麻竹生長過程中化學組分的變化規律研究

作者簡介：王萍"，副教授；研究方向：生物基材料。

關鍵詞：麻竹；化學組分；生長過程

1圖分類號：TS721+.2 文獻標識碼：A DOI：10.11980/j. issn.0254-508X.2025.08.00

Study on the Change of Chemical Composition during the Growth Process of Dendrocalamus latiflorus Munro

WANG Ping'SHEN Bowen2QIN Xiao2NI Jingbo3SHI Lisheng2，4.* CHEN Qijie1LI Hailong2 （1.SchoolofstydceicalEgieingshUesityeedholoshHuce，

41011;2.NtolEechnteofpeindltroluthUesitfoo

GuangdongProice，1O640;3SouthChinaNationalBotaicalGdenuangzhouangdongProince，65O;4.holfEt Soft Matter，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong Province，） （ * E-mail： shils@scut. edu. cn）

Abstract：Chemicalcompositionofrawmaterialsisanimportantfactorfctingthepulpingperformanceofbamboo，andthesudyofthe chemicalompostioofbambocanprelimnarilyevaluateitsaplicationalueinpulpandpapermakingThisstudyfocusedonDedrocalmuslatflorusmunroastebect，tehemicalcompositionchangesduringtegowthprocesswereanalyedndthemicrodistrbutiof lignincontentasoservedwiththehelpoflaserscaningconfocalmicroscopyTheresultsshowedthatwithincreasingofbamboagethe holocelulosendcellecoentsinendrocausltfsedgaallingtrdvees，oellot consistentlyremained above 70% across all age groups. Then，the total lignin content increased from about 20% to about 24% .Thecontent of phenylalcoholexractincreasedwiththeincreaseofbamboage.Threasnosgnificantcorrelationbetweenashcontentandbboo age， generally less than 3% . Based on the comprehensive evaluation of the above results，the chemical composition indexes of Dendrocalamus latiflorus Munro could meet the basic requirements of pulp and paper raw materials from 8 to 36 months.

Key words：Dendrocalamus latiflorus Munro；chemical components；growth process

中國是全球竹資源最豐富的國家，竹林面積、活立竹蓄積量及竹材產量均位居世界首位。相較于傳統森林資源，竹材具有顯著的再生優勢—僅需3～5年即可成材，這為資源可持續利用提供了天然保障。在“雙碳”戰略背景下，竹材原料的合理開發與高效利用呈現出雙重價值：一方面，竹材原料作為速生可再生生物質材料，其綠色降解特性推動著“以竹代塑”

的產業化進程；另一方面，竹材原料在制漿造紙領域展現出替代傳統木漿原料的巨大潛力，可有效解決我國造紙原料短缺的問題-2]。為加速竹產業轉型升級，國務院及地方政府相繼出臺《關于加快推進竹產業創新發展的意見》等系列政策，通過“以竹代塑”等創新路徑推動全產業鏈高質量發展，以助力“雙碳”目標的實現[34]。這種政策驅動與技術創新的協同效應，為竹材在制漿造紙等領域的深度應用開辟新的發展維度。

目前，竹材原料的差異和波動性是影響其在制漿造紙領域應用的關鍵問題之一。竹材原料的主要化學組分如纖維素、木質素、灰分、抽出物等均會對紙漿及紙張性能產生顯著影響，且竹類植物的化學組分與其生長過程密切相關。因此，研究竹材生長過程中化學組分的變化規律，能夠為其在制漿造紙領域的應用提供參考依據，有助于實現竹材的精準培育和高值化應用。

麻竹是禾本科竹亞科牡竹屬大型叢生竹種，是良好的速生竹種，也是極少數能整株加工利用的竹種之一，其產量豐富且分布廣泛，主要分布在福建、廣東、廣西、四川、云南等地，多地政府將麻竹相關產業作為當地重點產業進行發展，有充足的原料儲備8。有研究表明，麻竹的纖維特性相較于其他竹種制漿性能更優，且麻竹漿的纖維性能優于闊葉木漿和草類原料[9-10]，但目前圍繞麻竹在制漿造紙領域的應用研究相對較少。因此，本研究以麻竹為研究對象，對其生長過程中的化學組分變化規律進行了分析，研究了不同竹齡纖維細胞壁的木質素分布，以期為麻竹在制漿造紙領域中的應用提供科學依據。

