不同類型野生植物纖維細(xì)胞的壁腔比研究

作者簡(jiǎn)介：王園緣，在讀碩士研究生；研究方向：植物纖維資源調(diào)查。

關(guān)鍵詞：植物纖維；壁腔比；長(zhǎng)寬比；顯微染色中圖分類號(hào)：TS71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2025.08.001

Studyof theWall-to-LumenRatioinFibersof VariousWild PlantSpecies

WANG Yuanyuan'LI Hailong'LI Sainan2CHEN Siyao'LIU Qinghe'LIU Mengru1* （1. National Enginering Research CenterforPaper Making andPollution Control，South China UniversityofTechnology， Guangzhou，GuangdongProvnce，1064;2.CollgeofLifeScienes，ZhaoqingUniersty，Zhaoqing，uangdongProvnce，6061） （ * E-mail：Imr@scut.edu.cn）

Abstract：sdaldaltplefrategoeplddo ceouspeciesdastsindocualsulsmotli sample variation in woody fibers ：approximately 92% of hardwoods （47/51） exhibited ratios lt;1 （Lonicera ruprechtiana latewood peaked at1.26），while Lonicera 86% of softwoods （12/14） presented lt;1 （Larix gmelimi latewood maximum： 1. O9）. Conversely ， graminaceous and bast fibers showed higher ratioswithgeaelroelfasd（elr） mately 85 % of bast fibers （100/118） were gt;1 （Litsea coreana var. lanuginose peak ： 6. 47）.

Key words：plant fibers；wal-to-lumen ratio； fiber aspect ratio；microscopic staining

壁腔比（纖維細(xì)胞壁厚度和細(xì)胞腔直徑的比值）和長(zhǎng)寬比是評(píng)價(jià)制漿造紙?jiān)闲阅艿?個(gè)關(guān)鍵形態(tài)參數(shù)。對(duì)于長(zhǎng)寬比相似而壁腔比不同的纖維，可以抄造出強(qiáng)度性質(zhì)相差甚大的紙張，這是因?yàn)楸谇槐炔粌H影響紙張中纖維的結(jié)合力，而且影響打漿性能及紙張性能]。Runkel在研究纖維的壁腔比對(duì)紙張強(qiáng)度性質(zhì)影響時(shí)提出壁腔比lt;1，屬優(yōu)良造紙?jiān)希槐谇槐?⁼¹ 屬較好造紙?jiān)希槐谇槐?gt;1 ，屬劣質(zhì)造紙?jiān)蟍2]。

植物纖維壁腔比的差異不僅與原料種類有關(guān)，而且跟植物的生長(zhǎng)年齡和部位也密切相關(guān)。已有不少學(xué)者對(duì)不同原料、不同地域以及同株植物的不同部位、年齡段的纖維細(xì)胞壁腔比開(kāi)展了針對(duì)性研究。方文彬?qū)现饕樔~木材微觀構(gòu)造進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)16種針葉木材的管胞壁腔比皆 ^lt;1 ，位于 0.28～0.59 之間，屬優(yōu)良造紙?jiān)稀２芊e微等4對(duì)云南3種棕櫚藤材（云南省藤、版納省藤、鉤葉藤）的纖維壁腔比進(jìn)行了測(cè)定和分析，發(fā)現(xiàn)版納省藤和云南省藤的纖維壁腔比變異較小，鉤葉藤較大。劉曉玲等5對(duì)10年生臺(tái)灣榿木的纖維形態(tài)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)臺(tái)灣榿木的平均纖維腔徑為 17.7～18.1μm ，計(jì)算得到纖維雙壁厚為8.9～9.0μm 。上述研究均是針對(duì)某一類或某種植物的纖維壁腔比開(kāi)展的，目前關(guān)于造紙?jiān)媳谇槐鹊难芯坎⒉蝗妫槍?duì)不同種類造紙?jiān)媳谇槐鹊谋容^或特征鑒別亦未見(jiàn)報(bào)道。

