空心箭竹化學(xué)成分的研究

唐國建　楊金梅　丁雨龍

摘要：對空心箭竹（Fargesia edulis）的化學(xué)成分進行了研究，結(jié)果表明，空心箭竹的灰分含量為1.82%，SiO2含量為0.33%，熱水抽提物含量為8.69%，苯-醇抽提物含量為3.54%，綜纖維素含量為70.38%，木質(zhì)素含量為21.51%。從造紙原料的要求來看，空心箭竹的綜纖維素含量較高，木質(zhì)素和熱水抽提物含量中等偏低，灰分與SiO2含量較低，是比較適合造紙的竹種。

關(guān)鍵詞：空心箭竹（Fargesia edulis）；竹青；竹黃；化學(xué)成分

中圖分類號：S795.2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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

近年來，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對紙的需求量逐年上升，造紙業(yè)已經(jīng)成為國家建設(shè)的重要經(jīng)濟增長點之一。竹子作為非木質(zhì)資源，具有生長快、產(chǎn)量高、生長周期短等生物學(xué)優(yōu)勢，因此，竹漿造紙已成為國內(nèi)外竹材開發(fā)利用的共同趨勢[1-3]。云南省竹類資源豐富，卻沒有形成一定的栽培規(guī)模，許多適合造紙的優(yōu)良竹種多為野生，尚需開發(fā)利用。

空心箭竹（Fargesia edulis）屬禾本科（Gramineae）竹亞科（Bambusoideae）箭竹屬（Fargesia）的竹類，主要分布于云南省的瀘水、保山、云龍等地海拔1 900～2 800 m的闊葉林下。竹筍可食，竹材性能優(yōu)良，篾性較好，是很好的編織和造紙原料[4]。另外，空心箭竹為中國一級瀕危保護動物——滇金絲猴冬季的主要取食植物之一[5]。因空心箭竹的分布范圍較小，且多為野生，目前國內(nèi)外學(xué)者對空心箭竹的研究極少，僅王雨珺等[5]和唐國建等[6]分別對空心箭竹地上部分生物量模型和纖維形態(tài)特征進行了研究，而對空心箭竹化學(xué)成分的研究尚未見相關(guān)的報道。為此，通過對空心箭竹不同部位、不同齡級及同一齡級不同部位的化學(xué)成分含量進行測定，以期為空心箭竹的開發(fā)利用提供理論基礎(chǔ)，對竹漿制紙產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大的意義。

1 材料與方法

1.1 材料

材料取自云南省西北部大理白族自治州云龍縣境內(nèi)的天池自然保護區(qū)，采樣時間為2013年7月下旬。參考王雨珺等[5]的取材方法，隨機選取10叢長勢良好的竹叢，目測將這10叢竹子的單株劃分為3個年齡級別，即竹齡≤1年為Ⅰ齡級，竹齡1～2年為Ⅱ齡級，竹齡≥3年為Ⅲ齡級，每個齡級選取無病蟲害、竹稈通直的空心箭竹3～4株，齊地砍伐，分為基部（從稈基數(shù)第3節(jié)）、中部（第8節(jié)）以及梢部（15～18節(jié)）共3個部位，帶回實驗室烘干備用。

1.2 化學(xué)成分測定

化學(xué)成分的測定參考王曙光等[7]的方法，并略有改動，取500～1 000 g（風(fēng)干重）的上述試材，劈成細(xì)片，并將3年生基部（即第3節(jié)）節(jié)間分成竹青和竹黃兩部分；分別加工成刨花，刨花用粉碎機粉碎，過篩，截取能通過40目篩而不能通過60目篩的組分，涼至室溫后，貯存于封口袋中供分析用。

各項指標(biāo)按國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進行，平行測定3次。灰分含量按GB/T 2677.3-1993[8]測定，二氧化硅（SiO2）含量按GB/T 7978-1987[9]測定，水抽提物按GB/T 2677.4-1993[10]測定，苯-醇抽提物按GB/T 10741-1989[11]測定，木素含量按GB/T2677.8-1994[12]和GB/T 10337-2008[13]測定，綜纖維素含量按GB/T 2677.10-1995[14]測定，其中過濾改用定量濾紙過濾。統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)，并用SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件對不同部位、不同齡級及同一齡級不同部位化學(xué)成分的均值進行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

竹類植物的化學(xué)成分非常復(fù)雜，不同種之間的竹材化學(xué)成分有較大的差別，同種不同年齡或不同生長環(huán)境的竹材化學(xué)成分也不相同，甚至同一根竹子的各個部位亦不一樣，竹材不同的化學(xué)成分組成直接影響到竹子造紙的質(zhì)量和性能[7，15-18]。空心箭竹的化學(xué)成分包括灰分、SiO2、木質(zhì)素、苯-醇抽提物、熱水抽提物、綜纖維素等。具體測定結(jié)果見表1。

