转基因与非转基因741杨树皮特性的研究

李 星，魏立婷，杨 松，孙照斌，徐凤娟

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.河北农业大学林学院，河北 保定 071000)

研究与设计

转基因与非转基因741杨树皮特性的研究

李 星1，魏立婷2，杨 松2，孙照斌2，徐凤娟2

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.河北农业大学林学院，河北 保定 071000)

为开发利用杨树树皮，对转基因与非转基因杨树树皮的纤维特性、物理特性和部分化学特性进行了研究。结果表明，转基因杨树树皮的纤维特性、物理特性和部分化学特性均优于非转基因杨树树皮。

转基因741杨；非转基因杨；树皮；纤维形态；物理化学特性

综合利用包括树皮在内的各种木质生物质资源不但可以减少腐烂树皮对环境的污染，而且还可以作到变废为宝，生产出高附加值的产品[1]。目前我国对树皮的应用研究主要集中在树皮形成[2]、树皮

形态与解剖构造[3-4]、化学组成[5]、物理性能[6-7]、树皮率[8]、树皮性能[9-10]、开发利用[11]等几个方面，而对于利用树皮来制造人造板[12]的研究则相对较少。

转基因741杨是河北林学院培育的无性系优良白杨，其具有生长迅速、材质优良、干形好、适应性强等特点，在毛白杨适生区域具有广泛的推广前景[13]。本文对非转基因与转基因杨树树皮纤维特性、物理特性和部分化学特性进行了研究，以揭示转基因培育方法对树木生长的影响，为杨树树皮的开发利用提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

(1)试材：树皮采自保定涿州地区的新鲜转基因和非转基因杨树，7～8年生，树高16.08 m，胸径15.5 cm，分别取三棵转基因杨树树皮(Z3、Z4、Z5)与三棵非转基因杨树树皮(F2、F3、F4)，取样从树种的根部即上(从根部算起1～2 m)、中部即中(2～4 m)、梢部即下(4～6 m)三处分别截取约1～2 cm长的树皮，切成小条。

(2)树皮粉末加工：随机取风干的杨树树皮原料，截成小段，放在鼓风干燥箱中以(105±3)℃的温度进行干燥。然后置于粉碎机中磨成细末，过筛选取通过40目筛但通不过60目筛的细末；凉至室温后贮存于1 000 mL具有磨砂玻璃塞的广口瓶中，备分析时使用。

1.2 试验设备

恒温水浴锅(温度范围为室温～100 ℃可调)；具有可以调节温度(23±2)℃的恒温装置；恒温烘箱；30 mL玻璃滤器(1G2)；容量500 mL和300 mL的锥形瓶；冷凝管。

1.3 试验方法

1.3.1 杨树树皮纤维形态的研究

将杨树树皮试样切成长约1～2 cm的长条状，取适量树皮放入试管中，注入蒸馏水至淹没树皮为止，将试管放在水浴锅中加热煮沸至树皮下沉，然后倒出试管中的水，注入30%的硝酸至淹没树皮，微热至产生黄色气体，再加入少量的氯酸钾，在水浴锅中煮沸，待树皮膨大变白为止。倒出药液，待冷却后冲洗数次，注入少量的水，振荡使树皮细胞分离成纤维，然后制片，测定纤维的长度和宽度。

1.3.2 物理特性分析

新鲜杨树树皮按照排水法测定体积，参照GB/T 1933-2009 木材密度测定方法计算密度[14]；树皮含水率测定参照GB/T 1931-2009木材含水率测定方法规定的实验方法进行[15]；树皮吸水性参照GB/T 1934.1-2009 木材吸水性测定规定的实验方法进行[16]。

1.3.3 化学特性测定分析

冷水及热水抽提物含量的测定均依据GB/T 2677.4-1993进行；1%NaOH抽提物含量的测定依据GB/T 2677.5-1993进行[17]。

2 试验结果与分析

2.1 杨树树皮纤维形态

纤维形态除了包括纤维的长度、宽度等基本形态指标外，还包括这些指标组合而成的其他形态指标，通常有长宽比等。纤维长度、宽度随基因类型与树皮部位的变化如图1、图2所示，树皮纤维形态对比见表1。

