陳 云，張喜燕，雷亞芳，史小娟

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

麥秸的微觀構(gòu)造及化學(xué)成分分析

陳 云，張喜燕，雷亞芳，史小娟

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

【目的】 對麥秸(麥秸稈、麥葉、穗軸)的構(gòu)造及化學(xué)成分進(jìn)行比較分析，為麥秸的綜合利用提供參考。【方法】 以麥秸稈、麥葉、穗軸為研究對象，觀察其宏觀構(gòu)造，用掃描電鏡觀察其微觀構(gòu)造，參照GB/T 2677.8-94、GB/T 2677.10-95和GB/T 742-2008規(guī)定的造紙?jiān)铣煞譁y定系列方法分析其化學(xué)成分?！窘Y(jié)果】 麥秸稈、麥葉及穗軸的宏觀和微觀構(gòu)造具有一定的差異性。麥秸稈的外表面光滑，有蠟狀物質(zhì)，組織致密，而內(nèi)表面組織疏松，無角質(zhì)層；麥葉角質(zhì)層較薄，但表面蠟質(zhì)晶體含量最多；穗軸表面組織致密，角質(zhì)層較厚，表面蠟質(zhì)晶體和硅質(zhì)細(xì)胞較多。主要化學(xué)成分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分析表明，麥秸稈、麥葉、穗軸中酸不溶木質(zhì)素含量分別為16.36%，12.24%，16.29%；綜纖維素含量分別為76.98%，65.08%，76.25%；纖維素含量分別為41.11%，35.16%，37.35%；灰分含量分別為5.21%，9.96%，4.48%?！窘Y(jié)論】 在定向結(jié)構(gòu)麥秸人造板的生產(chǎn)中，提高麥秸稈的劈裂率，減少麥葉和穗軸的含量，可以提高板材的性能。

麥秸稈；麥葉；穗軸；微觀構(gòu)造；化學(xué)成分

中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，利用農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)人造板，不僅原料豐富，而且產(chǎn)品能適應(yīng)市場需求，具有較強(qiáng)的競爭力。大力發(fā)展秸稈人造板生產(chǎn)既能使農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈變廢為寶，也能節(jié)約木材、保護(hù)森林和生態(tài)環(huán)境，增加農(nóng)民收入，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益明顯。但目前由于秸稈資源分散、季節(jié)性強(qiáng)且量大面廣及加工成本高等現(xiàn)實(shí)問題，嚴(yán)重制約了秸稈資源的綜合利用[1-2]。國內(nèi)外對麥秸稈的微觀構(gòu)造及化學(xué)成分進(jìn)行了大量的研究，結(jié)果表明麥秸稈外表面光滑，形成的角質(zhì)層阻礙膠滴的潤濕、擴(kuò)散和滲透，且麥秸稈的化學(xué)組成與木材明顯不同，在生產(chǎn)人造板時(shí)往往會帶來一系列問題，特別是膠黏劑的選用非常困難[3-7]。但目前對麥秸(包含麥秸稈、麥葉、穗軸)微觀構(gòu)造及化學(xué)成分的研究尚未見報(bào)道。本研究以麥秸(包含麥秸稈、麥葉、穗軸)為對象，將化學(xué)分析和現(xiàn)代儀器分析相結(jié)合，對麥秸微觀構(gòu)造進(jìn)行觀察，并對其主要化學(xué)成分進(jìn)行分析，以期為麥秸的利用及麥秸人造板生產(chǎn)工藝的制定提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

麥秸(包含麥秸稈、麥葉及穗軸)，產(chǎn)地陜西楊凌，由陜西楊凌諾菲博爾板業(yè)(中國)有限公司提供。

1.2 儀器與試劑

(1)主要儀器。JSM-6360LV掃描電鏡，日本電子公司；循環(huán)水式真空泵SHZ-D(Ⅲ)，鞏義市英峪予華儀器廠；DHG9123A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；DK-98-1型電熱恒溫水浴鍋，天津市泰斯特儀器有限公司；索氏提取器(250 mL)，鄭州中天實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；1G2玻璃濾器，長春市玻璃儀器廠；回流冷凝器，天津麥克瑞商貿(mào)有限公司；高溫電阻爐SX-4-10型，武漢亞華電阻有限公司；粉碎機(jī)，上海市浦恒信息科技有限公司。

