3种丛生竹化学成分与纤维形态研究

2011-12-31苏文会范少辉封焕英

中国造纸学报 2011年2期

苏文会范少辉余林封焕英彭颖

（国际竹藤网络中心，国家林业局竹藤科学与技术重点实验室，北京，100102）

近年来，随着经济的发展，国内对纸的需求量不断上升，竹子作为非木质资源，以其生长快、产量高、周期短等生物学优势成为制浆造纸的重要原料之一。目前，川西南、滇东北、滇中、黔南等许多西部县市大面积营造竹林，同时也新建或扩建了一大批大型竹浆造纸企业，然而，从用于制浆的造林竹种来看，大多数为中小径竹，产材量并不乐观，已成为影响竹原料基地效益乃至整个竹浆造纸产业化发展的瓶颈问题。

车筒竹（Bambusa sinospinosaMcClure）、箣竹（Bambusa blumeanaSchult.f.）和越南巨竹（Dendrocalamus yunnanicusHsueh）是主要分布于云南、广西和广东等省区的大型丛生竹，据文献资料［1-3］和实地调查发现，该3种丛生竹产材量高、径级大，作为材用原料在产量上有相当的优势和发展潜力。然而，有关这3种丛生竹的研究还比较缺乏，且主要集中在生物学特性、育苗和竹叶利用等方面［2-6］，有关竹材化学成分和纤维形态等的研究尚未见报道。本研究从当前竹浆造纸产业面临的现实问题出发，对车筒竹等3种丛生竹秆材中的主要化学成分和纤维形态进行了分析，以制浆性能优良的青皮竹（Bambusa textilisMc-Clure）为参比竹种，并同木本和草类原料进行比较，旨在评价3种丛生竹作为造纸原料的适宜性，为竹浆原料林优良竹种的选育提供理论依据。

1 实验

1.1 材料

采样点为广西壮族自治区南宁市近郊竹林，分散选取生长良好、无病虫害的3年生车筒竹、箣竹和越南巨竹各5株，共计15株，齐地砍倒，去梢头，然后将竹秆分成5等份，自基部至梢部分别标记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。取其中的Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ段带回实验室，从每段靠近基部的一端向上截取高约10cm的竹环，分别代表3种竹材的基、中、梢部的测试材料。3种竹材的状况见表1。

表1 3种丛生竹的状况

1.2 测试方法

1.2.1 化学成分的测定

在车筒竹、箣竹和越南巨竹基、中、梢部的每个环上取大约500g试材，劈成细片，风干后，经粉碎机磨碎，截取通过40目筛而不能通过60目筛的细末，凉至室温后，贮存于1000mL有磨砂玻璃塞的广口瓶中，供分析使用。

测定3种丛生竹的基、中、梢部位的综纤维素（GB/T2677.10—1995）；酸不溶木素（GB/T2677.8—1994）；酸溶木素（GB10337—1989）；热水抽出物（GB/T2677.4—1993）；1％氢氧化钠抽出物（GB/T2677.5—1993）；有机溶剂抽出物（GB/T2677.6—1994）。

1.2.2 纤维形态的测定

自3种丛生竹每个部位的竹环中，取长、宽各约1cm的竹块，均取2份，一份作为竹秆纵向部位的测定试样，另一份对各测试竹块进一步按壁厚3等份剖开，作为竹壁径向部位的测定试样。

将试样劈成小细条，混匀，随机取若干条放入试管中，用过氧化氢-冰醋酸法进行软化［7］：取工业过氧化氢和冰醋酸混合液浸泡试样，待软化至试样表面材色淡白或边缘开始离析为止，倒出药液，用水冲洗数次。然后注水少许于试管中，用拇指按住试管口轻轻振荡使试材结构解离。用镊子从中挑取少许于干净的载玻片上，番红染色，轻轻压上盖玻片，用吸水纸吸去多余的水，放在三目显微镜下观测。纤维长度放大40倍，每个部位均测定100根以上；纤维宽度、壁厚和腔径放大400倍，各部位测定50根以上。