图1 纤维长度随基因类型与树皮部位的变化

图2 纤维宽度随基因类型与树皮部位的变化

表1 树皮纤维形态对比

从图1可以看出，非转基因杨树树皮梢部的纤维长度为1.14 mm，中部的纤维长度为1.19 mm，根部的纤维长度为1.30 mm；而转基因树皮梢部的纤维长度为1.18 mm，中部的纤维长度为1.22 mm，根部的纤维长度为1.35 mm。非转基因杨树树皮梢部的纤维宽度为18.65 um，中部的纤维宽度为19.65 um，根部的纤维宽度为21.85 um；转基因杨树树皮梢部的纤维宽度为18.72 um，中部的纤维宽度为20.24 um，根部的纤维宽度为22.57 um。转基因和非转基因杨树树皮纤维的长度和宽度随着树高的增加而逐渐变小，长宽比随着树高的增加而逐渐变大。其纤维长度和宽度在树干根部最长，随着树高的增加，其纤维长度和宽度开始逐渐变小，在树干梢部变得最小。

对图1、图2所示数据的分析表明，非转基因杨树树皮的纤维平均长度为 1.21 mm，平均宽度为20.05 um；转基因杨树树皮的纤维平均长度为1.24 mm，平均宽度为20.51 um；转基因杨树树皮的纤维长度、宽度的平均值要稍高于非转基因杨树树皮纤维长度和宽度的平均值。

按照国际解剖学会的规定，0.91～1.6 mm属中等长度的纤维，纤维长度主要与生长的地理环境及气候条件有关，从表1中的数据可以看出，杨树树皮比部分阔叶材的纤维长度要长些，但远不及棉杆皮和红麻皮这些优质的造纸原料。人造板的质量不仅取决于纤维的强度，更依赖于纤维之间的交织结合强度，该强度即取决于纤维的长宽比，杨树树皮的长宽比要好于部分针叶材及阔叶材。总体来看，杨木树皮可以作为人造板用材。

2.2 杨树树皮物理特性

2.2.1 新鲜树皮密度

新鲜杨树树皮密度试验结果如图3所示。

图3 新鲜转基因与非转基因杨树树皮密度在树高上的变化

从图3可以看出，非转基因新鲜树皮梢部的密度为1.026 g/cm3，中部的密度为1.035 g/cm3，根部的密度为1.044 g/cm3；转基因新鲜树皮梢部的密度为1.024 g/cm3，中部的密度为1.039 g/cm3，根部的密度为1.052 g/cm3。转基因和非转基因新鲜树皮的密度随着树高的增加而逐渐变小，其密度在树干根部最大，随着树高的增加，其密度开始逐渐变小，在树干梢部变得最小。

通过对图3所示的数据进行分析可知，非转基因新鲜杨树树皮密度的平均值为1.035 g/cm3，转基因杨木树皮密度的平均值为1.038 g/cm3，转基因新鲜杨树树皮密度的平均值要稍大于非转基因杨木树皮密度的平均值。

2.2.2 绝干树皮密度

绝干杨树树皮密度试验结果如图4所示。

图4 转基因与非转基因杨树树皮绝干密度在树高上的变化

从图4可以看出，非转基因杨树树皮梢部的绝干密度为0.313 g/cm3，中部的绝干密度为0.337 g/cm3，根部的绝干密度为0.358 g/cm3；转基因杨树树皮梢部的绝干密度为0.339 g/cm3，中部的绝干密度为0.349 g/cm3，根部的绝干密度为0.374 g/cm3。转基因和非转基因树皮的绝干密度随着树高的增加而逐渐变小，其密度在树干根部最大，随着树高的增加，其密度开始逐渐变小，在树干梢部变得最小。

