生长期和植株性别对工业大麻秆 “三大素”的影响

吴 宁，肖 瑞， 许艳萍,杜官本， 李晓平， 孙 飞

（1.西南林业大学云南省木材胶黏剂及胶合制品重点实验室，云南 昆明650224；2.西南林业大学 材料工程学院，云南昆明650224；3.云南省农业科学院 经济作物研究所，云南 昆明650205）

生长期和植株性别对工业大麻秆 “三大素”的影响

吴 宁1，2，肖 瑞1，2， 许艳萍3,杜官本1， 李晓平1，2， 孙 飞1，2

（1.西南林业大学云南省木材胶黏剂及胶合制品重点实验室，云南 昆明650224；2.西南林业大学 材料工程学院，云南昆明650224；3.云南省农业科学院 经济作物研究所，云南 昆明650205）

研究工业大麻Cannabis sativa秆生长周期和植株性别对 “三大素”（纤维素、半纤维素、木质素）生成规律的影响，可为该材料在新能源和可再生纤维制备方面的利用提供参考。用SAS软件分别分析不同生长期和植株性别对工业大麻秆 “三大素”质量分数的相关性。结果表明：生长期对工业大麻秆纤维素、木质素质量分数的影响显著（P＜0.05），对半纤维素质量分数的影响不显著（P＞0.05）；植株性别对工业大麻秆纤维素和半纤维素质量分数的影响显著（P＜0.05），对木质素质量分数的影响不显著（P＞0.05）。在整个生长期， “三大素”质量分数分别为380.8～525.0 g·kg-1，174.2～275.5 g·kg-1，109.8～235.8 g·kg-1；随生长期的延长，纤维素和半纤维素质量分数先增加后减小，木质素质量分数呈增加趋势，即在工业大麻秆的生长过程中纤维素和半纤维素的合成要早于木质素。生长期77 d时植株开始出现雌、雄性别的表观差异，雌株的纤维素和木质素质量分数大于雄株的，半纤维素小于雄株的；但雌雄株之间的化学成分差异产生的原因还有待进一步进行研究。图6表1参21

