杂交鹅掌楸纤维形态和化学组成的纵向变化规律

时留新，金融融，梁丛丛，翟华敏

（南京林业大学 江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏 南京 210037）

杂交鹅掌楸纤维形态和化学组成的纵向变化规律

时留新，金融融，梁丛丛，翟华敏

（南京林业大学 江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏 南京 210037）

为深刻了解杂交鹅掌楸的纤维和化学组成特性，系统分析了多年生杂交鹅掌楸在纵横向生长过程中的纤维形态及木材化学组成的变化，并与制浆造纸常用速生阔叶材（三倍体毛白杨、桉木）和马尾松就纤维形态与化学组成特性进行了比较。研究结果表明：杂交鹅掌楸随着生长年限的增加，纵向纤维长宽比变大，壁腔比呈现先增加后减小的趋势；生长8～9年的杂交鹅掌楸具有最佳的纤维形态特性；与其他造纸速生材相比，杂交鹅掌楸具有较低的抽出物含量，灰分含量低于1%，综纤维素含量高达82.39%，木质素和戊聚糖含量分别为22.71%和14.02%；同时，杂交鹅掌楸纤维具有接近马尾松的长宽比和壁腔比、细长且柔软的特性，是一种优良的造纸、木质纤维生物利用新原料。

杂交鹅掌楸；材性；木质素；纤维形态；化学成分

杂交鹅掌楸Liriodendron hybrids是以鹅掌楸属Liriodendron两个现存种（中国马褂木L.chinense (Hemsl) Sarg.和北美鹅掌楸L.tulipifera L.）为亲本创造的种间杂种，由我国著名林木育种学家叶培忠教授于1963年首次育成[1]。与其亲本相比，该杂种在生长速度和抗逆性状等方面均表现出明显的杂种优势。杂交鹅掌楸生长迅速、体型高大、叶形奇特，树干通直圆满，出材率高，具有十分广阔的开发应用前景，可作为重要的用材树种和城市绿化树种[2-3]。针对鹅掌楸自身繁殖能力差，自然结实率低的特点，南京林业大学施季森教授的课题组成功地发明了杂交鹅掌楸体细胞胚胎发生与植株再生方法，使规模化生产扩大杂交鹅掌楸种苗成为现实可能[4]。本研究基于该细胞工程技术的突破，以南京林业大学培育出的杂交鹅掌楸为原料，通过分析其纤维形态及化学组成特性[5-6]，对其作为造纸、木质纤维生物利用新材料的性能进行评价[7-8]，为杂交鹅掌楸的产业化推广应用提供基础依据。

1 原料与方法

1.1 原料及取样

在纵向上对26 a生的杂交鹅掌楸以1.5 m为间距取样，共10个样，劈成火柴杆大小的木条，分析其在纵向生长过程中的纤维形态变化。同时在相同部位取样，将其粉碎筛选取40～60目（0.25～0.38 mm）的木粉，分析其化学组成变化。

在距地面1.5 m位置取一圆盘，按年轮分别取24个样，劈成火柴杆大小的木条，分析其在横向生长过程中的纤维形态变化。

1.2 纤维形态分析

取1 g试样置于试管内，加入适量蒸馏水反复煮沸至试样下沉。随后加入少量35%硝酸和氯酸钾，再次煮沸至试样变白，用蒸馏水洗涤、煮沸、过滤后稀释。加入2滴2%番红染液即成纤维解离样品。纤维长宽比和壁腔比分别采用莱卡光学显微镜和奥林巴斯光学显微镜，参照GB/T 10336-1989，利用南京林业大学开发的FMS-2000A纤维形态测量系统采样测定。每个试样均测定250根纤维，取平均值计算长宽比和壁腔比。

1.3 化学成分分析

筛选的40～60目的木粉分别按照Tappi标准测定，苯醇抽提物含量参照Tappi T204 cm-97；灰分含量参照Tappi T211 om-02；综纤维素含量参照Tappi useful method T249；戊聚糖含量参照Tappi T223 cm-01；Klason木质素含量参照Tappi T222 om-02；酸溶木素含量参照Tappi T13 wd-74。

2 结果与讨论

2.1 纤维形态在纵横向的变化规律

杂交鹅掌楸在纵向高度方向上，其长宽比从底部到顶部呈现逐步减小的趋势，如图1所示。木材底部为多年生纤维，纤维已成熟，在0～7.5 m间其长宽比较为稳定，长宽比在74～77之间。顶部为新生纤维，纤维在宽度方向上与成熟纤维尺寸相仿，但在长度上要小的多。越靠近底部，纤维越长，长宽比越大。但即使在最顶部的新生纤维，其长宽比仍大于60，为优质的造纸用材。杂交鹅掌楸纤维壁腔比在纵向高度方向上的变异规律与长宽比的变异规律类似。顶部新生纤维由于细胞腔较大，细胞壁尚未长成，其壁腔比相对较低。从顶部到底部，随着生长年限的增加，纤维壁腔比逐步增大，到达一定值后相对稳定。在底部0～7.5 m之间，其壁腔比稳定在0.58～0.60之间。

