麦秸的微观构造及化学成分分析

陈 云，张喜燕，雷亚芳，史小娟

(西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100)

麦秸的微观构造及化学成分分析

陈 云，张喜燕，雷亚芳，史小娟

(西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100)

【目的】 对麦秸(麦秸秆、麦叶、穗轴)的构造及化学成分进行比较分析，为麦秸的综合利用提供参考。【方法】 以麦秸秆、麦叶、穗轴为研究对象，观察其宏观构造，用扫描电镜观察其微观构造，参照GB/T 2677.8-94、GB/T 2677.10-95和GB/T 742-2008规定的造纸原料成分测定系列方法分析其化学成分。【结果】 麦秸秆、麦叶及穗轴的宏观和微观构造具有一定的差异性。麦秸秆的外表面光滑，有蜡状物质，组织致密，而内表面组织疏松，无角质层；麦叶角质层较薄，但表面蜡质晶体含量最多；穗轴表面组织致密，角质层较厚，表面蜡质晶体和硅质细胞较多。主要化学成分含量(质量分数)分析表明，麦秸秆、麦叶、穗轴中酸不溶木质素含量分别为16.36%，12.24%，16.29%；综纤维素含量分别为76.98%，65.08%，76.25%；纤维素含量分别为41.11%，35.16%，37.35%；灰分含量分别为5.21%，9.96%，4.48%。【结论】 在定向结构麦秸人造板的生产中，提高麦秸秆的劈裂率，减少麦叶和穗轴的含量，可以提高板材的性能。

麦秸秆；麦叶；穗轴；微观构造；化学成分

中国是一个农业大国，利用农作物秸秆生产人造板，不仅原料丰富，而且产品能适应市场需求，具有较强的竞争力。大力发展秸秆人造板生产既能使农业废弃物秸秆变废为宝，也能节约木材、保护森林和生态环境，增加农民收入，经济效益和社会效益明显。但目前由于秸秆资源分散、季节性强且量大面广及加工成本高等现实问题，严重制约了秸秆资源的综合利用[1-2]。国内外对麦秸秆的微观构造及化学成分进行了大量的研究，结果表明麦秸秆外表面光滑，形成的角质层阻碍胶滴的润湿、扩散和渗透，且麦秸秆的化学组成与木材明显不同，在生产人造板时往往会带来一系列问题，特别是胶黏剂的选用非常困难[3-7]。但目前对麦秸(包含麦秸秆、麦叶、穗轴)微观构造及化学成分的研究尚未见报道。本研究以麦秸(包含麦秸秆、麦叶、穗轴)为对象，将化学分析和现代仪器分析相结合，对麦秸微观构造进行观察，并对其主要化学成分进行分析，以期为麦秸的利用及麦秸人造板生产工艺的制定提供依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

麦秸(包含麦秸秆、麦叶及穗轴)，产地陕西杨凌，由陕西杨凌诺菲博尔板业(中国)有限公司提供。

1.2 仪器与试剂

(1)主要仪器。JSM-6360LV扫描电镜，日本电子公司；循环水式真空泵SHZ-D(Ⅲ)，巩义市英峪予华仪器厂；DHG9123A型电热恒温鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司；DK-98-1型电热恒温水浴锅，天津市泰斯特仪器有限公司；索氏提取器(250 mL)，郑州中天实验仪器有限公司；1G2玻璃滤器，长春市玻璃仪器厂；回流冷凝器，天津麦克瑞商贸有限公司；高温电阻炉SX-4-10型，武汉亚华电阻有限公司；粉碎机，上海市浦恒信息科技有限公司。

(2)主要试剂。体积分数95%化学纯乙醇、苯-乙醇混合液(V(苯)∶V(乙醇)=2∶1)、质量分数10%氯化钡溶液、质量分数(72±0.1)% 硫酸、分析纯亚氯酸钠、分析纯冰乙酸、甲基橙、硝酸-乙醇混合液(V(硝酸)∶V(乙醇)=4∶1)。

1.3 方 法

1.3.1 微观构造观察 (1)试件制作。将已劈裂麦秸秆、麦叶及穗轴切割成高为0.5 cm的小块，烘至绝干。(2)扫描电镜观察。将要观察的样品用双面碳导电胶带固定于试样座上，将其置于真空喷镀仪内，在试样表面上喷镀一层厚约20 nm的金粉，然后在扫描电镜下观察。