一般情況下，植物纖維原料中都含有一些礦物質(zhì)，燃燒之后便會產(chǎn)生灰分，主要是SiO2和一些無機鹽類如鉀、鈣、鈉等，其組成和含量因原料的不同而不同，并對制漿造紙的堿回收操作產(chǎn)生一定的影響，且灰分含量越高，堿回收難度越大，化學(xué)耗費也就越大[7]。SiO2含量也會對堿回收過程產(chǎn)生一定的影響，過高的SiO2含量對黑液的蒸發(fā)、白泥回收等工序具有一定的影響，進而影響著經(jīng)濟效益[7]。對空心箭竹的化學(xué)成分進行測試，結(jié)果表明，空心箭竹的灰分和SiO2平均含量分別為1.82%和0.33%。植物纖維原料中的各種抽提物也會對紙漿性能造成一定的影響，尤其在酸性亞硫酸鹽法制漿過程中，苯-醇抽提物含量越高，蒸煮時消耗的化學(xué)藥品就越多，且嚴(yán)重時還會形成所謂的“樹脂障礙”，對生產(chǎn)工藝很不利[7]。測試結(jié)果顯示，空心箭竹的熱水抽提物和苯-醇抽提物含量分別為8.69%和3.54%。

另外，木質(zhì)素的含量也會對制漿造紙工藝造成一定的影響，木質(zhì)素含量越高的原料，在蒸煮、漂白過程中消耗的化學(xué)藥品越多，生產(chǎn)成本也就越高。木質(zhì)素是一類具有三維空間結(jié)構(gòu)的天然高分子化合物，由苯丙烷類結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，含量僅次于纖維素，它賦予了木材一定的強度和尺寸穩(wěn)定性，然而，在化學(xué)法制漿過程中，常常需要盡量減少木質(zhì)素的含量[7，15-19]。測試結(jié)果表明，空心箭竹的總木質(zhì)素含量為21.51%。目前，纖維素含量的測定方法存在一定的缺陷，分析結(jié)果往往不能真實地反映纖維的含量，因此，選擇綜纖維素含量作為評價纖維原料紙漿性能的標(biāo)準(zhǔn)更為科學(xué)。綜纖維素是植物纖維原料中碳水化合物的全部，包括纖維素和半纖維素，其含量是衡量植物是否適宜作為制漿造紙的重要經(jīng)濟指標(biāo)，其含量越高，纖維得率可能也越高[7，15-20]。在空心箭竹中，綜纖維含量為70.38%，含量較高。

2.1 竹齡對空心箭竹化學(xué)成分的影響

不同年齡段的空心箭竹化學(xué)成分，除熱水抽提物和木質(zhì)素含量外，其他各項指標(biāo)差異均較為明顯。其中，灰分含量隨著竹齡的增加而逐年下降，而張齊生等[19]對毛竹材質(zhì)生成過程中化學(xué)成分的變化進行了研究，研究表明，5年生以下竹材的灰分含量隨著年齡的增加而減少，5年生以上竹材的灰分含量則隨著竹齡的增加而增加；陳友地等[15]認(rèn)為可能是隨著竹子的生長發(fā)育，薄壁細(xì)胞逐漸減少，竹子從土壤中吸收營養(yǎng)成分的能力有所下降。而空心箭竹中SiO2的含量隨著竹齡的增加而逐漸增大，王曙光等[7]認(rèn)為這可能是由于竹子在生長發(fā)育過程中，不斷地從土壤中吸收無機礦質(zhì)元素，從而增加了SiO2的含量；筆者認(rèn)為這可能與不同竹種間的硅積累機制以及同種竹子在不同環(huán)境中的各項代謝活動程度有關(guān)。熱水抽提物和苯-醇抽提物具有與SiO2類似的變化規(guī)律。Hisham等[20]在分析Gigantochloa scortechinii的化學(xué)成分中指出，苯-醇抽提物含量在不同年齡的竹稈間并沒有明顯的變化趨勢；而在空心箭竹中，這種變化趨勢較為明顯，即Ⅲ齡級中的苯-醇抽提物含量明顯高于Ⅰ、Ⅱ齡級。在空心箭竹中，不同竹齡間的木質(zhì)素含量呈現(xiàn)出Ⅲ齡級>Ⅱ齡級>Ⅰ齡級的變化趨勢，但差異并不明顯。在竹齡上，空心箭竹的綜纖維素含量變化規(guī)律為隨著竹齡的增加而逐年減少，與董榮瑩等[18]對紫竹（Phyllostachys nigra）不同變異類型的竹材化學(xué)成分的研究結(jié)果一致；而王曙光等[7]認(rèn)為綜纖維素的含量隨著年齡的增加而增加，并認(rèn)為可能是采樣時的目測差異及各樣本的個體差異太大所致。筆者認(rèn)為這種不一致可能與竹種有關(guān)，不同竹種間的化學(xué)成分含量及變化規(guī)律并不一致。