(2)主要試劑。體積分?jǐn)?shù)95%化學(xué)純乙醇、苯-乙醇混合液(V(苯)∶V(乙醇)=2∶1)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%氯化鋇溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)(72±0.1)% 硫酸、分析純亞氯酸鈉、分析純冰乙酸、甲基橙、硝酸-乙醇混合液(V(硝酸)∶V(乙醇)=4∶1)。

1.3 方 法

1.3.1 微觀構(gòu)造觀察 (1)試件制作。將已劈裂麥秸稈、麥葉及穗軸切割成高為0.5 cm的小塊，烘至絕干。(2)掃描電鏡觀察。將要觀察的樣品用雙面碳導(dǎo)電膠帶固定于試樣座上，將其置于真空噴鍍儀內(nèi)，在試樣表面上噴鍍一層厚約20 nm的金粉，然后在掃描電鏡下觀察。

1.3.2 化學(xué)成分及其含量的測定 本研究借鑒國內(nèi)對非木材原料中的木質(zhì)素、綜纖維素、纖維素、灰分含量的測定方法,分析麥秸稈、麥葉及穗軸的各化學(xué)成分含量[8]。其中酸不溶木質(zhì)素含量的測定采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)72%硫酸法(GB/T 2677.8-94)[9]，綜纖維素含量的測定采用亞氯酸鈉法(GB/T 2677.10-95)[10]，纖維素含量的測定采用硝酸-乙醇法[11]，灰分含量的測定采用以醋酸鎂為催化劑的方法(GB/T 742-2008)[12]。半纖維素含量=綜纖維素含量-纖維素含量。各成分含量以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 麥秸稈、麥葉及穗軸的構(gòu)造

2.1.1 麥秸的宏觀構(gòu)造 生產(chǎn)麥秸人造板的原料包括麥秸稈、麥葉、穗軸(圖1)。麥秸稈支持著植株的地上部分，其外表面光滑帶有淺溝，表面有一層蠟狀物質(zhì)[3]，內(nèi)表面存在薄壁細(xì)胞，又稱柔嫩細(xì)胞，填充在麥秸稈內(nèi)部；麥葉柔軟，比較薄，易撕裂，表面不光滑；穗軸含有許多節(jié)片，表面光滑，有蠟狀物質(zhì)，外表面堅(jiān)硬。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在麥秸人造板生產(chǎn)原料中，麥秸稈約占91.05%，麥葉約占4.75%，穗軸約占3.69%。由此可見，生產(chǎn)原料中絕大部分是麥秸稈，麥葉居中，穗軸的量最少，故麥秸稈在麥秸人造板生產(chǎn)過程中占主導(dǎo)地位。

2.1.2 麥秸的微觀構(gòu)造 (1)麥秸稈。由麥秸稈的橫切面(圖2-a)可見，在麥秸稈外表面有一層非常致密的組織，即表皮，而在麥秸稈內(nèi)表面，表皮組織為一層薄壁細(xì)胞。麥秸稈外表面表皮是麥稈最外面的一層細(xì)胞，它包括幾乎充滿SiO2的硅質(zhì)細(xì)胞和栓質(zhì)細(xì)胞。由于礦質(zhì)化和栓質(zhì)化的結(jié)果，表皮易形成角質(zhì)層，在麥稈的生長過程中能防止麥稈內(nèi)部水分過度蒸發(fā)和病菌的侵入。也正是由于角質(zhì)層的存在，脲醛樹脂等醛類樹脂難以通過角質(zhì)層侵入麥稈內(nèi)部，影響樹脂的濕潤、擴(kuò)散、滲透，導(dǎo)致麥秸板膠合性能降低[10]。麥秸稈主要由表皮組織、機(jī)械組織、基本薄壁組織和維管束組成。由外表面表皮到內(nèi)表面表皮細(xì)胞逐漸變大，換言之，即其組織由外向內(nèi)越來越疏松。