1.3.2 化学成分及其含量的测定 本研究借鉴国内对非木材原料中的木质素、综纤维素、纤维素、灰分含量的测定方法,分析麦秸秆、麦叶及穗轴的各化学成分含量[8]。其中酸不溶木质素含量的测定采用质量分数72%硫酸法(GB/T 2677.8-94)[9]，综纤维素含量的测定采用亚氯酸钠法(GB/T 2677.10-95)[10]，纤维素含量的测定采用硝酸-乙醇法[11]，灰分含量的测定采用以醋酸镁为催化剂的方法(GB/T 742-2008)[12]。半纤维素含量=综纤维素含量-纤维素含量。各成分含量以质量分数表示。

2 结果与分析

2.1 麦秸秆、麦叶及穗轴的构造

2.1.1 麦秸的宏观构造 生产麦秸人造板的原料包括麦秸秆、麦叶、穗轴(图1)。麦秸秆支持着植株的地上部分，其外表面光滑带有浅沟，表面有一层蜡状物质[3]，内表面存在薄壁细胞，又称柔嫩细胞，填充在麦秸秆内部；麦叶柔软，比较薄，易撕裂，表面不光滑；穗轴含有许多节片，表面光滑，有蜡状物质，外表面坚硬。

统计结果表明，在麦秸人造板生产原料中，麦秸秆约占91.05%，麦叶约占4.75%，穗轴约占3.69%。由此可见，生产原料中绝大部分是麦秸秆，麦叶居中，穗轴的量最少，故麦秸秆在麦秸人造板生产过程中占主导地位。

2.1.2 麦秸的微观构造 (1)麦秸秆。由麦秸秆的横切面(图2-a)可见，在麦秸秆外表面有一层非常致密的组织，即表皮，而在麦秸秆内表面，表皮组织为一层薄壁细胞。麦秸秆外表面表皮是麦秆最外面的一层细胞，它包括几乎充满SiO2的硅质细胞和栓质细胞。由于矿质化和栓质化的结果，表皮易形成角质层，在麦秆的生长过程中能防止麦秆内部水分过度蒸发和病菌的侵入。也正是由于角质层的存在，脲醛树脂等醛类树脂难以通过角质层侵入麦秆内部，影响树脂的湿润、扩散、渗透，导致麦秸板胶合性能降低[10]。麦秸秆主要由表皮组织、机械组织、基本薄壁组织和维管束组成。由外表面表皮到内表面表皮细胞逐渐变大，换言之，即其组织由外向内越来越疏松。

对麦秸秆外表面和内表面的构造分别进行观察， 结果(图2-b,c)表明，麦秸秆外表面组织致密，可以看到硅质细胞存在，并且覆有少量的蜡质晶体。麦秸秆内表面主要由薄壁细胞组成，结构疏松，纤维骨架清晰可见。

以上分析结果表明，麦秸秆外表面光滑，组织致密，形成的角质层会阻碍胶滴的润湿、扩散和渗透。内表面无角质层，利于胶滴的润湿、扩散和渗透。因此，在生产定向结构麦秸人造板时，提高麦秸秆的劈裂率，以增加内表面和胶黏剂接触的面积，可以有效提高板材的性能。

(2)麦叶。由图3-a可以看出，麦叶内部结构疏松，排列不紧密，主要由表皮组织、维管束和少量薄壁细胞组成，麦叶表面的角质层较薄。从图3-b可以看出，麦叶表面覆有大量的蜡质晶体，不利于有机溶剂或胶滴的扩散、渗透。

(3)穗轴。由图4-a可以看出，穗轴表面组织致密，具有较多的蜡质晶体和硅质细胞，不利于胶滴或有机溶剂的扩散、渗透，润湿性较差。图4-b显示，从穗轴横切面看，穗轴主要由表皮组织、机械组织、基本薄壁组织和维管束组成。表皮细胞的外层严重角质化，与麦秸秆、麦叶相比，其角质层较厚。在表皮细胞的内侧，有大量的厚壁细胞存在，即机械组织。穗轴机械组织发达，因此质地坚硬，在麦秸人造板的加工过程中，穗轴比较容易在节片处断裂，几乎不会被劈裂，坚硬的穗轴不利于板材胶合。因此，在生产麦秸人造板的过程中，应尽量控制穗轴的加入，以期得到性能更佳的麦秸人造板。

