楊木應(yīng)拉木微區(qū)結(jié)構(gòu)可視化及化學(xué)成分分析

朱玉慧，聞靚，張耀麗，王新洲

（南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210037）

應(yīng)拉木是一種廣泛存在于闊葉材傾斜或彎曲樹(shù)干和枝條上方的非正常木材，其木纖維細(xì)胞壁中常存在著一層特殊的膠質(zhì)層（G 層）。由于膠質(zhì)木纖維的存在，應(yīng)拉木在加工過(guò)程中極易起毛，且難于干燥，易干縮、翹曲和開(kāi)裂，利用范圍也受到了很大的限制。因此，開(kāi)展應(yīng)拉木基礎(chǔ)理論研究對(duì)應(yīng)拉木材性改良和利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

因應(yīng)拉木特殊的結(jié)構(gòu)，學(xué)者們對(duì)其作了很多研究。Goswami 等［1］為了描述膠質(zhì)層和次生細(xì)胞壁之間的功能相互依賴關(guān)系，對(duì)楊木應(yīng)拉木木纖維和去除膠質(zhì)層的木纖維分別進(jìn)行了納米結(jié)構(gòu)表征和力學(xué)測(cè)試。周亮等［2］對(duì)歐美楊107 應(yīng)拉木和正常木的纖維形態(tài)和化學(xué)組成做了比較研究。萇姍姍等［3］利用氮?dú)馕椒▽?duì)楊木應(yīng)拉木的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。同時(shí)，學(xué)者們也對(duì)膠質(zhì)層及其與生長(zhǎng)應(yīng)力之間的關(guān)系作了大量的研究［4-5］。

楊木由于其生長(zhǎng)周期短、成材速度快、紋理直、結(jié)構(gòu)均勻等優(yōu)點(diǎn)，成為我國(guó)主要的速生材，并且在木材工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣。但楊木極易受到環(huán)境和重力的影響，產(chǎn)生應(yīng)拉木。筆者以無(wú)性系楊木（Populus deltoidesCL.‘Nanyang’）應(yīng)拉木為研究對(duì)象，采用熒光顯微、拉曼成像等技術(shù)研究楊木應(yīng)拉木微區(qū)結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，以期為了解楊木應(yīng)拉木的宏觀性質(zhì)提供理論根據(jù)，從而減少因楊木應(yīng)拉木缺陷造成的損失并提高其利用率。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試材取自河南省焦作市林場(chǎng)，10 年生無(wú)性系楊木（P.deltoidesCL.‘Nanyang’）應(yīng)拉木，在樹(shù)木傾斜處鋸取2 cm 厚的圓盤(pán)，并沿圓盤(pán)的南北向鋸取2 cm 寬木條（年輪明顯偏寬處為應(yīng)拉區(qū)，另一側(cè)為對(duì)應(yīng)區(qū)），待用。

1.2 光學(xué)及熒光顯微鏡分析

在試樣的應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)分別截取小木塊并軟化，滑走切片機(jī)切取厚10 和20 μm 的切片。10 μm 的切片直接利用OLYMP US BX51 熒光顯微鏡進(jìn)行橫切面細(xì)胞壁木質(zhì)素濃度的分析；20 μm 的切片采用番紅-固綠雙染色法，酒精梯度脫水，甘油封片，OLYMPUS BX51 顯微鏡觀察樣品橫切面。

1.3 透射電鏡分析

在試樣的應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)分別截取1 mm×1 mm×2 mm 的小木條，1%的高錳酸鉀染色30 min，丙酮梯度脫水，Epon-812 樹(shù)脂包埋，烘箱70 ℃固化7 h。固化完全的試樣用超薄切片機(jī)切取厚50～100 nm 的切片，透射電子顯微鏡JEM-1400 觀察分析。

1.4 區(qū)域化學(xué)分析

在試樣的應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)分別截取小木塊并軟化，滑走切片機(jī)切取厚5 μm 的切片，置于載玻片上滴加適量重水，蓋玻片封片。利用顯微拉曼成像光譜儀DXRxi 進(jìn)行觀察分析，波長(zhǎng)532 nm。