图1 杂交鹅掌楸纵向纤维长宽比及壁腔比的变化Fig. 1 Changes of length-width ratio and cell wall-lumen ratio along tree longitudinal direction

图2 为杂交鹅掌楸长宽比和壁腔比在径向上随年轮的变化规律。最外层的新生纤维（1年生）其长宽比较小，在50左右。随着生长年限的增加，纤维在长度方向上生长较宽度方向更为明显，长宽比增加[9]。杂交鹅掌楸生长8～9 a后，其径向上长宽比趋于稳定，长宽比稳定在75左右。杂交鹅掌楸在径向上其壁腔比随树龄的变化呈现出先增加后减小的趋势，见图2。随着生长年限的增加，细胞壁厚度逐步增加。在8～9 a的时候其壁腔比也趋向于稳定。生长年限超过20 a后，由于木质化程度增加，其壁腔比又略有减少，但壁腔比仍大于0.50。

2.2 化学组成在纵向的变化规律

图2 杂交鹅掌楸径向长宽比和壁腔比随树龄的变化Fig. 2 Changes of length-width ratio and cell wall-lumen ratio along tree radial direction with age change

图3 所示为杂交鹅掌楸灰分及抽提物含量在纵向高度方向上的变化情况。灰分及抽提物含量均随着取样高度的增加呈现减小的趋势。这说明在取样高度较高的顶端，新生纤维中抽提物及灰分含量均较少。随着生长年限的增加，所形成的树脂含量增加，无机物也逐渐累积。在纵向高度9 m到树干顶端中所含有的抽提物和灰分均维持在较低值，不会引起造纸过程中树脂障碍和黑液回收的硅干扰。

图3 杂交鹅掌楸纵向高度方向上灰分及抽提物含量的变化Fig. 3 Changes of ash and extractive contents along tree longitudinal direction

杂交鹅掌楸木质素在纵向高度方向上的变异情况如图4所示。在纵向较高取样点处的纤维含有较低的Klason木质素和总木质素。随着生产年限的增加，纤维开始木质化，木质素逐渐增加，越靠近底部的纤维中含有较高的木质素含量。但即使对26 a生的杂交鹅掌楸，其底部的木质素含量也不超过24%，不会明显增加脱木质素的负荷及化学品消耗。

图4 杂交鹅掌楸纵向上木质素含量的变化Fig. 4 Changes of lignin content along tree longitudinal direction

图5 为杂交鹅掌楸综纤维素及戊聚糖含量在纵向高度方向上的变化情况。与木质素的变化情况相反，在顶端的新生纤维中含有较多的综纤维素。在取样高度9 m以下，由于生长年限较长，木质化程度明显，综纤维素含量减少。同样，在新生纤维中含有较多的戊聚糖，随着生长年限的增加，戊聚糖含量也呈现减少趋势。对杂交鹅掌楸而言，即使26 a生材质，其底部综纤维素含量仍接近80%，这对获得高得率的纸浆是十分有利的。

图5 杂交鹅掌楸纵向上综纤维素及戊聚糖含量的变化Fig. 5 Changes of holocellulose and pentosan contents along tree longitudinal direction

2.3 与常用速生阔叶材的比较

我国是一个木材资源短缺的国家，目前用于造纸工业的木材原料以人工速生阔叶材为主，呈现出“南桉”、“北杨”的局面。本研究选用目前造纸工业中常用的速生三倍体毛白杨（圆叶、裂叶）和速生桉木“U6、DH201-2”，同时选用常见的针叶材原料马尾松为参照，用以比较杂交鹅掌楸的纤维形态及化学组成特性，初步评价其作为造纸原料的特性。

2.3.1 纤维形态特征

杂交鹅掌楸与速生杨木、桉木及马尾松的纤维形态对比见表1。作为纸浆造纸用材，一般要求原料的平均纤维长度大于0.9 mm，长宽比大于50，壁腔比小于1[10]。长宽比大的纤维有利于纸张强度的提高，壁腔比小的纤维通常有较好的柔软性。杂交鹅掌楸平均长度为1.45 mm，虽远小于马尾松，但要明显优于2种三倍体毛白杨和2种速生桉木。其平均宽度虽高于2种速生桉木，但小于2种三倍体毛白杨。杂交鹅掌楸的长宽比可达72.35，远高于三倍体毛白杨，也高于2种速生桉木，与马尾松原料的长宽比类似，这对纸张强度的提高是非常有利的。杂交鹅掌楸也具有较低的壁腔比，与马尾松原料接近。虽高于2种三倍体毛白杨和2种速生桉木，但不会对其造纸性能产生不利影响。杂交鹅掌楸具有接近于马尾松的纤维长宽比和壁腔比，完全符合纸张抄造所需的纤维特性要求。