张喜燕[13]对麦秸原料表面润湿性的研究表明，异氰酸酯胶黏剂(MDI)与麦秸外表面、内表面和麦叶的接触角分别为38.8°，27.6°和57.2°。MDI对麦秸秆内表面的接触角最小，润湿性最好，与麦秸秆外表面之间的润湿性次之，对麦叶的润湿性最差。本研究结果与上述结论[13]相一致，因此在生产定向结构麦秸人造板时，应尽量提高麦秸秆的劈裂率，控制麦叶及穗轴的加入量，以提高麦秸人造板的胶合性能。

2.2 麦秸秆、麦叶及穗轴的主要化学成分

木质素是组成麦秸秆、麦叶、穗轴细胞壁的一种重要物质，其通过形成交织网来硬化细胞壁，强化植物组织。木质素分子上缺乏亲水亲油性均理想的官能团，因而在有机相和水相中的溶解度均不高，表面活性也很差。

从表1可知，麦秸秆、穗轴和麦叶中酸不溶木质素的含量(质量分数)分别为16.36%，16.29%，12.24%，麦秸秆中酸不溶木质素的含量与穗轴差异不大，由此可知二者细胞壁的坚硬程度基本一致；麦秸秆中酸不溶木质素的含量较麦叶高4.12%，可见这是造成麦秸秆坚硬、麦叶柔软的一个重要因素。

综纤维素是纤维素和半纤维素的总和。由表1可知，穗轴、麦秸秆和麦叶中半纤维素的含量(质量分数)分别为38.90%，35.87%和29.92%。半纤维素在细胞壁中起粘结作用，在天然状态下为无定形物，聚合度低，可反应官能团多，化学活性强。纤维素和半纤维素中均含有大量的游离羟基，热压时这些组分中的羟基相互作用形成氢键和范得华力的结合，使得热压后的麦秸人造板具有较高的力学强度。可见当麦秸人造板中穗轴、麦秸秆含量较高时，板的力学强度较高，麦叶含量高时，麦秸板的力学强度较低。由穗轴的构造还可知，穗轴结构致密，润湿性差，不易劈裂，导致随着穗轴含量的增加，麦秸人造板的胶合性能降低，因此在生产麦秸人造板的过程中，应该降低麦叶及穗轴的含量，以提高麦秸板的力学性能。

纤维素属线性的高分子聚合物，是以分子链聚集成排列有序的微纤丝束而存在于细胞壁中，赋予麦秸秆、麦叶、穗轴纵向抗拉强度，起着骨架作用，被称为细胞壁的骨架物质。因此，纤维素含量越高，其纵向抗拉强度越好。表1表明，纤维素含量(质量分数)以麦秸秆最高，麦叶最低。麦秸秆中的纤维素含量(质量分数)较穗轴高3.76%，较麦叶高 5.95%。表明麦秸秆的抗拉强度最好，穗轴次之，麦叶最差。由此可以推测，在麦秸人造板生产中，麦秸秆含量越高，板的抗拉性能越好。

麦秸秆的灰分中95%以上是SiO2，且麦秸秆外层的灰分含量较整秆高，麦秸秆中的SiO2是导致人造板制造中麦秸秆不易粘接的主要原因，因为SiO2对脲醛树脂、酚醛树脂等胶黏剂的胶合有很大的阻碍作用，从而影响板的强度[14-15]。由表1可知，麦叶、麦秸秆、穗轴中的灰分含量分别为9.96%， 5.21%和4.48%。与麦秸秆和穗轴相比，麦叶的灰分含量最高。另外，从微观结构可知，麦叶的表面覆有大量的蜡质晶体，这些晶体的存在，严重影响了胶黏剂对麦叶的润湿性，使得胶黏剂很难渗入其内部，影响板材的胶合性能。因此，在麦秸人造板加工过程中，应降低麦叶的含量以提高板材的性能。