通过对图4所示的数据进行分析可知，非转基因杨树树皮绝干密度的平均值为0.336 g/cm3，转基因杨树树皮绝干密度的平均值为0.354 g/cm3，转基因杨树树皮绝干密度的平均值要稍大于非转基因杨树树皮的绝干密度。

2.2.3 杨树树皮吸水率

杨树树皮吸水率试验结果如图5所示。

从图5可以看出，非转基因树皮梢部的吸水率为116.0%，中部的吸水率为104.7%，根部的吸水率为98.3%；转基因树皮梢部的吸水率为114.7%，中部的吸水率为99.3%，根部的吸水率为91.0%。转基因和非转基因树皮的吸水率随着树高的增加而逐渐变大，其吸水率在树干根部最小，随着树高的增加，其吸水率开始逐渐变大，在树干梢部变得最大。

图5 转基因与非转基因杨树树皮吸水率在树高上的变化

由图5分析可知，非转基因杨树树皮吸水率的平均值为106.3%，转基因杨树树皮吸水率的平均值为101.7%，非转基因杨树树皮吸水率的平均值要稍大于转基因杨树树皮吸水率的平均值。

2.3 杨树树皮的化学特性

转基因杨树树皮与非转基因杨树树皮的冷水、热水，以及1%NaOH抽提物含量测定结果如图6、图7、图8所示。

图6 转基因与非转基因杨树树皮冷水抽物含量在树高上的变化

图7 转基因与非转基因杨树树皮热水抽提物含量在树高上的变化

图8 转基因与非转基因杨树树皮1% NaOH抽提物含量在树高上的变化

由图6、图7可知，非转基因杨树树皮的冷水抽提物平均含量为22.00%，热水抽提物平均含量为28.00%；转基因杨树树皮的冷水抽提物平均含量为19.83%，热水抽提物平均含量为25.83%。非转基因杨树树皮的水抽提物要大于转基因杨树树皮的水抽提物，水抽提物的大量存在对人造板的性能有不良影响，而且还会造成工业上的废水污染以及粘板现象。

由图8可知，非转基因杨树树皮梢部1% NaOH抽提物含量为46.0%，中部1%NaOH抽提物含量为47.5%，根部1% NaOH抽提物含量为51.0%；转基因杨树树皮梢部1% NaOH抽提物含量为44.5%，中部1% NaOH抽提物含量为47.5%，根部1% NaOH抽提物含量为49.0%。杨树树皮1% NaOH抽提物含量随着树高的增加而逐渐降低，非转基因杨树树皮的1% NaOH(稀碱)抽提物含量要高于转基因杨树树皮的1% NaOH(稀碱)抽提物含量。1% NaOH抽提物为低分子量的碳水化合物，包括半纤维素和可降解的纤维素，这些抽提物的数量可以说明真菌腐朽或光、热、氧化腐朽的程度。1% NaOH的抽提物越多，腐朽或降解的程度越严重。

3 结论

(1)转基因杨树树皮纤维长度、宽度的平均值要高于非转基因杨树树皮纤维长度和宽度的平均值。杨树树皮的长宽比优于部分针叶材及阔叶材，可以作为人造板用材。

(2)转基因和非转基因新鲜树皮密度和绝干密度随着树高的增加而逐渐变小；转基因和非转基因树皮的吸水率随着树高的增加而逐渐变大。非转基因和转基因新鲜杨木树皮密度的平均值分别为1.035 g/cm3、1.038 g/cm3，绝干树皮密度的平均值为0.336 g/cm3、0.354 g/cm3，吸水率的平均值为106.3%、101.7%，转基因杨树树皮的各项物理性能均略好于非转基因杨树树皮。

(3)杨树树皮的冷热水抽提物含量随着树高的增加而逐渐增加，1% NaOH抽提物含量随着树高的增加而逐渐降低；非转基因杨树树皮的冷水抽提物含量的平均值为22.00%，热水抽提物含量的平均值为28.00%，1% NaOH(稀碱)抽提物含量的平均值高达48.17%；转基因杨树树皮的冷水抽提物含量平均值为19.83%，热水抽提物含量平均值为25.83%，1% NaOH(稀碱)抽提物含量的平均值为47.00%。水抽提物的大量存在对人造板的性能会产生不良影响，而且还会造成工业上的废水污染以及粘板现象，1% NaOH的抽提物含量越多，腐朽或降解的程度越严重。

[1] 那斌，彭小琴，郭晓磊.树皮的综合利用[J].木材加工机械，2008，19(5)：40-44+52.

