楊喜 劉杏娥 楊淑敏 田根林 馬建峰

(國際竹藤中心，北京，100102)

梁山慈竹化學(xué)成分的變異性1)

楊喜 劉杏娥 楊淑敏 田根林 馬建峰

(國際竹藤中心，北京，100102)

對(duì)梁山慈竹綜纖維素、α-纖維素、木質(zhì)素、聚戊糖、苯醇抽出物、冷水抽出物、熱水抽出物、1% NaOH抽出物和灰分等9個(gè)化學(xué)成分指標(biāo)及其隨竹齡和竹高部位的變化情況進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明：梁山慈竹從2年生至5年生，綜纖維素和4種抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)減小的趨勢(shì)；α-纖維素變化幅度極?。荒举|(zhì)素和聚戊糖表現(xiàn)增大趨勢(shì)，4年生時(shí)達(dá)到最大。除α-纖維素外，其他8項(xiàng)化學(xué)組分在4個(gè)竹齡上均表現(xiàn)極顯著差異?；烤C纖維素、α-纖維素和4種抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，木質(zhì)素和聚戊糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低。上部則完全相反，中部各化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)居中。除α-纖維素和苯醇抽出物外，其他7項(xiàng)化學(xué)組分在竹高部位上均無顯著性差異。梁山慈竹的綜纖維素和α-纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于硬頭黃竹，略高于龍竹、撐綠雜交竹和車筒竹；4種抽出物和灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)略高于硬頭黃竹，低于其他3種叢生竹。

梁山慈竹；化學(xué)成分；竹齡；竹高部位

We studied the chemical compositions of holocellulose,α-cellulose, lignin, pentosan, benzene-alcohol extractive, water extractive, hot-water extractive, 1% of NaOH extractive and ash inDendrocalamusfarinosus, and their variations with bamboo age and culm height. The content of holocellulose decreased from two- to five-year old with no significant difference inα-cellulose, nevertheless significant difference in remaining compositions between five-year bamboos. Lignin and pentosan increased to four-year old and then falling with extreme value at four-year old, oppositely four kinds of extractives and ash were slightly decreased to four-year-old and then increased. Along culm height, the contents of four kinds of extractives in base position reached maximum as well as holocellulose andα-cellulose, while lignin and pentosan at the minimum. The contents of chemical compositions in upper position were just opposite to the base, middle position with almost medium. There were significant differences inα-cellulose and benzene-alcohol extractives among three culm positions at 0.01 level. Holocellulose content inD.farinosuswas lower than that inBambusarigida, and a little higher than that inBamdusapervariadilis×GrandisNin,D.giganteus, andBambusasinospinosa. Four kinds of extractives and ash inD.farinosuswere slightly higher than those inBambusarigid, but lower than those in other three sympodial bamboos.

竹材的化學(xué)成分是其物理力學(xué)性能和加工利用的基礎(chǔ)，對(duì)保障竹材制漿造紙得率和作為承重結(jié)構(gòu)材都起著決定作用[1-2]。竹材的化學(xué)成分與木材類似，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三大成分組成。纖維素是木材細(xì)胞壁的骨架物質(zhì)，賦予材料強(qiáng)度和彈性；半纖維素是細(xì)胞壁的黏結(jié)物質(zhì)，起著填充和部分膠著作用，賦予材料剪切強(qiáng)度；木質(zhì)素是細(xì)胞壁的硬固物質(zhì)，起到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛性的作用[3-6]。竹材α-纖維素(40%～50%)和木質(zhì)素(20%～26%)的高質(zhì)量分?jǐn)?shù)使竹材具有強(qiáng)度高、硬度大、彈性好等特點(diǎn)，從而使其成為一種重要的綠色環(huán)保建筑材料。

梁山慈竹(Dendrocalamusfarinosus)，牡竹屬，是一種地下莖合軸型叢生竹，稈高8～12 m，直徑4～8 cm，主要分布在廣西、廣東、云南和四川，是優(yōu)良叢生紙漿用材竹，潛在的大型工業(yè)叢生用竹，極具開發(fā)價(jià)值。目前國內(nèi)對(duì)梁山慈竹的研究局限于培育、稈形結(jié)構(gòu)、生態(tài)效益和物理力學(xué)等方面[7-8]，有關(guān)于其化學(xué)成分變異性分析的研究未見報(bào)道。文中對(duì)梁山慈竹主要化學(xué)成分在不同竹齡和竹高部位之間進(jìn)行了差異性分析，并以另外4種叢生竹——硬頭黃竹、撐綠雜交竹、龍竹、車筒竹作為參比竹種進(jìn)行對(duì)照分析。以期為梁山慈竹綜合開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