2.2 不同部位空心箭竹化學(xué)成分含量比較

不同部位的空心箭竹化學(xué)成分之間差異不顯著（表2），其中，灰分含量變化規(guī)律呈現(xiàn)出從基部至梢部逐漸下降的趨勢，綜纖維素含量的變化趨勢與灰分的一致，而苯-醇抽提物含量的變化趨勢恰好與之相反；同時，SiO2和熱水抽提物的含量變化趨勢為梢部>基部>中部，總木質(zhì)素含量變化趨勢與SiO2和熱水抽提物的類似。灰分在基部含量較高，原因可能與竹子不斷從土壤中吸收礦質(zhì)元素有關(guān)，竹子吸收礦質(zhì)元素后，經(jīng)木質(zhì)部由下至上運輸，再橫向運輸至韌皮部，根據(jù)各器官和組織對養(yǎng)分的需求進行雙向運輸，并可能向基部方向進行積累。梢部的SiO2和木質(zhì)素含量高于中、基部，原因可能是梢部的細(xì)胞優(yōu)先發(fā)育成熟，以增加植物的機械強度，抵制風(fēng)力的破壞。在竹青和竹黃中，除抽提物外，其他各項指標(biāo)的含量均是竹青>竹黃。竹青中的灰分和SiO2含量遠(yuǎn)高于竹黃中的，主要原因可能是竹青中含有較多的硅化細(xì)胞，增加竹青的硬度以保護竹子免受外力的侵害。

2.3 竹齡與部位對空心箭竹化學(xué)成分的影響

竹齡和部位對空心箭竹的化學(xué)成分造成了影響，其中，灰分含量在Ⅰ、Ⅱ齡級中呈現(xiàn)出從竹稈基部至梢部逐漸下降的趨勢，而在Ⅲ齡級中，卻表現(xiàn)出基部>梢部>中部的規(guī)律；SiO2含量的變化規(guī)律是Ⅰ、Ⅱ齡級的為梢部>基部>中部，Ⅲ齡級的為梢部>中部>基部；在Ⅰ、Ⅲ齡級中，熱水抽提物含量的變化規(guī)律與Ⅰ、Ⅱ齡級中SiO2含量一致，而在Ⅱ齡級中的變化規(guī)律為基部>中部>梢部；在Ⅰ、Ⅲ齡級中，苯-醇抽提物的變化趨勢為中部>梢部>基部，而在Ⅱ齡級中為梢部>中部>基部；Ⅰ、Ⅱ齡級中總木質(zhì)素含量變化趨勢與Ⅲ齡級中灰分含量的類似，Ⅲ齡級的與SiO2類似，但竹齡和部位對空心箭竹木質(zhì)素含量的影響并不明顯；Ⅰ、Ⅲ齡級綜纖維素含量的變化規(guī)律與Ⅲ齡級中SiO2含量的類似，而在Ⅱ齡級中的變化趨勢為基部>梢部>中部。由此可見，竹齡和部位共同對空心箭竹化學(xué)成分含量的變化產(chǎn)生影響。

2.4 空心箭竹與其他竹種間的化學(xué)成分比較

竹材的化學(xué)成分直接影響著竹漿造紙性能的優(yōu)劣，是合理開發(fā)利用植物纖維原料的重要依據(jù)之一[7]。空心箭竹的灰分含量為1.82%，與云南箭竹（F. yunnanensis）的2.51%、料慈竹（Bambusa distegia）的2.23%相比含量較低，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的含量為0.33%，比云南箭竹的1.70%、料慈竹的1.15%都低[7]。空心箭竹的熱水抽提物為8.69%，比毛竹的5.96%和青皮竹的6.78%都高[21]。空心箭竹的苯-醇抽提物含量為3.54%，與云南箭竹的含量相當(dāng)，但與毛竹的0.66%和青皮竹的5.81% 差異較大[21]。空心箭竹的木質(zhì)素含量為21.51%，與云南箭竹的24.57%、料慈竹的24.28%、毛竹的30.67%、青皮竹的22.98%相比含量較低[7，21]。空心箭竹的綜纖維素含量為71.71%，含量比云南箭竹的65.29%、毛竹的45.50%高，與料慈竹的75.27%、青皮竹的72.24%相比含量稍低[7，21]。因此，不同竹種間的化學(xué)成分含量并不一致。

3 小結(jié)

研究結(jié)果表明，空心箭竹的綜纖維素含量較高，木質(zhì)素和抽提物含量等中等偏低，灰分與SiO2含量較低，從造紙原料的要求來看，空心箭竹是比較適合造紙的竹種。

不同年齡、不同部位間的空心箭竹化學(xué)成分含量差異較大，年齡和部位共同對空心箭竹化學(xué)成分含量的變化造成了明顯的影響。因此，在選擇空心箭竹作為造紙原料時，應(yīng)綜合考慮竹齡和部位對空心箭竹化學(xué)成分含量的影響，以便最大限度地利用原材料。

致謝：感謝云龍縣天池自然保護區(qū)為本試驗提供實驗材料，感謝徐會明、張利周副局長對本試驗取材的支持！

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