我國常見瑞香科韌皮纖維結構特征研究

俞夢蘭 劉夢茹 師莉升 肖玉英 李海龍

（華南理工大學輕工科學與工程學院，廣東廣州，510640）

瑞香科植物約有48屬、650種以上，多數種類的韌皮纖維發達，纖維細長柔軟、韌性強，是高級用紙和人造棉的優質原料。我國有10屬、100種左右，主要分布于我國長江流域及以南地區。其中，瑞香屬、蕘花屬、結香屬、沉香屬、狼毒屬在我國較為常見，它們的韌皮纖維都可用于造紙，是優質的造紙原料。其中，結香韌皮纖維已被用于生產鈔票紙和證券紙，而蕘花（蕘花屬）的韌皮纖維和狼毒草（狼毒屬）的根部韌皮纖維，分別是我國古代東巴紙[1]和藏紙[2-3]的主要原料。

細胞壁是植物纖維的主體，對纖維的理化性能起著決定性的作用。研究表明，纖維細胞壁的結構包括壁層結構、孔結構、微纖絲排列等，對纖維本身的性能有著重要影響[4-5]，這也必將影響最終成形的紙張質量。目前，國內外研究者對木材纖維和竹纖維的細胞壁結構進行了大量的研究[6-8]，瑞香科韌皮纖維雖是優良的造紙原料，但對其細胞壁結構的研究報道卻較少。

本研究以芫花（瑞香屬）、蕘花（蕘花屬）、結香（結香屬）和土沉香（沉香屬）的莖部韌皮纖維及狼毒草（狼毒屬）的根部韌皮纖維為研究對象，利用光學顯微鏡、場發射掃描電子顯微鏡、冷凍掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡和二維廣角X射線衍射儀等技術手段，對5種瑞香科韌皮纖維的細胞壁結構進行了研究，為瑞香科韌皮纖維的開發與利用提供了理論基礎和依據。

1 實驗

1.1 實驗原料

本實驗所用原料產地如表1所示。

表1 5種瑞香科植物原料產地Table 1 Origins of five Thymelaeaceae raw materials

1.2 實驗試劑及儀器

冰醋酸（廣州化學試劑廠）；過氧化氫（廣州化學試劑廠）；赫氏染色劑。

冷凍干燥機（Christ,Alpha 1-4 LSCplus）；冷凍切片機（Leica, CM1850-01）；纖維形態測定儀（Techpap, Morfi）；光學顯微鏡（Olympus, BX51）；場發射掃描電子顯微鏡（FESEM，Hitachi，SU5000）；冷凍掃描電子顯微鏡（Cryo-SEM，FEI，Quanta 450）；原子力顯微鏡（AFM，Bruker，MultiMode 8）；二維廣角X射線衍射儀（XRD，Rigaku，HomeLab）。

1.3 實驗方法

1.3.1 纖維樣品制備

取部分枝條，以2 cm 為取樣單位（其中狼毒草取根部韌皮部），放入盛有FAA 固定液（50%乙醇∶36%～40%甲醛∶冰醋酸=18∶1∶1）的容器中密封保存，剩余枝條取韌皮部，去最外層表皮后風干保存。

取在FAA 固定液中浸泡48 h 以上的樣品，用冷凍切片機進行切片，保存待用。

取適量風干韌皮原料，采用富蘭克林離析法（雙氧水∶冰醋酸=1∶1，60℃）進行解離，直至解離為單根纖維，清洗纖維至洗滌水呈中性，待用。

1.3.2 纖維形態表征

采用纖維形態測定儀測量纖維的長度、寬度、粗度等形態參數，使用Image-Pro Plus 軟件對常規切片的掃描電鏡圖進行分析，測量200根以上纖維的細胞壁厚并求平均值。另取適量纖維于載玻片，用赫氏染色劑染色后在光學顯微鏡下觀察纖維形態。

1.3.3 FESEM觀察

利用FESEM 對冷凍干燥后的纖維和常規切片進行觀察，噴金時間30 s，加速電壓1.5 kV。

1.3.4 Cryo-SEM觀察

利用Cryo-SEM 對從未干燥過的濕纖維進行觀察，纖維樣品在冷凍傳輸系統中進行噴金（鉑金）處理，噴鍍時間30 s，加速電壓10 kV。

1.3.5 AFM觀察

利用AFM 對冷凍干燥后的纖維和冷凍切片進行觀察，分別表征纖維初生壁的微纖絲排列和纖維細胞壁的截面形貌。實驗過程中采用接觸模式進行成像，得到的圖像用離線軟件NanoScope_Analysis 進行分析處理。

1.3.6 纖維細胞壁層結構分析

取適量從未干燥過的濕纖維用液氮進行脆斷，脆斷后的纖維冷凍干燥后用FESEM進行觀察。

1.3.7 微纖絲角測試

將去除表皮的風干韌皮裁成4 mm×4 mm 試樣，用二維廣角XRD 進行測試，測試得到的衍射圖用Fit 2D 軟件進行處理，導出衍射曲線圖并用Origin 軟件進行高斯擬合（Gauss Amp），使用0.6 T法[9]計算微纖絲角。