1.5 主要化學(xué)成分含量測(cè)定

采用美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的標(biāo)準(zhǔn)方法［6］測(cè)定絕干樣品中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量。其中，纖維素和半纖維素含量通過(guò)高效液相色譜儀測(cè)定，酸溶木質(zhì)素由紫外分光光度計(jì)測(cè)定，酸不溶木質(zhì)素由高溫?zé)峤獾姆椒y(cè)定。

1.6 紅外光譜測(cè)定

磨粉機(jī)將試樣磨成木粉，篩選通過(guò)孔徑為0.18 mm 的木粉，采用溴化鉀壓片法，紅外光譜儀VERTEX 80V，Bruker 分析，掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)為16 次。

1.7 相對(duì)結(jié)晶度和晶體尺寸測(cè)定

篩選通過(guò)孔徑0.075 mm 的木粉，X 射線衍射儀測(cè)定樣品。采用Cu 靶Kα 輻射（λ=0.154 06 nm），電壓40 kV，電流30 mA，掃描范圍2θ為5°～45°，步長(zhǎng)0.02°，掃描速度2°／min。采用Segal 公式計(jì)算樣品的相對(duì)結(jié)晶度（CrI）：

式中：I002為在2θ=22°附近（002）晶面衍射峰的最大強(qiáng)度；Iam為在2θ=18°附近處的無(wú)定形區(qū)域的衍射峰強(qiáng)度。

根據(jù)謝樂(lè)公式（Scherrer formula）［7］，計(jì)算晶體平均尺寸（D）：

式中：K為形狀因子，一般取0.9；λ為X 射線波長(zhǎng)，λ=0.154 06 nm；θ為衍射角；Bhkl為以弧度計(jì)算的（002）晶面或（040）晶面半峰寬。一般（002）晶面用來(lái)描述纖維素晶體的寬度，（040）晶面用來(lái)描述纖維素晶體的長(zhǎng)度，單位為nm。

2 結(jié)果與分析

2.1 楊木木纖維微觀構(gòu)造分析

無(wú)性系楊木應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)木纖維光學(xué)圖見(jiàn)圖1。由圖1 可知，經(jīng)過(guò)番紅固綠雙染色后，楊木應(yīng)拉區(qū)木纖維細(xì)胞壁中呈綠色的膠質(zhì)層（G）清晰可見(jiàn)，其余部位呈紫紅色；對(duì)應(yīng)區(qū)木纖維則完全呈現(xiàn)紅色。應(yīng)拉區(qū)中膠質(zhì)層與次生壁產(chǎn)生了脫離，且部分存在褶皺，見(jiàn)圖1a；而在對(duì)應(yīng)區(qū)中無(wú)任何分離的現(xiàn)象，見(jiàn)圖1b。膠質(zhì)層的分離是由于傳統(tǒng)顯微制片過(guò)程中產(chǎn)生的“邊界效應(yīng)”，但當(dāng)切片厚度大于100 μm 時(shí)，膠質(zhì)層的分離現(xiàn)象將不會(huì)出現(xiàn)［8］。

