2種楊樹濕心材化學(xué)成分分析

李明月，段洪南，吳振強，李興會，邱 堅

(西南林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650224)

楊樹是我國重要的速生用材樹種之一，在全國各地均有種植，生長周期短[1]，分布廣，品種多，適應(yīng)性強。濕心材現(xiàn)象是影響楊樹正常生長及有效利用的重要問題，同時楊樹濕心材的發(fā)生率高達100%[2]。有些樹木中存在一些有臭味的液體，這些液體會從樹木的傷口冒出同時還伴有氣泡，這是所謂濕心樹材[3]。濕心材的特征是心邊材含水率不同，心材遠高于邊材，并且常常出現(xiàn)心材變色的現(xiàn)象?；盍⒛局醒氩糠趾矢?，暴露于空氣中會顯出深褐色或紅色，在一些樹種中常稱之為“變色材”或“紅心病”[4-5]。通常濕心材對木材生長不會有致命的影響，但是濕心材會影響木材干燥、降低木材品質(zhì)，造成經(jīng)濟損失[6]，因此各國學(xué)者對濕心材進行了廣泛研究和報道。

我國對于楊樹濕心材的成因也得出不同的結(jié)論，主要有3種不同的看法：1)病理性，由于微生物在樹木內(nèi)部活動，使心材產(chǎn)生物理化學(xué)變化，形成濕心材。病理性濕心材有2種：原發(fā)性和繼發(fā)性。2)生理性，樹木自身的保護反應(yīng)，為防御傷口等外界傷害，產(chǎn)生的生理作用而形成濕心。3)生理和病理綜合作用。而晁龍軍[7]等發(fā)現(xiàn)1種病原真菌Fusariumproliferaturn致病力強，是引起我國楊樹濕心材的主要病原之一。楊樹濕心材與基因、樹齡、栽植密度、地下水位等多種因素有關(guān)系[5]。濕心材很可能是由多種細菌共同作用導(dǎo)致，與環(huán)境因素有關(guān)。不同樹種濕心材的微生物組成、氣體、液體和pH值均不同。盡管對濕心材的研究已經(jīng)取得了不少成果[8-9]，但是關(guān)于濕心材的成因，目前還沒有被各國學(xué)者廣泛接受的定論。筆者認為，楊樹濕心材的化學(xué)成分與邊材的化學(xué)成分之間必然存在差異，這些差異不僅可以明確楊樹濕心材的利用方向，同時反應(yīng)了楊樹濕心材形成的原因，為此本試驗測定2種楊樹三脈青楊(Populustrinervis)、康定楊(Populuskangdingensis)濕心材與邊材的主要化學(xué)成分，分析楊樹濕心材與邊材主要化學(xué)成分差異，為楊樹濕心材形成原因及楊樹濕心材的有效利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

具有濕心材現(xiàn)象的三脈青楊(P.trinervis)、康定楊(P.kangdingensis)，樹齡15 a左右，試驗樣品取自地面高度1.5 m處的木質(zhì)部。各取2種樣品，將濕心材部分與邊材部分分開處理，分別將濕心材部分和邊材部分劈成小木塊并在萬能粉碎機中粉碎，選取40～60目原料備用。

1.2 主要化學(xué)成分分析

2種樣品的基本化學(xué)組分分析，按照中華人民共和國國家標準測定：灰分按照 GB2677.3-93測定、水抽出物含量按照GB2677.4-93測定、1%NaOH抽出物含量按照GB2677.5-93測定、綜纖維素(纖維素和半纖維素)含量測定按照GB2677.10-1995測定。

苯-乙醇抽出物含量測定：稱取3 g(精確至0.000 1 g)試樣,用苯-乙醇混合液抽提過的定性濾紙包扎好,放入索氏抽提器中進行抽提，確保抽提次數(shù)大于4次/h，抽提6 h。抽提完畢后，將底瓶先置入(55±2)℃的烘箱中絕干，在調(diào)溫度至(105±2)℃恒重。

酸不溶木素含量測定：準確稱取1 g試樣進行苯醇抽提后風(fēng)干。移入100 mL的具塞錐形瓶中，加入15 mL 72%的硫酸后密封，在18～20℃條件下保溫2 h，并不時搖蕩錐形瓶。2 h后將錐形瓶內(nèi)物質(zhì)吹洗到錐形瓶中，確保液體總體積為560 mL，確保液體總體積為560 mL的條件下煮沸4 h，過濾、將濾渣洗滌至中性，濾渣移入烘箱，(105±2)℃條件下烘干至質(zhì)量恒定稱重。