2 結果與討論

2.1 纖維形態分析

纖維的基本形態特征，如纖維長度、寬度、粗度和壁厚等參數是衡量纖維材料性能優劣及其利用價值的重要指標。表2 為5 種瑞香科韌皮纖維的纖維形態分析。由表2 可知，蕘花、結香、狼毒草、土沉香、芫花的韌皮纖維平均長度分別為2.56、3.90、3.49、2.15、3.00 mm，平均寬度分別為13.45、17.50、15.95、13.10、16.60 μm，5 種瑞香科韌皮纖維的長寬比較大（約為160～220），遠高于木材纖維（針葉木長寬比約為60～80，闊葉木長寬比約為30～65）[10]。長寬比大的纖維在成紙時纖維分布細密，纖維之間相互交織的次數多，紙張強度高。5 種瑞香科韌皮纖維的粗度均＜10 dg，纖維粗度＜10 dg 的紙張細膩、平滑度好。5 種瑞香科韌皮纖維中，結香韌皮纖維的壁厚最大（2.52 μm），而狼毒草韌皮纖維的壁厚最小（1.20 μm），僅為結香韌皮纖維的50%左右。

表2 5種瑞香科韌皮纖維形態分析Table 2 Morphological analysis of five Thymelaeaceae phloem fibers

圖1 為5 種瑞香科韌皮纖維的光學顯微鏡圖。從圖1 可以看出，5 種韌皮纖維經過赫氏染色劑染色后呈藍紫色，纖維整體細長，纖維末端呈鈍尖形，表面均存在非常明顯的橫節紋，其中結香韌皮纖維和土沉香韌皮纖維的中部存在明顯較寬的部分。

圖1 5種瑞香科韌皮纖維的光學顯微鏡圖Fig.1 Optical micrographs of five Thymelaeaceae phloem fibers

2.2 FESEM分析

5 種瑞香科韌皮纖維表面和常規切片的場發射掃描電鏡觀察的結果分別如圖2 和圖3 所示。從圖2（A-1）～圖2（E-1）中可以看出，5 種瑞香科韌皮纖維整體細長，呈扁平狀，纖維末端漸細，其中狼毒草韌皮纖維的扁平狀特征更明顯。另外，從圖2（A-2）～圖2（E-2）可以看出，5 種纖維表面粗糙，存在明顯的縱向波紋狀褶皺，從圖2（A-3）～圖2（E-3）中發現韌皮纖維初生壁的微纖絲呈網狀排列，這和現已提出的纖維細胞壁微細結構模型一致[11]。

圖2 5種瑞香科韌皮纖維表面的FESEM圖Fig.2 FESEM images of five Thymelaeaceae phloem fibers

從圖3（A-1）～圖3（E-1）中可以看出，5 種瑞香科韌皮纖維都存在明顯的胞腔，呈橢圓狀，具有中空結構的纖維往往具有較好的吸收性[12]，其中蕘花、芫花、結香韌皮纖維的胞腔相較于土沉香、狼毒草韌皮纖維的胞腔更大。從圖3（A-2）～圖3（E-2）中可以發現組成纖維細胞壁的微纖絲排列緊密。

圖3 5種瑞香科韌皮部常規切片的FESEM圖Fig.3 FESEM images of five Thymelaeaceae phloem sections

2.3 AFM分析

圖4 和圖5 分別為利用AFM 觀察的5 種瑞香科韌皮纖維表面的微纖絲紋理和纖維截面。從圖4中可以發現，5 種瑞香科韌皮纖維表面的微纖絲呈網狀隨機交織排列，這和FESEM 觀察結果相似。同樣的成像范圍內，土沉香的微纖絲排列數量最少，即其微纖絲尺寸最大，而蕘花的微纖絲排列最細密。從圖5中可以看出，5 種瑞香科韌皮纖維截面（冷凍切片、脆斷面）的微纖絲在細胞壁中排列緊密。微纖絲截面呈不規則形狀（微纖絲的截面不會有顆粒存在，應為微細纖維端部）。

圖4 5種瑞香科韌皮纖維表面的AFM圖Fig.4 Surface AFM images of five Thymelaeaceae phloem fibers

圖5 5種瑞香科韌皮纖維截面的AFM圖Fig.5 Cross-section AFM images of five Thymelaeaceae phloem fibers

