米 沛 徐 斌 潘新建

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，合肥，230036) (黃山市林業(yè)科學(xué)研究所)

薄殼山核桃人工林木材的化學(xué)性質(zhì)1)

米 沛 徐 斌 潘新建

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，合肥，230036) (黃山市林業(yè)科學(xué)研究所)

以30年生薄殼山核桃人工林木材為對(duì)象，對(duì)其化學(xué)成分及其變異規(guī)律進(jìn)行研究，并運(yùn)用X射線衍射法對(duì)纖維素結(jié)晶度進(jìn)行測(cè)定分析。結(jié)果表明：薄殼山核桃木材中，苯醇抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.92%，1% NaOH抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.14%，Klason木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.80%，綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82.77%，α-纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45.20%，硝酸乙醇纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48.83%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.74%，纖維素結(jié)晶度為38.64%。薄殼山核桃木材的化學(xué)組分軸向變化株間保持一致，其中，苯醇抽提物、1% NaOH抽提物、灰分、木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)軸向遞增，α-纖維素、硝酸乙醇纖維素、綜纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)軸向遞減；纖維素結(jié)晶度在軸向上呈先增后減趨勢(shì)，從大到小依次為中部、基部、梢部。

薄殼山核桃；人工林木材；化學(xué)性質(zhì)；X射線衍射法

Three 30-yearCaryaillinoensisplantation woods were studied on the chemical components and their variation pattern. The cellulose crystallinity was determined by X-ray diffraction spectrum. InCaryaillinoensis, the contents of the benzene-alcohol extracts, 1% NaOH extracts, klason lignin, holocellulose,α-cellulose, nitric acid-ethanol cellulose and ash were 1.92%, 16.14%, 23.80%, 82.77%, 45.2%, 48.83% and 0.74%, respectively. The cellulose crystallinity was 38.64%. Besides, the variation trend of chemical components along axial direction among different samples kept consistent, where the contents of benzene-alcohol extracts, ash, 1% NaOH extracts and lignin increased progressively, while those ofα-cellulose, nitric acid-ethanol cellulose, and holocellulose decreased progressively. The cellulose crystallinity increased firstly and then declined. The sequence of cellulose crystallinity from great to small was middle part, stem base and tip.

木材的性質(zhì)決定了木材的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，直接影響到木材的加工和利用[1]，遺傳因素、生長(zhǎng)條件以及營(yíng)林措施等不同造成木材材性普遍存在著差異。隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)木材利用的等級(jí)和質(zhì)量以及樹(shù)種的特殊性有了更多的要求，木材的利用也從單純的建筑用材向建筑、裝潢、家具等多元化用材轉(zhuǎn)變[2]。但是依靠現(xiàn)有的人工林速生材和進(jìn)口木材不足以滿足市場(chǎng)的需求，這使得人們必須去尋找新的木材來(lái)源。經(jīng)濟(jì)林作為我國(guó)的五大林種之一，占地面積巨大，其“三剩物”——更新剩余物、修剪剩余物、加工剩余物能產(chǎn)生數(shù)量龐大的木質(zhì)資源，可以緩解木材市場(chǎng)供需的矛盾。前人對(duì)人工經(jīng)濟(jì)林木材性質(zhì)的研究結(jié)果表明，多種經(jīng)濟(jì)林樹(shù)種可以作為經(jīng)濟(jì)用材兩用林，這為木材的來(lái)源提供了新的方向[3]。