表2 3种丛生竹的化学成分％

2 结果与分析

2.1 竹材的化学成分

车筒竹、箣竹和越南巨竹的综纤维素等化学成分测试结果见表2。

2.1.1 综纤维素

植物综纤维素含量是衡量该植物作为制浆造纸或水解工业原料优劣的重要经济指标，是纤维原料中碳水化合物的全部，包括纤维素和半纤维素，其含量越高，可能达到的纤维得率也越高。由于纤维素含量测定存在着一定缺陷，分析结果往往不能正确反映纤维的真实含量，因而选择综纤维素含量来评价其制浆性能更为适宜［8］。3种丛生竹的综纤维素含量从大到小依次为，车筒竹73.43％、箣竹71.71％、越南巨竹67.37％；除越南巨竹略小外，车筒竹和箣竹与参比竹种青皮竹及笔者曾研究过的大型丛生竹种大木竹［9］的综纤维素含量基本相当。纤维素含量同树种有较大关系，一般说来，针叶材的综纤维含量为65％～73％、阔叶材的为70％～82％，禾本科的为64％～80％，可见，3种竹材的综纤维素含量属于中上等。从竹秆部位的变化来看，从基部到梢部，竹材综纤维素略有增加，但增加幅度不明显。

2.1.2 木素

原料中木素含量是造纸工业的主要测定指标之一。在生产化学浆时，需去除原料中80％以上的木素；生产半化学浆时，需将木素去除25％～50％；而化学机械浆生产工艺基本上对木素进行保留，但制得的纸浆强度较差，漂白后易返黄［10］，因此，木素含量是制定合理蒸煮与漂白工艺的重要条件。车筒竹、箣竹和越南巨竹的总木素含量分别为24.28％、23.13％和25.38％，比青皮竹的相应值略高，酸不溶木素含量与青皮竹基本相当。一般认为，木素含量高，蒸煮困难，消耗的化学药品也相对较多，但木素对真菌的危害有一定的抗性［11］。木素含量在竹秆不同部位也有一定差异，表现为竹秆梢部略高。

2.1.3 抽出物

（1）热水抽出物

植物纤维原料中所含的部分无机盐、糖、植物碱、环多醇及单宁等物质均能溶于水，称为水抽出物。热水抽提是用沸水反复溶解抽提，抽提主要成分除包含单糖、低聚糖和氨基酸及水溶性色素、无机盐等以外，还含有淀粉、树胶等多糖类［12］。车筒竹、箣竹和越南巨竹的热水抽出物含量分别为16.66％、18.36％和21.24％，均明显高于青皮竹的相应值。

（2）氢氧化钠抽出物

氢氧化钠抽出物是用1％氢氧化钠溶液对试样进行浸泡抽提，除能溶解热水所溶出的物质外，还能溶出部分木素、聚戊糖和树脂酸等，抽出物含量高，则易虫蛀、霉变。在一定程度上，氢氧化钠抽出物可以反映测试材料受光、热、微生物降解的程度，在造纸工艺中能反映耗碱量，氢氧化钠抽出物多，则耗碱量大，也可用来反映碱法制浆得率的相对高低。由于碱法蒸煮过程是在远比1％氢氧化钠抽提物测定剧烈得多的碱-热-水条件下进行的，能否具有较高得率，主要取决于构成纸浆的主要成分纤维素与半纤维素在蒸煮过程中发生碱性降解、剥皮反应、终止反应等影响制浆得率高低的化学反应的程度［13］。由表2的测试数据可以看出，车筒竹、箣竹和越南巨竹的1％氢氧化钠抽出物的含量分别为33.33％、40.23％和40.05％，亦大于参比竹种青皮竹的相应值。

（3）苯-醇抽出物

在制浆造纸工业中，苯-醇抽出物常常被称为“树脂”，主要成分是脂肪、脂肪酸、树脂、树脂酸、蜡及酚类化合物等，在制浆过程中，苯-醇抽出物多，蒸煮时化学药品的消耗通常也较多，而且还可能延缓蒸煮过程，影响纸浆颜色，特别对酸性亚硫酸盐法制浆，严重时可形成“树脂障碍”，对生产工艺不利［10］。车筒竹、箣竹和越南巨竹的苯-醇抽出物含量分别为2.47％、3.63％和5.22％，小于参比竹种青皮竹，亦比大木竹等［9］的相应值小，对制浆较为有利。