本研究采用冷凍切片及顯微結(jié)構(gòu)染色技術(shù)相結(jié)合的方法，對(duì)涵蓋我國(guó)10大地理區(qū)域（東北、華北、西北等）的典型植被帶、216種我國(guó)野生植物纖維樣本開(kāi)展纖維壁腔比的系統(tǒng)分析，豐富的樣本量有望為挖掘潛在的植物造紙?jiān)咸峁╆P(guān)鍵的形態(tài)學(xué)參數(shù)。

1實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用原料的采集地如表1所示。

表1實(shí)驗(yàn)原料的來(lái)源

Table1 Sourceof the experimental materials

1.2實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)所用試劑如表2所示。

切片機(jī)（CM1850，日本Leica）；光學(xué)顯微鏡（BX51，日本Olympus）。

表2實(shí)驗(yàn)試劑

Table2Experiment reagents

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 植物纖維原料的制樣

參照《制漿造紙分析與檢測(cè)（第二版）》方法，沿橫截面方向截取尺寸為 1cm×1cm×1cm 的試樣：木材保留完整年輪分界線的平整橫切面；竹材保留竹青、竹黃及竹肉結(jié)構(gòu)；大直徑樣本維持原生寬度。試樣經(jīng)沸水處理 20～30min 后冷水浸泡 40～ 60min ，循環(huán)至無(wú)氣泡析出。然后，對(duì)木材及韌皮類采用甘油：乙醇 （體積比）浸泡軟化，禾本科類采用乙二胺水溶液浸泡軟化。取切片（厚度 20um ）后的試樣用番紅和固綠對(duì)切片進(jìn)行染色并采用無(wú)水乙醇進(jìn)行脫水處理，染色后對(duì)原料切片進(jìn)行二甲苯浸漬透明處理，最后采用中性樹(shù)膠進(jìn)行封片固化待用。

1.3.2 植物纖維原料壁腔比分析

將制備好的原料切片置于光學(xué)顯微鏡下觀察，在物鏡（ ×40 ）鏡頭下選取具有代表性的細(xì)胞橫切面視場(chǎng)，并標(biāo)定比例尺，適當(dāng)調(diào)節(jié)焦距、曝光時(shí)間、對(duì)比度等參數(shù)以獲得最佳圖片，按圖片比例尺進(jìn)行空間標(biāo)尺校正，再用長(zhǎng)度和距離測(cè)量工具對(duì)壁厚、胞腔直徑進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量200個(gè)纖維細(xì)胞。然后根據(jù)式（1）和式（2）分別計(jì)算出壁腔比及變異系數(shù)，結(jié)果保留兩位小數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)差、算術(shù)平均值為每個(gè)纖維樣品細(xì)胞壁及胞腔直徑各200個(gè)數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)差與算術(shù)平均值。

2結(jié)果與討論

2.1 闊葉木類

圖1（a）為51種闊葉木纖維壁腔比數(shù)據(jù)分布圖。由圖1（a）可知，晚材纖維的壁腔比均大于早材纖維，這主要是因?yàn)樵绮男纬捎谏L(zhǎng)季初期（如溫帶春季或熱帶雨季），此時(shí)溫度高、水分充足，形成層細(xì)胞分裂速度快，優(yōu)先分化出壁薄、腔大的導(dǎo)管和纖維細(xì)胞，以快速輸送水分和養(yǎng)分，適應(yīng)旺盛的生長(zhǎng)需求；而晚材形成于生長(zhǎng)季末期（如溫帶秋季或熱帶旱季），此時(shí)環(huán)境資源（如水分、溫度）減少，細(xì)胞分裂速度減慢，分化方向轉(zhuǎn)向機(jī)械支持功能，形成壁厚、腔小的纖維細(xì)胞和導(dǎo)管，以提高木材的密度和抗壓強(qiáng)度。