表1 杂交鹅掌楸与常见速生杨、桉木及马尾松纤维形态对比Table 1 Comparison of fiber morphology of L. hybrids,poplar, Eucalyptus and Pinus massoniana

2.3.2 化学组成特性

杂交鹅掌楸与速生杨木、桉木及马尾松的化学组成如表2所示。杂交鹅掌楸的苯醇抽提物含量远低于马尾松和2种三倍体毛白杨，仅略高于2种速生桉木，不会给造纸过程带来额外的树脂障碍。其灰分含量略高于其他几种原料，但远低于1%，也不会对制浆过程产生不利影响。多年生的杂交鹅掌楸木质素含量为22.71%，略高于2种三倍体毛白杨，但远小于2种桉木和马尾松。同时该原料具有高达82.39%的综纤维素含量，戊聚糖含量仅为14.02%。杂交鹅掌楸具有非常高的综纤维素含量，较低的木质素和戊聚糖含量，这对减少制浆过程中化学品消耗，获得高得率的纸浆是非常有利的。

表2 杂交鹅掌楸与常见速生杨、桉木及马尾松化学组成对比Table 2 Comparison of chemical components of L. hybrids,poplar, Eucalyptus and Pinus massoniana

3 结 论

杂交鹅掌楸的纵横向纤维形态呈现一定的差异性。新生的纤维具有较低的长度、长宽比和壁腔比。随着生长年限的增加，在8～9 a时具有最佳的纤维形态特性，随后其纤维形态变化趋于平稳，纤维长宽比维持在72～74左右，壁腔比维持在0.6～0.7之间。同时纤维的化学组成随生长年限的增加，灰分和抽提物含量略有增加。随着生长年限的增加，木材木质化继续，木质素含量增加，综纤维素含量减少，戊聚糖含量减少。

与制浆造纸常用的速生杨木和桉木相比，杂交鹅掌楸纤维长度更长，长宽比更大，平均壁腔比为0.6，具有与马尾松类似的长宽比和壁腔比。杂交鹅掌楸抽提物含量为1.69%，略高于速生桉木，但远低于三倍体毛白杨；灰分含量为0.66%，不会带来制浆过程的硅干扰；木质素含量为22.71%，综纤维素高达82.39%，而戊聚糖含量仅为14.02%，这有利于减轻脱木素化学品消耗，获得高得率的纸浆。杂交鹅掌楸具有细长而柔软的纤维，具有高的纤维素和综纤维素含量和较低的木质素含量，是非常具有应用潜力的造纸和生物质利用新材料。

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Changing laws of fber morphology and chemical component of Liriodendron hybrids along tree longitudinal direction

SHI Liu-xin, JIN Rong-rong, LIANG Cong-cong, ZHAI Hua-min
(Jiangsu Provincial Key Lab. of Pulp and Paper Science and Technology, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jianhshu, China)

The variations of fiber morphology and chemical components of Liriodendron hybrids along longitudinal direction were studied, and were compared with the fast-growing broadleaf timber commonly used in pulping and papermaking. The results indicate that the length-width ratio of the fbers increased with the rise of growing years, and the cell wall-lumen ratio increased initially and declined slightly after 8～9 years. The L. hybrid had the optimum fber morphology after 8～9 years; In contrast to other fast-growing wood, such as triploid Populus tomentosa and Eucalyptus, and the extractive content of L. hybrids was lower, its ash content was less than 1%, the holocellulose, lignin and pentosan contents were 82.39%, 22.71% and 14.02% respectively, which were suitable for pulping to get pulp with higher yield; Meanwhile, the L. hybrids were similar to Masson pine in length-width ratio, cell wall-lumen ratio and fber long and flexible, so it is an excellent commercial forest for pulping and bio-refnery.

Liriodendron hybrids; wood property; lignin; fber morphology; chemical component

S792.21

A

1673-923X(2013)08-0006-04

2013-05-15

国家林业局948项目（2012-4-09）；江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）

时留新（1968―），男，江苏苏州人，副教授，硕士生导师，主要从事制浆造纸和生物质资源利用方面的研究；E-mail:shiliuxin@njfu.edu.cn

翟华敏（1956―），男，江苏高淳人，教授，博士生导师，主要从事制浆造纸和生物炼制方面的研究；

E-mail:hzhai@njfu.edu.cn

[本文编校：文凤鸣]