胡 敏 王春紅 荊妙蕾 李 政

（天津工業(yè)大學，天津，300387）

烏拉草是一種多年生草本植物，莖桿呈三棱狀形態(tài)，多生長于水分充足的沼澤濕地，中東北部、俄羅斯遠東地區(qū)、蒙古等地生產量較大[1]。其根和莖較強壯，內有大量的纖維素，在紡織領域具有一定的應用前景。同時，烏拉草具有大多數(shù)植物不具備的抵抗真菌侵蝕和寄生能力的屬性，還因其具有良好的保暖且透氣、防寒、抗菌等特點，世人稱之為“東北三寶”之一。利用烏拉草的抗菌保暖性能，編織制備成草鞋、鞋墊已有幾百年的歷史。目前，烏拉草的研究主要致力于纖維的提取工藝及提取物，為開發(fā)精細化、高效益烏拉草產品奠定基礎。

1 烏拉草的成分

烏拉草與未脫膠的麻纖維較為相似，結合測試結果準確性、簡易程度等綜合分析，參考GB5889—86《苧麻化學成分定量分析法》測定烏拉草的化學成分含量是普遍采用的方法[2]。研究者的測試結果不盡相同，但都有相似之處。2008年馮超杰等人運用此方法測定了烏拉草的纖維素、半纖維素、水溶物、果膠、脂蠟質、木質素成分含量[3]34，王春紅等人采用同樣的方法測試了烏拉草化學成分，兩者測試的化學成分種類相同，但是各個成分的含量有所不同[4]。測試結果如下所示，其中木質素的含量差異最大。同一種植物，不同生長周期及土壤、水分、光照等外界環(huán)境因素不同，生產的纖維質量差異較大，具體影響需后續(xù)研究分析。

烏拉草 烏拉草 烏拉草（馮超杰） （王春紅）

纖維素/% 70.00 56.35

半纖維素/% 11.00 19.45

水溶物/% 6.70 3.26

果膠/% 3.40 0.72

脂蠟質/% 2.40 0.52

木質素/% 1.50 19.70

以上數(shù)據表明，烏拉草主要成分為纖維素、半纖維素、水溶物、果膠、脂蠟質和木質素。纖維素是烏拉草主體部分，脫膠目的為去除非纖維素成分，保留纖維素成分，使得纖維具有良好的性能。研究表明，半纖維素分為水溶性和堿溶性，其中水溶性半纖維素的分子量低，分支度高，以葡萄糖為主鏈，半乳糖和阿拉伯糖為支鏈；堿溶性半纖維素的分子量高，分支度低，以木糖為主鏈，阿拉伯糖和糖醛酸為支鏈[5-6]。因此從去除半纖維素方面考慮，堿溶液處理烏拉草，脫膠效果更好。因單體不同，木質素可分為愈創(chuàng)木基G、紫丁香基S、對羥苯基H三類木質素，簡稱為GSH型，主要的連接鍵為β-O-4芳基醚鍵[7]14。分析發(fā)現(xiàn)木質素平均分子量小的，酚羥基與羧基含量也少。這為烏拉草的纖維脫膠及成分研究奠定了理論研究基礎。

烏拉草各成分間緊密結合，其熱穩(wěn)定性相對較好，在270℃以下不會產生有毒物質。它的熱解主要分為三個階段：初始熱分解（70℃～270℃），纖維表面的水分及纖維內部非定形區(qū)的水分揮發(fā)；主熱解（270℃～350℃），部分纖維素失水，半纖維素分解，極少數(shù)木質素開始緩慢分解；殘渣熱解（350℃～700℃），木質素、纖維素分解，半纖維素分解的一次產物進行二次分解。分解過程中會伴有水、二氧化碳、甲醛等物質，酚類和甲烷的釋放與木質素分解有關，一氧化碳和甲醛的釋放可能與纖維素的分解相關[3]34。嚴格控制溫度范圍，烏拉草將不會釋放有害氣體，這為烏拉草纖維實際應用于阻燃及應對環(huán)保問題提供參考。

除研究烏拉草本身的化學成分外，對烏拉草提取液的化學成分亦有研究。據報道，烏拉草中主要抗菌物質為木犀草素，它屬黃酮類化合物，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等具有抑菌作用[8-9]。采用高效液相的方法測試了秸稈水提取液和纖維水提取液的木犀草素的含量，分別為0.173 8 mg/g、0.032 7 mg/g[10]13-15。烏 拉 草 纖 維提取液中木犀草素含量明顯降低，主要是因為在脫膠過程中，木犀草素在膠質去除的同時也一起被去除。

2 烏拉草纖維的提取及性能測試

天然植物纖維常用的脫膠方法有物理法、化學法、生物法[11-12]。

2.1 物理脫膠法

物理脫膠法主要包括蒸汽爆破法、超聲波法和機械法（梳理，破壓，切斷等）。這些方法是借助于外力，破壞纖維膠質結構，從而去除膠質。但其脫膠效率差，脫膠不均勻，處理得到的纖維表面粗糙，因此物理脫膠法常用于對纖維進行預處理[13]。物理脫膠方法常與其他方法聯(lián)合使用進行烏拉草的脫膠[14]16。

