分级法研究脱籽向日葵的细胞形态和化学成分

王丽珍, 王俊跃, 任 浩, 翟华敏*

(1.南京林业大学 江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心，江苏 南京 210037；2.内蒙古工业大学 轻工与纺织学院，内蒙古 呼和浩特 010080; 3.内蒙古 农业大学 机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

向日葵，双子叶植物纲，桔梗目，菊科，向日葵属[1]。向日葵因种子含油量高而被广泛种植，是四大油料作物之一。2017年我国向日葵的种植面积约117.07万公顷[2]。脱籽向日葵是脱掉葵花籽的农业残余物，由秸秆、花盘和叶3部分组成，这些组分间或同组分内形态各异、物理化学性质差异较大，这些差异直接影响着各部分转化利用的途径、技术和效率。秸皮和髓的分级利用已有研究，秸皮可用于制浆造纸[3]、生产复合材料[4]和能源产品[5]；髓可作为缓冲材料[6]和吸附材料[7]；花盘可提取果胶[8]、黄酮类[9]等物质；叶中富含萜类化合物[10]，花盘和叶的分级研究未见报道。脱籽向日葵作为重要的生物质资源，至今仍未获得高值利用，究其原因是脱籽向日葵生物结构复杂，各结构在整体或局部的物理、化学性质高度不均一。因此，本研究将脱籽向日葵分为秸皮、髓、花托、苞片、托片、叶柄和叶片7个级分，系统研究各级分的细胞形态和化学组成，以期为脱籽向日葵高效转化利用提供基础理论。

1 原料与方法

1.1 原料

脱籽向日葵(HelianthusannuusL.)，收集于内蒙古呼和浩特武川县。手工收集成熟、无变质的秸秆、花盘和全部叶的完整植株。自然风干，平衡水分储存备用。

1.2 原料分级

选取有代表性的成熟完整脱籽向日葵(包括秸秆、花盘和全部叶)10株，手工分级。秸秆分为秸皮和髓；花盘先剥掉边缘的苞片，后揉搓托片，将花托和托片分开，分为苞片、花托和托片；叶从基端剪开，分为叶柄和叶片。脱籽向日葵共分为秸皮、髓、苞片、花托、托片、叶柄和叶片7个级分。手工分级后，分别称量各级分的质量，测定各级分的水分含量(测试方法参照TAPPI T258 om- 02)，计算各级分的绝干质量分数，每个样品平行测定3次。

1.3 细胞形态观察

将秸皮、髓、花托、苞片、托片、叶柄和叶片切成火柴棍大小(2.5 cm)，经水煮沸排气后，用体积比为1 ∶1的冰醋酸和30%过氧化氢在60 ℃下浸泡12～24 h，使试样软化并解离成单根纤维，洗净，制成分散均匀的纤维悬浮液，加入2滴1%番红染液，制成临时载玻片，用光学显微镜(BH2,日本Olympus公司)观察各级分的细胞形态。

1.4 纤维质量测量

分别取各级分解离后的绝干试样40 mg，置于试管中并加入适量水搅拌，制成质量分数为0.004% 分散均匀的纤维悬浮液，用纤维质量分析仪(Morfi,法国Thchpap公司)测量各级分的纤维长度、宽度、粗度、扭结卷曲和细小纤维的含量，同时测量麦草秸秆的纤维质量，以作对照，每个样品平行测定2次。

1.5 化学组成分析

将秸皮、髓、花托、苞片、托片、叶柄和叶片磨成0.30～0.45 mm的粉末，平衡水分，测量各级分的化学组成，每个样品平行测定2次。各级分化学组成的测量按照TAPPI方法：综纤维素(T249 om-2000)、聚戊糖(T223om- 01)、Klason木质素(T222 om-88)、酸溶木质素(T211 om- 02)、热水抽出物(T207 om- 02)、苯醇抽出物(T204 om-97)和灰分(T211om-93)。

各级分中单糖含量的测定参照文献[11]，采用气相色谱仪分析(GC-2010plus，日本岛津)。气相色谱条件：毛细管柱SH-Rtx-1701(30 mL，内径32 mm，0.1 μm膜厚)；FID检测器；柱温程序160 ℃，保留 60 min；进样温度为220 ℃，检测温度为230 ℃，载气为氮气，流速为3.0 mL/min，分流比为1 ∶50。