于四川長寧竹海鎮(zhèn)，采集竹齡為2年生、3年生、4年生和5年生梁山慈竹各10根，竹子生長正常，無病蟲害。齊地伐倒后，每株從離地約1.5 m的整節(jié)處，向上截取約2 m長一段作為試材基部，再依次向上截取約2 m長兩段分別作為中部和上部，均在整節(jié)處截?cái)?。在基部、中部和上部下端竹筒中間截取約5 cm長的竹環(huán)，每個(gè)環(huán)上取大約500 g試材，將其劈成細(xì)片，風(fēng)干，再經(jīng)粉碎機(jī)磨碎，截取通過40目篩而不能通過60目篩的細(xì)末，涼至室溫后，貯存于1 000 mL有磨砂玻璃塞的廣口瓶中，供試驗(yàn)使用。

本研究共測(cè)定梁山慈竹2、3、4、5年生竹稈的基部、中部和上部及參比竹種(3年生的硬頭黃竹、撐綠雜交竹、龍竹和車筒竹)的綜纖維素、α-纖維素、木質(zhì)素、聚戊糖、苯醇抽出物、冷水抽出物、熱水抽出物、1% NaOH抽出物和灰分等9項(xiàng)指標(biāo)。各指標(biāo)均按造紙?jiān)戏治龇椒▏覙?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定[9]。其中纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)用硝酸乙醇法測(cè)定，綜纖維素用酸性亞氯酸鈉法測(cè)定，木質(zhì)素采用Klaon法測(cè)定，聚戊糖采用二溴化法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 梁山慈竹化學(xué)成分隨竹齡的變化情況

2.1.1 細(xì)胞壁主要物質(zhì)

竹材纖維細(xì)胞壁主要成分是木質(zhì)素和綜纖維素，它們是判斷材料利用價(jià)值高低、確定制漿工藝的主要依據(jù)[10]26-99。2、3、4、5年生梁山慈竹的綜纖維素、聚戊糖、抽出物和灰分等化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果見表1。植物綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)是衡量其作為制漿造紙或水解工業(yè)原料優(yōu)劣的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，包括纖維素和半纖維素。由表1可知，梁山慈竹綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2年生至5年生依次下降，降低幅度較小(3.9%)，以2年生最大，5年生最小，平均值為73.2%。隨著竹子生長期增加，綜纖維素略有下降的趨勢(shì)，與陳友地等[11]對(duì)10種竹子的研究結(jié)果一致。一般說來，針葉材的綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%～73%、闊葉材的為70%～82%、禾本科的為64%～80%[5]104，可見梁山慈竹的綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)屬于中上等，是較好的制漿原料。

纖維素是竹材纖維細(xì)胞壁的骨架物質(zhì)。α-纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2年生至5年生變化幅度極小，絕對(duì)差異小于0.2%，平均值49.86%。一般木材和竹材的纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～50%[5]117，梁山慈竹較高的纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)決定了其具有較高的強(qiáng)度和彈性模量[8]。半纖維素的成分幾乎全為聚戊糖，所以可借用其間接衡量竹材半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在制漿造紙過程中，半纖維素打漿時(shí)容易水化，促進(jìn)纖維間的交織，增加纖維的結(jié)合度，從而提高紙張的機(jī)械強(qiáng)度。聚戊糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨竹齡的變化情況與江澤慧等[12]研究的半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著竹齡的增加而增加近似，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.33%，與一般竹材(19%～23%)接近，比針葉材(10%～15%)高得多[5]269。梁山慈竹中適量的聚戊糖有利于制漿造紙和糖醛的綜合開發(fā)利用。

表1 梁山慈竹4個(gè)竹齡的主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

木質(zhì)素是苯丙烷基衍生物通過碳碳鍵和醚鍵聚合而成的三維結(jié)構(gòu)天然高分子化合物，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低對(duì)生產(chǎn)工藝有十分重要的影響，質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，蒸煮困難，消耗的化學(xué)藥品也相對(duì)較多[10]26-99。梁山慈竹木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4年生時(shí)達(dá)到最大，其他竹齡則較為接近，平均值為21.89%，小于毛竹、馬尾松[13]，其較低的木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)可降低制漿蒸煮中的耗藥量，且易成漿。Itoh[14]指出，竹材在第一個(gè)生長季即完成木質(zhì)化，而Lin et al.[15]研究表明，纖維和大多數(shù)薄壁細(xì)胞的木質(zhì)化過程不止一年，可能持續(xù)7 a，這與本試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

