木材細(xì)胞壁超微構(gòu)造的形成、表征及變化規(guī)律

孫海燕，王玉榮

（1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091）

木材是一種多孔性、層次狀、各向異性的非均質(zhì)天然高分子復(fù)合材料，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素3種高分子聚合物組成。木材的實(shí)體物質(zhì)為其細(xì)胞壁，細(xì)胞壁中的纖維素通過分子鏈聚集成排列有序的微纖絲束，構(gòu)成了細(xì)胞壁的基本骨架［1］。揭示木材細(xì)胞壁特別是其骨架的超微構(gòu)造的形成及變化規(guī)律，對木材細(xì)胞壁的改性處理以及后續(xù)的遺傳改良等具有重要的科學(xué)意義。木材細(xì)胞壁在超微水平上主要以纖維素微纖絲及結(jié)晶區(qū)的形式體現(xiàn)，木材科學(xué)中常用微纖絲角表征細(xì)胞次生壁S2層中微纖絲排列方向與細(xì)胞主軸方向的夾角，用結(jié)晶度和微晶形態(tài)表征結(jié)晶區(qū)和其基本組成結(jié)構(gòu)的大?。?］。木材細(xì)胞壁超微構(gòu)造即微纖絲和結(jié)晶區(qū)的研究是木材科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［2］。近年來關(guān)于細(xì)胞壁超微構(gòu)造形成的研究較多，如葡萄糖形成纖維素單鏈，繼而形成微晶、微纖絲和結(jié)晶區(qū)等過程［3］；射線技術(shù)、尖端顯微鏡以及光譜類儀器在木材超微結(jié)構(gòu)表征中的應(yīng)用［4］，進(jìn)一步揭示了微纖絲和結(jié)晶區(qū)的結(jié)構(gòu)特征。研究發(fā)現(xiàn)微纖絲角和結(jié)晶度沿軸向和徑向的變化規(guī)律不盡相同，對細(xì)胞形態(tài)的影響也不同［5-6］，但對細(xì)胞壁微晶形態(tài)及變化特點(diǎn)方面的研究還不夠深入；細(xì)胞壁超微構(gòu)造會影響木材密度、干縮性和強(qiáng)度等物理力學(xué)性能［7-8］，而探究微纖絲角、結(jié)晶度和微晶形態(tài)的形成及變化規(guī)律，是了解木材的基礎(chǔ)性質(zhì)的重要途徑之一。以往對木材細(xì)胞壁超微構(gòu)造的研究多集中于某一超微構(gòu)造或某種表征方法方面，對不同種類木材及同種木材不同生長部位細(xì)胞壁纖維素微纖絲及結(jié)晶區(qū)的形成和變化及其表征方法未見系統(tǒng)報導(dǎo)。筆者詳述了木材細(xì)胞壁微纖絲和結(jié)晶區(qū)的形成、表征方法、變化規(guī)律及其對細(xì)胞形態(tài)的影響，以期為今后木材的超微構(gòu)造的深入研究和為基于細(xì)胞壁微纖絲和微晶結(jié)構(gòu)特征來預(yù)測木材基礎(chǔ)性質(zhì)、早期良種選育以及材料的高效利用等方面提供詳細(xì)的科學(xué)資料。

1 細(xì)胞壁超微構(gòu)造的形成過程

微晶、微纖絲和結(jié)晶區(qū)均屬于木材細(xì)胞壁的超微構(gòu)造，是纖維素的結(jié)構(gòu)組成部分。纖維素是植物細(xì)胞壁的主要組成成分，也是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖，對高等植物細(xì)胞壁中天然纖維素結(jié)構(gòu)和形成過程的研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞壁超微構(gòu)造的形成過程并非孤立，而是按照 “微晶—微纖絲—結(jié)晶區(qū)”的順序形成的。

1.1 細(xì)胞壁微晶結(jié)構(gòu)