2 结果与讨论

2.1 脱籽向日葵的分级

脱籽向日葵分为秸皮、髓、花托、苞片、托片、叶柄和叶片7个级分，如图1所示。秸秆直径约20～30 mm，秸皮厚度约2～3 mm，秸皮与髓的体积比约为1 ∶9，质量比9 ∶1。秸皮和髓的密度为328.7和33.8 kg/m3，测量结果与文献基本一致[12]。花托是花盘的主要级分，圆盘状，直径约10～30 cm，厚度约0.5～1 cm。花托由表皮和髓组成，髓颜色略黄，呈丝状缠绕，约占花托总体积的90%。苞片呈卵圆形，顶端渐尖，2～3层覆瓦状生长于花盘圆周。托片质硬，膜状，顶端有浅三角裂口，螺旋式紧密着生于花托上。叶柄较长，约10～25 cm。叶片广卵形，两面被糙毛，具3脉。向日葵叶的数量因品种、产地等差异较大，一般为25～40片叶。

秸皮的质量分数为(49.4±0.2)%，花托的质量分数为(28.1±0.3)%，髓的质量分数为(5.3±0.3)%，苞片的质量分数为(4.1±0.3)%，托片的质量分数为(3.8±0.2)%，叶柄的质量分数为(5.9±0.2)%，叶片的质量分数为(3.4±0.2)%。从质量上来看，秸皮和花托是脱籽向日葵的主要级分，髓、苞片、托片、叶柄和叶片是次要级分。

1.秸皮stalk rind； 2.髓pith； 3.花托receptacle； 4.苞片bract； 5.托片bractlet; 6.叶柄petiole; 7.叶片leaf blade图1 脱籽向日葵各级分Fig.1 Deseeded sunflower fractions

2.2 各级分的细胞形态

图2是脱籽向日葵各级分的细胞形态。秸皮、花托、苞片、托片、叶柄和叶片均由纤维细胞、薄壁细胞、导管分子和表皮细胞组成，髓仅由薄壁细胞组成。秸皮中纤维细胞较多，有2种形态，1种长而壁厚，另1种短而壁薄；薄壁细胞多为圆形、椭圆形和棒形；导管分子可分为网纹导管和螺蚊导管，网纹导管数量多而形态小，螺纹导管数量少而体积较发达；表皮细胞呈长方形，有些完全解离，有些呈“片状”(图2(a))。髓中薄壁细胞为多面体，体积较大(图2(b))。花托、苞片、托片、叶柄和叶片中薄壁细胞多形态不规则，这些级分中螺纹导管多且形态较小。托片中纤维细胞形态短小。花托、苞片、托片的表皮细胞边缘呈锯齿形，叶柄的表皮细胞呈方形，叶片的表皮细胞呈圆形，有明显的气孔器(图2(c)～(g))。

P:薄壁细胞parenchyma cell； V:导管分子vessel element； E:表皮细胞epidermis cell； F:纤维细胞fiber cell；a.秸皮stalk rind; b.髓pith; c.花托receptacle; d.苞片bract; e.托片bractlet； f.叶柄petiole; g.叶片leaf blade图2 脱籽向日葵各级分的细胞形态Fig.2 The cell morphology of deseeded sunflower fractions

2.3 各级分的纤维质量

在植物纤维原料中，一切细而长的细胞，如针叶材的管胞，阔叶材的木纤维，禾本科植物的纤维细胞及细长的导管可通称为纤维，其他非纤维状的细胞通称为非纤维细胞或杂细胞[13]。纤维质量是植物原料中纤维的长度、纤维的宽度、纤维的长宽比以及非纤维细胞含量等指标的综合评价，脱籽向日葵各级分的纤维质量见表1。各级分纤维长度的大小顺序为：秸皮>托片>叶柄>叶片>苞片>花托。秸皮的纤维长度为0.823 mm，托片的纤维长度为0.512 mm，其他级分的纤维长度均低于0.5 mm。各级分纤维宽度大小顺序为：花托>苞片>叶片>叶柄>托片>秸皮。秸皮纤维的长宽比最大(38.6)，略低于麦草纤维的长宽比。通常认为，纤维长宽比超过33即可作为造纸原料[14]。秸皮可单独或与亚麻等长纤维搭配作为造纸纤维原料[15]。纤维的粗度是每100 m长度的绝干纤维质量。秸皮纤维的粗度(31.7 mg，以100 m计，下同)较大，细胞壁较厚，纤维的柔韧性较差，适宜生产挺度较大的纸种[16]。其他级分多为薄壁细胞，纤维粗度均低于20 mg。

