拉曼光譜對高地鉤葉藤纖維S2層主要成分的預測

張菲菲，季必超，汪佑宏*，薛 夏，李 擔，馬建鋒

1. 安徽農(nóng)業(yè)大學林學與園林學院，安徽 合肥 230036 2. 易高家居有限公司，安徽 合肥 230001 3. 國際竹藤中心，北京 100102

引 言

棕櫚藤(rattan)屬于棕櫚科(Palmae)藤類植物，是具有重要經(jīng)濟價值和開發(fā)前景的熱帶和亞熱帶森林植物資源，其藤莖即原藤具有多種用途，為僅次于木材和竹材的、重要的非木材的林產(chǎn)品。世界棕櫚藤總共有13個屬660余種，中國自然分布有4屬37種5變種，但有較高經(jīng)濟價值的不到30種[1-2]。

高地鉤葉藤(PlectocomiahimalayanaGriff.)屬棕櫚科省藤亞科鉤葉藤屬，攀援、叢生，屬于大徑藤(藤徑4～5 cm)。在我國主要分布于云南南部、西南部、西部地區(qū)海拔1 450～1 800 m的箐溝、竹林、山地常綠闊葉林中； 其藤莖質(zhì)地較粗糙，屬于劣質(zhì)材，一般適用于編織較粗糙的藤器或扎欄[1-2]。目前，關于高地鉤葉藤的研究報道主要集中在解剖構造等方面[3-5]，關于化學性質(zhì)方面的研究，還未見報道。

藤材化學成分主要包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，及抽提物、灰分等。傳統(tǒng)的植物細胞壁的化學分析都需要將植物組織分解、是破壞性的，而且傳統(tǒng)的化學成分分析，僅僅顯示了生物質(zhì)中三大組分(纖維素、半纖維素和木質(zhì)素)在宏觀區(qū)域的含量和變異。如曹積微等對云南省藤、版納省藤、鉤葉藤的化學組成進行了簡單地測試分析[6]； 尚莉莉?qū)︺^葉藤的研究發(fā)現(xiàn)，藤皮處的纖維素含量高于藤芯、而藤皮處的半纖維素含量卻低于藤芯，且藤莖基部含量比中部和梢部要多。這些研究未體現(xiàn)出微觀的化學成分變異。

盡管針對木材、竹材等細胞的化學成分微區(qū)分布有了較為詳細的研究[7]，但涉及到棕櫚藤材細胞壁微區(qū)化學的變化的研究就相對更少，如汪佑宏等[8]對黃藤材纖維細胞的木質(zhì)素分布進行了研究，發(fā)現(xiàn)纖維細胞角隅處木質(zhì)素含量要比次生壁高，且胞壁各微區(qū)的木質(zhì)素含量為次生壁<初生壁<胞間層。劉杏娥[9]結合了共聚焦顯微熒光和拉曼光譜成像技術系統(tǒng)，研究了黃藤材藤莖中不同類型細胞以及同一細胞不同形態(tài)區(qū)域的木質(zhì)素化學特點，發(fā)現(xiàn)細胞角隅、胞間層和復合胞間層的拉曼信號強度最高，具有較高的木質(zhì)化程度，而次生壁中寬層拉曼特征峰強度最低，窄層較寬層高等。

綜上所述，針對棕櫚藤材，尤其是高地鉤葉藤細胞壁主要成分的微區(qū)分布研究，還有待進一步深入。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

取生長健康的高地鉤葉藤1根，在基部、2 m處、中部和梢部四個部位，分別截取長約1 cm的試樣，編號后進行軟化、聚乙二醇(炭蠟)包埋，利用旋轉(zhuǎn)式切片機切取橫切面10 μm切片，并將切片在室溫下用0.2 mol·L-1的硼氫化鈉(NaBH4)溶液浸泡5～6 h，后用蒸餾水洗凈，最后將處理過的切片浸泡在蒸餾水中編號備用。

LabRam XploRA顯微共聚焦拉曼光譜儀(Horiba Jobin Yvon公司)，KD1508A型輪轉(zhuǎn)式切片機(浙江金華科迪儀器設備有限公司)等。