植物学；生长期；植株性别；工业大麻秆；纤维素；木质素；半纤维素

大麻Cannabis sativa是人类最早栽培的作物之一，其原产地为中国、印度、伊朗等［1］，俗名汉麻、寒麻、线麻、花麻等，品种有150个左右［2］。大麻是1年生草本植物，大部分品种均是雌雄异株，只有少部分品种为雌雄同株［3］。工业大麻秆横截面的微观结构类似于阔叶材，是一种低密度纤维原料［4］，纤维细胞长度中等，纤维细胞壁的力学性能较其他农作物秸秆、针叶材和阔叶材要低［5］，可用于制备轻质高强结构用材料、刨花板和纤维板等［6］。大麻生长迅速，生长期为100～190 d，曾是人类重要的纤维、油料、粮食作物，但由于大麻在第二次世界大战时期被当做毒品吸食，一度被禁种。因大麻纤维具有许多其他纤维无法比拟的优良特性，被广泛用于制备高强度的木质复合材料、纺织和造纸等领域［7-11］。科研工作者为了使它可以继续造福人类，开展了低毒大麻的研究工作并取得成功，新品种大麻被称为工业大麻。目前，工业大麻已被广泛种植于世界各地，尤其是欧洲、加拿大和中国［12-13］。工业大麻的韧皮部和籽得到了较好的开发利用，但工业大麻中生物质量最多的木质部部位（其生物质量是麻皮的2倍、种籽的4倍）却没有得到工业化利用。虽然被研究用于制备人造板、乙醇、黏胶纤维等，但还限于实验室研究阶段。当前，科学家们围绕雌雄异株的植物做了很多研究，包括不同性别植株的分布、植株之间的相互转化、共生和竞争等；但对植株性别对其茎干理化性能影响的研究还比较少。 “三大素”（纤维素、半纤维素、木质素）是生物质材料中的主要化学成分［14］，也是生物质材料中最有利用价值和目前研究最多的物质。在制浆造纸时，生物质材料中的木质素较低则较为理想；在纺织［15］工业、乙醇［16］和黏胶纤维［17］制备时，生物质材料中纤维素较高、木质素和半纤维素较低则较为理想；在制备纤维板时，生物质材料中的纤维素和木质素较高、半纤维素含量较低则较为理想。所以，通过研究 “三大素”（纤维素、半纤维素和木质素）在不同生长期和不同植株性别［18］中的变化规律，可以为更好地利用工业大麻秆奠定基础，还可以为更好地将1年生的草本植物用于乙醇、造纸、纺织、黏胶纤维等工业领域提供参考。选自云南昆明的工业大麻，种植密度为18.75万株·hm-2，在工业大麻种籽成熟后植株的质量可达239.13～403.00 g·株-1，即可生产工业大麻秆44.85～75.56 t·hm-2。工业大麻秆中的碳元素按49%～50%计算，可固定碳元素为21.97～37.0 t·hm-2，换算成二氧化碳即为60.42～101.75 t·hm-2。可见工业大麻在固碳方面可以起到非常积极的作用。另外，本实验是在实验田中进行，该田地为优质土地，现在云南省不同地区的工业大麻秆的产量平均值为18.00 t·hm-2，即可固定二氧化碳24.25 t·hm-2，可见栽培工业大麻对降低中国的碳排放将有非常积极的意义，但是如果在收获的季节里将这些秸秆进行焚烧，不仅会将固定好的碳排放到大气里，秸秆焚烧的高温还会破坏土壤中的微生物群落，造成土壤板结。如果将工业大麻秆制备成复合材料则可以将部分二氧化碳长时间的储存起来。本研究主要讨论植株生长期和性别对工业大麻秆”三大素”的影响，为更好地利用这种生物质材料奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用工业大麻秆均采自云南省昆明市同一块田地，委托云南省农业科学研究院进行栽培，栽培类型为籽秆兼用型的‘云麻1号’，雌雄异株，行距为80 cm，塘距20 cm，18.75株·m-2（18.75万株·hm-2）。试样为全生命周期的工业大麻，包括种子发芽、生长、开花、结实至枯萎死亡，试样是从工业大麻幼苗长到19 d时开始取样，隔7～20 d取1次样品，到生长发育完成种子成熟即生长天数为186 d时取样结束；当生长期为77 d时，雄株开花，雌株和雄株表现出比较显著的外观差异，从77 d开始至种子成熟即生长期186 d结束，对雌株和雄株开始分别采样，以研究植株性别对 “三大素”质量分数及工业大麻秆质量的影响。在植株生长初期（19～56 d）时，单株大麻秆质量较轻，采集新鲜样品3～5 kg·次-1；当生长期为62 d以后时，采集样品量为12株·次-1（77 d后，采集24株·次-1样品，其中雌、雄株各12株）。采集样品时利用手工锯从植株紧贴地面的部位锯断，取整杆植株，利用剪刀将叶子和叶柄去除、再利用人工将麻皮剥除干净，在（104±2）℃的烘箱里将其烘至绝干，逐株称取植株的质量，用于计算工业大麻秆木质部的质量和生长速度。