2.1.2 抽出物

抽出物即非細(xì)胞壁物質(zhì)，主要存在于活組織的細(xì)胞內(nèi)外液中，其因極性、酸堿性和相對(duì)分子質(zhì)量的不同，在不同溶劑中的溶解度各不相同[4]。由數(shù)據(jù)分析可知，苯醇抽出物、冷水抽出物、熱水抽出物、1% NaOH抽出物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨竹齡的變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，以2年生最高，4年生時(shí)最小(表1)。苯醇抽出物常被稱為“樹脂”，其存在常增加蒸煮時(shí)化學(xué)藥品的消耗，延長蒸煮時(shí)間。梁山慈竹苯醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為3.86%，比毛竹、桉木和楊木高[13]，說明其含有較多的蠟質(zhì)、樹脂酸和脂肪酸等物質(zhì)。冷水抽出物和熱水抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為13.54%、14.85%，高于毛竹、桉木和楊木的[13]。1% NaOH抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為33.53%，遠(yuǎn)高于毛竹、桉木和楊木的[13]，說明其低分子聚戊糖和低分子木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。原料較高的堿抽出物使化學(xué)制漿中耗堿量增加。

2.1.3 灰分

灰分是竹子纖維經(jīng)過灼燒后殘留的無機(jī)物，為各種礦物元素的氧化物。由表1可知，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨竹齡的增長從2年生至4年生逐漸減小，4年生至5年生增大，4年生時(shí)達(dá)最小。平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.16%，略低于毛竹，高于桉木和楊木[13]?；曳仲|(zhì)量分?jǐn)?shù)高，不利于堿液回收，使造紙耗堿量增大。

由方差分析結(jié)果可知(表2)，4個(gè)竹齡α-纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.01水平上無顯著差異，其他8項(xiàng)化學(xué)組分指標(biāo)均表現(xiàn)極顯著差異。而且4年生梁山慈竹的木質(zhì)素和聚戊糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，抽出物和灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小，可推出，4年生梁山慈竹是制漿成本較低，蟲蛀、霉變現(xiàn)象較少，強(qiáng)度和彈性模量較高，且最不易生物降解的竹齡。

2.2 梁山慈竹化學(xué)成分隨竹高部位的變化情況

梁山慈竹沿竹稈高度方向的基部、中部和上部的綜纖維素、聚戊糖、抽出物和灰分等化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)試結(jié)果見表3。隨竹稈縱向高度的增加，綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)從基部至上部有小的下降幅度；α-纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)也有減小趨勢(shì)，但變化幅度極?。荒举|(zhì)素和聚戊糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)從基部至上部均呈增加趨勢(shì)，分別增加了3.9%和3.4%。苯醇抽出物、冷水抽出物、熱水抽出物和1%NaOH抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在竹稈高度方向均以基部最大，上部最??；灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)以上部最小，中部最大。這與Li et al.[16]對(duì)毛竹的研究結(jié)果不完全一致。

表2 梁山慈竹4個(gè)竹齡間、3個(gè)竹高部位間各化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)方差分析

注：** 表示在0.01水平上差異極顯著。

表3 梁山慈竹竹高部位的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

在基部，α-纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，木質(zhì)素和聚戊糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，4種抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)和灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)都最高。表2分析結(jié)果表明，除α-纖維素和苯醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在竹高部位上表現(xiàn)出極顯著性差異外，其他7項(xiàng)化學(xué)竹材指標(biāo)均無顯著性差異。

2.3 梁山慈竹與其他4種叢生竹的成分比較

從表4可知，5個(gè)竹種中，綜纖維素、α-纖維素和木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)以硬頭黃竹最高，車筒竹最低，龍竹則與梁山慈竹最為接近。梁山慈竹相比硬頭黃竹，綜纖維素、α-纖維素和木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別少4.2%、5.0%和2.4%；相比車筒竹，三者質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別高出3.7%、4.6%和1.1%。相比資料報(bào)道的毛竹、甜竹等竹種，綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯偏高，木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低。苯醇抽出物、冷水抽出物、熱水抽出物和1% NaOH抽出物4種抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)從高到低的排列均為龍竹、撐綠雜交竹、車筒竹、梁山慈竹、硬頭黃竹。梁山慈竹聚戊糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)比龍竹的略高，比撐綠雜交竹、硬頭黃竹和車筒竹的略低；其灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與撐綠雜交竹和硬頭黃竹比較接近，遠(yuǎn)低于龍竹和車筒竹的。

表4 5種叢生竹材的化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

從綜纖維素、α-纖維素來看，5種竹材的綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)屬于中上等，纖維得率都會(huì)比較高，且竹材強(qiáng)度和剛性較好。但從4種抽出物和灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)來看，梁山慈竹和硬頭黃竹成本較低，龍竹和車筒竹成本較高。梁山慈竹中較高的綜纖維素、α-纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和適當(dāng)?shù)木畚焯琴|(zhì)量分?jǐn)?shù)，為竹纖維的制備提供了有利的條件，但較高的木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及半纖維素和木質(zhì)素之間所形成的木質(zhì)素—碳水化合物復(fù)合體，使其“脫膠”工藝有點(diǎn)復(fù)雜。