表1 脱籽向日葵各级分的纤维质量1)Table 1 The fiber quality of deseeded sunflower fractions

秸皮中纤维较多，纤维(长度大于0.2 mm的部分)的体积分数为68.4%，纤维的长宽比大，可作为纤维原料。髓、花托、苞片、托片、叶柄和叶片中多为薄壁细胞，细小纤维(长度小于0.2 mm的部分)的体积分数均高于50%，不宜作为纤维原料，但这些级分结构疏松多孔，可通过物化改性，制备重金属离子、油污等功能吸附材料[17]。

2.4 各级分的化学组成

脱籽向日葵各级分的化学组成如表2所示。

表2 脱籽向日葵各级分的化学组成Table 2 The chemical composition of deseeded sunflower fractions %

综纤维素由纤维素和半纤维素组成，综纤维素是各级分的主要化学成分。各级分综纤维素的质量分数大小顺序为：秸皮>托片>叶柄>髓>苞片>花托>叶片，秸皮和托片综纤维素的质量分数较高，分别为65.7%和58.6%。各级分聚戊糖的质量分数大小顺序为：托片>秸皮>叶柄>髓>苞片>叶片>花托，托片和秸皮半纤维素的质量分数较高，分别为22.5%和22.2%。各级分纤维素的质量分数大小顺序为：秸皮>托片>叶柄>髓>苞片>花托>叶片，秸皮纤维素的质量分数(43.5%)最高，其次为托片(36.1%)，其他级分纤维素的质量分数均低于30%。各级分总木质素的质量分数大小顺序为：秸皮>托片>叶柄>苞片>叶片>花托>髓，秸皮木质素的质量分数(22.7%)最高，托片木质素的质量分数(16.2%)次之。各级分热水抽出物的质量分数顺序为：花托>叶片>苞片>叶柄>髓>托片>秸皮，秸皮热水抽出物的质量分数(20.1%)最低。各级分苯醇抽出物的质量分数顺序为：花托>叶片>苞片>叶柄>托片>秸皮>髓，秸皮和髓苯醇抽出物的质量分数较低，分别为4.8%和3.5%。秸皮灰分的质量分数最低(7.8%)，其他级分灰分的质量分数介于10.4%～17.5%。秸皮的化学组成与麦草相近，秸皮和托片的综纤维素、聚戊糖和木质素的质量分数较高，可作为木质生物质原料。髓、花托、苞片、叶柄和叶片中抽出物的质量分数较高，是萃取萜类、酚类、黄酮类、甾醇等活性物质的非木质原料[19-21]。

2.5 各级分的单糖组成

纤维素和半纤维素都是由糖类物质组成的聚合物，通过水解可制备各种单糖，进一步转化可得到一系列高附加值的产品[22]。脱籽向日葵各级分的单糖组成如表3所示，各级分均含有葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖和鼠李糖。葡萄糖的质量分数最高，其次为木糖，阿拉伯糖和半乳糖的质量分数为2%～5%，甘露糖和鼠李糖的质量分数均低于2%。秸皮和托片葡萄糖和木糖的质量分数较高，可作为制备糖类及其衍生物的原料，其他级分不宜作为制备糖类化合物的原料[23]。研究表明：向日葵花盘中富含低酯果胶，推测花盘各级分中含有半乳糖醛酸[24-25]。

表3 脱籽向日葵各级分单糖组成Table 3 The sugar composition of deseeded sunflower fractions %

3 结 论

3.1脱籽向日葵可分为秸皮、髓、花托、苞片、托片、叶柄和叶片7个级分，秸皮和花托是主要级分，其质量分数为49.4%和28.1%，其他级分的质量分数介于3.4%～5.9%。

3.2髓仅由薄壁细胞组成，其他级分由表皮细胞、纤维细胞、薄壁细胞和导管分子组成，各级分细胞组成的比例不同。秸皮中纤维的体积分数为68.4%，纤维质量良好，可作为造纸原料，其他级分中细小纤维的体积分数均高于50%，宜开发其他用途。

3.3秸皮和托片综纤维素的质量分数分别为65.7%和58.6%，聚戊糖质量分数分别为22.2%和22.5%，木质素的质量分数分别为22.7%和16.2%，秸皮和托片可作为木质生物质原料。髓、花托、苞片、叶柄和叶片的热水和苯醇抽出物质量分数分别介于26.1%～50.8%和3.5%～8.7%，这些级分抽出物的质量分数较高，需进一步研究。

3.4脱籽向日葵各级分的细胞种类、形态和化学组成高度不均一，它们直接影响着各级分的物理、化学和生物特性——分级是脱籽向日葵高值利用的有效途径。