木薯茎秆纤维形态和化学成分的初步研究

2015-05-30蒋汇川韦鹏练李宁罗建举

热带作物学报 2015年6期

蒋汇川　韦鹏练　李宁　罗建举

摘要木薯作为一种新型的生物质能源作物，近年来在中国特别是广西发展迅速。其种植和加工过程中产生的大量废弃物（如木薯渣、木薯茎秆）已成为制约木薯产业发展面临的重要问题。文章对木薯茎秆的纤维形态和化学成分进行了初步研究，旨在探索木薯茎秆增值利用的新途径。结果表明：3种木薯茎秆的纤维长度和宽度种间差异性显著，种A、种B、种C的平均纤维长度与宽度分别为976、920、815 μm与34、32、36 μm。3种木薯茎秆的总平均纤维长度为904 μm，宽度为34 μm，双壁厚为7.32 μm，长宽比为27，壁腔比为0.27。种A木薯茎秆的纤维素含量为41.49%，木质素含量为21.44%，灰分含量为3.46%，苯醇抽出物含量为6.96%，1% NaOH抽出物含量为22.22%，冷水抽提物为11.89%，热水抽提物为14.15%。综合分析表明：木薯茎秆纤维属于中短长度类纤维原料，长宽比小，壁薄，纤维素含量高，可作为纤维板及造纸原料，但需要与其他长纤维原料搭配使用。

关键词木薯茎秆；纤维形态；化学成分

中图分类号 S533；TS72 文献标识码 A

Abstract Cassava is developing rapidly as a new biomass energy crop in China especially in Guangxi. A lot of waste such as cassava stem and cassava residue have become a big question in the development of the cassava industry. To explore a new value-added method of cassava stem， the fiber morphology and chemical components of three different cassava stem（species A， species B， species C）in Guangxi were studied in this paper. The results showed that the three different cassava stems had significant difference in the fiber length and width， and the average length， width， double wall thickness， aspect ratio and wall thickness lumen ratio was 904 μm， 34 μm， 7.32 μm， 27 and 0.27， respectively. The total contents of ash， cool-water extractives， hot-water extractives， 1% NaOH extractives， benzene-alcohol extractives， cellulose， and acid-insoluble lignin of cassava stem of species A was 3.46%， 11.89%， 14.15%， 22.22%， 6.96%， 41.49%， and 21.44%， respectively. The analysis indicated that the fiber length of cassava stem belonged to the medium and short range fiber material and the content of cellulose was high. Therefore， the cassava stem is suitable for fiberboard and papermaking industry with other longer fiber length raw material.

Key words Cassava stem；Fiber morphology；Chemical components

木薯（Manihot esculenta），大戟科，木薯属，灌木状多年生作物，热带和亚热带地区植物，世界三大薯类作物（木薯、甘薯、马铃薯）之一[1]。原产于南美洲，19世纪20年代引入中国广东高州地区，现已广泛分布于华南地区，其中以广西、广东、海南、云南栽培最多[1]。木薯不仅是一种重要的粮食作物，还是重要的工业原料，广泛应用于食品、饲料、医药、造纸、纺织、制酒等行业。随着中国-东盟自由贸易区的建成和世界生物质能源-燃料乙醇产业的兴起，木薯燃料乙醇产业在广西迅速发展。2012年广西木薯种植面积达21.32万hm2，占全国种植面积的48%，总产量达181.31万t，占全国比重为69%；木薯淀粉产量122.93万t，木薯酒精达48.1万t，均占全国比重的70%以上[2]。木薯在种植以及加工过程中，会产生大量的木薯茎秆、木薯粗根、木薯叶、木薯渣、木薯皮等废弃物，其中作为与木薯块根产量基本持平的木薯茎秆和木薯粗根基本上直接被丢弃或是作为低热值的燃料加以应用，不仅会造成资源的浪费，还会造成生态环境的污染[3]。随着经济的发展和社会的进步，为满足国家可持续发展的战略要求，寻求合理的木薯废弃物利用方式，使之产生可观的经济效益已成为木薯产业发展的重要问题。笔者曾对木薯粗根进行了研究，结果表明木薯粗根纤维平均长度818 μm，宽度26.95 μm，长宽比31.34，壁腔比0.37，纤维属中短纤维长度类纤维原料，壁薄壁腔比小，不适合单独用于纤维板和纸张制造，宜与其他长纤维原料搭配使用，可用于造纸和人造板行业[4]。曾有研究者利用木薯渣生产人造板，研究发现木薯渣可以用来生产刨花板，板材的力学性能与木质刨花板生产相比，用木薯渣做原料生产刨花板所需施胶量较大，产品的密度要偏大，但与木质刨花板相比，其内结合强度都较高[5]。在木薯渣中掺入部分其它纤维材料如甘蔗渣、较细的木质刨花等，可以明显地提高产品的静曲强度与握螺钉力[5]。如果能将木薯茎秆也应用于制浆造纸和人造板工业上，能在一定程度上实现木薯废弃物的增值利用。因此，对木薯茎秆纤维形态和化学组成进行分析研究，探讨以木薯茎秆作为造纸、人造板原料的可行性，对木薯产业废弃物的增值利用具有现实指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料

