徑向尺寸，而質(zhì)量則幾乎不變；Cumbre等[15]發(fā)現(xiàn)熱水蒸煮可以增強軟木的諸多特性，包括增強軟木板的平整性、增加各向尺寸、使軟木厚度變得更為均勻和降低軟木表面孔隙面積等。國內(nèi)對栓皮櫟軟木熱水蒸煮過程的研究鮮有報道。趙涇峰等[16]研究表明，沸水蒸煮方式可以使軟木體積膨脹，增加其彈性和柔韌性，但蒸煮前后軟木的具體尺寸、硬度、顏色及壓縮回彈等特性變化還鮮見相關(guān)報道。

筆者以陜西秦巴山區(qū)的初生與再生栓皮櫟軟木為原料，探討沸水不同蒸煮處理時間對栓皮櫟軟木細胞結(jié)構(gòu)特性、物理特性及表面色度學參數(shù)的影響，以期為栓皮櫟軟木的工業(yè)水煮過程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)備

栓皮櫟(Quercusvariabilis)軟木樣品產(chǎn)自陜西鳳縣，在實驗室自然條件下存放約6個月。試件加工時軟木含水率在6%左右，初生軟木年輪數(shù)為40～50個，再生軟木年輪數(shù)為15～20個。

主要設(shè)備：S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立公司；CMT5504電子萬能力學試驗機，深圳新三思材料檢測有限公司；DHG-9123A電熱恒溫鼓風干燥箱，上海精宏實驗設(shè)備有限公司；XHS型邵爾硬度計，營口市材料試驗機有限公司；HWS-70B型恒溫恒濕培養(yǎng)箱，天津泰斯特儀器有限公司；SC-80C型全自動色差計，北京康光儀器有限公司；MB104型壓刨機，牡丹江木工機械廠；WA8型精密推臺鋸機，秦皇島歐登多機械制造有限公司；MJ344A型細木工帶鋸機，威海市木工機械廠。

1.2 試驗方法

1.2.1 材料處理與蒸煮試驗

將軟木試材進行刨削、打磨及鋸切，并加工成表面平整的不同尺寸試件備用。軟木沸水蒸煮處理即將軟木試件浸沒于沸水(水溫98℃左右)中，浸泡時間分別為30，60，120和180 min。對處理后的試件進行烘干和調(diào)濕處理，使處理前后軟木試件的含水率一致(兩者差值在1%范圍內(nèi))。

1.2.2 軟木細胞結(jié)構(gòu)分析

選取處理前后的初生和再生栓皮櫟軟木進行徒手剖切制樣，試樣長和寬為3～5 mm、厚1 mm左右，表面平整、厚度均勻，經(jīng)干燥、粘貼和表面噴金后置于掃描電鏡中觀察，分析沸水蒸煮前后軟木的橫向、徑向和弦向3個切面的顯微圖像。

1.2.3 軟木物理特性測試

1)參照LY/T 1317—2013《栓皮》測定初生和再生栓皮櫟軟木尺寸、質(zhì)量和硬度。使用排水法測定試件的體積，并求得密度。本試驗中，將沸水蒸煮處理后的測量值與相應(yīng)未處理樣品的測量值之比定義為該值的變化比值。

2)15 min和24 h后的壓縮回彈率測試參照文獻[17]中的方法進行，將試件置于力學試驗機上加壓，加壓速度5 mm/min。當試樣徑向尺寸被壓縮至原始尺寸的一半，即受壓變形達到50%時解除壓力，分別在15 min和24 h后測量試件的厚度。壓縮回彈率(R)的計算公式為：

式中：T1為試樣徑向壓縮變形達到50%時的厚度，mm；T2為解除壓力15 min或24 h后的試件厚度，mm。

3)根據(jù)CIE 1976L*a*b*標準色度學表色系統(tǒng)，利用全自動色差計測量試件處理前后的表面色度學參數(shù)值，每個試件測3個不同的點，各點測2次求得均值。L*、a*、b*、C*和H分別表示試件表面的明度、紅綠色品指數(shù)、黃藍色品指數(shù)、飽和度和明度。

測量沸水蒸煮處理前后軟木尺寸、體積、密度和壓縮回彈率的試件長和寬均為16 mm，測量表面硬度及表面色度學參數(shù)的試件長和寬均為30 mm，兩類軟木試件的厚度均大于6 mm。測定各物理參數(shù)的試件數(shù)量均為30個，結(jié)果取均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸煮處理對栓皮櫟軟木細胞結(jié)構(gòu)的影響