對麥秸稈外表面和內(nèi)表面的構(gòu)造分別進(jìn)行觀察， 結(jié)果(圖2-b,c)表明，麥秸稈外表面組織致密，可以看到硅質(zhì)細(xì)胞存在，并且覆有少量的蠟質(zhì)晶體。麥秸稈內(nèi)表面主要由薄壁細(xì)胞組成，結(jié)構(gòu)疏松，纖維骨架清晰可見。

以上分析結(jié)果表明，麥秸稈外表面光滑，組織致密，形成的角質(zhì)層會阻礙膠滴的潤濕、擴(kuò)散和滲透。內(nèi)表面無角質(zhì)層，利于膠滴的潤濕、擴(kuò)散和滲透。因此，在生產(chǎn)定向結(jié)構(gòu)麥秸人造板時(shí)，提高麥秸稈的劈裂率，以增加內(nèi)表面和膠黏劑接觸的面積，可以有效提高板材的性能。

(2)麥葉。由圖3-a可以看出，麥葉內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，排列不緊密，主要由表皮組織、維管束和少量薄壁細(xì)胞組成，麥葉表面的角質(zhì)層較薄。從圖3-b可以看出，麥葉表面覆有大量的蠟質(zhì)晶體，不利于有機(jī)溶劑或膠滴的擴(kuò)散、滲透。

(3)穗軸。由圖4-a可以看出，穗軸表面組織致密，具有較多的蠟質(zhì)晶體和硅質(zhì)細(xì)胞，不利于膠滴或有機(jī)溶劑的擴(kuò)散、滲透，潤濕性較差。圖4-b顯示，從穗軸橫切面看，穗軸主要由表皮組織、機(jī)械組織、基本薄壁組織和維管束組成。表皮細(xì)胞的外層嚴(yán)重角質(zhì)化，與麥秸稈、麥葉相比，其角質(zhì)層較厚。在表皮細(xì)胞的內(nèi)側(cè)，有大量的厚壁細(xì)胞存在，即機(jī)械組織。穗軸機(jī)械組織發(fā)達(dá)，因此質(zhì)地堅(jiān)硬，在麥秸人造板的加工過程中，穗軸比較容易在節(jié)片處斷裂，幾乎不會被劈裂，堅(jiān)硬的穗軸不利于板材膠合。因此，在生產(chǎn)麥秸人造板的過程中，應(yīng)盡量控制穗軸的加入，以期得到性能更佳的麥秸人造板。

張喜燕[13]對麥秸原料表面潤濕性的研究表明，異氰酸酯膠黏劑(MDI)與麥秸外表面、內(nèi)表面和麥葉的接觸角分別為38.8°，27.6°和57.2°。MDI對麥秸稈內(nèi)表面的接觸角最小，潤濕性最好，與麥秸稈外表面之間的潤濕性次之，對麥葉的潤濕性最差。本研究結(jié)果與上述結(jié)論[13]相一致，因此在生產(chǎn)定向結(jié)構(gòu)麥秸人造板時(shí)，應(yīng)盡量提高麥秸稈的劈裂率，控制麥葉及穗軸的加入量，以提高麥秸人造板的膠合性能。

2.2 麥秸稈、麥葉及穗軸的主要化學(xué)成分

木質(zhì)素是組成麥秸稈、麥葉、穗軸細(xì)胞壁的一種重要物質(zhì)，其通過形成交織網(wǎng)來硬化細(xì)胞壁，強(qiáng)化植物組織。木質(zhì)素分子上缺乏親水親油性均理想的官能團(tuán)，因而在有機(jī)相和水相中的溶解度均不高，表面活性也很差。