2.4 Cryo-SEM分析

纖維在干燥的過程中，其結構發生了一定程度的塌陷、皺縮，為了觀察纖維在含水狀態下的真實形貌[13]，本研究利用Cryo-SEM 技術對5種瑞香科韌皮纖維進行了觀察。圖6為5種瑞香科韌皮纖維利用Cryo-SEM 觀察得到的圖像，并與冷凍干燥后使用FESEM觀察得到的圖像進行對比。從圖6中可以發現，相較于冷凍干燥后的纖維，5 種瑞香科韌皮纖維在含水狀態下更加硬挺、飽滿，纖維表面光滑，沒有明顯的縱向波紋狀褶皺，這可能是因為纖維在有水的條件下發生了吸水潤脹。研究纖維含水狀態下的結構不僅有助于認識纖維的真實形貌，還可以為纖維成紙時彼此之間的交織方式提供研究基礎。

圖6 5種瑞香科韌皮纖維表面的Cryo-SEM圖和FESEM圖對比Fig.6 Comparison of Cryo-SEM and FESEM images on the surface of five Thymelaeaceae phloem fibers

2.5 纖維壁層結構分析

纖維細胞壁由初生壁（P）、次生壁外層（S1）、次生壁中層（S2）、次生壁內層（S3）等層次所構成，但研究發現，一些植物纖維并不是典型的3層結構，而是具有厚薄交替的多壁層結構，這種多壁層結構對纖維的力學性能具有較大影響[4]。圖7 是利用液氮對5 種瑞香科韌皮纖維進行脆斷后觀察到的纖維細胞壁結構。從圖7 中可以看出，5 種瑞香科韌皮纖維細胞壁經過液氮脆斷后，出現了明顯的分層現象，且每一層的厚度相差不大，特別是蕘花、芫花、結香、土沉香的韌皮纖維，壁層數量較多，較難分辨清楚具體的層數，而狼毒草韌皮纖維的壁層結構相對不明顯。

圖7 5種瑞香科韌皮纖維的壁層結構FESEM圖Fig.7 FESEM images of wall structure of five Thymelaeaceae phloem fibers

2.6 纖維細胞壁微纖絲角度分析

次生壁的微纖絲角是影響纖維微觀力學性能及原料宏觀力學性能的重要因素之一，微纖絲角小，纖維的抗拉強度大，拉伸彈性模量高。另外，次生壁的微纖絲角也是影響紙漿打漿難易的重要因素，微纖絲角度越小，纖維越容易分絲帚化[14-15]。圖8 是利用二維廣角XRD 測得的5 種瑞香科韌皮纖維的衍射圖。從圖8中可以看出，蕘花、芫花、結香、土沉香韌皮纖維的衍射圖中存在非常明顯的對稱弧段和對稱斑點，說明纖維取向良好。狼毒草韌皮纖維的衍射圖中的對稱弧段和對稱斑點相對不明顯，其纖維取向性較差。

圖8 5種瑞香科韌皮纖維的XRD圖Fig.8 XRD patterns of five Thymelaeaceae phloem fibers

圖9 為5 種瑞香科韌皮纖維的X 射線衍射圖。表3為5種瑞香科韌皮纖維的微纖絲角。從圖9和表5可以看出，瑞香科韌皮纖維均存在明顯的雙衍射峰，其中蕘花、結香和土沉香韌皮纖維的峰形比較尖銳，存在明顯的結晶區，微纖絲角分別為10.66°、10.55°和10.20°，芫花韌皮纖維的峰形尖銳度其次，微纖絲角為19.67°，而狼毒草韌皮纖維的雙峰都較寬且峰形圓潤，其無定形區占比相對較大，微纖絲角為40.11°。

圖9 5種瑞香科韌皮纖維的XRD譜圖Fig.9 XRD spectra of five Thymelaeaceae phloem fibers

表3 5種瑞香科韌皮纖維的微纖絲角Table 3 Microfibril angle of five Thymelaeaceae phloem fibers

3 結 論

本研究利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡、二維廣角X射線衍射儀等技術手段對我國常見的5種瑞香科韌皮纖維的結構進行了研究，為瑞香科韌皮纖維的開發與利用提供了研究基礎。

3.1 5 種瑞香科韌皮纖維整體細長，長寬比遠大于一般的木材纖維，存在明顯的橫節紋，其中結香和土沉香韌皮纖維存在一段明顯較寬的部分。

3.2 5 種瑞香科韌皮纖維表面粗糙，均存在縱向波紋狀褶皺，初生壁微纖絲呈網狀交織排列，其中土沉香韌皮纖維的微纖絲尺寸最大，蕘花韌皮纖維的微纖絲排列最細密。另外，5 種瑞香科韌皮纖維的次生壁微纖絲排列緊密，微纖絲截面呈不規則形狀。

3.3 5種瑞香科韌皮纖維均存在多壁層結構，其中蕘花、芫花、結香、土沉香的韌皮纖維的壁層結構明顯，壁層數量較多，而狼毒草韌皮纖維的壁層結構不明顯。

3.4 5 種瑞香科韌皮纖維中，蕘花、結香、土沉香和芫花韌皮纖維的微纖絲角分別為10.66°、10.55°、10.20°和19.67°，遠小于狼毒草韌皮纖維（40.11°）。