天然狀態(tài)下，纖維素合成酶合成線性葡聚糖鏈的聚合度十分龐大（≥104），即上萬葡萄糖殘基通過β-1,4-糖苷鍵相連形成無分支結(jié)構(gòu)的纖維素單鏈（圖1A）［2-3］。由于含有大量羥基，新合成的相鄰纖維素分子鏈間可產(chǎn)生大量分子間氫鍵，形成有序自組織聚集體；特別是相鄰糖鏈間形成的氫鍵，可使纖維素分子形成穩(wěn)定的片層結(jié)構(gòu)（圖1B）［9］；這些片層結(jié)構(gòu)在范德華力和疏水力等次級鍵作用下自發(fā)有序地緊密堆積（圖1C）［10］，即為天然結(jié)晶纖維素，其中有序結(jié)晶的程度可通過X射線粉末衍射法測定的結(jié)晶度來表征［11］。由圖1C可知：纖維素基元纖絲中的36根糖鏈聚集形成8個糖鏈片層，片層經(jīng)氫鍵網(wǎng)絡(luò)和范德華力作用堆積為空間結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)相對規(guī)則的六面體；理論模型橫切面長約5.30 nm，寬3.20 nm，即常說的纖維素微晶［10］。

1.2 細(xì)胞壁微纖絲和結(jié)晶區(qū)

植物細(xì)胞壁微纖絲是在纖維素微晶的基礎(chǔ)上形成的。受環(huán)境等因素影響，在合成過程中纖維素微晶結(jié)構(gòu)沿著不同晶面聚集生長或沿著某一軸向扭轉(zhuǎn)，形成大小不同、形狀各異的微纖絲結(jié)構(gòu)（圖1D）［12］。電子顯微鏡觀測可知，微纖絲中晶胞數(shù)目不同，晶面聚集方向不一致［13］，微纖絲間不能進(jìn)一步緊密聚集，因而可認(rèn)為微纖絲是細(xì)胞壁中的基本結(jié)構(gòu)單元（圖1D）。定向排列的微纖絲幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生螺旋狀扭曲，造成微纖絲寬度改變的同時，也形成了纖維素結(jié)晶和非晶2種晶態(tài)［11］，即為纖維素的結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)。

2 細(xì)胞壁超微構(gòu)造的表征方法

2.1 微纖絲角表征方法

微纖絲角的表征方法隨著儀器制造及分析水平的不斷發(fā)展而發(fā)展。直接觀測法是最原始的表征方法，適用于細(xì)胞壁局部區(qū)域微纖絲取向的精細(xì)表征，包括直接觀測微纖絲傾角的偏振光顯微鏡法、碘結(jié)晶法、激光共聚焦顯微鏡法、紋孔法、原子力顯微鏡法以及電子顯微鏡法等。偏振光顯微鏡法是最早應(yīng)用的直接觀測法［14］，垂直入射的完全偏振光通過試樣后出現(xiàn)消光，此消光角即為木材微纖絲角［15］。原子力顯微鏡法則是通過表征細(xì)胞壁中微纖絲聚集體的排列來測定其傾角［16］。

間接法是基于木材光譜特征通過數(shù)學(xué)計(jì)算得到微纖絲角的X射線衍射法、近紅外光譜預(yù)測法和拉曼光譜法線法等，適用于大量試樣的平均微纖絲角的研究［4］。目前比較常用的是X射線衍射法［13-14］。X射線衍射法的微纖絲角計(jì)算方法中，Turley法是常用的一種方法，它是通過晶面衍射強(qiáng)度曲線最低2點(diǎn)畫切線去除背景的方法計(jì)算微纖絲角［17-18］。共聚焦拉曼顯微技術(shù)和偏振拉曼顯微技術(shù)則是通過分析與纖維素取向密切相關(guān)的拉曼光譜峰來獲得細(xì)胞壁的纖維素取向［19-20］。

應(yīng)用直接觀測法還是間接觀測法應(yīng)當(dāng)依據(jù)測試要求和內(nèi)容而定。

圖1 微晶、微纖絲及結(jié)晶區(qū)的形成Figure 1 The form diagram of microcrystalline,microfibril and crystalline area

2.2 結(jié)晶度和微晶形態(tài)表征方法

隨著尖端顯微鏡、射線類以及光譜類儀器不斷地應(yīng)用于木質(zhì)纖維材料結(jié)構(gòu)與性能表征中，木質(zhì)纖維材料細(xì)胞壁纖維素結(jié)晶度、微晶形態(tài)等精細(xì)構(gòu)造特征也不斷地被揭示。檢測方法主要分為原位檢測和非原位檢測兩大類。