圖1 （a）51種闊葉木纖維壁腔比數(shù)據(jù)分布圖;（b）常見(jiàn)10種闊葉木纖維的壁厚及腔徑

51種闊葉木纖維樣品中約 92% （47/51）的纖維壁腔比 _lt;1 ，其中所有早材纖維的壁腔比全部 ^lt;1 ，僅有4種材種的晚材纖維壁腔比略 ^gt;1 。壁腔比越小，相對(duì)來(lái)說(shuō)纖維細(xì)胞壁越薄，其柔韌性好，在抄造紙張時(shí)纖維間的接觸面積較大，纖維間的結(jié)合力越強(qiáng)，紙張的強(qiáng)度也會(huì)變高5]。

為系統(tǒng)評(píng)估闊葉木纖維壁腔比，本研究篩選出10種常見(jiàn)且具有統(tǒng)計(jì)代表性的纖維樣品（壁腔比介于0.25～1.26），其具體厚度和壁腔比見(jiàn)圖1（b）。如圖1（b）所示，白樺纖維展現(xiàn)出獨(dú)特的早晚材均質(zhì)性，壁腔比差值僅為0.04，表明其纖維形態(tài)在樹(shù)干徑向分布上波動(dòng)較小。這種特性有利于制漿過(guò)程中原料的均一性，從而減少因早晚材纖維差異導(dǎo)致的工藝參數(shù)波動(dòng)，提升制漿效率與穩(wěn)定性；長(zhǎng)白忍冬則表現(xiàn)出較大的早晚材差異性，其早材壁腔比為0.55，晚材壁腔比為1.2。這種特性導(dǎo)致材種的木質(zhì)差異大，加工困難，干燥時(shí)容易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。圖2為常見(jiàn)10種闊葉木纖維的光學(xué)顯微鏡圖。從圖2可明顯看出，木材橫截面上均存在明顯的年輪分界線，其中白樺、黑樺、花曲柳、柚木的早晚材過(guò)渡較為平緩，其測(cè)得的早晚材壁腔比數(shù)據(jù)差值較小也進(jìn)一步印證了這一點(diǎn)，如花曲柳早材壁腔比為0.4，晚材壁腔比為0.48，早晚材壁腔比之間僅差0.08，因此在光學(xué)顯微鏡下表現(xiàn)為早晚材過(guò)渡平緩。表3和表4分別為常見(jiàn)10種闊葉材早材和晚材的纖維壁腔比情況。如表3和表4所示，這10種闊葉木材種不同材段的纖維壁腔比變異系數(shù)主要集中在 17.85%～34.22% ，說(shuō)明大部分的纖維細(xì)胞壁腔比差別較小。

2.2 針葉木類

圖3（a）為14種針葉木纖維的壁腔比數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)顯示，約 86% （12/14）的針葉木纖維的壁腔比lt;1，最大值為1.09，且早材的壁腔比普遍偏小，最大不超過(guò)0.5，表明針葉木纖維具有壁薄腔大的典型特征。針葉材的主要纖維細(xì)胞是管胞，主要起支撐作用及輸導(dǎo)作用，其中胞壁較厚的晚材細(xì)胞起支撐作用，而薄壁的早材細(xì)胞主要用來(lái)輸送水分，因此細(xì)胞壁薄、腔大。這種結(jié)構(gòu)特性使其在制漿過(guò)程中產(chǎn)生兩方面優(yōu)勢(shì)：其一，在機(jī)械打漿時(shí)更易實(shí)現(xiàn)分絲帚化，通過(guò)增加纖維間的氫鍵結(jié)合面積，可顯著提升紙張的抗張強(qiáng)度和耐破度；其二，薄壁結(jié)構(gòu)有利于化學(xué)試劑的滲透擴(kuò)散8。

圖2常見(jiàn)10種闊葉木纖維的光學(xué)顯微鏡圖

Fig.2Light microscope view of1O commonhardwood fibers

Table3Data on the fiber wall-to-lumen ratio of earlywood for ten common hardwood species