王春紅、孫穎等人采用超聲波，陳春俠等人采用微波預處理的方法進行烏拉草脫膠，目前未有單純使用物理方法進行烏拉草脫膠。

2.2 化學脫膠法

化學脫膠法是用化學試劑對纖維進行處理，使纖維素與其他膠質成分分離，從而得到品質優(yōu)良的纖維的方法[14]15-16。這是工業(yè)上脫膠普遍采用的手段。

烏拉草主要成分為纖維素、木質素、半纖維素、果膠、水溶物等物質。纖維素結構很穩(wěn)定，不溶于一般有機溶劑；木質素能溶于有機溶劑，部分溶于堿性溶液，用雙相水（如聚乙二醇和堿性鹽溶液）處理烏拉草，木質素溶于含有機物的一相，纖維素則以固態(tài)形式留在無機鹽溶液中，從而將纖維素與木質素、半纖維素分離，達到脫膠的目的，且脫膠效果比傳統(tǒng)堿處理脫膠效果好[7]19-29。

觀察脫膠處理的烏拉草纖維橫截面，呈不規(guī)則三角形，三角形的頂點一端有較大的縫隙，縫隙內壁呈豎羅紋狀，縫隙周圍是大小及形狀均不規(guī)則的薄壁小孔，小孔外圍為厚壁空心單纖維狀物質，最外層為實心纖維狀物質，頂點對應的底邊部分為形狀不規(guī)則的實心物質[15]，如圖1所示。烏拉草纖維橫截面大量的孔洞和空腔結構使得烏拉草纖維能夠保持大量的靜止空氣，傳導熱阻高，從而產生隔熱保暖的功效。烏拉草纖維與液態(tài)水接觸時，由于毛細作用可以快速吸附水分并向外界傳輸，使織物具有良好的透濕性及舒適性。烏拉草纖維的縱向表面凹凸不平，呈溝槽狀，塊狀物質為果膠或者其他伴生物。霉菌的代謝機理和生理活性在烏拉草纖維表面的縫隙溝槽中受到抑制，從而抑制了霉菌的生存繁殖。烏拉草獨特的抗菌功效正是源于此結構。按照GB/T 20944.3—2008《紡織品抗菌性能的評價》的方法，纖維秸稈及纖維的抑菌性對革蘭陽性金黃色葡萄球菌抑菌率分別為99%和42%[16]。

圖1 烏拉草纖維橫截面和縱向形態(tài)

2.3 生物法

生物脫膠法分為細菌脫膠法和生物酶脫膠法。細菌脫膠法是指溶液中的細菌通過分解植物，以膠質為營養(yǎng)物質進行大量繁衍，產生的生物酶將纖維伴生物分解成溶于水的小分子，以達到植物脫膠的目的[17]35-36。由于環(huán)境的變化對細菌生長有很大的影響，且細菌分泌的生物酶具有不可控性，所以限制了此方法的推廣。

酶具有高效性、專一性，酶脫膠法利用此性質對纖維進行脫膠。常用的生物酶有果膠酶、漆酶、半纖維素酶、木聚糖酶等。但是單一的生物酶脫膠處理時間長，成本較高，所得纖維大多不能達到紡織加工要求[18]。因此，通常需要多種生物酶聯(lián)合處理或生物酶法與其他方法聯(lián)合使用[19]。

2.4 聯(lián)合法

聯(lián)合脫膠法是利用上述的兩種及以上的方法進行纖維的脫膠，以達到所需要求。

采用化學-生物聯(lián)合法——硫酸-果膠酶對烏拉草進行脫膠處理，硫酸作為氧化劑，預處理脫去秸稈上的部分膠質，也使得秸稈結構變得松散，為果膠酶針對性的脫膠奠定了基礎，此方法提取的烏拉草纖維最低殘膠率為18.54%[20]。

采用生物-化學聯(lián)合脫膠法——生物酶-堿氧浴法提取烏拉草纖維，其中生物酶包含果膠酶、半纖維素酶、木聚糖酶，運用多種生物酶對其處理，使細纖維結構松散程度加大，對后續(xù)化學處理起到很好的預處理作用，從而使纖維充分脫膠。多種生物酶共同使用比單一生物酶脫膠效果更好[17]38。

脫膠處理的烏拉草纖維與烏拉草秸稈的X衍射光譜曲線形態(tài)基本相似，它們的特征衍射峰的2θ均對應于15.9°、22.2°、34.4°，是典型的纖維素纖維的特征衍射峰。紅外光譜中3 140 cm-1附近的吸收峰為O—H伸縮振動吸收峰，1 630 cm-1是C=O的特征吸收峰，1 400 cm-1是H—C—H特征吸收峰，1 060 cm-1處是C—O—C特征吸收峰，這些都是纖維素的特征吸收峰。經處理后的烏拉草纖維在617 cm-1處的特征吸收峰強度幾乎消失，表明脫膠后烏拉草纖維中的膠質含量大大降低。

