厚壁毛竹结构性成分含量特征

方 楷，陈尚钘，杨光耀，于 芬，王宗德，杨清培，施建敏，陈伏生

(江西农业大学 江西省竹子种质资源与利用重点实验室，江西 南昌 330045)

竹类是重要的林业可再生资源，竹叶、竹枝和竹秆都有十分广阔的应用前景。厚壁毛竹(Phyllostachys edulis‘Pachyloen’)是毛竹一种材性优良的变异种类，竹秆高可达12 m，胸径可达8 cm，髓心部分的细胞解体较少，竹秆壁厚是等径毛竹的1.8～2.0 倍，竹材冲击韧性和纤维性状特征优良［1］。厚壁毛竹作为一种秆壁厚、材质好的中型竹种，具有较高的种质研究价值和综合利用价值［1-4］。

但目前主要用途仍是以竹浆造纸、烧制竹碳、生产竹地板及竹家具为主，用于生物质能源和生物质化学品等高值化利用途径仍相对较少［5-6］。纤维素、半纤维素和木质素是细胞壁的结构性成分，以复杂分子结构单元聚合成高度异质的三维网格结构，成为生物质抗降解的主要屏障，结构性成分的组成及变化特征成为生物质降解利用过程中急需解决的重大基础问题［7-13］。

生物材料中纤维素等成分含量的测定常采用造纸原料分析方法(如GB/T 2677 系列测定方法)，得到的纤维素、半纤维素、木质素含量总和常接近或大于100%，这与真实含量值之间存在较大偏差［10，14-15］。而采用范氏洗涤纤维分析法测定纤维素等结构性成分，能有效去除复合组分的影响，较好地反映出同一样品中纤维素、半纤维素和木质素的含量，为研究纤维素等结构性成分含量的变化趋势提供很好的参考。本文采用范氏洗涤纤维法测定厚壁毛竹3 大成分含量，旨在探究厚壁毛竹中结构性成分含量随部位和生长时间的变化特征。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

试验材料于2012 年6 月采自于江西农业大学竹类种质园，选取无明显病虫害、生长健壮的代表样株。分竹叶、竹枝和竹秆基部、竹秆中部和竹秆梢部，分别采集生长时间为竹笋出土后的2、14、38、62 和86 个月的样株(各3 株)，分别按竹叶、竹枝、竹秆基部、竹秆中部和竹秆梢部5 个部位选取试验样品。鲜样迅速用冷冻干燥机干燥，粉碎后密封备用。

冷冻干燥机VDF-1000A(北京博医康实验仪器有限公司)，实验所用试剂均为分析纯。

1.2 测定方法

厚壁毛竹的竹叶、竹枝和竹秆试样中纤维素、半纤维素和木质素含量的测定和计算采用范氏洗涤纤维分析法测定，并参考GB/T 20805-2006《饲料中酸性洗涤木质素(ADl)的测定》。纤维素均指酸性洗涤纤维素，木质素均为酸不溶性木质素，结构性成分含量总和为纤维素、半纤维素和木质素含量之和，以下同。

2 结果与讨论

2.1 竹叶的结构性成分

厚壁毛竹竹叶结构性成分含量随生长时间的变化趋势见图1。由图1 可知，竹叶结构性成分含量总和为(70.93±6.44)%，其中半纤维素的含量最高，为(38.02±5.76)%，纤维素含量次之，为(27.71±5.82)%，木质素含量最低，仅(5.20±0.33)%。随竹秆的生长，竹叶的结构性成分含量呈现不同的变化趋势。与第2、86 个月相比，竹叶结构性成分含量总和在第14～62 个月期间略有下降。而纤维素含量在第2个月时较高，为(30.23±9.52)%，在第14～86 个月期间的纤维素含量则介于(26.04±1.44)%～(27.03±1.43)%，竹叶木质素含量在整个生长时期内的变化都不明显，介于(4.42±0.49)%～(5.78±0.56)%。

2.2 竹枝的结构性成分

厚壁毛竹竹枝的结构性成分含量的变化见图2。竹枝的结构性成分含量总和平均为(85.38±2.37)%。由图2 可知，各结构性成分中，纤维素含量最高，达(43.06±3.30)%，半纤维素和木质素含量依次降低，分别为(27.92±3.05)%、(14.40±3.00)%。竹枝中结构性成分含量总和在第2～38 个月期间保持在较低水平(低于0.85 %)，而第62、86 个月时有明显的升高，分别为(88.53±1.60)%、(86.73±0.73)%。木质素含量随生长时间增加而明显升高，如第2 个月时木质素含量仅(11.41±2.53)%，到第86 个月时，木质素含量增加到前者的1.5 倍，达(16.98±0.56)%。而纤维素、半纤维素的含量随生长时间的变化不明显。