试验所用原料于2009年2月采集于广西南宁市郊。共3个品种（A-G911、B-H201、C-H205），每个品种选取生长良好，具有代表性的植株3株，共9株。

1.2 方法

1.2.1 试样离析去掉粗根后在植株基部、中部、稍部各截取1块厚约2～3 cm圆盘，将所取圆盘沿纵向劈成火柴杆大小，用冰醋酸-双氧水法将试材离析。经染色后采用计算机显微图像电脑分析系统进行纤维形态测定[6]。纤维长度在10×4倍数下测定，纤维宽度及腔径在10×40倍数下进行测定。每个参数测定60个数据，分析各个参数的平均值、最大值、最小值、一般值（即70%的纤维所在范围）及纤维长度、宽度的频率分布。

1.2.2 化学成分化学成分分析试样选取品种A-G911进行试验，试样处理按GB/T 2677.1-1993进行[7]，试样水分、灰分、抽出物、酸不溶木素、综纤维素等指标分别按GB/T 2677.2-1993、GB/T 2677.3-1993、GB/T 2677.4-1993、GB/T 2677.5-1993、GB/T 2677.6-1994、GB/T 2677.8-1994、GB/T 2677.10-1995方法进行[7]，纤维素的测定采用行业标准硝酸-乙醇法。

2 结果与分析

2.1 纤维形态特性

纤维形态是评价植物原料纤维形态优劣的一项重要指标[8]，主要包括纤维的长度、宽度、长宽比、壁厚、长宽的均匀性及各种细胞本身的形态等方面[9]。

2.1.1 纤维长度和宽度纤维的长度及宽度特性通常采用数量平均值、最大值、最小值和一般值等参数来表征[8]。3种不同品种的木薯茎秆长度及宽度测量结果见表1。

由表1可知，种A、种B和种C的纤维平均长度分别为976.00、919.64、815.18μm，纤维平均宽度分别为33.64、31.53、35.99μm，长宽比分别为29.00、29.17、22.69。根据国际木材解剖学协会（1937年）纤维分级标准[10]，种A、种B木薯茎秆的纤维长度>900 μm，属于中等纤维类，而种C木薯茎秆纤维属于短纤维类。对3种木薯茎秆纤维长度的方差分析结果表明，不同品种木薯茎秆之间差异非常显著。从表1可知，3种木薯茎秆的纤维平均长度为903.61 μm，平均宽度为33.72 μm，平均长宽比为26.96，长度中等，长宽比小。

纤维的长度特性通常采用数量平均值、长度加权平均值和质量加权平均值等来衡量。由于纤维原料中细小组分含量多，但其长度和质量分率相对较小，细小纤维数量会对数量平均值产生非常显著的影响，因此数量平均长度并不能真实代表纤维的制浆造纸特性[11]，同时由于长度加权平均长度同纸张的物理性能有密切的关系，故通常采用长度加权平均值表示纤维的平均长度[11]。3种木薯茎秆的平均长度见表2。纤维长度的变异系数直接影响原料造纸性能的稳定性。从表2可知，3种木薯茎秆（种A、种B和种C）的纤维长度变异系数分别为13.26%、13.61%和12.14%，三者差距不大。

2.1.2 纤维长、宽度的均一性同一原料中纤维各种长、宽度的频率分布是造纸工业在确立各种浆料配比的主要依据之一[9， 12]。纤维长、宽度的频率分布是纤维长、宽度非均一性的体现，从纤维长、宽度频率分布可以了解不同长度、宽度的纤维在原料中所占的比例，从而确定原料的配比。图1和图2是3种木薯茎秆长度和宽度的频率分布。从图2～3可以看出，3种木薯茎秆纤维的长度、宽度均成正态分布，纤维长度在700～900 μm范围内，种A约占23%，种B约占42%，种C约占67%；在900～1 600 μm范围内，种A约占74%，种B约占54%，种C约占21%；宽度在25～32 μm范围内，种A约占46%，种B约占61%，种C约占20%；宽度在33～40 μm范围内，种A约占46%，种B约占34%，种C约占62%；宽度在40 μm以上，种A约占8%，种B约占2%，种C约占18%。3种木薯茎秆的纤维长度和宽度频率分布差异性较大。但总体来看，3种木薯茎秆的纤维长度频率分布主要集中在700～1 100 μm，宽度频率分布主要集中在29～40 μm。