1.2 方法

顯微拉曼光譜的采集： 利用LabRam XploRA顯微共聚焦拉曼光譜儀，采用逐點掃描顯微探針成像方法獲取光譜數(shù)據(jù)集。掃描步長為0.8 μm，激發(fā)波長為532 nm，功率8 mW，單點采集時間1 s，狹縫寬度100 μm，孔隙大小為300 μm，拉曼光譜測試范圍為250～3200 cm-1。為獲得較高的空間分辨率(拉曼光譜儀的空間分辨率理論計算值為0.61 λ/NA)，采用100倍油鏡(MPlan 100×，oil，NA=1.35)，計算機控制平臺的同步移動、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。將存放在蒸餾水中的樣品取出，固定在載玻片上，置于拉曼顯微鏡下觀察、測定，獲得的光譜數(shù)據(jù)利用LabSpec5軟件進行處理。

2 結果與討論

2.1 纖維細胞主要成分微區(qū)分布的線譜分析

圖1為纖維細胞S2層的平均拉曼光譜。圖中纖維素的主要特征峰為2 890，1 376，1 115，1 096和378 cm-1； 木質(zhì)素的主要特征峰為1 680和1 598 cm-1。2 890 cm-1歸屬于纖維素C—H和CH2的對稱伸縮振動，1 096 cm-1是纖維素C—O—C糖苷鍵的非對稱伸縮振動，378 cm-1歸屬于纖維素β-D葡萄糖苷鍵。1 680 cm-1歸屬于松柏醇/紫丁香醇和松柏醛/紫丁香醛結構，1 598 cm-1歸屬于苯環(huán)的對稱伸縮振動，而1 090 cm-1是重原子(CC和CO)的伸縮振動，對應的主要組分是纖維素、木聚糖、葡甘露聚糖(其中木聚糖與葡甘聚糖是組成半纖維素的重要物質(zhì)(見表1)。

圖1 纖維細胞壁S2層平均拉曼光譜

表1 纖維細胞壁S2層主要組分的平均拉曼光譜分布[10]

2.2 藤莖徑向纖維細胞拉曼線譜比較

取2 m處試樣，在切片的藤皮、藤中和藤芯三個部位分別選擇具有代表性的纖維細胞進行逐點掃描，并選取纖維細胞次生壁中層(S2)與纖維細胞角隅處(CC)的線譜進行線譜分析(見圖2)。從圖2(a)可以看出，除了在特征峰1 090 cm-1處藤皮峰高稍高于藤中外，藤皮與藤中處的拉曼光譜差異很小； 這說明，除了半纖維素含量有較小差異外，藤皮和藤中纖維細胞S2層的化學成分相對含量基本沒有什么差別。而藤芯處的拉曼光譜在特征峰2 890和1 090 cm-1處的峰高均明顯低于藤皮和藤中處，在特征峰1 598和1 680 cm-1處的峰高又明顯的高于藤皮與藤中處，由此可見，藤芯處纖維細胞S2層纖維素與半纖維素的相對含量低于藤皮和藤中，而木質(zhì)素的相對含量高于藤皮和藤中。

圖2 徑向不同部位纖維細胞S2層(a)與CC處(b)拉曼線譜分析

Fig.2Ramanline-spectraofS2layer(a)andCC(b)offibercellatdifferentradialpositions

從圖2(b)可以看出，在特征峰2 890 cm-1處，藤皮纖維CC處線譜峰高高于藤中和藤芯，藤中與藤芯在此處差異很小； 說明該藤材纖維細胞角隅處纖維素相對含量在藤皮處最高，藤中與藤芯處相近且較低。在特征峰1 598 cm-1處，將圖譜局部放大后可看出，藤芯處峰高最高，其次是藤中，藤皮最低，其中藤皮與藤中相差很?。?說明高地鉤葉藤纖維細胞角隅處木質(zhì)素相對含量在藤芯位置最高，而藤中處含量略大于藤皮處。特征峰1 090 cm-1的峰高呈藤皮高于藤中、藤中高于藤芯，說明該藤材纖維細胞角隅處半纖維素的相對含量在藤皮處最大，其次是藤中，而藤芯處最小。

以上對該藤材纖維細胞的S2層和CC處化學成分分別進行徑向的比較，可以得出纖維細胞S2層和CC處纖維素、木質(zhì)素與半纖維素的徑向變化規(guī)律相近。從而可以推斷纖維細胞纖維素與半纖維素相對含量的在藤皮處最高，藤芯處最??； 相反的，木質(zhì)素的相對含量在藤芯處最高，藤皮處最小。