軟木是一種栓化死細胞保護層，軟木細胞在橫切面和徑切面上呈磚塊狀，在弦切面上呈蜂窩狀，沸水蒸煮前后軟木細胞三切面的掃描電鏡圖見圖1。由圖1可知，軟木細胞是中空細胞，沒有細胞間隙，在未處理栓皮櫟軟木細胞的橫切面和徑切面(圖1a、b)可以觀察到，細胞壁沿徑向存在明顯的不規(guī)則褶皺，而弦切面上的褶皺很少，褶皺是軟木細胞在向外生長過程中受壓縮產(chǎn)生的。經(jīng)過沸水蒸煮處理后，軟木細胞壁的褶皺有所減少(圖1d、e)，彎曲的細胞壁變得更為平直。這是由于沸水蒸煮處理過程中，水分進入軟木細胞的細胞壁，水和熱的共同作用導致軟木細胞壁應(yīng)力釋放，細胞體積膨脹，褶皺有所減少。

注：a和d的箭頭方向為軟木徑向；b、c、e和f的箭頭方向為軟木軸向。圖1 處理前后栓皮櫟軟木細胞三切面的掃描電鏡圖Fig. 1 SEM images of the three sections of cork from Quercus variabilis before and after treatment

2.2 蒸煮處理對軟木物理特性的影響

沸水蒸煮處理后初生和再生軟木試件的徑向、軸向和弦向的尺寸、體積及密度變化比值見表1。從表中可以看出，栓皮櫟初生和再生軟木經(jīng)沸水蒸煮不同時間后的尺寸和體積變化比值均大于1，密度變化比值小于1，表明沸水蒸煮能夠增加軟木的尺寸，使其體積膨脹、密度減小。在30～180 min的處理時間下，初生軟木體積膨脹率為15.4%～17.1%，再生軟木體積膨脹率為24.8%～26.8%，再生軟木經(jīng)沸水蒸煮處理后的體積膨脹程度明顯大于初生軟木。在初生軟木中可肉眼觀察到較多呈白色和線條狀的雜質(zhì)，該雜質(zhì)為夾砂，又稱石細胞，質(zhì)地堅硬，類似于砂石狀的硅化物，較多夾砂的存在使初生軟木的體積膨脹率低于再生軟木。

表1 沸水不同蒸煮處理時間后栓皮櫟軟木的尺寸、體積和密度變化比值Table 1 Demensional, volume and density change ratios of cork from Quercus variabilis afterdifferent water boiling treatment times

本試驗中，初生和再生栓皮櫟軟木在蒸煮處理60 min時體積變化比值達到最大，之后隨著處理時間的增加，栓皮櫟軟木的體積變化量不再增大。蒸煮過程會導致軟木細胞壁褶皺減少，細胞體積膨脹，在宏觀上表現(xiàn)為試件體積增大，但是Rosa等[18-19]的研究表明，250℃以上的蒸汽處理才可以使軟木的細胞壁變得完全平直。因此，本試驗條件下的沸水蒸煮處理只能使軟木細胞壁部分變得平直，體積有限膨脹，隨著沸水蒸煮時間的延長，軟木細胞會變得更加潤脹和柔軟，而后續(xù)的烘干和調(diào)濕處理，也會使充分潤脹的軟木細胞收縮較為明顯。因此，試驗范圍內(nèi)軟木的體積變化比值沒有隨蒸煮時間的延長而持續(xù)增大。

由表1還可看出，沸水不同蒸煮處理時間后，初生和再生軟木的徑向尺寸變化明顯大于軸向和弦向。在本試驗條件下，初生軟木的徑向尺寸增長在10.2%～10.9%之間，再生軟木的徑向尺寸增長在20.1%～20.3%之間，初生軟木的非徑向(軸向和弦向)尺寸增長在1.8%～3.4%之間，再生軟木的非徑向尺寸增長在1.4%～2.8%之間。這是因為軟木是由木栓形成層沿垂直于樹軸方向(即徑向)向外分生而形成的栓皮層，細胞在生長過程中由于受到應(yīng)力及自然擠壓的影響，在徑向存在更多的褶皺(圖1a和1b)，蒸煮處理后的軟木細胞在徑向有更多的褶皺變平直，在宏觀上表現(xiàn)為徑向尺寸變化大于非徑向。此外，初生和再生軟木體積膨脹率分別為15.4%～17.1%和24.8%～26.8%，密度降低范圍分別為12%～15%和20%～21%。