2 結(jié)果與分析

對具有濕心材現(xiàn)象的三脈青楊、康定楊的濕心材和邊材分別進行主要化學(xué)成分分析結(jié)果如表1。每組樣品測試3次，在誤差范圍內(nèi)取平均值，表格中為3次測試平均值。

表1 2種楊樹濕心材與邊材化學(xué)成分分析

2.1 細胞壁主要成分

作為細胞的承載物質(zhì)細胞壁的主要成分是綜纖維素和木質(zhì)素。由表1可以看出，三脈青楊的濕心材的綜纖維素含量為78.17%，邊材綜纖維素含量為79.22%，康定楊濕心材綜纖維素含量為79.56%，邊材的綜纖維素含量為83.05%。2種楊樹濕心材綜纖維素含量均小于邊材總纖維含量。三脈青楊濕心材中木質(zhì)素含量為25.21%，邊材的木質(zhì)素含量為21%?？刀顦錆裥牟馁|(zhì)素含量為21.42%，邊材木質(zhì)素含量為20.04%，2種楊樹的木質(zhì)素含量心材高于邊材。

2.2 灰分

灰分是木材的木質(zhì)部經(jīng)過灼燒后殘留的無機物組成的，主要化學(xué)成分是Ca、K、Na、Mg等無機鹽。由表1可以看出，楊樹的灰分在0.5%左右，相對于云南甜竹等禾本科植物楊樹的灰分含量較低，這有利于楊樹在制漿造紙利用后廢液的回收。其中三脈青楊濕心材灰分為0.65%，邊材灰分為0.45%?？刀畹臐裥牟幕曳譃?.59%，邊材的灰分為0.47%，二者心材的灰分含量均大于邊材灰分含量。

2.3 抽出物

抽出物是樹木生理代謝的產(chǎn)物，是評價木材利用的重要指標，也是探究植物代謝過程的依據(jù)。水抽出物的主要成分是糖類、淀粉類、精油、單寧、色素等。由表1可以看出，三脈青楊濕心材熱水抽出物為2.9%高于邊材熱水抽出物1.78%，同樣康定楊的濕心材熱水抽出物的含量3.35%也高于其邊材熱水抽出物的含量1.75%。三脈青楊濕心材冷水抽出物含量為1.95%高于邊材冷水抽出物的含量1.32%，康定楊濕心材冷水抽出物的含量1.96%同樣高于其邊材冷水抽出物的含量1.45%。苯醇抽出物的主要成分是脂肪類。由表1可以看出，三脈青楊濕心材苯醇抽出物含量為3.50%小于邊材苯醇抽出物的含量3.95%，同樣康定楊濕心材苯醇抽出物的含量1.55%也小于邊材苯醇抽出物的含量2.05%。康定楊總體苯醇抽出物的含量要小于三脈青楊。由表1可以看出，三脈青楊濕心材1%NaOH抽出物含量為14.84%小于邊材1%NaOH抽出物的含量18.21%，同樣康定楊濕心材1%NaOH抽出物的含量14.79%也小于邊材1%NaOH抽出物的含量19.356%。