1.2 试验方法

1.2.1 纤维素、半纤维素质量分数的测试方法 将上述烘至绝干的主干和枝干一起混合粉碎处理，采用过40～60目筛的工业大麻粉为本试验样品。工业大麻秆中纤维素和半纤维素的测试方法是利用高效液相色谱法按照美国能源部测试方法（NREL法，http：//www.nrel.gov/biomass/analytical_procedures.html）进行测试，将40～60目筛的样品进行苯-醇抽提后，用720 g·kg-1硫酸水解，搅拌均匀，于30℃下水浴60 min，把720 g·kg-1的浓酸水解液转移至200 mL三角瓶中，并稀释酸的质量分数至40 g·kg-1，将三角瓶放入高压灭菌锅，于121℃下保温45 min；取5.00 mL滤液用80 g·kg-1氢氧化钠调节酸碱值至pH 2.0后，稀释至10.00 mL，用高效液相色谱法（HPLC）测定水解后的每一种单糖质量分数。利用高效液相色谱进行测试 （HPLC，仪器型号为LC-20AT，日本岛津公司进行生产）。测试条件分别如下：色谱分离柱：Biorad Aminex HPX-87H Column（300.0 mm×7.8 mm，9 μm）；保护柱：Biorad Microguard Cation-H（30.00 m×4.6 mm）；RI示差检测器；流动相：去离子水；进样体积：20 μL；流动相流速：0.6 mL·min-1；柱温：85℃条件下进行的。同一条件下测试3次，取平均值为最后结果。

1.2.2 酸不溶木质素质量分数的测试方法 酸不溶木质素质量分数参照GB/T 2677-1993《造纸原料化学成分分析标准》进行测定；同一条件下测试2次，取平均值为最后结果。

用SAS软件分析生长期和植株性别对工业大麻秆 “三大素”质量分数的相关性，具体内容详见3.2和3.3部分。

2 结果与分析

2.1 生长期对工业大麻秆质量、质量生长速度的影响

表1 全生命周期工业大麻秆的植株质量Table 1 Plant weight of industrial hemp stalk in the whole growth period

由表1可知，当工业大麻的生长天数在19～67 d时，工业大麻秆的质量的增加速度是呈递增的趋势，且在67 d时达到最大值为0.92～1.93 g·d-1；在生长天数为77 d时，工业大麻秆质量的增加速度开始减少，0.60～1.33 g·d-1；生长天数从77～98 d时，工业大麻秆质量的增加速度呈递增的趋势，并且在98 d时达到最大值为1.12～2.26 g·d-1；生长天数从98～186 d时，工业大麻秆质量的增加速度呈先减少后增加的趋势。

生长期为77 d时，工业大麻秆开始出现雌、雄性别差异，不同植株性别对工业大麻秆的植株质量、质量生长速度的变化趋势见表1所示。由表1可知：植株性别对植株质量和质量生长速度具有一定的影响。在77～186 d内，雌株质量大体上呈增加的趋势，且在186 d时达到最大值，为256.25～409.69 g；雌株质量生长速度大体上呈先增加后减小再增加的趋势，且在178 d时达到最大值，为1.44～2.30 g·d-1。在77～186 d内，雄株质量大体上呈增加的趋势，且在186 d时达到最大值，为222.00～396.30 g；雄株质量生长速度大体上呈先增加后减小再增加的趋势，且在98 d时达到最大值，为1.19～2.52 g·d-1。此外，由表1可以看出：在77～186 d的范围内，雌、雄株的质量都在不断增加，在77～105 d，同一生长天数下，雄株的质量总体呈大于雌株质量的趋势。在生长后期，雄株的质量小于雌株，在现蕾初期，雌株生长慢，植株矮，雄株生长快，植株高，所以在前期，雄株的质量大于雌株；成熟的大麻秆雌株的茎秆粗，雄株茎秆细，因此在生长期后期，雌株的质量大于雄株［19］；另一个原因是因为雌株的主要功能是孕育种子，雄株的主要功能是提供花粉，雄株必须在雌株开花之前就要完成开花的任务，当成功提供花粉之后，为了给雌株提供足够的养分，雄株进入了死亡期即其茎干质量呈不变状态。

2.2 生长期对 “三大素”质量分数的影响

图1 生长期对工业大麻秆纤维素质量分数的影响Figure 1 Effect of growth stage on cellulose mass fraction of Industrial hemp stalk

图2 生长期对工业大麻秆半纤维素质量分数的影响Figure 2 Effect of growth stage on hemicellulose mass fraction of Industrial hemp stalk