圖1 楊木木纖維顯微構(gòu)造圖Fig.1 Optical microscope in fibers of poplar wood

2.2 楊木木纖維熒光顯微分析

木材中木質(zhì)素的濃度與其自發(fā)光強(qiáng)度成正比，故可直接利用熒光顯微鏡顯示細(xì)胞壁中木質(zhì)素的分布情況。無(wú)性系楊木應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)木纖維熒光圖見(jiàn)圖2。由圖2 可知，楊木應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)木纖維熒光強(qiáng)度最高處都為細(xì)胞角隅（CC）處，其次為復(fù)合胞間層（CML），這是由于木纖維細(xì)胞木質(zhì)化是由細(xì)胞角隅開(kāi)始，且在細(xì)胞角隅和胞間層沉積大量木質(zhì)素。且楊木應(yīng)拉區(qū)木纖維中除了膠質(zhì)層（G）外，其余壁層熒光強(qiáng)度的強(qiáng)弱規(guī)律（圖2a）與對(duì)應(yīng)區(qū)木纖維（圖2b）一致，這表明其他壁層的木質(zhì)化并不受膠質(zhì)層的影響，與對(duì)應(yīng)區(qū)木纖維的木質(zhì)化過(guò)程一致，且木質(zhì)化程度極高［9］。應(yīng)拉區(qū)木纖維細(xì)胞壁中特有的G 層熒光強(qiáng)度較弱，表明膠質(zhì)層的木質(zhì)素濃度較低。前人對(duì)膠質(zhì)層化學(xué)成分的研究初期認(rèn)為，其僅由高結(jié)晶度的纖維素組成，且微纖絲角?。?0］。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，多種方法都證實(shí)膠質(zhì)層中存在少量木質(zhì)素［11-13］。

圖2 楊木木纖維熒光圖Fig.2 Fluorescence microscope in fibers of poplar wood

2.3 楊木木纖維透射電鏡分析

在形成層細(xì)胞活動(dòng)期，原始細(xì)胞通過(guò)分裂形成新的細(xì)胞，隨后初生壁（P）在胞間層兩側(cè)沉積。在細(xì)胞生長(zhǎng)末期，新的纖維素微纖絲開(kāi)始在初生壁內(nèi)側(cè)不斷沉積，逐漸加厚形成次生壁外層（S1）、次生壁中層（S2）、次生壁內(nèi)層（S3）。而在細(xì)胞壁形成的過(guò)程中，若樹(shù)木生長(zhǎng)受到外界的影響，則會(huì)在靠近細(xì)胞腔的內(nèi)側(cè)生成膠質(zhì)層（G），從此形成膠質(zhì)木纖維，通常形成以下3 種結(jié)構(gòu)：P+S1+S2+S3+G，P+S1+S2+G 和P+S1+G［14］。無(wú)性系楊木應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)木纖維透射電鏡圖見(jiàn)圖3。由圖3 可見(jiàn)，無(wú)性系楊木應(yīng)拉區(qū)木纖維的次生壁結(jié)構(gòu)為常見(jiàn)的S1+S2+G 結(jié)構(gòu)，未見(jiàn)S3層，對(duì)應(yīng)區(qū)木纖維細(xì)胞壁次生壁壁層結(jié)構(gòu)則為S1+S2+S3。

圖3 楊木木纖維透射電鏡圖（5 000 倍）Fig.3 Transmission electron microscope in fibers of poplar wood （5 000×）

應(yīng)拉區(qū)木纖維細(xì)胞（圖3a）中S1層、S2層和G層區(qū)分明顯。其中，S1層和S2層的平均厚度分別為0.61 和1.22 μm，G 層的平均厚度為2.53 μm，占纖維壁的比例最大，為應(yīng)拉木纖維細(xì)胞中最厚的壁層。對(duì)應(yīng)區(qū)木纖維細(xì)胞（圖3b）中S1層和S2層清晰可見(jiàn)且區(qū)分明顯。其中，S1層的厚度（0.15～0.64 μm）在單個(gè)細(xì)胞內(nèi)和所有細(xì)胞內(nèi)都是多變的，其平均厚度為0.33 μm。最寬的S2層占纖維壁的比例最大，平均厚度為2.28 μm。木纖維中也存在S3層，但是，S3層厚度較?。?.08～0.21 μm），平均厚度為0.14 μm，且并非在所有細(xì)胞中都清晰可見(jiàn)。與對(duì)應(yīng)區(qū)相比，應(yīng)拉區(qū)木纖維中G 層為最厚層，S1層的厚度增大，S2層的厚度減小，整體厚度增大。