沸水不同蒸煮處理時間前后初生和再生軟木的表面硬度及其變化比值見表2。表2可見，初生和再生栓皮櫟軟木經(jīng)不同時間沸水蒸煮后的硬度變化比值均小于1。水分和熱量的作用使軟木中的雜質(zhì)有所減少，細胞壁中的木質(zhì)素和半纖維素等成分會發(fā)生一定程度的塑化，導致硬度降低，軟木變得較為柔軟。與未處理軟木相比，蒸煮處理后立即測硬度時，其值明顯降低；當沸水蒸煮后的軟木含水率調(diào)整到與未處理軟木一致時，硬度又有一定程度的升高，但仍低于未處理前軟木的硬度值。

表2 沸水不同蒸煮處理時間前后栓皮櫟軟木表面硬度及其變化比值Table 2 Surface hardness and its change ratios of cork from Quercus variabilis before and after differentwater boiling treatment times

注：括號中數(shù)據(jù)為硬度變化比值。

沸水蒸煮處理對初生和再生軟木硬度的影響不同，在本試驗條件下沸水蒸煮并調(diào)整含水率至與未處理軟木一致后，初生和再生栓皮櫟軟木的硬度值分別降低了19.2%～19.7%和27.6%～28.1%。與再生軟木相比，初生軟木中含有較多的夾砂雜質(zhì)，軟木中的夾砂硬度較大，影響軟木的平均硬度值，蒸煮處理可以降低軟木硬度，但不能完全除去雜質(zhì)。因此，夾砂含量的不同，使初生和再生軟木硬度的降低程度也不同。

由表2還可以看出，蒸煮后立即測得的硬度值在總體上隨著蒸煮時間的延長而減小，而調(diào)整試樣含水率后，蒸煮時間對硬度的變化沒有明顯影響。這是因為隨著蒸煮時間的延長，軟木內(nèi)部滲透的水分也越多，水熱作用使軟木細胞更加潤脹和柔軟，立即測得的硬度值也越低，硬度變化比值減小。本試驗條件下的沸水蒸煮溫度(98℃左右)沒有達到軟木中的木質(zhì)素和纖維素玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，當調(diào)整蒸煮后試樣含水率到其初始值時，由于含水率的降低，軟木又有恢復其原有硬度特性的能力，而且試樣本身之間存在差異，使得試驗范圍內(nèi)蒸煮時間對處理后軟木試件硬度變化比值的影響沒有明顯規(guī)律。

沸水蒸煮處理前后初生和再生軟木試件的壓縮回彈率見表3。由表3可知，未處理的初生和再生栓皮櫟軟木試件在受壓并釋放15 min后可達到較大程度的回彈，其值分別是83.16%和85.86%，而在受壓并釋放24 h后壓縮回彈率值分別達到88.42%和90.82%，因此，軟木是一種壓縮回彈性能優(yōu)良的材料。不同時間的沸水蒸煮處理會導致初生和再生栓皮櫟軟木壓縮回彈率的實際數(shù)值有不同程度的降低。由于軟木是一種黏彈性材料，蒸煮處理后塑性會增加，而處理后的軟木試件受到壓縮時容易產(chǎn)生新的褶皺，可能會導致軟木壓縮回彈率有所降低。但是蒸煮處理后，軟木的徑向尺寸明顯增大，試件壓縮后的徑向?qū)嶋H回復尺寸值未必小于未處理試樣，由于本試驗的壓縮回彈率值只是不同試樣壓縮后回復的最終厚度與初始厚度之比，因此，蒸煮處理對軟木壓縮回彈率的具體影響還需深入研究。

表3 沸水不同蒸煮處理時間后栓皮櫟軟木的壓縮回彈率Table 3 Compression resilience ratios of cork from Quercus variabilis after different water boiling treatment times

2.3 沸水處理對栓皮櫟軟木表面色度學參數(shù)的影響

沸水蒸煮處理前后初生和再生軟木試件表面色度學參數(shù)結(jié)果見表4。由表4可知，沸水蒸煮處理導致試件在處理前后出現(xiàn)了明顯的色差變化，處理前后初生和再生栓皮櫟軟木試件的總體綜合色差ΔE*的范圍分別為14.97～17.27和12.15～18.44。栓皮櫟軟木試件表面色度學參數(shù)發(fā)生了不同程度的變化，其中明度的變化是導致試件在處理前后總體綜合色差較大的主要原因，在本試驗條件下初生和再生軟木試件處理前后的明度差ΔL*均為負值，即蒸煮處理會導致栓皮櫟軟木表面的明度值降低。隨著沸水蒸煮處理時間的增加，處理前后栓皮櫟軟木試件表面的總體色差ΔE*的變化呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，且與明度差ΔL*的變化規(guī)律相似，即隨著蒸煮處理時間的增加，試件表面的明度降低，處理前后栓皮櫟軟木試件表面的明度差絕對值明顯增大，總體綜合色差增大。