张喜燕[13]研究表明，麦叶、穗轴对板材吸水厚度膨胀率、弹性模量、静曲强度和内结合强度的影响较大，对板材吸水厚度膨胀率的影响最大；随着麦叶、穗轴含量的增大，板材的吸水厚度膨胀率逐渐增大，弹性模量、静曲强度和内结合强度均逐渐降低，但均可以满足国家对定向刨花板各等级标准的要求。本研究结果与张喜燕[13]的结论相符合。

从表1可以看出，麦秸秆、麦叶、穗轴中各主要化学成分的含量有所不同。影响麦秸秆、麦叶、穗轴的主要因素是酸不溶木质素、纤维素、半纤维素和灰分。较高的酸不溶木质素及纤维素含量使麦秸秆的细胞壁更为坚硬，抗拉强度更高。因此，在麦秸人造板生产过程中减少原料中麦叶及穗轴的含量，可以提高板材的性能。

3 结 论

1)麦秸秆的构造特征表现为其外表面光滑，有蜡状物质，组织致密，不利于有机溶剂或胶滴的扩散、渗透，而内表面组织疏松，无角质层，有利于胶滴的润湿、扩散和渗透。麦叶角质层较薄，质地柔软，容易开裂，但表面蜡质晶体含量较多。穗轴表面组织致密，角质层较厚，表面蜡质晶体和硅质细胞较多，不易劈裂。麦叶和穗轴的表面润湿性均不好，不利于有机溶剂或胶滴的扩散和渗透。

2)麦秸秆、麦叶、穗轴中的主要化学成分含量(质量分数)并不相同，麦秸秆、麦叶、穗轴中的综纤维素含量分别为76.98%，65.08%，76.25%；酸不溶木质素含量分别为16.36%，12.24%，16.29%；纤维素含量分别为41.11%，35.16%，37.35%；灰分含量分别为5.21%，9.96%，4.48%。

综合分析得出，在定向结构麦秸人造板的生产中，提高麦秸秆的劈裂率，减少麦叶和穗轴的含量，可以提高板材的性能。

[1] 高 海，李国东，刘 伟，等.农作物秸秆综合利用现状及技术 [J].现代农业科技，2011(18):290-291.

Gao H,Li G D,Liu W,et al.Status and technology of comprehensive utilization of crops straw [J].Modern Agricultural Sciences and Technology,2011(18):290-291.(in Chinese)

[2] 王 戈，余 雁.国内外麦秸板的研究、生产及发展 [J].世界林业研究,2002,15(1):36-42.

Wang G,Yu Y.The research,production and development of wheat straw board inside and outside China [J].World Forestry Research,2002,15(1):36-42.(in Chinese)

[3] 张 洋，华毓坤.麦秸表面的润湿性研究 [J].木材工业,2001,15(2):6-8.

Zhang Y,Hua Y K.A study of moist character of wheat straw [J].China Wood Industry,2001,15(2):6-8.(in Chinese)

[4] 陆熙娴，李 琦.麦秸的特性分析及其工业利用 [J].科技简报,2001(7):30-31.

Lu X X,Li Q.The feature analysis and industrial use of the wheat straw [J].Brief Report,2001(7):30-31.(in Chinese)

[5] 连海兰，周定国，尤纪雪.麦秸秆成分剖析及其胶合性能的研究 [J].林产化学与工业,2005,25(1):70-72.

Lian H L,Zhou D G,You J X.Studies on layer composition of wheat stalk and the adhesion properties [J].Chemistry and Industry of Forest Products,2005,25(1):70-72.(in Chinese)

[6] 李金才，魏凤珍，丁显萍.小麦穗轴和小穗轴维管束系统及与穗部生产力关系的研究 [J].作物学报,1999，25(3):315-319.

Li J C,Wei F Z,Ding X P.Relationship between vascular bundle system of rachis and rachilla and ear productivity in wheat [J].Acta Agronomica Sinica,1999,25(3):315-319.(in Chinese)

[7] Iskalieva A,Yimmou B M,Gogate P R,et al.Cavitation assisted delignification of wheat straw:A review [J].Ultrasonics Sonochemistry,2012,19:984-993.

[8] 屈维均.制浆造纸实验 [M].北京：中国轻工业出版社,1999:25-51.