2.4 區(qū)域化學(xué)的可視化分析

由于木質(zhì)素芳香環(huán)的對(duì)稱伸縮振動(dòng)會(huì)在1 600 cm-1產(chǎn)生非常明顯的拉曼特征峰，因此對(duì)1 600 cm-1位移處進(jìn)行積分便可得到木質(zhì)素的拉曼成像［15］。選定區(qū)域的楊木應(yīng)拉區(qū)與對(duì)應(yīng)區(qū)在細(xì)胞壁中木質(zhì)素分布的光鏡和拉曼成像見(jiàn)圖4。顏色越明亮的區(qū)域說(shuō)明拉曼信號(hào)強(qiáng)度越高，則表示細(xì)胞壁中木質(zhì)素的濃度越高；相反顏色越暗，木質(zhì)素濃度越低。從圖4a 可見(jiàn)，G 層在光鏡下清晰可見(jiàn)處于木纖維最內(nèi)層；而在圖4b 中G 層，所在位置顏色較暗，表明G 層木質(zhì)素的相對(duì)含量較低，且各壁層木質(zhì)素相對(duì)含量存在一定差異。由圖4b 和4d 可知，楊木應(yīng)拉區(qū)與對(duì)應(yīng)區(qū)的木質(zhì)素的分布規(guī)律基本一致，在CC 和CML 處沉積了大量木質(zhì)素，其中CC處的木質(zhì)素含量最高，在次生壁S 中的木質(zhì)素含量相對(duì)較低，且在細(xì)胞壁中的木質(zhì)素的相對(duì)含量應(yīng)拉區(qū)要明顯低于對(duì)應(yīng)區(qū)。

圖4 楊木細(xì)胞壁中木質(zhì)素的光鏡圖和拉曼成像圖Fig.4 Optical micrographs and Raman images of lignin in the cell wall of poplar wood

2.5 楊木試樣主要化學(xué)成分含量分析

楊木應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)的主要化學(xué)成分含量見(jiàn)表1。由表1 可知，楊木應(yīng)拉區(qū)與對(duì)應(yīng)區(qū)兩者相比，化學(xué)組成含量具有明顯差異。應(yīng)拉區(qū)中纖維素的含量明顯比對(duì)應(yīng)區(qū)高，半纖維素和木質(zhì)素含量則比對(duì)應(yīng)區(qū)低，這也與前人的研究一致［10，16］。楊木應(yīng)拉區(qū)與對(duì)應(yīng)區(qū)化學(xué)成分明顯不同的原因在于應(yīng)拉區(qū)中存在大量的膠質(zhì)木纖維。膠質(zhì)木纖維細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)上具有特殊的G 層，且G 層厚度大于其他壁層。膠質(zhì)層主要是以纖維素微纖絲的形態(tài)構(gòu)成骨架結(jié)構(gòu)，骨架間隙由多糖基質(zhì)填充，含有少量木質(zhì)素，且化學(xué)成分與相鄰壁層存在很大差異［9］。

表1 楊木應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)的主要化學(xué)成分含量Table 1 Content of main chemical composition of poplar tension wood and opposite wood %

2.6 紅外光譜圖分析

楊木應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)的紅外光譜圖見(jiàn)圖5。由圖5 可知，應(yīng)拉區(qū)木材與對(duì)應(yīng)區(qū)木材兩者紅外光譜圖具有明顯差異。應(yīng)拉區(qū)在1 594 和1 509 cm-1處的苯環(huán)碳骨架振動(dòng)（木質(zhì)素）［7，17］吸收峰強(qiáng)度明顯低于對(duì)應(yīng)區(qū)，這說(shuō)明在應(yīng)拉區(qū)中木質(zhì)素的含量低于對(duì)應(yīng)區(qū)。在1 730 cm-1附近的C═O 伸縮振動(dòng)（半纖維素乙酰基CH3C═O）是半纖維素區(qū)別于其他組分的特征［7］，圖中顯示應(yīng)拉木在此處強(qiáng)度減弱，這表明應(yīng)拉區(qū)木材的半纖維素含量與對(duì)應(yīng)木相比降低，與NREL 法的化學(xué)成分定量分析結(jié)果一致。