從表1可知，麥秸稈、穗軸和麥葉中酸不溶木質(zhì)素的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為16.36%，16.29%，12.24%，麥秸稈中酸不溶木質(zhì)素的含量與穗軸差異不大，由此可知二者細(xì)胞壁的堅(jiān)硬程度基本一致；麥秸稈中酸不溶木質(zhì)素的含量較麥葉高4.12%，可見這是造成麥秸稈堅(jiān)硬、麥葉柔軟的一個(gè)重要因素。

綜纖維素是纖維素和半纖維素的總和。由表1可知，穗軸、麥秸稈和麥葉中半纖維素的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為38.90%，35.87%和29.92%。半纖維素在細(xì)胞壁中起粘結(jié)作用，在天然狀態(tài)下為無定形物，聚合度低，可反應(yīng)官能團(tuán)多，化學(xué)活性強(qiáng)。纖維素和半纖維素中均含有大量的游離羥基，熱壓時(shí)這些組分中的羥基相互作用形成氫鍵和范得華力的結(jié)合，使得熱壓后的麥秸人造板具有較高的力學(xué)強(qiáng)度。可見當(dāng)麥秸人造板中穗軸、麥秸稈含量較高時(shí)，板的力學(xué)強(qiáng)度較高，麥葉含量高時(shí)，麥秸板的力學(xué)強(qiáng)度較低。由穗軸的構(gòu)造還可知，穗軸結(jié)構(gòu)致密，潤濕性差，不易劈裂，導(dǎo)致隨著穗軸含量的增加，麥秸人造板的膠合性能降低，因此在生產(chǎn)麥秸人造板的過程中，應(yīng)該降低麥葉及穗軸的含量，以提高麥秸板的力學(xué)性能。

纖維素屬線性的高分子聚合物，是以分子鏈聚集成排列有序的微纖絲束而存在于細(xì)胞壁中，賦予麥秸稈、麥葉、穗軸縱向抗拉強(qiáng)度，起著骨架作用，被稱為細(xì)胞壁的骨架物質(zhì)。因此，纖維素含量越高，其縱向抗拉強(qiáng)度越好。表1表明，纖維素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以麥秸稈最高，麥葉最低。麥秸稈中的纖維素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))較穗軸高3.76%，較麥葉高 5.95%。表明麥秸稈的抗拉強(qiáng)度最好，穗軸次之，麥葉最差。由此可以推測，在麥秸人造板生產(chǎn)中，麥秸稈含量越高，板的抗拉性能越好。

麥秸稈的灰分中95%以上是SiO2，且麥秸稈外層的灰分含量較整稈高，麥秸稈中的SiO2是導(dǎo)致人造板制造中麥秸稈不易粘接的主要原因，因?yàn)镾iO2對脲醛樹脂、酚醛樹脂等膠黏劑的膠合有很大的阻礙作用，從而影響板的強(qiáng)度[14-15]。由表1可知，麥葉、麥秸稈、穗軸中的灰分含量分別為9.96%， 5.21%和4.48%。與麥秸稈和穗軸相比，麥葉的灰分含量最高。另外，從微觀結(jié)構(gòu)可知，麥葉的表面覆有大量的蠟質(zhì)晶體，這些晶體的存在，嚴(yán)重影響了膠黏劑對麥葉的潤濕性，使得膠黏劑很難滲入其內(nèi)部，影響板材的膠合性能。因此，在麥秸人造板加工過程中，應(yīng)降低麥葉的含量以提高板材的性能。

張喜燕[13]研究表明，麥葉、穗軸對板材吸水厚度膨脹率、彈性模量、靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響較大，對板材吸水厚度膨脹率的影響最大；隨著麥葉、穗軸含量的增大，板材的吸水厚度膨脹率逐漸增大，彈性模量、靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度均逐漸降低，但均可以滿足國家對定向刨花板各等級標(biāo)準(zhǔn)的要求。本研究結(jié)果與張喜燕[13]的結(jié)論相符合。