1實驗

1. 1 實驗原料及試劑

麻竹，采自廣東省。選取生長良好、無病蟲害的樣品，采集竹齡為0.5、3、8、10、12、15、18、24、36個月的樣筍/樣竹。樣筍不足 6m 的齊地伐倒，樣竹齊地伐倒后，自伐倒處 1.5m 處向上每 2m 為一段，從下至上分別記為基部、中部、上部，進行原料前處理。

冰醋酸、甲醛、丙三醇、硝酸，分析純，廣州化學試劑廠；無水乙醇、氯化鋇，分析純，天津大茂化學試劑廠。

1.2實驗儀器及設備

本實驗所用儀器及設備見表1。

表1實驗儀器與設備

Table1 Experimental instruments and equipments

1.3 實驗方法

1. 3. 1 樣品預處理

不同竹齡、不同縱向部位的新鮮樣竹截取規格為10mm （弦向） ×T （壁厚） ×10mm （軸向）的竹塊，用蒸餾水洗凈后放入AAF固定液（冰醋酸、甲醛、乙醇質量分數分別為 5% 、 5% 、 90% ）中固定，備用。

1. 3.2 定性觀察

不同竹齡麻竹的橫截面切片經系列乙醇梯度脫水后置于載玻片上，滴加丙三醇后蓋片，并用加拿大樹脂封片。利用CLSM掃描成像，定性觀察不同竹齡麻竹切片的木質素分布。參數設定為：選取綠色通道488nmAr-Kr 激發，發射波長 558nm ，放大倍數20倍的物鏡獲取圖像。

1.3.3 化學組分分析

分別按照GB/T2677.10—1995、GB/T2677.8— 1994、GB/T10337—2008、GB/T742—2018及GB/T 2677.6一1994測定原料綜纖維素、酸不溶木質素、酸 溶木質素、灰分及苯-醇抽出物的含量，纖維素含量 按照《制漿造紙分析檢測》中硝酸-乙醇法測定]。

2 結果與討論

2.1不同竹齡麻竹的綜纖維素含量分析

綜纖維素是植物纖維原料的核心組成部分，包含纖維素和半纖維素。在評估原料的制漿造紙應用價值時，綜纖維素含量是關鍵評價指標。一般而言，綜纖維素的含量越高，紙漿得率和強度也會相應提升，原料更具利用價值。因此，準確測定綜纖維素的含量對于優化制漿造紙工藝和提高產品質量具有重要意義[12]。

表2為不同竹齡麻竹不同部位綜纖維素含量。由表2可知，在竹齡8～36個月內，隨著竹齡增大，麻竹的綜纖維素含量整體均隨竹齡的增大而減小。對于不同部位的麻竹，其綜纖維素含量無明顯差距。整體來看，麻竹在不同竹齡下的綜纖維素含量均保持在70% 以上，具有較高的綜纖維素含量，達到制漿原料的基本要求。

Table2 Holocellulose content indifferent partsofdifferent

2.2不同竹齡麻竹的纖維素含量分析

纖維素是由大量葡萄糖基構成的不溶于水的鏈狀高分子化合物，是植物纖維原料的最主要化學成分，也是紙漿最主要、最基本的化學成分[3]。測定植物纖維原料的纖維素含量，是分析造紙原料潛在利用價值的重要根據。

表3為不同竹齡麻竹不同部位纖維素含量。由表3可知，在竹齡8～36個月內，隨著竹齡增大，麻竹不同部位的纖維素含量均不斷減小，纖維素含量與麻竹部位之間并無顯著相關性，麻竹纖維素含量保持在 41.99% ）47.21% 范圍內。這是因為在竹材生長過程中，木質化程度逐漸提高，木質素組分占比增大，因此纖維素含量呈下降趨勢。竹齡低于12個月的麻竹，纖維素含量在45% 以上，可以達到木材原料的水平。就纖維素含量的角度來看，竹齡低于12個月的麻竹在制漿造紙領域更具利用價值。