2.1.3 纤维细胞壁厚、胞间直径和壁腔比 3种木薯茎秆纤维细胞壁厚、壁腔比等形态参数见表3。由表3可知，木薯茎秆种A、种B和种C的平均腔径分别为26.59、24.86、30.66 μm，平均双壁厚分别为7.14、8.17、6.67 μm，平均壁腔比分别为0.27、0.33、0.22。总体来看，3种木薯茎秆的平均腔径、双壁厚和壁腔比分别为27.37 μm、7.32 μm、0.27。

2.2 化学成分

木薯茎秆是天然的有机材料，其化学成分跟其他木质材料相似，主要由纤维素、半纤维素、木质素及抽提物等组成[10]。种A木薯茎秆与其他常见木质材料的化学成分组成见表4。

木薯茎秆（种A）的灰分含量为3.46%，含量大于木材原料[10]（0.3%～1.0%）。木薯茎秆（种A）的抽出物含量较高，冷/热水抽出物分别为11.89%与14.15%，苯醇抽出物为6.96%，1%NaOH抽出物含量为22.22%。木质素含量为21.44%，高于小麦茎秆、稻草茎秆、芦苇等非木质材料，略低于落叶松、马尾松等，与毛白杨十分接近。木薯茎秆（种A）的纤维素含量为41.49%（硝酸-乙醇法纤维素），仅高于表4中稻草茎秆，而低于其他木质材料。

3 讨论与结论

3.1 纤维形态特性

目前对木薯加工剩余物（木薯粗根、木薯茎秆和木薯渣）的研究主要集中在饲料、燃料、菌类培养基等方面[13-17]，对于天然纤维素基质材料的木薯茎秆和木薯粗根而言，研究其纤维形态特性并将其用作造纸和人造板纤维原料具有十分重要的理论和现实意义。

根据国际木材解剖学协会（1937年）纤维分级标准[10]，种A、种B木薯茎秆的纤维长度>900 μm，属于中等纤维类，而种C木薯茎秆纤维属于短纤维类。根据纤维宽度分级标准[10]， 3种木薯茎秆的纤维宽度属于3、4级，高于普通木材。与前期木薯粗根纤维研究相比较[4]，3种木薯茎秆的纤维平均长度（903.61 μm）略大于木薯粗根纤维平均长度（818 μm），纤维平均宽度（33.72 μm，4级）大于木薯粗根纤维平均宽度（26.95 μm，3级）。3种木薯茎秆的平均长宽比为26.96，小于木薯粗根纤维平均长宽比（31.34），亦小于在造纸工业中植物纤维的长宽比一般要求（>30）[18]。由此可见，木薯茎秆和木薯粗根均不属于很好的长纤维（>1 600 μm）原料，不宜单独作为造纸和人造板纤维原料。

根据纤维原料要求：当壁腔比<1时，为很好的纤维原料，壁腔比约为1时，为好的纤维原料，壁腔比>1时，为劣等纤维原料[19]。本研究结果表明，木薯茎秆纤维细胞壁较薄，细胞腔大，壁腔比小，约为0.27，说明木薯茎秆属于很好的纤维原料，这样的纤维柔韧性大，制浆时很容易被压溃变形，形成细纤维，抄纸时结合比表面积大，有利于提高纸张的强度，成纸质量较好[20-21]。

本研究纤维形态分析表明，3种木薯茎秆的纤维长度和宽度种间存在显著性差异，种A和种B属于中等纤维长度类原料，种C属于短纤维长度类原料。3种木薯茎秆的平均纤维长度为904 μm，平均宽度为34 μm，平均双壁厚为7.32 μm，长宽比为27，壁腔比为0.27。综合来看，3种木薯茎秆属于中短纤维长度类纤维原料，壁薄，长宽比小，可作为造纸和人造板纤维原料，不适宜单独使用，宜与其他针、阔叶材等长纤维原料配合使用。

3.2 化学成分

本研究结果显示，木薯茎秆的灰分含量大于木材原料（0.3%～1.0%）。木薯茎秆的抽出物含量较高，说明木薯茎秆中脂肪酸、树脂、植物碱、小分子木素、蜡、色素、酚类、不皂化物、无机盐等含量远高于一般的木材及其常用的针、阔叶材原料[22]。一般来说，抽出物的存在会增加蒸煮中化学药品的消耗，延缓蒸煮过程，影响纸浆的颜色，还可能产生树脂障碍，不利于生产[22]。木薯茎秆的木素含量为21.44%，说明木薯茎秆的材质硬度小，在削片、挤碾过程中能耗较小[22]，蒸煮中也可减少化学药品的消耗，浆料也容易漂白。木薯茎秆的纤维素含量为41.49%，均低于杉木、落叶松等木质材料。

总体而言，木薯茎秆的木素含量较低，纤维素含量较高，用木薯茎秆制浆可获得与木材原料相当的纤维得率，表明被测木薯茎秆可作为造纸和人造板纤维原料。

参考文献

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