薄殼山核桃[Caryaillinoensis(Wangenn．) K． Koch]又名美國(guó)山核桃、長(zhǎng)山核桃，胡桃科山核桃屬落葉喬木，原產(chǎn)美國(guó)南部和墨西哥北部，其樹(shù)形高大，果實(shí)價(jià)值高，生長(zhǎng)速度快，種植3 a后即可產(chǎn)果，5 a可豐收，有良好的經(jīng)濟(jì)效益[4]。中國(guó)于19世紀(jì)末開(kāi)始引種薄殼山核桃，當(dāng)時(shí)由西方傳教士、外交使節(jié)等人士從美國(guó)帶入種子，作為觀賞樹(shù)種種植在港口、碼頭和教堂周圍。20世紀(jì)20年代，中國(guó)正式從美國(guó)引進(jìn)該樹(shù)種，但仍以城市綠化為主[5-6]。近年來(lái)，隨著生活水平的提高，國(guó)內(nèi)對(duì)薄殼山核桃進(jìn)行了大面積推廣種植。然而國(guó)內(nèi)外對(duì)薄殼山核桃進(jìn)行的研究主要集中于品種介紹、栽培措施、病蟲害防治等方面，研究重點(diǎn)偏向于它的果實(shí)效益，對(duì)于其木材價(jià)值一直沒(méi)有系統(tǒng)的研究，忽略了它優(yōu)良的材用價(jià)值。實(shí)際上其木材堅(jiān)韌，紋理細(xì)密，不易伸縮和翹裂，常被用作優(yōu)良的雕刻、家具用材，柯病凡先生曾對(duì)同屬的山核桃[CaryacathayensisSarg.][7]材性進(jìn)行過(guò)研究。為更好地開(kāi)發(fā)利用薄殼山核桃的價(jià)值，做到材盡其用，對(duì)其材性研究就顯得尤為必要。鑒于此，筆者對(duì)薄殼山核桃的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，探索其主要化學(xué)組分及變化規(guī)律，為合理利用該種經(jīng)濟(jì)用材兩用林提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試樣采集和試材制作

試樣采自黃山市林科所屯溪所部。本試驗(yàn)3株樣木系1985年實(shí)生苗造林，單行，株距6 m，試樣最大樹(shù)高20 m，胸徑40 cm，為中等以下樹(shù)木。種子來(lái)源于黃山市博村林場(chǎng)，親本是1948年引自美國(guó)原產(chǎn)地種子繁殖的大樹(shù)，樣木系其二代，1982年播種。

樣木伐倒后，參照GB/T 2677.1—1993，分別在其基部、中部、上部處各鋸取2～3塊厚2～3 cm的圓盤，待其風(fēng)干后，去皮并切成小薄片，充分混合。按四分法均勻取樣品木片約2 kg，并用FZ102微型植物粉碎機(jī)打磨成細(xì)末，過(guò)篩，截取40≤粒徑<60目的細(xì)末，存放至室溫后，貯存于1 000 mL具有磨砂玻璃塞的廣口瓶中，備化學(xué)成分分析使用[8]；另取木片50 g，用TL2010組織研磨儀打磨成過(guò)200目篩左右的細(xì)末，貯存?zhèn)鋁射線衍射試驗(yàn)分析使用[9]。

1.2 木材化學(xué)成分測(cè)試

測(cè)試時(shí)采用平行樣檢驗(yàn)以確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)按照GB 2677.2—1993規(guī)定的方法進(jìn)行；灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)按GB 2677.3—1993規(guī)定的方法進(jìn)行；1% NaOH抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)按GB 2677.5—1993規(guī)定的方法進(jìn)行；苯醇抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)按照GB 2677.6—1994規(guī)定的方法進(jìn)行；木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)采取按照GB/T 2677.8—1994規(guī)定的方法進(jìn)行；綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)按照GB/T 2677.10—1995規(guī)定的方法進(jìn)行；α-纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)按GB/T 744—1989和我國(guó)紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 50010.4—1998規(guī)定的方法進(jìn)行；硝酸乙醇纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)按照硝酸—乙醇法進(jìn)行[10-11]。

1.3 纖維素相對(duì)結(jié)晶度(X-RD)測(cè)定

用X射線衍射分析儀對(duì)薄殼山核桃纖維素結(jié)晶度進(jìn)行測(cè)定[12-15]。

所用儀器：北京普析通用儀器有限責(zé)任公司XD-2系列衍射儀。

實(shí)驗(yàn)條件：Cu靶NF型(λ=1.540 56 nm)，電壓36 kV，電流20 mA。

2θ掃描：將處理過(guò)的細(xì)木粉均勻平鋪于深1 mm的鋁槽中，應(yīng)做到木粉表面盡量平整。掃描區(qū)間為10°～40°,速率為1(°)/min。根據(jù)衍射圖譜強(qiáng)度，采用Segal法計(jì)算相對(duì)結(jié)晶度在掃描曲線(圖1)2θ=22°附近有(002)極大峰值，2θ=16°附近有極小峰值，則結(jié)晶度的計(jì)算公式為：