表3不同竹齡麻竹不同部位纖維素含量

Table3Cellulosecontentindifferentpartsofdifferent agesof D.latiflorus

%

2.3不同竹齡麻竹的木質素含量及分布

木質素是由苯基丙烷結構單元通過醚鍵、C一C聯接而成的芳香族高分子化合物，作為纖維細胞壁中的天然三維立體結構化合物，能增強纖維的機械性能并提高竹材抵抗生物侵蝕的能力[13-14]。木質素是造紙原料及紙漿產生顏色的主要原因，其含量、組成及分布是設計蒸煮及漂白工藝的重要依據，也是實現生物質轉化和高值化利用的重要因素。

圖2為不同竹齡麻竹不同部位木質素含量變化趨勢。由圖2可知，竹齡低于36個月的麻竹隨著竹齡增大，麻竹的酸不溶木質素含量、酸溶木質素含量及總木質素含量均逐漸增大，但增長速度逐漸放緩。在相同竹齡下，不同縱向高度的竹材，其酸不溶木質素及酸溶木質素含量并無確定的變化趨勢。不同部位木質素含量相差不大，但可以看出基部的總木質素含量普遍高于上部和中部。在竹材生長過程中，木質化程度不斷提高，木質素會持續沉積以滿足竹材維持生物形態和進行生命活動的需要

圖2不同竹齡麻竹不同部位木質素含量變化趨勢

Fig.2Trend oflignincontentindifferentpartsofdifferent ages ofD.latiflorus

研究表明，利用CLSM觀察纖維細胞壁，木質素的自發熒光強度的差異與木質素的含量呈正相關，通過這一原理，能夠定性地揭示竹材生長過程中木質素含量的動態變化[5。本研究采用CLSM對竹齡15天、3個月、12個月、24個月、36個月麻竹維管束內的木質素分布進行定性觀察，選擇20倍物鏡，獲取不同竹齡麻竹維管束中木質素的自發熒光圖像，如圖3所示。由圖3可知，隨著竹齡的增加，維管束均表現出不同程度的自發熒光現象。由圖3（a）可以看出，原生木質部導管處有微弱的自發熒光，且導管處的熒光強度明顯高于纖維細胞及薄壁細胞。在竹齡從15天增長至12個月的過程中可以觀察到，纖維細胞的綠色熒光特性更明顯。通過對麻竹不同部位熒光強度的細致分析，可以發現纖維細胞的熒光強度呈現離心式的向外擴展趨勢，靠近導管內部的纖維細胞熒光強度最為顯著，隨后熒光逐漸向外圍的纖維細胞擴散，形成了一種梯度變化的熒光模式。熒光強度的變化在前12個月內尤為顯著，這一變化與圖2中木質素含量的變化趨勢一致，表明熒光強度與竹材中的木質素在生長初期的快速積累密切相關。

圖4為竹纖維不同部位線掃熒光強度。借助軟件ZEN利用Profile功能測定圖4（a）中紅色線條所經過區域的熒光強度，以A點為起始點，距離A點的線性距離為橫坐標，熒光強度為縱坐標，繪制出相應的線掃熒光強度變化曲線（圖4（b））。由圖4（b）可知，在細胞層面上，熒光強度從細胞角隅（CC）處和胞間層（CML）處向纖維細胞次生壁（SW）區域減弱，由此可以推斷麻竹纖維細胞的木質素主要分布在細胞角隅和胞間層。

2.4不同竹齡麻竹的苯-醇抽出物含量分析

竹材原料的抽出物一般包括部分無機鹽、糖類、植物堿、單寧、樹脂、酚類物質、萜烯等。由于各種溶劑性質及溶解能力存在差異，這些抽出物因溶劑不同呈現的溶出程度會有所不同[16-17]。通常，竹材中的抽出物含量不高，竹種、竹齡、竹材部位的抽出物組成及含量會存在一定的差異。本研究選取苯-醇作為溶劑，測定不同竹齡不同縱向部位麻竹的苯-醇抽出物含量。

