空心箭竹化学成分的研究

唐国建　杨金梅　丁雨龙

摘要：对空心箭竹（Fargesia edulis）的化学成分进行了研究，结果表明，空心箭竹的灰分含量为1.82%，SiO2含量为0.33%，热水抽提物含量为8.69%，苯-醇抽提物含量为3.54%，综纤维素含量为70.38%，木质素含量为21.51%。从造纸原料的要求来看，空心箭竹的综纤维素含量较高，木质素和热水抽提物含量中等偏低，灰分与SiO2含量较低，是比较适合造纸的竹种。

关键词：空心箭竹（Fargesia edulis）；竹青；竹黄；化学成分

中图分类号：S795.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）15-3679-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.15.024

Abstract： The chemical components of Fargesia edulis were investigated. The results showed that the content in bamboo culms were as follows： the ash for 1.82%， the SiO2 for 0.33%， the hot-water extractive contents for 8.69%， the toluence-alcohol extractive for 3.54%， the holocellulose for 70.38%， and the ligin for 21.51%. According to the standards of pulping raw material， F. edulis is suitable for using as pulping raw material， because of superior holocellulose， and medium or low ligin and extractives， whats more， fewer ash and SiO2.

Key words： Fargesia edulis；outer layer；inner layer；chemical components

近年来，随着社会经济的快速发展，人们对纸的需求量逐年上升，造纸业已经成为国家建设的重要经济增长点之一。竹子作为非木质资源，具有生长快、产量高、生长周期短等生物学优势，因此，竹浆造纸已成为国内外竹材开发利用的共同趋势[1-3]。云南省竹类资源丰富，却没有形成一定的栽培规模，许多适合造纸的优良竹种多为野生，尚需开发利用。

空心箭竹（Fargesia edulis）属禾本科（Gramineae）竹亚科（Bambusoideae）箭竹属（Fargesia）的竹类，主要分布于云南省的泸水、保山、云龙等地海拔1 900～2 800 m的阔叶林下。竹笋可食，竹材性能优良，篾性较好，是很好的编织和造纸原料[4]。另外，空心箭竹为中国一级濒危保护动物——滇金丝猴冬季的主要取食植物之一[5]。因空心箭竹的分布范围较小，且多为野生，目前国内外学者对空心箭竹的研究极少，仅王雨珺等[5]和唐国建等[6]分别对空心箭竹地上部分生物量模型和纤维形态特征进行了研究，而对空心箭竹化学成分的研究尚未见相关的报道。为此，通过对空心箭竹不同部位、不同龄级及同一龄级不同部位的化学成分含量进行测定，以期为空心箭竹的开发利用提供理论基础，对竹浆制纸产业的发展具有重大的意义。

1 材料与方法

1.1 材料

材料取自云南省西北部大理白族自治州云龙县境内的天池自然保护区，采样时间为2013年7月下旬。参考王雨珺等[5]的取材方法，随机选取10丛长势良好的竹丛，目测将这10丛竹子的单株划分为3个年龄级别，即竹龄≤1年为Ⅰ龄级，竹龄1～2年为Ⅱ龄级，竹龄≥3年为Ⅲ龄级，每个龄级选取无病虫害、竹秆通直的空心箭竹3～4株，齐地砍伐，分为基部（从秆基数第3节）、中部（第8节）以及梢部（15～18节）共3个部位，带回实验室烘干备用。

1.2 化学成分测定

化学成分的测定参考王曙光等[7]的方法，并略有改动，取500～1 000 g（风干重）的上述试材，劈成细片，并将3年生基部（即第3节）节间分成竹青和竹黄两部分；分别加工成刨花，刨花用粉碎机粉碎，过筛，截取能通过40目筛而不能通过60目筛的组分，凉至室温后，贮存于封口袋中供分析用。

各项指标按国家有关标准规定的方法进行，平行测定3次。灰分含量按GB/T 2677.3-1993[8]测定，二氧化硅（SiO2）含量按GB/T 7978-1987[9]测定，水抽提物按GB/T 2677.4-1993[10]测定，苯-醇抽提物按GB/T 10741-1989[11]测定，木素含量按GB/T2677.8-1994[12]和GB/T 10337-2008[13]测定，综纤维素含量按GB/T 2677.10-1995[14]测定，其中过滤改用定量滤纸过滤。统计试验数据，并用SPSS 19.0统计分析软件对不同部位、不同龄级及同一龄级不同部位化学成分的均值进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