不同生长期工业大麻秆中 “三大素”的质量分数及其变化趋势见图1～3所示。由图1～3可得：在工业大麻的整个生长周期，随着大麻秆生长天数的增加，纤维素和半纤维素质量分数呈先增加后减少的变化趋势，木质素质量分数呈增加趋势，该趋势与Killer等［20］的研究结果相似。本研究在Killer等的基础上进一步研究了从工业大麻秆幼苗到死亡整个生命周期里 “三大素”的变化，用SAS软件分别分析生长期对工业大麻秆 “三大素”（纤维素、半纤维素、木质素）质量分数的差异性。结果表明：生长期对工业大麻秆纤维素质量分数的影响显著（P=0.015 2）；在112 d时，纤维素质量分数达到最大值，为520.0 g·kg-1。生长期对工业大麻秆半纤维素质量分数的影响不显著（P=0.945 9）；生长期为67 d时，半纤维素的质量分数达到最大值为266.5 g·kg-1。生长期对工业大麻秆木质素质量分数的影响很显著（P＜0.000 1）。在整个生长期内，木质素质量分数基本上随着大麻秆生长期的增加而增加，在186 d时达到最大，最大值为235.8 g·kg-1。原因可能是在植物的生长初期，顶端分生组织和形成层进行了快速分裂，生成大量的植物细胞，这些细胞还没有完全成熟，即所有细胞均含有初生壁，但次生壁还没有生成；所以纤维素和半纤维素质量分数快速增加，随着细胞次生壁的生成，木质素质量分数快速增加，而纤维素和半纤维素的质量分数则相对减小，因此，在工业大麻生长期为186 d时，木质素质量分数达到最大值。

综上可知，在生物质材料中纤维素和半纤维素的合成要先于木质素的合成；可以根据生物质材料的用途来选择合适的生长阶段。比如，在利用生物质材料制备乙醇、黏胶纤维、造纸原料［21］时，就可选取纤维素质量分数最高、木质素质量分数相对较低时的生物质材料；当利用该生长阶段的生物质材料制备生物乙醇时，就会从根本上降低利用生物质材料制备乙醇的难度。

2.3 植株性别对 “三大素”质量分数的影响

不同植株性别工业大麻秆 “三大素”质量分数的变化趋势见图4～6所示。由图4～6可知：从77 d开始工业大麻秆开始有植株性别之分，在生长天数相同时，工业大麻秆中雄株的纤维素、木质素质量分数大于雌株，雌株的半纤维素质量分数大于雄株。用SAS软件分别分析植株性别对工业大麻秆 “三大素”（纤维素、半纤维素、木质素）质量分数的差异性，结果表明：植株性别对工业大麻秆的纤维素和半纤维素质量分数的影响均极显著（P值分别为P=0.004 0和P=0.001 0；对木质素质量分数的影响不显著（P=0.123 7）。

图3 生长期对工业大麻秆木质素质量分数的影响Figure 3 Effect of growth stage on lignin mass fraction of industrial hemp stalk

图4 植株性别对工业大麻秆纤维素质量分数的影响Figure 4 Effect of plant gender on cellulose mass fraction of industrial hemp stalk

总之，植株的性别对纤维素和半纤维素质量分数均有显著的影响，对木质素质量分数的影响不显著。主要原因在于：一方面植物的性别不同，在植物的生存繁衍中起着不同的角色；另一方面因为植物的性别不同，其植株中所含有的植物激素在理论上也会存在一定的差异，如果可以找出这种植物激素差异，并与植物 “三大素”的合成建立关系，就可以更好地理解植物的生长发育，还可以利用外源激素对植物 “三大素”的合成进行调控，以得到我们想要的材料，满足人类发展的需求，实现生物质材料的可设计性。

图6 植株性别对工业大麻秆木质素质量分数的影响Figure 6 Effect of plant gender on lignin mass fraction of industrial hemp stalk