Cr=((I002-Iam)/I002)×100%。

Cr為相對(duì)結(jié)晶度；I002是(002)晶格衍射角的極大強(qiáng)度,即結(jié)晶區(qū)的衍射強(qiáng)度；Iam是2θ=16°時(shí)非結(jié)晶背景衍射的散射強(qiáng)度。

圖1 X-RD測(cè)纖維素結(jié)晶度數(shù)據(jù)圖

2 結(jié)果與分析

2.1 薄殼山核桃纖維素結(jié)晶度

纖維的物理化學(xué)性質(zhì)都與結(jié)晶度有著密切的關(guān)系[16]，在制漿造紙工業(yè)中，纖維素結(jié)晶度的大小是反映蒸煮過(guò)程脫木質(zhì)素程度以及半纖維素溶出的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

從表1可以看出，3株樹(shù)的纖維素相對(duì)結(jié)晶度在樹(shù)干縱向位置上的變化規(guī)律是一致的，由下而上都是呈先增后減趨勢(shì)，從大到小依次為中部、基部、梢部。這是因?yàn)榻Y(jié)晶度作為描述纖維素超分子結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參數(shù),不僅與木質(zhì)素、纖維素和半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)密切相關(guān)還與木材內(nèi)部生長(zhǎng)機(jī)理[17]、構(gòu)造分子之間的差異[18]有關(guān)，薄殼山核桃由于樹(shù)體、冠幅較大，樹(shù)干基部應(yīng)拉木比重可能大于樹(shù)干，而梢部幼齡材占據(jù)比重較大，細(xì)胞木質(zhì)化仍在進(jìn)行，因此導(dǎo)致纖維素結(jié)晶度呈先增后減趨勢(shì)。第3株樹(shù)纖維素結(jié)晶度較其他兩株低，筆者分析是樣本自身原因所致，該株樹(shù)在立木階段受蛀干害蟲危害過(guò)，取樣時(shí)部分蟲眼甚至少量排泄物對(duì)結(jié)果產(chǎn)生了一定影響。

表1 薄殼山核桃不同位置纖維素結(jié)晶度

2.2 薄殼山核桃化學(xué)組分軸向變異規(guī)律

2.2.1 抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)軸向變化

制漿造紙中通常稱苯醇抽提物為樹(shù)脂，樹(shù)脂含量高時(shí)，有可能形成“樹(shù)脂障礙”，對(duì)漿產(chǎn)量、蒸煮藥品用量、紙張漂白和紙張成本都產(chǎn)生不利影響，生產(chǎn)纖維板時(shí)會(huì)影響膠黏劑的吸著與固化[19]。1% NaOH抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低對(duì)人造板生產(chǎn)有一定影響，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，給人造板制造帶來(lái)的問(wèn)題是熱壓過(guò)程中低中級(jí)碳水化合物易分解，產(chǎn)生淀粉膠，使板材抗水性差并易粘板[20]。由表2和表3可以看出，3株薄殼山核桃木材的苯醇抽提物和1% NaOH抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化基本一致，均呈軸向遞增趨勢(shì)。其中，苯醇抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高，均值在2%左右，相對(duì)大多數(shù)闊葉樹(shù)材較低，從這一點(diǎn)看，其對(duì)制漿產(chǎn)生影響較??；1% NaOH抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值在16%左右，相對(duì)較低，對(duì)人造板生產(chǎn)影響較小。

表2 薄殼山核桃不同位置苯醇抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

表3 薄殼山核桃不同位置1% NaOH抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的 變化

樹(shù)號(hào)1%NaOH抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%基部中部梢部平均值113．7814．7217．7315．41214．0316．0416．9115．66316．7917．1318．1217．35