各抽出物含量在竹秆纵向部位的变化均未呈现出明显的变异规律。

2.2 竹材的纤维特性

竹材的纤维特性也是衡量造纸性能优劣的重要指标，纤维特性主要包括纤维长度、长宽比与壁腔比等形态指标，与竹材的造纸性能直接相关［14］。车筒竹、箣竹和越南巨竹纤维形态在竹秆纵向和径向部位的测试结果分别见表3和表4。

2.2.1 纤维长度

纤维长度是衡量竹材造纸性能的一个重要指标，一般说来，在一定范围内，细而长的纤维能提高抗张强度、耐折度和耐破度，并与撕裂度直接相关，纤维过短，如平均长度小于0.4mm，则不宜用于造纸［15］，只能以填料浆的形式少量配用；如果纤维太长，平均长度大于5mm时，浆料容易絮凝，也难于抄出匀度较好的纸张。由表3可知，3种竹材纤维由长到短依次是越南巨竹2.49mm、车筒竹2.37mm、箣竹2.27mm，均不低于青皮竹的纤维长度2.19mm，按国际木材解剖协会规定，亦属于长纤维原料，并且长于一般阔叶材［10］。

表3 3种丛生竹竹秆纵向部位的纤维形态

表4 3种丛生竹竹秆径向部位的纤维形态

在竹秆的不同部位上，纤维长度呈现出一定的变异，从竹秆纵向部位看，3种竹材均表现为秆中部纤维较长、基部与梢部稍短的变化规律，而参比青皮竹变化趋势不明显。关于纤维长度在竹秆纵向部位的变异，宇野昌一认为该指标与节间长度随高度的变化规律相似［16］，而Liese则认为从基部到梢部纤维长度变异不大［17］。从对其他竹种纤维长度在竹秆纵向部位的分析来看，有些竹种表现为中部纤维长、基部和梢部变短［18-19］，而有的竹种则变化不明显，笔者曾对大型丛生竹大木竹的纤维形态做了系统分析，也未表现出明显的变异规律［20］。在竹秆的径向部位，3种丛生竹的纤维长度均表现出竹壁中部大、内侧和外侧有所减小的趋势，这与以往研究的毛竹及部分丛生竹的变化规律基本一致［20-22］。

2.2.2 纤维宽度与长宽比

纤维宽度（粗度）直接与原料的密度及细胞壁厚度相关，在其他条件相似的情况下，粗度大的纤维发僵挺直，单根纤维强度较大，但纤维结合力较差。由纤维长度和宽度的比值计算的长宽比对制浆性能的优劣有较大影响，纤维越细长即长宽比越大的竹材强固性和撕裂性好，适合做造纸原料，一般来讲，原料的纤维长宽比应大于30［23］。3种丛生竹纤维长宽比由大到小依次为车筒竹144、越南巨竹128、箣竹124，与参比青皮竹的相应值相当或略小，同其他竹材相比，也属于长宽比较大的纤维原料。

同纤维长度的变化趋势相似，长宽比在竹秆纵向和径向部位，3种竹材均表现为：竹秆纵向中部长宽比较大、基部和梢部有所减小，径向的中部长宽比较大、外侧和内侧有所减小，这与朱惠方等人的研究结果相同［24］。

2.2.3 纤维壁厚、腔径与壁腔比

通常来说，壁薄、壁腔比小的纤维原料，可压扁性好，在纤维与纤维间易形成较大的接触面，能赋予纸张较好的纤维结合强度，成纸质地紧密，可用于生产高级纸张［15］。3种丛生竹的纤维壁腔比从大到小依次为车筒竹3.77、越南巨竹3.65、箣竹2.68，均小于参比青皮竹的相应值4.68。壁腔比在竹秆不同部位的变异，无论是竹秆纵向还是径向上，3个丛生竹的壁腔比均未表现出明显的变异规律。