從表1可以看出，麥秸稈、麥葉、穗軸中各主要化學(xué)成分的含量有所不同。影響麥秸稈、麥葉、穗軸的主要因素是酸不溶木質(zhì)素、纖維素、半纖維素和灰分。較高的酸不溶木質(zhì)素及纖維素含量使麥秸稈的細(xì)胞壁更為堅(jiān)硬，抗拉強(qiáng)度更高。因此，在麥秸人造板生產(chǎn)過程中減少原料中麥葉及穗軸的含量，可以提高板材的性能。

3 結(jié) 論

1)麥秸稈的構(gòu)造特征表現(xiàn)為其外表面光滑，有蠟狀物質(zhì)，組織致密，不利于有機(jī)溶劑或膠滴的擴(kuò)散、滲透，而內(nèi)表面組織疏松，無角質(zhì)層，有利于膠滴的潤濕、擴(kuò)散和滲透。麥葉角質(zhì)層較薄，質(zhì)地柔軟，容易開裂，但表面蠟質(zhì)晶體含量較多。穗軸表面組織致密，角質(zhì)層較厚，表面蠟質(zhì)晶體和硅質(zhì)細(xì)胞較多，不易劈裂。麥葉和穗軸的表面潤濕性均不好，不利于有機(jī)溶劑或膠滴的擴(kuò)散和滲透。

2)麥秸稈、麥葉、穗軸中的主要化學(xué)成分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))并不相同，麥秸稈、麥葉、穗軸中的綜纖維素含量分別為76.98%，65.08%，76.25%；酸不溶木質(zhì)素含量分別為16.36%，12.24%，16.29%；纖維素含量分別為41.11%，35.16%，37.35%；灰分含量分別為5.21%，9.96%，4.48%。

綜合分析得出，在定向結(jié)構(gòu)麥秸人造板的生產(chǎn)中，提高麥秸稈的劈裂率，減少麥葉和穗軸的含量，可以提高板材的性能。

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Microstructure and chemical composition of wheat straw

CHEN Yun,ZHANG Xi-yan,LEI Ya-fang,SHI Xiao-juan

(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 This study aimed to compare and analyze the structures and chemical compositions of wheat straw,and to improve the utilization of wheat straw.【Method】 The macrostructures and microstructures of different parts of wheat straw were observed respectively by eyes and scanning electron microscopy,and the main chemical compositions were assayed by methods regulated in GB/T 2677.8-94,GB/T 2677.10-95 and GB/T 742-2008.【Result】 Macrostructures and microstructures of wheat stalk,wheat leaf and rachis were different.Outer surface of wheat stalk was smooth with dense tissue,and there was no cuticle on the inner surface.The cuticle of wheat leaf was thinner,but the wax crystals content of surface was the most abundant.The tissue of rachis surface as dense and the cuticle was the thickest.Rachis surface had many waxy crystals and siliceous cells.On the dry weight basis,wheat stalk was composed of lignin 16.36%,holocellulose 76.98%,celluloses 41.11% and ash 5.21%.Wheat leaf consisted of lignin 12.24%,holocellulose 65.08%,celluloses 35.16% and ash 9.96%.Rachis contained lignin 16.29%,holocellulose 76.25%,celluloses 37.35% and ash 4.48%.【Conclusion】 In the production process,increasing the splitting rate and reducing the contents of wheat leaf and rachis could improve the performance of board made with what straw.

wheat stalk;wheat leaf;rachis;microstructure;chemical composition

2013-09-26

西北農(nóng)林科技大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)科技創(chuàng)新專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目(QN2011071)

陳 云(1989-)，女，陜西延安人，在讀碩士，主要從事木材加工新技術(shù)研究。E-mail:476487987@qq.com

雷亞芳(1965-)，女，陜西合陽人，教授，博士，主要從事木質(zhì)資源加工與利用研究。E-mail:leiyafang@sina.com

時(shí)間:2015-01-05 08:59

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.02.023

X712；TS71+2

A

1671-9387(2015)02-0179-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150105.0859.023.html