3 結(jié)論與討論

2種楊樹濕心材木質(zhì)部與邊材木質(zhì)部主要化學(xué)成分有明顯的差異，綜纖維素含量濕心材低于邊材，木質(zhì)素含量濕心材高于邊材。木材細胞壁是樹木的實質(zhì)承載結(jié)構(gòu)，是以纖維素微纖絲為增強相，木質(zhì)素、半纖維素為基質(zhì)的層板結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料[10]。綜纖維素和木質(zhì)素是細胞壁的主要化學(xué)物質(zhì)，是判斷原材料利用價值的主要依據(jù)，楊樹濕心材與邊材的綜纖維素含量和木質(zhì)素含量是其利用的重要標準。從細胞壁主要成分來看，2種楊樹濕心材的綜纖維素含量都低于邊材的綜纖維素含量，但是2種楊樹濕心材的纖維素含量仍然高于禾本科植物綜纖維素含量如龍竹、甜龍竹[11]，是較好的纖維材料。而在造紙制漿過程中木質(zhì)素含量多，會降低化學(xué)法制漿的紙漿得率，如果制漿過程中木質(zhì)素殘留量較大，可能出現(xiàn)紙張泛黃的現(xiàn)象[12]。濕心材木質(zhì)素含量相對于邊材較高，濕心材在制漿造紙過程中濕心材比邊材出現(xiàn)紙張泛黃的可能性大，同時由于楊樹濕心材位置顏色較深，對于楊樹的利用有一定影響。綜纖維素和木質(zhì)素含量的變化，是木材生理代謝不同階段的成果，濕心材與邊材綜纖維素和木質(zhì)素含量測定為楊樹濕心材形成過程中生理代謝產(chǎn)生不同現(xiàn)象提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。木質(zhì)素是木材細胞壁中的重要組成部分，木質(zhì)素含量的變化與植物生長代謝及收到刺激后的防御反應(yīng)有很大的相關(guān)性。有學(xué)者研究表明當植物收到外界刺激，產(chǎn)生的防御反應(yīng)中木質(zhì)素含量增加是其中重要的一個現(xiàn)象[13]，主要是因為木質(zhì)素的主要結(jié)構(gòu)是芳香族化合物，而芳香族化合物具有一定的防御效果，在植物受到環(huán)境脅迫后產(chǎn)生防御反應(yīng)，保護植物。2種楊樹的濕心材的酸不溶木質(zhì)素含量均大于邊材酸不溶木質(zhì)素的含量，說明木質(zhì)素含量增加是濕心材在形成過程中受到外界的刺激而產(chǎn)生防御反應(yīng)，是植物自我保護一種機制。

2種楊樹中濕心材灰分都高于邊材灰分含量。濕心材的灰分含量較邊材高可能由于楊樹濕心材的水分含量較高，水中含有大量的無機鹽類物質(zhì)，從而造成濕心材灰分含量高。也有學(xué)者認為由于濕心材的無機鹽含量高而增加心邊材的滲透壓，迫使水分大量由邊材滲透到心材，形成濕心材的現(xiàn)象[8]，這與本研究的結(jié)論相符。

抽出物主要存在于細胞的組織液中，主要成分是糖類、蛋白類物質(zhì)、淀粉、氨基酸、脂肪、蠟、樹脂、精油、單寧、色素等。這些非細胞壁物質(zhì)，因極性、酸堿性和分子質(zhì)量的不同，在不同溶劑中的溶解度各不相同是纖維類化合物利用評價的一個重要指標[14]。抽出物是樹木生長生理變化的體現(xiàn)，也是木材在利用過程中的一個重要指標，一般闊葉材的心材抽出物含量較邊材高[15]。2種楊樹心邊材抽出物測定結(jié)果是：苯醇抽出物含量濕心材小于邊材，1%NaOH抽出物的含量濕心材小于邊材，冷水抽出物的含量濕心材小于邊材，熱水抽出物含量濕心材小于邊材。2種楊樹濕心材的水抽出物含量大于邊材，說明濕心材含有較高含量的水溶性物質(zhì)。這說明刺激楊樹濕心材形成過程中植物中不可溶于水的化合物逐漸代謝成為水溶性物質(zhì)如單糖、低聚糖、氨基酸等可溶性親水礦物質(zhì)而被水抽出。楊樹濕心材水抽出物的含量與一般樹種正常形成的心材的抽出物含量相反，說明楊樹濕心材的形成原因與正常的樹種心材形成的原因不同。2種楊樹濕心材的苯醇抽出物的含量均小于邊材苯醇抽出物的含量，有學(xué)者認為楊樹濕心材形成是由于病源真菌的作用，2種楊樹心材苯醇抽出物的含量均小于邊材苯醇抽出物含量，說明濕心材形成過程中會抑制脂肪類等溶解于有機溶劑的物質(zhì)產(chǎn)生。1%NaOH抽出物的主要成分熱水抽出物和脂肪酸及在弱堿條件下降解的半纖維素和木質(zhì)素[11]，是造紙工藝中評價原料的重要指標。堿性制漿可以提高紙漿的強度特性，因為稀釋的堿液處理原料可以溶解部分半纖維素鏈段，得到較長鏈段的纖維素，從而增強紙漿強度[16]。濕心材的1%NaOH抽出物含量小于邊材，說明在濕心材中半纖維素含量較低，在堿性制漿造紙過程中濕心材作為原料更有利于提高紙張強度。