聯(lián)合脫膠法一般以物理和化學處理為預處理，機械振蕩和氧化處理使纖維膨脹，水及其他溶劑易于進入纖維內部，從而達到充分脫膠的目的[17]35-36。表1展示了不同聯(lián)合脫膠方法的效果，根據實際情況及需要，可選擇不同的纖維提取方法。

表1 烏拉草纖維提取工藝的性能列表

3 烏拉草纖維的應用

目前國內外有關烏拉草纖維制品的報道很少，對于烏拉草提取液及其精細高效益產品的研究更少。

以天然纖維為增強體制備復合材料不僅使天然纖維得到合理的利用，同時有利于緩解能源消耗問題，體現(xiàn)了綠色環(huán)保的理念。馮超杰等人首次以烏拉草纖維和生物降解樹脂PBS為原料，制備了可降解的綠色復合材料[3]34。隨著復合材料纖維質量分數(shù)的增加，其拉伸強度和楊氏模量也隨之增加；土壤生物降解試驗中，烏拉草纖維與PBS樹脂的復合材料比純PBS樹脂片易于降解。這是因為復合材料中的纖維與樹脂發(fā)生了化學反應，減少其降解時間[21]。隨著降解速率提高的同時，材料的力學性能也急速降低。纖維本身的剛性也較大，制備的復合材料力學性能差。未來可以對烏拉草纖維進行改性，使其纖維在復合材料方面有更深入的研究與應用。

采用直接碳化烏拉草，在熱解過程中前驅體自活化方法制備多孔碳材料[22]。這種多孔碳材料UlaC-950-HF的質量比容量能達到113 F/g，研究發(fā)現(xiàn)，該材料在經過4 000次循環(huán)后，其質量比容量僅降低了4 F/g，這種多孔碳材料在超級電容器的電極材料方面有較大前景。UlaC-950-HF材料擁有很好的熱穩(wěn)定性，孔分布較窄，高壓甲烷存儲超過美國能源部DOE的目標。將有希望用作吸附天然氣ANG儲氣方法中吸附劑，推動清潔能源甲烷的應用進程。

烏拉草纖維還可制備成纖維素納米晶須，纖維素納米晶須原料來源廣泛，具有結晶度高、剛性好及可生物降解等特性[23]。將烏拉草纖維機械粉碎，經過二甲基亞砜預處理和2，2，6，6-四甲基哌啶氧化物氧化處理得到烏拉草纖維素納米晶須，制得濃度為0.06 g/mL的纖維素納米晶須。它對亞甲基藍染料的吸附率高達98.76%，可作為吸附亞甲基藍染料的理想材料之一。這為印染廢水污染問題提供了新的解決途徑[24]。

烏拉草作為鞋內襯墊物已有百年的應用歷史，這主要是利用了烏拉草的保暖和抑菌特性。將烏拉草纖維制備成織物，織物也將具有一定的抑菌和保暖性。烏拉草纖維與棉以30/70的混紡比進行轉杯紡，外包棉紗細度為28 tex，包纏度為600圈/m；所得紗線制備出的針織物抗菌性為22.12%，保暖率為26.59%[10]78。

研究發(fā)現(xiàn)烏拉草原草具有抗菌、促進血液循環(huán)等功效，在藥用領域同樣具有很高的價值，所以應利用烏拉草纖維的保健功能及纖維獨特的性能更進一步開發(fā)烏拉草纖維制品[25-26]。

4 總結與展望

（1）烏拉草的化學成分由纖維素、半纖維素、木質素、果膠、脂蠟質和水溶物等物質組成，其中纖維素含量最多。

（2）纖維的提取工藝基本成熟，物理、化學、生物單獨或聯(lián)合脫膠，都可以達到較好的效果；提取的纖維較粗硬，對纖維進行改性，可以在保證其功效的同時，達到柔軟化、增加纖維舒適度的目的。

（3）因烏拉草纖維目前已應用于復合材料、晶須吸附材料、紡紗織造、直接碳化制備電容材料領域。因其抗菌性能，也可以應用于醫(yī)療衛(wèi)生領域。

（4）烏拉草制品一般是鞋墊、床墊等粗制品，隨著人們生活水平的提高及理想生活的追求，烏拉草產品也將向精細化、高效益的方向邁進。此外，烏拉草中的部分有效成分具有抑菌、促進血液微循環(huán)等作用，因此可以進行分析提純，應用于衛(wèi)生保健方面，這是極其有價值的。不同提取溶劑的烏拉草纖維提取液會呈現(xiàn)不同的顏色，在天然植物染色方面也是一項重要的課題。作為“東北三寶”之一的烏拉草是一種新型環(huán)保天然材料，將來在紡織、電學等領域都具有廣闊的發(fā)展前景。