表3常見(jiàn)10種闊葉木早材纖維壁腔比的相關(guān)數(shù)據(jù)

表4常見(jiàn)10種闊葉木晚材纖維壁腔比的相關(guān)數(shù)據(jù)

Table 4 Data on the fiberwall-to-lumen ratioof latewood for tencommon hardwood species

圖3 （a）14種針葉木纖維壁腔比分布圖;（b）常見(jiàn)10種針葉木纖維的壁厚及腔徑

Fig.3（a）Datadistribution ofwall-to-lumenratioof14kinds of softwood fibers，（b） wall thicknessand cavity diameter of 10 common softwood fibers

進(jìn)一步針對(duì)10種典型針葉木纖維的研究 （圖3（b））表明，其壁腔比分布在0.10～1.09，其中柳杉展現(xiàn)出最穩(wěn)定的早晚材均質(zhì)性，其壁腔比差值僅為0.11。這種低離散特性使得柳杉纖維能夠使其紙張強(qiáng)度性能與松厚度較為穩(wěn)定，適用于生產(chǎn)文化用紙和輕型包裝紙。與之形成對(duì)比的是落葉松，其晚材壁腔比達(dá)1.09，而早材則為0.15，差值高達(dá)0.94，該發(fā)現(xiàn)與許傳波等對(duì)日本落葉松的研究結(jié)果一致。值得注意的是，雖然落葉松早晚材中較大的壁腔比差異會(huì)影響紙張勻度，但其優(yōu)異的纖維長(zhǎng)度優(yōu)勢(shì)以及較高的長(zhǎng)寬比使其在對(duì)強(qiáng)度要求苛刻的紙種中具有不可替代性]。因此，明確針葉木早晚材的差異，對(duì)應(yīng)不同材種，控制其晚材率在較低范圍內(nèi)，會(huì)對(duì)其紙張性能的穩(wěn)定性提供一定保障2]

顯微結(jié)構(gòu)分析（圖4）及壁腔比（表5和表6）均證實(shí)了針葉木纖維壁薄腔大的特點(diǎn)，清晰的年輪界限對(duì)應(yīng)著早晚材壁腔比的顯著差異，但各個(gè)纖維數(shù)據(jù)的變異系數(shù)在 11.62%～29.62% 范圍內(nèi)，表明同一材種纖維樣品的壁腔比離散程度不高，這種適度的變異既保留了纖維的天然梯度特性，又避免了因參數(shù)離散度過(guò)高造成的工藝波動(dòng)。

圖4常見(jiàn)10種針葉木纖維的光學(xué)顯微鏡圖

Fig.4Lightmicroscope view of10 common softwood fibers

Table5Data on the fiber wall-to-lumen ratio of earlywood for ten common softwood species

表5常見(jiàn)10種針葉木早材纖維壁腔比的相關(guān)數(shù)據(jù)

表6常見(jiàn)10種針葉木晚材纖維壁腔比的相關(guān)數(shù)據(jù)

Table 6 Data onthe fiber wall-to-lumen ratioof latewood for ten common softwood species

2.3 禾本科類

禾本科類纖維樣品共33份，其壁腔比數(shù)據(jù)如圖5（a）所示。從圖5（a）可知，約 91% （30/33）的纖維壁腔比 gt;1 ，約 82% （27/33）的纖維壁腔比 gt;2 ，其中鐵竹纖維壁腔比最大，達(dá)4.25。相較于木材類，禾本科的壁腔比普遍偏大，主要原因是竹材屬于單子葉植物，缺乏次生生長(zhǎng)能力（無(wú)形成層），無(wú)法像木本植物通過(guò)年輪增粗莖稈。為了在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到數(shù)米至數(shù)十米的高度，竹材依賴初生結(jié)構(gòu)中發(fā)達(dá)的厚壁組織細(xì)胞（如纖維細(xì)胞）提供機(jī)械強(qiáng)度，纖維細(xì)胞成熟后細(xì)胞腔幾乎消失，壁腔比顯著增大[3]