2.2.2 木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)軸向變化

木質(zhì)素是一種復(fù)雜的、非結(jié)晶性的、三維網(wǎng)狀酚類高分子聚合物，它是纖維素的黏合劑，可以增強(qiáng)植物體的機(jī)械強(qiáng)度[21]。在木質(zhì)素的作用下，樹(shù)木的細(xì)胞不停地進(jìn)行木質(zhì)化，從而支撐樹(shù)木的生長(zhǎng)，在同一樹(shù)木中，梢部的木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，因?yàn)槠淠举|(zhì)化程度最劇烈。而木質(zhì)素根據(jù)試驗(yàn)方法又分為酸溶和酸不溶兩種，本實(shí)驗(yàn)所用的為酸不溶木質(zhì)素，即Klason木質(zhì)素。如表4示，3株薄殼山核桃木材的Klason木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)軸向變化規(guī)律基本一致，都呈軸向遞增趨勢(shì)。

表4 薄殼山核桃不同位置Klason木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

2.2.3 綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)軸向變化

綜纖維素是指纖維原料中碳水化合物的全部,包括纖維素和半纖維素,決定了制漿造紙得率和紙制品的質(zhì)量[22]。資料顯示，典型闊葉樹(shù)材綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為74%，本研究分析的山核桃綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)82.77%,高出闊葉木材8%～9%，因此可以認(rèn)為山核桃是較好的制漿原料。由表5可見(jiàn)，3株薄殼山核桃木材的綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)都很高，變化規(guī)律基本一致，都是呈軸向遞減趨勢(shì)。

表5 薄殼山核桃不同位置綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

2.2.4 纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)軸向變化

測(cè)定纖維素的方法很多,有間接法和直接法兩類,間接法操作繁雜，耗時(shí)長(zhǎng)；直接法中的硝酸乙醇法操作簡(jiǎn)便,耗時(shí)短,所需裝置簡(jiǎn)單，最能被人們認(rèn)可[23]，而α-纖維素是有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制法的，更具有權(quán)威性，兩者可以相互補(bǔ)充。表6與表7中，雖然制法不同，但3株薄殼山核桃木材的纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化是基本一致的，均呈軸向遞減趨勢(shì)。由于蟲蛀分解了部分纖維素，因而第3株樹(shù)的纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低。

表6 薄殼山核桃不同位置硝酸乙醇纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

表7 薄殼山核桃不同位置α-纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

2.2.5 灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)軸向變化

灰分主要是鉀、鈉、鈣的無(wú)機(jī)鹽類，它對(duì)生產(chǎn)普通紙張影響不大，但如生產(chǎn)絕緣紙漿和精制漿，則要求灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低越好[24]。從表8可以看出，3株薄殼山核桃木材的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化基本一致，均呈軸向遞增趨勢(shì)，雖然數(shù)值略有差異，但其值均小于1%，屬于優(yōu)質(zhì)范圍。

表8 薄殼山核桃不同位置灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

3 結(jié)論

薄殼山核桃木材化學(xué)組成為：苯醇抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.92%，1% NaOH抽提物質(zhì)量分?jǐn)?shù)16.14%，Klason木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)23.80%，綜纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)82.77%，α-纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)45.20%，硝酸乙醇纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)48.83%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.74%。

薄殼山核桃木材化學(xué)成分株間軸向變化規(guī)律一致，即：1% NaOH抽提物、苯醇抽提物、灰分和木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈軸向遞增趨勢(shì)，α-纖維素、硝酸乙醇纖維素、綜纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈軸向遞減趨勢(shì)。

X射線衍射法纖維素結(jié)晶度范圍為29.70%～44.90%，均值為38.64%，株間軸向變化趨勢(shì)一致，自基部向上先增后減，從大到小依次為中部、基部、梢部。

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Chemical Properties of Plantation Wood inCaryaillinoensis/

Mi Pei, Xu Bin(Anhui Agricultural University, Hefei 230036, P. R. China); Pan Xinjian(Huangshan Institute of Forestry)//

Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(6).-79～82

Caryaillinoensis; Plantation wood; Chemical properties; X-ray diffraction spectrum

1) 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31270599)資助。

米沛，男，1991年1月生，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院，碩士研究生。

徐斌，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院，副教授。E-mail:xubin@ahau.edu.cn。

2013年8月11日。

S781

責(zé)任編輯：戴芳天。