原位檢測技術(shù)不改變樣品纖維素原本的位置和形態(tài)，常用表征方法如原子力顯微鏡技術(shù)和X射線法。原子力顯微鏡技術(shù)通過監(jiān)測探針與試樣表面的作用力來表征纖維素結(jié)晶區(qū)等大分子結(jié)構(gòu)特征［21］。X射線法作原位檢測時通常以1.0～1.5 mm厚的薄木片為樣品，偶有4.0 mm厚的樣品［18,22］，作非原位檢測以80～100目的木粉壓制成的薄片為樣品［5,7］，根據(jù)衍射最強(qiáng)點(diǎn)的強(qiáng)度和位置，測出纖維素纖維晶體分子鏈中的晶區(qū)大小和結(jié)晶度等，能直接獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)晶度值。其他非原位檢測技術(shù)如核磁共振法，以木材硫酸鹽漿為實(shí)驗(yàn)材料，通過區(qū)分纖維素?zé)o定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)的信號得到結(jié)晶度值，其值與X衍射方法得到的結(jié)晶度值一致［23］。拉曼光譜法通過拉曼特征峰的相對強(qiáng)度來表征結(jié)晶度的大?。?4］，但因目前無法完全去除半纖維素、木質(zhì)素等對結(jié)晶相關(guān)特征峰的干擾，該方法還沒有直接應(yīng)用到木質(zhì)纖維材料細(xì)胞壁微晶形態(tài)表征中。

3 木材細(xì)胞壁超微構(gòu)造的變化規(guī)律

3.1 微纖絲角的變化規(guī)律

樹木木質(zhì)部細(xì)胞次生壁在形成過程中，每一薄層的微纖絲沉積方向和排列密度都在不斷發(fā)生變化，因此木材不同位置的微纖絲角不同［25］。微纖絲角決定材料微觀和宏觀的各項(xiàng)性能，直接關(guān)系到木材加工利用，被認(rèn)為是影響木質(zhì)纖維材料性質(zhì)的重要指標(biāo)。關(guān)于微纖絲角的株內(nèi)變異規(guī)律目前有較多研究。

3.1.1 徑向變化規(guī)律 研究認(rèn)為，徑向方向上同一年輪中早材的微纖絲角大于晚材；從髓心（幼齡材）到樹皮（成熟材）平均微纖絲角逐漸減小，到一定年齡后趨于穩(wěn)定。以長白落葉松Larix olgensis為例，從髓心到樹皮微纖絲角在生長的前5 a急劇下降，第5年到第25年呈微小的波動變化，與銀杏Ginkgo biloba，黑楊Populus nigra，垂枝樺Betula pendula等的微纖絲角變化規(guī)律一致［8,25］。研究發(fā)現(xiàn)：云杉Picea aspoerata，垂枝樺和輻射松Pinus radiata等幼齡材的平均微纖絲角約為30°，幼齡材至成熟材變異幅度一般在10°左右，之后基本穩(wěn)定［26-28］。目前認(rèn)為：微纖絲角在徑向產(chǎn)生這種變異的原因有2種。一種認(rèn)為樹木生長過程中，幼齡期細(xì)胞的直徑增長快于長度生長，微纖絲軸向伸長受抑制，微纖絲角較大；進(jìn)入成熟期后細(xì)胞長度生長快于直徑生長，微纖絲在軸向得以延伸，微纖絲角較?。?9］。另一種認(rèn)為原生質(zhì)流動方向及原生質(zhì)體分生的纖維素含量越豐富，微纖絲的排列方向越接近細(xì)胞軸的方向；隨樹齡的增長，光合產(chǎn)物積累越多，分生細(xì)胞細(xì)胞壁的纖維素含量增多，微纖絲角越小［6］。

3.1.2 軸向變化規(guī)律 木材軸向方向微纖絲角的變化規(guī)律表現(xiàn)為基部最大，從基部向上先減小后增加的變化趨勢，但不同材種變化規(guī)律不盡相同。如刺楸Kalopanax septemlobus，油松Pinus tabulaeformis，毛白楊Populus tomentosa中最小的微纖絲角分別出現(xiàn)在1.3 m，3.3 m，5.3 m處；輻射松樹高7.0 m以上、毛白楊高9.0 m以上時，微纖絲角趨于穩(wěn)定，但在梢部的心材中微纖絲角有所增加［6,30-31］。總體來說，微纖絲角軸向變異模式屬于 “大—小—大”的形式。目前關(guān)于微纖絲角產(chǎn)生軸向變異的原因尚缺乏明確的解釋。