竹类植物的化学成分非常复杂，不同种之间的竹材化学成分有较大的差别，同种不同年龄或不同生长环境的竹材化学成分也不相同，甚至同一根竹子的各个部位亦不一样，竹材不同的化学成分组成直接影响到竹子造纸的质量和性能[7，15-18]。空心箭竹的化学成分包括灰分、SiO2、木质素、苯-醇抽提物、热水抽提物、综纤维素等。具体测定结果见表1。

一般情况下，植物纤维原料中都含有一些矿物质，燃烧之后便会产生灰分，主要是SiO2和一些无机盐类如钾、钙、钠等，其组成和含量因原料的不同而不同，并对制浆造纸的碱回收操作产生一定的影响，且灰分含量越高，碱回收难度越大，化学耗费也就越大[7]。SiO2含量也会对碱回收过程产生一定的影响，过高的SiO2含量对黑液的蒸发、白泥回收等工序具有一定的影响，进而影响着经济效益[7]。对空心箭竹的化学成分进行测试，结果表明，空心箭竹的灰分和SiO2平均含量分别为1.82%和0.33%。植物纤维原料中的各种抽提物也会对纸浆性能造成一定的影响，尤其在酸性亚硫酸盐法制浆过程中，苯-醇抽提物含量越高，蒸煮时消耗的化学药品就越多，且严重时还会形成所谓的“树脂障碍”，对生产工艺很不利[7]。测试结果显示，空心箭竹的热水抽提物和苯-醇抽提物含量分别为8.69%和3.54%。

另外，木质素的含量也会对制浆造纸工艺造成一定的影响，木质素含量越高的原料，在蒸煮、漂白过程中消耗的化学药品越多，生产成本也就越高。木质素是一类具有三维空间结构的天然高分子化合物，由苯丙烷类结构单元构成，含量仅次于纤维素，它赋予了木材一定的强度和尺寸稳定性，然而，在化学法制浆过程中，常常需要尽量减少木质素的含量[7，15-19]。测试结果表明，空心箭竹的总木质素含量为21.51%。目前，纤维素含量的测定方法存在一定的缺陷，分析结果往往不能真实地反映纤维的含量，因此，选择综纤维素含量作为评价纤维原料纸浆性能的标准更为科学。综纤维素是植物纤维原料中碳水化合物的全部，包括纤维素和半纤维素，其含量是衡量植物是否适宜作为制浆造纸的重要经济指标，其含量越高，纤维得率可能也越高[7，15-20]。在空心箭竹中，综纤维含量为70.38%，含量较高。

2.1 竹龄对空心箭竹化学成分的影响

不同年龄段的空心箭竹化学成分，除热水抽提物和木质素含量外，其他各项指标差异均较为明显。其中，灰分含量随着竹龄的增加而逐年下降，而张齐生等[19]对毛竹材质生成过程中化学成分的变化进行了研究，研究表明，5年生以下竹材的灰分含量随着年龄的增加而减少，5年生以上竹材的灰分含量则随着竹龄的增加而增加；陈友地等[15]认为可能是随着竹子的生长发育，薄壁细胞逐渐减少，竹子从土壤中吸收营养成分的能力有所下降。而空心箭竹中SiO2的含量随着竹龄的增加而逐渐增大，王曙光等[7]认为这可能是由于竹子在生长发育过程中，不断地从土壤中吸收无机矿质元素，从而增加了SiO2的含量；笔者认为这可能与不同竹种间的硅积累机制以及同种竹子在不同环境中的各项代谢活动程度有关。热水抽提物和苯-醇抽提物具有与SiO2类似的变化规律。Hisham等[20]在分析Gigantochloa scortechinii的化学成分中指出，苯-醇抽提物含量在不同年龄的竹秆间并没有明显的变化趋势；而在空心箭竹中，这种变化趋势较为明显，即Ⅲ龄级中的苯-醇抽提物含量明显高于Ⅰ、Ⅱ龄级。在空心箭竹中，不同竹龄间的木质素含量呈现出Ⅲ龄级>Ⅱ龄级>Ⅰ龄级的变化趋势，但差异并不明显。在竹龄上，空心箭竹的综纤维素含量变化规律为随着竹龄的增加而逐年减少，与董荣莹等[18]对紫竹（Phyllostachys nigra）不同变异类型的竹材化学成分的研究结果一致；而王曙光等[7]认为综纤维素的含量随着年龄的增加而增加，并认为可能是采样时的目测差异及各样本的个体差异太大所致。笔者认为这种不一致可能与竹种有关，不同竹种间的化学成分含量及变化规律并不一致。