表4為不同竹齡麻竹不同部位苯-醇抽出物含量。由表4可知，在竹齡8～36個月內，麻竹苯-醇抽出物含量在 2.09%1.5.33% 之間，整體來看，麻竹的抽出物含量均隨竹齡增大而增加，而苯-醇抽出物在麻竹縱向部位上的分布沒有明顯差異。苯-醇抽出物含量越低，表明竹材原料的樹脂含量較低。樹脂在紙槳中的沉積會對制漿和造紙工藝造成不利影響，進而降低產品的質量。廢水中的樹脂，尤其是樹脂酸，是造成非漂白廢水毒性的主要因素。此外，紙漿內樹脂的存在會削弱纖維間的結合力，這不僅會降低紙漿的強度，還會對其吸水性能產生不良影響[18-9]。就抽出物含量變化情況來看，嫩竹更不容易產生“樹脂障礙”，其制漿造紙利用價值更高。

圖3不同竹齡麻竹維管束的CLSM圖（ ×20 ）

Fig.3CLSMimages of vascular bundle ofD.latiflorusat different ages （×20）

圖4竹纖維不同部位線掃熒光強度

Fig.4Line-scan fluorescence intensity of different parts of bamboo fiber

表4不同竹齡麻竹不同部位苯-醇抽出物含量

Table4 Benzene-alcoholextractivecontentindifferent partsofdifferentagesofD.latiflorus

2.5不同竹齡麻竹的灰分含量分析

竹材相較于木材原料，其硅含量較高，在堿法制漿中，原料中的硅會形成 Na₂SiO₃ ，溶于堿法廢液中，進而對黑液的蒸發、燃燒、苛化等過程產生硅干擾，嚴重影響竹化學漿的規模化生產[20]。同時，原料中的金屬離子也會對紙漿的品質及制漿過程產生影響，主要是銅、鐵、錳等過渡金屬離子會對紙漿顏色產生影響，且金屬離子的存在會造成漂白藥液的分解，對漂白造成不利影響。對于一些特種槳，如電子級絕緣漿，其對紙漿中的金屬離子含量要求較高，通常需將金屬離子含量保持在一個較低的水平[21-22]。因此，系統研究竹材的生長過程中灰分含量的變化是有意義的。

表5為不同竹齡麻竹不同部位灰分含量。由表5可知，在竹齡8～36個月內，麻竹灰分含量在 2.28% 22.77% 范圍內，且普遍在竹齡8個月時最低，竹齡12個月時含量最高。整體而言，麻竹灰分含量與竹齡并不構成線性關系，造成這種現象的原因是植物體中元素含量及分布主要取決于植物的遺傳特性和生長環境22，因此竹齡和灰分含量之間的相關性不強。有研究表明，隨著竹齡的增長，其植物體內硅的積累量逐漸增加。因此推斷，竹材在生長過程中不斷調控自身的生命活動，從而使其對其他營養元素吸收、利用情況不一致，導致灰分含量不隨生長階段的不同呈現明顯變化趨勢。

表5不同竹齡麻竹不同部位灰分含量

Table5Ashcontent indifferentpartsofdifferent

3結論

本研究以不同竹齡麻竹不同部位為研究對象，采用激光共聚焦顯微鏡（CLSM）對不同竹齡麻竹維管束內木質素的微區分布進行了研究，同時對不同竹齡麻竹的化學組分進行了定量研究。3.1隨竹齡增大，麻竹的綜纖維素及纖維素含量均降低，但不同生長時期的麻竹綜纖維素含量均在 70% 以上；苯-醇抽出物含量逐漸增加；灰分含量與竹齡大小無明顯相關關系。3.2麻竹酸不溶木質素、酸溶木質素含量、總木質素含量均隨竹齡增大呈升高趨勢；竹齡8～36個月的麻竹基部的木質素含量普遍高于上部和中部。3.3CLSM觀察麻竹維管束切片的熒光強度逐漸增強，即竹齡15天～12個月時的木質素含量提高尤為顯著，說明在麻竹生長初期，木質素快速積累。

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（責任編輯：呂子露）