3.2 結(jié)晶度的變化規(guī)律

纖維素的結(jié)晶區(qū)由纖維素大分子鏈有序排列形成，結(jié)晶區(qū)占纖維素整體的百分?jǐn)?shù)即結(jié)晶度，可表征木材纖維素聚集態(tài)形成結(jié)晶的程度。木材纖維素結(jié)晶度在不同樹種及同一樹種不同部位均具有差異性。一般認(rèn)為：針葉材的纖維素結(jié)晶度大于闊葉材。由表1可知：多數(shù)針葉材的平均結(jié)晶度大于40%，而闊葉材一般為30%～40%［1,7,22,32-40］；但也有例外，如楊樹Populus，泡桐Paulownia等低密度闊葉材的纖維素結(jié)晶度高于翠柏Calocedrus macrolepis，樟子松Pinus sylvestrisvar.mongolica等針葉材［7,32-34］。結(jié)晶度的變化也與不同樹種細(xì)胞生長發(fā)育階段有關(guān)。通常認(rèn)為隨木質(zhì)部細(xì)胞的不斷發(fā)育，纖維素的結(jié)晶度會不斷增加，且呈正相關(guān)。在徑向方向的結(jié)晶度研究表明，隨生長輪齡的增加，結(jié)晶度逐漸增大，至成熟后趨于穩(wěn)定；并且在同一年輪內(nèi)晚材的結(jié)晶度一般比早材的大［5,36,41］。目前，對沿樹軸方向結(jié)晶度變化規(guī)律的研究不多，表現(xiàn)為自基部向上逐漸增加，到稍部有所減小［36］。

表1 不同樹種木材的結(jié)晶度Table 1 Crystallinity of the woods in the different tree species

3.3 微晶形態(tài)的變化規(guī)律

天然纖維素中微小尺度的晶粒統(tǒng)稱為微晶，常用微晶尺寸表征微晶的形態(tài)［42-43］。不同種類木材纖維素微晶的大小和形狀并不均一，一般纖維素微晶寬3.00～5.00 nm，厚2.00～5.00 nm，長十至數(shù)百納米，具體形態(tài)因樹種而異［42］。對5種針葉材樹種微晶尺寸的研究發(fā)現(xiàn)（表2），這些針葉材樹種的微晶寬度接近，為3.00～3.20 nm，但晶體長度則變化較大，為10.00～40.00 nm［43-46］；對銀杏幼齡材研究發(fā)現(xiàn)，微晶的寬度、長度和樹齡相關(guān)性不大［43］。目前，關(guān)于木材微晶形態(tài)在成熟材和幼齡材中變化規(guī)律的研究較少。石江濤等［39］發(fā)現(xiàn)白樺Betula platyphlla和水曲柳Fraxinus mandschurica等木材早期組織中纖維素的晶型、晶胞或微晶大小與成熟材不同，但具體差別有待于進(jìn)一步研究。

4 細(xì)胞壁超微構(gòu)造與細(xì)胞形態(tài)的相關(guān)關(guān)系

4.1 微纖絲角與細(xì)胞形態(tài)的相關(guān)關(guān)系

微纖絲的排列方向與針葉材管胞的長度和闊葉材纖維的長度相關(guān)，微纖絲角是纖維素分子鏈取向的特征指標(biāo)，與兩者呈不同程度負(fù)相關(guān)。沿徑向方向，生長的前9 a紅松Pinus koraiensis的晚材管胞長度自髓心向外急劇增加，而微纖絲角逐漸減小，兩者呈顯著負(fù)相關(guān)（-0.965）；此后長度增加減緩，微纖絲角也緩慢減?。?7］。同一生長輪內(nèi)兩者也呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，紅松的微纖絲角與管胞長度的相關(guān)系數(shù)約為-0.70，濕地松Pinus elliottii，油松和翠柏在同一生長輪內(nèi)管胞長度與微纖絲角的相關(guān)系數(shù)均為-0.90［34,47］，顯示出0.01水平的顯著負(fù)相關(guān)。由此可見，管胞長度與微纖絲角呈顯著負(fù)相關(guān)，一定條件下可以通過管胞長度推測纖絲角度。