Qu W J.Pulp and paper experiment [M].Beijing:China Light Industry Press,1999:25-51.(in Chinese)

[9] 全国造纸标准化技术委员会.GB/T 2677.8-94 造纸原料酸不溶木质素含量的测定 [S].北京：中国标准出版社,1995.

National Standardization Technical Committee Paper.GB/T 2677.8-94 Determination of acid-insoluble lignin content in papermaking raw materials [S].Beijing:Chinese Standard Press,1995.(in Chinese)

[10] 全国造纸标准化技术委员会.GB/T 2677.10-95 造纸原料综纤维素含量的测定 [S].北京：中国标准出版社，1996.

National Standardization Technical Committee Paper.GB/T 2677.10-95 Determination of holocellulose content in papermaking raw materials [S].Beijing:Chinese Standard Press,1996.(in Chinese)[11] 王林风，程远超.硝酸乙醇法测定纤维素含量 [J].化学研究,2011,22(4):52-55.

Wang L F,Cheng Y C.Determination the content of cellulose by nitric acid-ethanol method [J].Chemical Research,2011,22(4):52-55.(in Chinese)

[12] 全国造纸标准化技术委员会.GB/T 742-2008 造纸原料、纸浆、纸和纸板灰分的测定 [S].北京：中国标准出版社,2008.

National Standardization Technical Committee Paper.GB/T 742-2008 Fibrous raw materia,pulp,paper and board-determination of ash [S].Beijing:Chinese Standard Press,2008.(in Chinese)

[13] 张喜燕.麦秸原料的特性及其对定向结构麦秸板性能的影响 [D].陕西杨凌：西北农林科技大学，2013:1-43.

Zhang X Y.Straw characteristics and its influence on the performance of OSSB [D].Yangling,Shaanxi:Northwest A&F University,2013:1-43.(in Chinese)

[14] 刘一星，赵广杰.木质资源材料学 [M].北京:中国林业出版社,2007.

Liu Y X,Zhao G J.Wood resource materials science [M].Beijing:China Forestry Publishing House,2007.(in Chinese)

[15] Pereira H,Rosa M E,Fortes M A.The cellular structure of cork fromQuercussuberL. [J].IAWA Journal,1987,8(3):213-218.

Microstructure and chemical composition of wheat straw

CHEN Yun,ZHANG Xi-yan,LEI Ya-fang,SHI Xiao-juan

(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 This study aimed to compare and analyze the structures and chemical compositions of wheat straw,and to improve the utilization of wheat straw.【Method】 The macrostructures and microstructures of different parts of wheat straw were observed respectively by eyes and scanning electron microscopy,and the main chemical compositions were assayed by methods regulated in GB/T 2677.8-94,GB/T 2677.10-95 and GB/T 742-2008.【Result】 Macrostructures and microstructures of wheat stalk,wheat leaf and rachis were different.Outer surface of wheat stalk was smooth with dense tissue,and there was no cuticle on the inner surface.The cuticle of wheat leaf was thinner,but the wax crystals content of surface was the most abundant.The tissue of rachis surface as dense and the cuticle was the thickest.Rachis surface had many waxy crystals and siliceous cells.On the dry weight basis,wheat stalk was composed of lignin 16.36%,holocellulose 76.98%,celluloses 41.11% and ash 5.21%.Wheat leaf consisted of lignin 12.24%,holocellulose 65.08%,celluloses 35.16% and ash 9.96%.Rachis contained lignin 16.29%,holocellulose 76.25%,celluloses 37.35% and ash 4.48%.【Conclusion】 In the production process,increasing the splitting rate and reducing the contents of wheat leaf and rachis could improve the performance of board made with what straw.

wheat stalk;wheat leaf;rachis;microstructure;chemical composition

2013-09-26

西北农林科技大学基本科研业务费科技创新专项重点项目(QN2011071)

陈 云(1989-)，女，陕西延安人，在读硕士，主要从事木材加工新技术研究。E-mail:476487987@qq.com

雷亚芳(1965-)，女，陕西合阳人，教授，博士，主要从事木质资源加工与利用研究。E-mail:leiyafang@sina.com

时间:2015-01-05 08:59

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.02.023

X712；TS71+2

A

1671-9387(2015)02-0179-05

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150105.0859.023.html