3 结论

工业大麻的生长期和植株性别均可以对它的 “三大素”质量分数产生显著的影响。本研究可得到如下结论：①工业大麻秆在整个生长周期内， “三大素”（纤维素、半纤维素、木质素）质量分数分别为380.8～525.0 g·kg-1，174.2～275.5 g·kg-1，109.8～235.8 g·kg-1，生长期对工业大麻秆纤维素、木质素质量分数的影响显著（P＜0.05），对半纤维素质量分数的影响不显著（P＞0.05）；纤维素和半纤维素质量分数先增加后减小，木质素质量分数呈递增趋势，在生物质材料中纤维素和半纤维素先合成，木质素后合成。②植株性别对工业大麻秆纤维素和半纤维素质量分数的影响显著（P＜0.05），对木质素质量分数的影响不显著（P＞0.05）；雌株中纤维素和木质素质量分数高于雄株，半纤维素质量分数低于雄株，主要由于雄株和雌株在工业大麻的生存繁衍中起着不同的角色而决定的。

后续将进一步研究不同性别植株中四大植物激素的含量，为实现利用外源植物激素对工业大麻秆化学成分含量的调控奠定基础。

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Growth stage and plant sex with chemical compounds of industrial hemp stalks

WU Ning1,2,XIAO Rui1,2,XU Yanping3,DU Guanben1,LI Xiaoping1,2,SUN Fei1,2
（1.Yunnan Key Laboratory of Wood Adhesives and Glue Products,Southwest Forestry University,Kunming 650224, Yunnan,China;2.College of Materials Engineering,Southwest Forestry University,Kunming 650224,Yunnan,China; 3.Industrial Crop Research Institute,Yunnan Academy,Agricultural Sciences,Kunming 650205,Yunnan,China）

Studying the influence of growth stage and plant sex on chemical compounds of industrial hemp stalks could provide a reference for renewable fiber preparation and new energy.The cellulose,hemicellulose, and lignin contents of industrial hemp stalks were tested by the high performance liquid chromatography（HPLC）and China chemical compounds analysis standard for paper making raw materials（GB/T 2677-1993）. Results showed that growth stage had a significant effect（P＜0.05）on cellulose content and lignin content of industrial hemp stalks but not on hemicellulose content.Meanwhile,plant gender significantly affected （P＜0.05）cellulose content and hemicellulose content of industrial hemp stalks but not lignin content.For the entire growth period of hemp stalk,the range of cellulose content was from 380.8 to 525.0 g·kg-1,of hemicellulose content was from 174.2 to 275.5 g·kg-1,and of lignin content was from 109.8 to 235.8 g·kg-1.As time increased,the mass fractions of cellulose and hemicellulose increased first and then decreased （The P value of cellulose was P=0.015 2 and hemicellulose’s was P=0.945 9 with SAS software）;whereas the mass fraction of lignin increased steadily （P＜0.000 1 with SAS software）.Also,synthesis of cellulose and hemicellulosewas earlier than lignin.Differences between male and female gender became apparent by the 77th day of growth with cellulose（P=0.004 0 with SAS software）and lignin（P=0.123 7 with SAS software）contents of female plants being higher than male plants,and the hemicellulose content lower （P=0.001 0 with SAS software）.Reasons for differences in the chemical compounds between male and female plants will require further study.［Ch,6 fig.1 tab.21 ref.］

botany;growth stage;plant gender;industrial hemp stalk;cellulose;hemicellulose;lignin

S781

A

2095-0756（2015）05-0776-07

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.05.018

2014-12-13；

2015-01-13

国家自然科学基金资助项目（31200437）；国家麻类产业技术体系建设项目资助（CARS-19-E05）；国家林业局林业公益性行业科研专项（201404515）；云南省教育厅重点资助项目（2013Z085）

吴宁，从事生物质复合材料和生物酶的研究。E-mail：18208816133@163.com。通信作者：李晓平，副教授，博士，从事生物质复合材料和生物酶研究。E-mail：lxp810525@163.com