表2 5種針葉材的微晶尺寸Table 2 Crystal size of the woods in five tree species

闊葉材中微纖絲角與木纖維長度之間也呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)程度要比針葉材低。如尾巨桉Eucalyptus urophylla×E.grandis細(xì)胞壁S2層微纖絲角與纖維長度的相關(guān)系數(shù)為-0.44［48］，歐美楊Populus×euramericana中兩者的相關(guān)度為-0.39［49］。這可能是因?yàn)楣馨?、纖維長度的變異模式不同；也可能是因?yàn)獒樔~材結(jié)構(gòu)單一，95%以上均是管胞，而闊葉樹材中木纖維只占50%左右，組成比較復(fù)雜。

4.2 結(jié)晶度與細(xì)胞形態(tài)的相關(guān)關(guān)系

纖維素結(jié)晶度是衡量木質(zhì)纖維材料細(xì)胞壁結(jié)晶程度的一個重要指標(biāo)，與木質(zhì)纖維材料的生長特性、組織結(jié)構(gòu)等有密切關(guān)系。一般來說，結(jié)晶度與管胞、纖維長度呈顯著正相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，翠柏的結(jié)晶度與早晚材管胞的長度和寬度相關(guān)系數(shù)在0.90以上［5］；浙江桂Cinnamomum chekiange的結(jié)晶度與纖維長度和寬度的相關(guān)系數(shù)在0.95以上［41］。由此認(rèn)為，利用木材結(jié)晶度可以很好地預(yù)測木材細(xì)胞形態(tài)。

總的來說，目前研究多集中在揭示纖維素微晶形態(tài)方面，未深入到對其性能影響方面，因此未來需要加強(qiáng)微晶形態(tài)對木質(zhì)纖維材料基礎(chǔ)性能的影響研究。

5 結(jié)論與展望

對木材細(xì)胞壁微纖絲和結(jié)晶區(qū)的形成過程、微纖絲角和結(jié)晶度表征方法及其變化特點(diǎn)進(jìn)行綜述發(fā)現(xiàn)，葡萄糖殘基最初形成纖維素單鏈，繼而在分子間氫鍵作用下形成穩(wěn)定的片層結(jié)構(gòu)，然后通過有序堆積方式形成纖維素微晶；微晶在不同晶面聚集成長，形成相互之間不能再緊密聚集的微纖絲結(jié)構(gòu)，并通過微纖絲的扭曲構(gòu)象形成纖維的結(jié)晶態(tài)和非結(jié)晶態(tài)。微纖絲角和結(jié)晶度均可以通過尖端顯微鏡、射線類以及光譜類儀器設(shè)備表征，常用X射線法，此外也用拉曼光譜法等進(jìn)行表征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：木材細(xì)胞壁微纖絲角和結(jié)晶度變化特點(diǎn)在一定程度上表現(xiàn)出相反的變化規(guī)律，即徑向方向從髓心到樹皮微纖絲角逐漸減小，結(jié)晶度逐漸增大，最終均趨于穩(wěn)定；軸向方向從基部向上微纖絲角先減小后增加，結(jié)晶度逐漸增加，到梢部有所減小。細(xì)胞壁微纖絲的排列和結(jié)晶區(qū)的大小與其細(xì)胞形態(tài)相關(guān)，微纖絲角越小，管胞和纖維細(xì)胞越長，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；結(jié)晶度越高，細(xì)胞越長，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。

目前，針對細(xì)胞壁微纖絲的形成、傾角變化規(guī)律和表征方法等已有較為充分的研究，但關(guān)于微纖絲角取向形成機(jī)制和細(xì)胞壁各層厚度分化形成機(jī)理還沒有明確的解釋；對纖維素微晶形態(tài)的研究已興起，但對從幼齡材到成熟材生長過程中晶型、晶胞及晶體尺寸等微晶形態(tài)的具體變化模式還未深入探究。因此，今后工作可以圍繞以下幾點(diǎn)展開：一是從分子層面探究微纖絲取向形成機(jī)理；二是加強(qiáng)對木材細(xì)胞壁各層厚度累積過程的研究；三是闡明晶型、晶胞及晶體尺寸等微晶形態(tài)在木材生長過程中的變化特點(diǎn)。