[2] 张英伯，魏舜明，周银莲，等.毛白杨树皮的形成及其化学组成的研究[J].林业科学，1981(4)：351-362.

[3] 秦世立，马冬梅.树皮形态与解剖构造的研究[J].辽宁林业科技，2002(4)：11-13+26.

[4] 郭东升，罗建举.厚荚相思树皮解剖构造初探[J].广西农业生物科学，2007，26(2)：160-161.

[5] 王静怡，董阳阳，戚楚露，等.木棉树皮的化学成分[J].中国药科大学学报，2016，47(5)：570-574.

[6] 苏文静，李世友，王秋华，等.滇中3个主要造林树种树皮的热解特性[J].西南林业大学学报，2017，37(1)：188-192.

[7] 张胜，刘子雷，陈薇，等.马占相思树皮废弃物酸水解及活性炭制备研究[J].中南林业科技大学学报，2017(4)：100-103+108.

[8] 黎小波，张钰雯，符韵林.香梓楠树皮率、生材含水率及木材密度研究[J].陕西林业科技，2014(4)：1-4.

[9] 赵亚琦，吕言，张文军，等.鹅掌楸树叶和树皮提取物的抑菌活性研究[J].南京林业大学学报：自然科学版，2016，40(2)：76-80.

[10] 贺勤.沙柳树皮特性及其对刨花板性能的影响[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2006：21-33.

[11] 铁铮.北林大高值化利用落叶松树皮[N].中国绿色时报，2016-11-02.

[12] 贾娜，刘冰，花军，等.树皮含量对纤维热磨机能耗与纤维质量的影响[J].木材工业，2015，29(3)：35-38.

[13] 张德健，孙照斌，杨敏生.转基因741杨与非转基因741杨木材化学组成与化学性质研究[J].河北农业大学学报，2014，37(3)：51-54.

[14] GB/T 1933-2009，木材密度测定方法[S].北京：中国标准出版社，2009.

[15] GB/T 1931-2009，木材含水率测定方法[S].北京：中国标准出版社，2009.

[16] GB/T 1934-1-2009，木材吸水性测定方法[S].北京：中国标准出版社，2009.

[17] GB/T 2677.4-1993，造纸原料抽提物含量的测定[S].北京：中国标准出版社，1993.

(责任编辑 张雅芳)

Study on Characteristics of Tree Bark of Transgenic and Nor-transgenic Hybrid Poplar 741

LI Xing1，Wei Li-ting2，Yang Song2，SUN Zhao-bin2，XU Feng-juan2

(1.College of Materials Science and Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing Jiangsu 210037，China；2.College of Forestry，Agricultural University of Hebei，Baoding Hebei 071000，China )

In order to develop and utilize poplar bark，the study on the fiber characteristics，physical properties and chemical properties of the bark of non-transgenic hybrid and transgenic hybrid poplar is conducted，with the result showing that the fiber characteristics，physical properties and chemical properties of transgenic poplar bark are superior to those of non-transgenic poplar bark.

transgenic poplar 741；non-transgenic poplar；bark；fiber morphology；physical and chemical properties

2017-03-27

国家转基因生物新品种培育重大专项项目(2009ZX08011-0278)

李 星(1994-)，男，硕士研究生，主要从事木材材性与加工利用方面的研究，E-mail：lixingts@163.com。

TS621

A

2095-2953(2017)06-0028-05