圖5 （a）33種禾本科纖維壁腔比數(shù)據(jù)分布圖；（b）常見(jiàn)10種禾本科纖維的壁厚及腔徑

細(xì)胞壁較厚的纖維在打漿過(guò)程中不易分絲帚化，纖維間結(jié)合面積小，導(dǎo)致紙張抗張強(qiáng)度、耐破度較低，這也是限制竹漿在制漿造紙行業(yè)廣泛利用的主要原因之一，但其高壁腔比的特點(diǎn)導(dǎo)致其撕裂度和松厚度較高，常見(jiàn)將禾本科纖維與長(zhǎng)纖維木漿（如針葉木漿）按比例復(fù)配，平衡紙張的強(qiáng)度與松厚度，如包裝用紙中通常配比 20%～30% 禾本科漿，用以可降低成本并保持紙張性能[14]

圖5（b）是從33份中選取的10種纖維樣品數(shù)據(jù)分布圖，壁腔比范圍為 0.58～4.25 。其中，芒的纖維壁腔比最小，而青稈竹的壁腔比最大。較低的纖維壁腔比可通過(guò)減少細(xì)胞壁厚度、增大細(xì)胞腔直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，從而增強(qiáng)柔韌性，避免因剛性過(guò)高導(dǎo)致的斷裂。如此處的芒壁腔比較小，纖維柔軟，因此可將其作為特色造紙?jiān)吓c其他纖維復(fù)配抄造出性能優(yōu)異的紙張；竹材被譽(yù)為“第二森林資源”。盡管其壁厚腔小、壁腔比大，但憑借生長(zhǎng)迅速、成材周期短、產(chǎn)量高、纖維素含量高以及纖維細(xì)長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，竹材展現(xiàn)出優(yōu)異的造紙適用性，是理想的造紙?jiān)蟍17]

值得注意的是，同竹齡青皮竹因產(chǎn)地不同呈現(xiàn)顯著差異：來(lái)自廣西省的青皮竹-1的壁腔比為2.65，而來(lái)自廣東省的青皮竹-2的壁腔比3.12，這與張秀標(biāo)等研究的結(jié)論相一致。圖6為10種禾本科橫切面的生物結(jié)構(gòu)圖。從圖6可以看出，這些樣品中的纖維形態(tài)不均、大小不一。另外這10種禾本科的變異系數(shù)范圍為 22.35%～49.50% （表7），離散程度較高，數(shù)據(jù)點(diǎn)與均值的偏離程度越顯著，說(shuō)明禾本科的纖維細(xì)胞之間的壁腔比相差較大。

2.4 韌皮類

在216種纖維樣品中，共有118份纖維樣品屬于韌皮纖維類，其壁腔比數(shù)據(jù)如圖7（a）所示，其中有100份的韌皮纖維樣品的壁腔比超過(guò)1，約占總份數(shù)的 85% ，壁腔比超過(guò)3的約占 30% ，毛貂皮樟纖維的壁腔比最大，達(dá)6.47。與禾本科纖維類似，韌皮纖維壁厚腔小的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其纖維硬度高、柔韌性差，在打漿過(guò)程中難以有效分絲帚化，纖維間氫鍵結(jié)合面積較小，抗張強(qiáng)度與耐破度較低。

圖6常見(jiàn)10種禾本科纖維的光學(xué)顯微鏡圖

Fig.6Light microscope view of 1O common poaceae fibers

表7常見(jiàn)10種禾本科纖維壁腔比的相關(guān)數(shù)據(jù)