图1 竹叶结构性成分的含量Fig.1 The contents of the structural compositions in leaf

图2 竹枝结构性成分的含量Fig.2 The contents of the structural compositions in branch

2.3 竹秆的结构性成分

2.3.1 竹秆基部的结构性成分特征 厚壁毛竹竹秆基部结构性成分含量随生长时间增长而相对稳定(图3)。由图3 可知，不同生长时间，竹秆基部结构性成分含量总和的平均值为(89.10±3.60)%，其中，第2 个月时为(87.18±5.53)%，随后略有升高稳定在(89.29±2.75)%～(90.11±1.52)%。竹秆基部的纤维素、半纤维素的平均含量分别为(49.05±2.44)%、(23.87±2.83)%，第2～62 个月期间二者变化较小，分别介于(49.14±1.50)%～(49.77±3.08)%、(22.87±2.53)%～(23.47±3.29)%。而木质素平均含量为(16.18±3.83)%，在第14～86 个月期间介于(16.45±2.60)%～(18.56±3.34)%。

图3 竹秆基部结构性成分的含量Fig.3 The contents of structural compositions in basal portions of culm

2.3.2 竹秆中部的结构性成分特征 厚壁毛竹竹秆中部的结构性成分的含量存在显著差异(图4)。由图4 可知，竹秆中部的结构性成分总和的平均值为(89.21±2.85)%，且随生长时间的变化相对较小［介于(88.46±3.87)%～(90.37±1.72)%］。纤维素含量达(49.43±3.39)%，明显高于半纤维素和木质素含量［二者分别为(23.34±3.91)%、(16.44±3.71)%］。竹秆中部的各结构性成分中，纤维素含量随生长时间的增加而有所降低［从第2 个月的(52.10±3.89)%降低至第86 个月的(47.32±2.63)%］，而半纤维素、木质素含量随生长时间的变化均无明显变化。

图4 竹秆中部结构性成分的含量Fig.4 The contents of structural compositions in middle portions of culm

2.3.3 竹秆梢部的结构性成分特征 厚壁毛竹竹秆梢部的结构性成分含量的特征见图5。由图5 可知，竹秆梢部的结构性成分含量的总和为(88.12±4.24)%，在第2 个月时仅(84.54±6.48)%，第14～86 个月期间则保持在较高水平［介于(88.75±1.53)%～(90.00±1.76)%］。竹秆梢部的纤维素、半纤维素和木质素含量依次降低，分别为(47.32±4.33)%、(25.76±4.59)%、(15.04±4.41)%，但3 者随生长时间变化的趋势存在明显差异。第2 个月时，纤维素、木质素含量分别为(46.86±6.93)%、(11.66±5.19)%，在第14 个月时，二者含量分别升高到(48.19±2.12)%、(16.97±3.31)%，随后均又逐渐降低。但半纤维素含量的变化趋势则与之相反，第2、14 个月时分别为(26.02±4.98)%、(23.59±2.54)%，随后则逐渐升高。

图5 竹秆梢部结构性成分的含量Fig.5 The contents of structural compositions in upper portions of culm

2.4 结构性成分含量的方差分析

统计分析的结果表明，部位因素和生长时间因素对结构性成分含量的影响存在明显差异(表1)，不同部位间的纤维素、半纤维、木质素含量及其总和的差异性均达到极显著性水平(P＜0.01)。除木质素含量的差异达到显著性水平(F=4.777，P=0.012)，生长时间因素所引起的结构性成分含量的差异均未达到统计检验显著性水平。

由于受来源和生长时间等材料异质性因素的影响，大量有关生物质材料的成分结构及其综合应用研究常得到不同的研究结果，增加了研究生物质材料的难度［7，9，11-13］。对厚壁毛竹不同器官(部位)和不同生长时间的纤维素、半纤维素、木质素的含量及其总量的变化特征进行研究，对生物质能源和生物质化学品等的高值化利用具有重要意义，但由于纤维素等结构性成分为复杂的高分子化合物［11-12，20-22］，它们的分子结构特征有必要综合含量与结构这两方面的异质性特征进行深入研究，以便更好地为厚壁毛竹生物质材料的高值化利用提供理论基础。

表1 结构性成分的方差分析Tab.1 The ANOVA of structural compositions

3 结论

厚壁毛竹竹叶中纤维素含量低于半纤维素含量(二者分别为27.71±5.82%、38.02±5.76%)，而竹枝和竹秆中纤维素含量均高于半纤维素含量。纤维素、木质素和结构性成分含量总和均按竹叶、竹枝、竹梢、基部、中部的顺序递增，而半纤维素含量却逐渐降低。不同部位间的纤维素、半纤维、木质素含量及其总和的差异性均达到极显著性水平(P＜0.01)，不同生长时间的结构性成分含量的差异较小，仅木质素含量的差异达到显著性水平(F=4.777，P=0.012)，与毛竹等竹类植物结构性成分含量的分析结果相似。

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