表4 沸水不同蒸煮處理時間前后栓皮櫟軟木表面色差值Table 4 Surface color difference of the cork from Quercus variabilis before and after different water boiling treatment times

注：ΔE*表示處理前后試件的總體綜合色差，數(shù)值越大表示處理前后試件的顏色差異越大。

3 結(jié) 論

以栓皮櫟軟木為研究對象，采用沸水進行蒸煮處理，系統(tǒng)研究了蒸煮處理對軟木微觀構(gòu)造及主要物理特性的影響規(guī)律，結(jié)果表明：

1)沸水蒸煮會導致栓皮櫟軟木細胞體積膨脹，細胞壁褶皺減少。

2)沸水蒸煮能使栓皮櫟軟木的體積增大、密度降低，初生和再生軟木徑向的尺寸變化率明顯大于軸向和弦向。在本試驗范圍內(nèi)，初生和再生軟木的徑向尺寸增長范圍分別為10.2%～10.9%和20.1%～20.3%，非徑向尺寸增長范圍分別為1.8%～3.4%和1.4%～2.8%；初生和再生軟木體積膨脹率分別為15.4%～17.1%和24.8%～26.8%，密度降低范圍分別為12%～15%和20%～21%。

3)沸水蒸煮會降低初生和再生栓皮櫟軟木的表面硬度，但在本試驗范圍內(nèi)，當蒸煮后軟木含水率調(diào)整到與未處理一致時，蒸煮時間對硬度變化比值的影響不明顯。軟木是一種壓縮回彈性能優(yōu)良的材料，壓力釋放24 h后，未處理的初生和再生栓皮櫟軟木的壓縮回彈率可達88.42%和90.82%，蒸煮處理1 h后的初生和再生栓皮櫟軟木也能保持較高壓縮回彈率，分別為85.20%和84.23%。沸水蒸煮對軟木壓縮回彈率的具體影響還需深入研究。

4)沸水蒸煮處理可降低初生和再生栓皮櫟軟木試件的表面明度，隨著處理時間的增加，處理前后栓皮櫟軟木試件表面明度差的絕對值明顯增大，總體綜合色差增大。

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Effects of boiling water treatment on main physicalproperties of cork fromQuercusvariabilis

YUAN Yidan, ZHU Lingyan, SONG Xiaozhou*

(College of Forestry, Northwest A & F University, Yangling 712100, Shaanxi, China)

The original and reproduced cork samples fromQuercusvariabiliswere collected from the Qinba Mountain in Shaanxi Province, China. Cell structural features, principal physical properties and colorimetric parameters of the corks were investigated before and after boiling water treatment in order to explore the influences of boiling water treatment on the original and reproduced corks. The microscopic structures of the original and reproduced corks were observed by using the field emission scanning electron microscope (FE-SEM), and the characteristic parameters of the cork cells were analyzed with the software of Image-Pro Plus 6.0. The main physical properties, such as density, hardness, compression resilience ration and colorimetric parameters were measured by the techniques based on the relevant national and industrial standards and literatures. All parameters were measured before and after the boiling water treatment. The results of FE-SEM observation showed that the boiling water treatment could result in attenuation of cell-wall corrugation and cork cell expansion. The boiling water treatment led to volume expansion and density reduction of the corks fromQ.variabilis. The volume growth ranges of original and reproduced corks were 15.4%-17.1% and 24.8%-26.8%, respectively. The density change ratios of the original and reproduced corks were 0.85-0.88 and 0.79-0.80, respectively. The maximum volume expansion occurred when the samples were treated for 1 h. The boiling water treatment caused a reduction of hardness, while the change ratio of hardness was not affected by processing time. The mean hardness change ratios of the original and reproduced corks were 0.804 and 0.724, respectively, after 1 h boiling. In addition, the boiling water treatment caused brightness reduction of the samples, and the color difference increased with the increase of processing time. The cork had excellent compression recovery performance, and the mean radial compression resilience ratios of the original and reproduced corks after 24 h pressure relief were 88.42% and 90.82%, respectively. However, the influence of boiling water on the recovery performance still needs further studies.

cork fromQuercusvariabilis; boiling water treatment; physical property; colorimetric parameter; cellular structure

2016-12-22

2017-03-02

國家自然科學基金(31470583)。

苑一丹，女，研究方向為木材科學與技術(shù)。通信作者：宋孝周，男，教授。E-mail:xzhsong@163.com

S781.3

A

2096-1359(2017)03-0044-06