Table7 Data related to the wall-to-lumen ratios of 10 common poaceae fibers

圖7 （a）118種韌皮類纖維壁腔比分布圖；（b）常見(jiàn)10種韌皮類纖維的壁厚及腔徑

與禾本科不同的是，韌皮類纖維普遍具有更長(zhǎng)的長(zhǎng)度和更大的長(zhǎng)寬比，這賦予了紙張較好的物理性能。以118種之一的構(gòu)皮纖維為例，其壁腔比 gt;1 （約為1.15），纖維平均長(zhǎng)度為 5.05～7.26mm ，而寬度平均為 15.9～17.4μm ，因此其長(zhǎng)寬比極高（平均為318～417）[19]；同時(shí)纖維素含量高[20]。這些特性共同決定了構(gòu)皮纖維在特種紙領(lǐng)域的重要應(yīng)用價(jià)值，如高檔茶葉濾紙和電解電容器紙等2。此外，古代紙張中廣泛使用的麻紙和藤紙亦多以韌皮纖維為原料。如以“紙壽千年”聞名的宣紙，即采用青檀皮等原料制成。宣紙之所以具備質(zhì)地細(xì)膩、強(qiáng)度優(yōu)良的特性，正是得益于青檀皮纖維細(xì)長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。日本古代寫(xiě)經(jīng)用紙的原料以楮皮為主，早期少數(shù)古寫(xiě)經(jīng)紙混有一定比例雁皮，純?nèi)龐I皮紙和純雁皮紙的古寫(xiě)經(jīng)紙后期比較常見(jiàn)[22]，也是得益于韌皮纖維長(zhǎng)寬比大、紙張性能好的特點(diǎn)。

選取的10種韌皮纖維樣品的壁厚與胞腔直徑如圖7（b）所示，其光學(xué)顯微鏡圖如圖8所示。其中象腿蕉的壁腔比最小（0.39），南酸棗的壁腔比最大（4.63）。從圖8可以看出，相比于木材類、禾本科類，韌皮類的橫切面較為復(fù)雜，除了纖維以外，還有負(fù)責(zé)運(yùn)輸有機(jī)物的篩管、伴胞以及薄壁細(xì)胞，且纖維間的壁腔比相差較大（表8）。

圖8常見(jiàn)10種韌皮類的光學(xué)顯微鏡圖

Fig.8Lightmicroscope view of1O commonbastfibers

表8常見(jiàn)10種韌皮類壁腔比的相關(guān)數(shù)據(jù)

Table8Datarelated to thewall-to-lumenratios of10 commonbast fibers

3結(jié)論

本研究采用冷凍切片及顯微結(jié)構(gòu)染色法對(duì)我國(guó)216種4大類（闊葉木、針葉木、禾本科以及韌皮類）的野生植物纖維的壁腔比進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析與比較。51種闊葉木纖維樣品中約 92% 樣本的纖維壁腔比 ^lt;1 ，所有樣本的早材纖維壁腔比均 _lt;1 。長(zhǎng)白忍冬的晚材壁腔比最大（1.26）。14種針葉木纖維樣品中約 86% 樣本的纖維壁腔比 ^lt;1 ，所有樣本的早材纖維壁腔比均 lt;0.5 。落葉松的晚材壁腔比最大（1.09）。33種禾本科纖維樣品中約 91% 樣本的纖維壁腔比 gt;1 約 82% 樣本 gt;2 。鐵竹的壁腔比最高（4.25）；青皮竹的壁腔比則呈現(xiàn)顯著的地域差異。118種韌皮類纖維樣品中約 85% 樣本的壁腔比 gt;1 ，約 30% 樣本 gt;3 。毛豹皮樟的壁腔比最高（6.47）。

上述豐富的樣本數(shù)據(jù)結(jié)合長(zhǎng)寬比有望為考察潛在的制漿造紙?jiān)咸峁﹨⒖家罁?jù)，也為壁腔比 _gt;1 的禾本科及韌皮類纖維原料“正名”，依靠壁腔比單一參數(shù)，不能全面的區(qū)分造紙?jiān)蟽?yōu)劣，必須要結(jié)合纖維長(zhǎng)度、長(zhǎng)寬比以及纖維素含量等統(tǒng)籌考量。

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