2.2 不同部位空心箭竹化学成分含量比较

不同部位的空心箭竹化学成分之间差异不显著（表2），其中，灰分含量变化规律呈现出从基部至梢部逐渐下降的趋势，综纤维素含量的变化趋势与灰分的一致，而苯-醇抽提物含量的变化趋势恰好与之相反；同时，SiO2和热水抽提物的含量变化趋势为梢部>基部>中部，总木质素含量变化趋势与SiO2和热水抽提物的类似。灰分在基部含量较高，原因可能与竹子不断从土壤中吸收矿质元素有关，竹子吸收矿质元素后，经木质部由下至上运输，再横向运输至韧皮部，根据各器官和组织对养分的需求进行双向运输，并可能向基部方向进行积累。梢部的SiO2和木质素含量高于中、基部，原因可能是梢部的细胞优先发育成熟，以增加植物的机械强度，抵制风力的破坏。在竹青和竹黄中，除抽提物外，其他各项指标的含量均是竹青>竹黄。竹青中的灰分和SiO2含量远高于竹黄中的，主要原因可能是竹青中含有较多的硅化细胞，增加竹青的硬度以保护竹子免受外力的侵害。

2.3 竹龄与部位对空心箭竹化学成分的影响

竹龄和部位对空心箭竹的化学成分造成了影响，其中，灰分含量在Ⅰ、Ⅱ龄级中呈现出从竹秆基部至梢部逐渐下降的趋势，而在Ⅲ龄级中，却表现出基部>梢部>中部的规律；SiO2含量的变化规律是Ⅰ、Ⅱ龄级的为梢部>基部>中部，Ⅲ龄级的为梢部>中部>基部；在Ⅰ、Ⅲ龄级中，热水抽提物含量的变化规律与Ⅰ、Ⅱ龄级中SiO2含量一致，而在Ⅱ龄级中的变化规律为基部>中部>梢部；在Ⅰ、Ⅲ龄级中，苯-醇抽提物的变化趋势为中部>梢部>基部，而在Ⅱ龄级中为梢部>中部>基部；Ⅰ、Ⅱ龄级中总木质素含量变化趋势与Ⅲ龄级中灰分含量的类似，Ⅲ龄级的与SiO2类似，但竹龄和部位对空心箭竹木质素含量的影响并不明显；Ⅰ、Ⅲ龄级综纤维素含量的变化规律与Ⅲ龄级中SiO2含量的类似，而在Ⅱ龄级中的变化趋势为基部>梢部>中部。由此可见，竹龄和部位共同对空心箭竹化学成分含量的变化产生影响。

2.4 空心箭竹与其他竹种间的化学成分比较

竹材的化学成分直接影响着竹浆造纸性能的优劣，是合理开发利用植物纤维原料的重要依据之一[7]。空心箭竹的灰分含量为1.82%，与云南箭竹（F. yunnanensis）的2.51%、料慈竹（Bambusa distegia）的2.23%相比含量较低，但比毛竹（P. edulis）的1.16%、青皮竹（B. textilis）的1.69%高[7，21]。空心箭竹SiO2的含量为0.33%，比云南箭竹的1.70%、料慈竹的1.15%都低[7]。空心箭竹的热水抽提物为8.69%，比毛竹的5.96%和青皮竹的6.78%都高[21]。空心箭竹的苯-醇抽提物含量为3.54%，与云南箭竹的含量相当，但与毛竹的0.66%和青皮竹的5.81% 差异较大[21]。空心箭竹的木质素含量为21.51%，与云南箭竹的24.57%、料慈竹的24.28%、毛竹的30.67%、青皮竹的22.98%相比含量较低[7，21]。空心箭竹的综纤维素含量为71.71%，含量比云南箭竹的65.29%、毛竹的45.50%高，与料慈竹的75.27%、青皮竹的72.24%相比含量稍低[7，21]。因此，不同竹种间的化学成分含量并不一致。

3 小结

研究结果表明，空心箭竹的综纤维素含量较高，木质素和抽提物含量等中等偏低，灰分与SiO2含量较低，从造纸原料的要求来看，空心箭竹是比较适合造纸的竹种。

不同年龄、不同部位间的空心箭竹化学成分含量差异较大，年龄和部位共同对空心箭竹化学成分含量的变化造成了明显的影响。因此，在选择空心箭竹作为造纸原料时，应综合考虑竹龄和部位对空心箭竹化学成分含量的影响，以便最大限度地利用原材料。

致谢：感谢云龙县天池自然保护区为本试验提供实验材料，感谢徐会明、张利周副局长对本试验取材的支持！

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