3 結(jié)束語

梁山慈竹綜纖維素、α-纖維素、木質(zhì)素、聚戊糖、苯醇抽出物、冷水抽出物、熱水抽出物、1% NaOH抽出物和灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值分別為：73.2%、49.86%、21.89%、17.33%、3.86%、13.54%、14.85%、33.53%和1.16%。

梁山慈竹從2年生至5年生，綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出小幅度下降；α-纖維素變化幅度極??；木質(zhì)素和聚戊糖表現(xiàn)出先增大后減小趨勢(shì)，4年生時(shí)達(dá)到最大；4種抽出物均先逐漸較小后增大，4年生時(shí)達(dá)最小?；烤C纖維素、α-纖維素和4種抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，木質(zhì)素和聚戊糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低。上部則完全與之相反，中部各化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)居中。4個(gè)竹齡α-纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.01水平上無顯著差異，其他8項(xiàng)化學(xué)組分指標(biāo)均表現(xiàn)極顯著差異；竹高部位上除α-纖維素和苯醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出極顯著性差異外，其他7項(xiàng)化學(xué)組分指標(biāo)均為無顯著差異。

梁山慈竹的綜纖維素和α-纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于硬頭黃竹的，略高于其他3種叢生竹的；4種抽出物和灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)稍高于硬頭黃竹的，低于其他3種叢生竹的。

[1] 張齊生．中國竹材工業(yè)化利用[M]．北京：中國林業(yè)出版社，1995.

[2] Li Xiaobo. Physical, chemical, and mechanical properties of bamboo and its utilization potential for fiberboard manufacturing[D]. Louisiana： Louisiana State University，2004.

[3] 李民棟．竹材化學(xué)組成和半纖維素結(jié)構(gòu)的特征[J]．中國造紙，1990(3)：56-59．

[4] 楊淑惠．植物纖維化學(xué)[M]．北京：中國輕工業(yè)出版社，2005：6-69.

[5] 劉一星，趙廣杰.木材學(xué)[M].北京：中國林業(yè)出版社,2012.

[6] Scurlock J M, Dayton D C, Hames B. Bamboo: an overlooked biomass resource[J]. Biomass and Bioenergy，2000,19(4)：229-244.

[7] 熊壯,董文淵,劉時(shí)才,等.梁山慈竹稈形結(jié)構(gòu)和地上生物量結(jié)構(gòu)研究[J].林業(yè)科技開發(fā),2010,24(3)：81-83.

[8] 楊喜,劉杏娥,楊淑敏,等.5種叢生竹材物理力學(xué)性質(zhì)的比較[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,41(10)：91-93.

[9] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB/T 2677.1～GB/T 2677.10.造紙工業(yè)產(chǎn)品試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)匯編[S].北京：技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1980.

[10] 謝來蘇,詹懷宇.制漿原理與工程[M].北京：中國輕工業(yè)出版社,2001：26-99．

[11] 陳友地,秦文龍,李秀玲,等.十種竹材化學(xué)成分的研究[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè),1985,5(4)：31-39.

[12] 江澤慧,于文吉,余養(yǎng)倫.竹材化學(xué)成分分析和表面性能表征[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,34(4):1-6.

[13] 史正軍,輝朝茂,袁清泉,等.云南甜竹化學(xué)成分分析[J].世界竹藤通訊,2009,7(2):10-13.

[14] Itoh T. Lignification of bamboo (PhyllostachysheterocyclaMitf.) during its growth[J]. Holzforschung,1990,44(3):191-200.

[15] Lin Jinxing, He Xinqiang, Hu Yuxi, et al. Lignification and lignin heterogeneity for various age classes of bamboo (Phyllostachyspubescens) stems[J]. Physiologia Plantarum,2002,114(2):292-302.

[16] Li Xiaobo, Shupe T F, Peter G F, et al. Chemical changes with maturation of the bamboo speciesPhyllostachyspubescens[J]. Journal of Tropical Forest Science,2007,19(1):6-12.

Variation on Chemical Properties ofDendrocalamusfarinosus//

Yang Xi, Liu Xing’e, Yang Shumin, Tian Genlin, Ma Jianfeng

(International Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2015,43(9)：41-44.

Dendrocalamusfarinosus; Chemical composition; Bamboo age; Culm height

1)“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD23B01)。

楊喜，女，1989年8月生，國際竹藤中心，博士研究生。E-mail:yangxijy@126.com。

楊淑敏，國際竹藤中心，副研究員，E-mail:yangsm@icbr.ac.cn。

2014年4月17日。

S795.5；Q946-3

責(zé)任編輯：任 俐。