圖5 楊木應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)的紅外光譜圖Fig.5 Infrared spectrogram of tension wood and opposite wood

2.7 楊木試樣相對(duì)結(jié)晶度和晶體尺寸

楊木應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)木材的X 射線衍射圖見(jiàn)圖6。典型的（101）、（002）和（040）特征晶面的出現(xiàn)表明楊木應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)的結(jié)晶類(lèi)型都屬于典型的纖維素Ⅰ晶型［7］。利用Segal 法測(cè)得的楊木應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)的相對(duì)結(jié)晶度分別為48.06%和41.01%，應(yīng)拉區(qū)的結(jié)晶度明顯比對(duì)應(yīng)區(qū)高。這是由于應(yīng)拉區(qū)中存在大量膠質(zhì)木纖維，其中G 層的微纖絲傾角基本與樹(shù)軸方向平行，同時(shí)木質(zhì)素和半纖維素等不定型高聚物含量減少，使得纖維素結(jié)晶度增加［16］。利用謝樂(lè)公式得出：楊木應(yīng)拉區(qū)的晶區(qū)寬度為2.66 nm，長(zhǎng)度為8.84 nm；對(duì)應(yīng)區(qū)的晶區(qū)寬度為2.65 nm，長(zhǎng)度為9.87 nm。根據(jù)正常天然纖維素的晶胞參數(shù)c=0.78 nm，可推斷楊木應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)纖維素晶區(qū)寬度均由3 個(gè)晶胞構(gòu)成。因?yàn)榫О麉?shù)b=1.03 nm，所以楊木應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)纖維素晶區(qū)長(zhǎng)度分別由8 個(gè)和9 個(gè)晶胞構(gòu)成。從數(shù)據(jù)可見(jiàn)，楊木應(yīng)拉區(qū)與對(duì)應(yīng)區(qū)纖維素結(jié)晶區(qū)尺寸的差異并不顯著。

圖6 楊木應(yīng)拉區(qū)和對(duì)應(yīng)區(qū)木材的X 射線衍射圖Fig.6 X-ray diffraction pattern of tension wood and opposite wood

3 結(jié)論

1）楊木應(yīng)拉區(qū)木纖維細(xì)胞壁中存在特殊的G層，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)為P+S1+S2+G，對(duì)應(yīng)區(qū)則為典型的P+S1+S2+S3。應(yīng)拉區(qū)木纖維中G 層（2.53 μm）最厚，對(duì)應(yīng)區(qū)則為S2層（2.28 μm）。與對(duì)應(yīng)區(qū)木纖維相比，應(yīng)拉區(qū)木纖維S1層（0.61 μm）的厚度增大，S2層（1.22 μm）的厚度減小，整體厚度增大。

2）楊木應(yīng)拉區(qū)木纖維CC 處的木質(zhì)素濃度最高，其次為CML，然后為S 層，濃度最低的壁層為G層，對(duì)應(yīng)區(qū)木質(zhì)素濃度與應(yīng)拉區(qū)的規(guī)律基本一致；應(yīng)拉區(qū)木質(zhì)素相對(duì)含量低于對(duì)應(yīng)區(qū)。楊木應(yīng)拉區(qū)與對(duì)應(yīng)區(qū)紅外光譜具有明顯差異，應(yīng)拉區(qū)在1 594，1 509 和1 730 cm-13 處的吸收峰強(qiáng)度都明顯低于對(duì)應(yīng)區(qū)，說(shuō)明應(yīng)拉區(qū)木材有較低的半纖維素和木質(zhì)素含量；同時(shí)三大素含量也表明楊木應(yīng)拉區(qū)木材具有典型的高纖維素含量、低半纖維素和木質(zhì)素含量的特征。

3）楊木應(yīng)拉區(qū)木材的結(jié)晶度為48.06%，高于對(duì)應(yīng)區(qū)的41.01%，而在晶體尺寸方面的差異并不明顯。