2.3 藤莖軸向纖維細胞拉曼線譜比較

在高地鉤葉藤莖不同高度上(基部、2 m處、中部和梢部四個部位)，分別選取具有代表性的藤皮和藤芯纖維細胞進行逐點掃描，并選取S2層的線譜進行了線譜分析(見圖3)。從圖3(a)(藤皮)可以看出在特征峰2 890 cm-1處，2 m處的峰強度最大，其次是基部，中部比基部稍小，梢部的峰強度最??； 說明該藤材藤皮纖維細胞S2層纖維素的相對含量在生長高度2 m處最大，在梢部的相對含量最小，而基部纖維素相對含量略大于中部。在特征峰1 598 cm-1處可以看出，梢部的峰強度最大，其他位置的峰強度差別不大，但基部峰強度稍高于2 m處和中部； 說明藤皮纖維細胞S2層木質(zhì)素的相對含量在梢部最大，且明顯高于其他部位。在特征峰1 090 cm-1處可以看出，2 m處的峰強度明顯比其他位置大，基部和梢部的峰強度差不多，中部的峰強度最小。說明藤皮纖維纖維細胞S2層半纖維素的相對含量在2 m處最大，中部相對含量最小，基部與梢部相對含量比中部稍大，但比2 m處小很多。

圖3 軸向不同部位纖維細胞S2層拉曼線譜分析

從圖3(b)(藤芯)可以看出在特征峰2 890 cm-1處，軸向上中部的峰強度最大，其次是基部，梢部最小，但基部、2 m處和梢部差別很?。?說明高地鉤葉藤材在中部的藤芯纖維細胞S2層纖維素的相對含量最大，梢部纖維細胞S2層纖維素相對含量最小，基部S2層纖維素相對含量略大于2 m處，但與梢部間差異均較小。在特征峰1 598和1 680 cm-1處均可以看出，在2 m處的峰強度最大，其次是梢部、基部，中部的峰強度最小，且各位置對應的峰強度區(qū)別明顯； 說明在軸向，就藤芯纖維細胞S2層木質(zhì)素的相對含量而言，2 m處最大，其次是梢部、基部，而中部最小。在特征峰1 090 cm-1處，圖中可以明顯的看出，基部的峰強度最大，其次是梢部，中部的峰強度最??； 說明藤芯纖維細胞S2層半纖維素的相對含量在基部最高、中部最小，梢部略高于2 m處。

從以上對藤皮和藤芯兩處的纖維細胞S2層化學成分的軸向比較分析，可以看出藤皮纖維細胞壁S2層纖維素和半纖維素的相對含量在2 m處最大，木質(zhì)素的相對含量在梢部位置最大。隨著高地鉤葉藤軸向高度的增加即隨著藤齡的減小，藤皮處纖維細胞壁S2層纖維素的相對含量先增加，到達一定年份后會逐漸減少； 木質(zhì)素相對含量先減少，到達一定年份后又會上升； 半纖維素相對含量的呈“增-降-增”的變化趨勢。藤芯纖維細胞壁S2層纖維素、木質(zhì)素、半纖維素的相對含量分別在中部、2m處、基部處最大。隨著高地鉤葉藤軸向高度的增加即隨著藤齡的減小，藤芯處纖維細胞壁S2層纖維素的相對含量呈“降-增-降”的變化趨勢； 木質(zhì)素的相對含量的變化趨勢與纖維素剛好相反，即隨著藤莖生長年份的減小先增加，到達一定年份后逐漸下降后又上升； 半纖維素相對含量先下降后上升，說明隨著藤莖生長年份的減少，半纖維素的相對含量先逐漸降低后上升。這些變化都說明了隨著藤莖的生長年份的增加，細胞會逐漸成熟、然后衰老，化學成分也會隨之變化。

3 結 論

高地鉤葉藤纖維細胞壁S2層中，纖維素與半纖維素相對含量在藤皮處最高，藤芯處最小； 相反的，木質(zhì)素的相對含量在藤芯處最高，藤皮處最小。

高地鉤葉藤藤皮纖維細胞壁S2層纖維素和半纖維素的相對含量在2 m處最大，木質(zhì)素的相對含量在梢部最大； 藤芯纖維細胞壁S2層纖維素、木質(zhì)素、半纖維素的相對含量分別在中部、2 m處、基部處最大。藤皮和藤芯一樣，即藤莖纖維細胞壁S2層纖維素相對含量最小值在梢部，半纖維素和木質(zhì)素相對含量均在中部最少。