蔣匯川　韋鵬練　李寧　羅建舉

摘 要 木薯作為一種新型的生物質(zhì)能源作物，近年來(lái)在中國(guó)特別是廣西發(fā)展迅速。其種植和加工過(guò)程中產(chǎn)生的大量廢棄物（如木薯渣、木薯莖稈）已成為制約木薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的重要問(wèn)題。文章對(duì)木薯莖稈的纖維形態(tài)和化學(xué)成分進(jìn)行了初步研究，旨在探索木薯莖稈增值利用的新途徑。結(jié)果表明：3種木薯莖稈的纖維長(zhǎng)度和寬度種間差異性顯著，種A、種B、種C的平均纖維長(zhǎng)度與寬度分別為976、920、815 μm與34、32、36 μm。3種木薯莖稈的總平均纖維長(zhǎng)度為904 μm，寬度為34 μm，雙壁厚為7.32 μm，長(zhǎng)寬比為27，壁腔比為0.27。種A木薯莖稈的纖維素含量為41.49%，木質(zhì)素含量為21.44%，灰分含量為3.46%，苯醇抽出物含量為6.96%，1% NaOH抽出物含量為22.22%，冷水抽提物為11.89%，熱水抽提物為14.15%。綜合分析表明：木薯莖稈纖維屬于中短長(zhǎng)度類纖維原料，長(zhǎng)寬比小，壁薄，纖維素含量高，可作為纖維板及造紙?jiān)?，但需要與其他長(zhǎng)纖維原料搭配使用。

關(guān)鍵詞 木薯莖稈；纖維形態(tài)；化學(xué)成分

中圖分類號(hào) S533；TS72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Abstract Cassava is developing rapidly as a new biomass energy crop in China especially in Guangxi. A lot of waste such as cassava stem and cassava residue have become a big question in the development of the cassava industry. To explore a new value-added method of cassava stem， the fiber morphology and chemical components of three different cassava stem（species A， species B， species C）in Guangxi were studied in this paper. The results showed that the three different cassava stems had significant difference in the fiber length and width， and the average length， width， double wall thickness， aspect ratio and wall thickness lumen ratio was 904 μm， 34 μm， 7.32 μm， 27 and 0.27， respectively. The total contents of ash， cool-water extractives， hot-water extractives， 1% NaOH extractives， benzene-alcohol extractives， cellulose， and acid-insoluble lignin of cassava stem of species A was 3.46%， 11.89%， 14.15%， 22.22%， 6.96%， 41.49%， and 21.44%， respectively. The analysis indicated that the fiber length of cassava stem belonged to the medium and short range fiber material and the content of cellulose was high. Therefore， the cassava stem is suitable for fiberboard and papermaking industry with other longer fiber length raw material.

Key words Cassava stem；Fiber morphology；Chemical components

木薯（Manihot esculenta），大戟科，木薯屬，灌木狀多年生作物，熱帶和亞熱帶地區(qū)植物，世界三大薯類作物（木薯、甘薯、馬鈴薯）之一[1]。原產(chǎn)于南美洲，19世紀(jì)20年代引入中國(guó)廣東高州地區(qū)，現(xiàn)已廣泛分布于華南地區(qū)，其中以廣西、廣東、海南、云南栽培最多[1]。木薯不僅是一種重要的糧食作物，還是重要的工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用于食品、飼料、醫(yī)藥、造紙、紡織、制酒等行業(yè)。隨著中國(guó)-東盟自由貿(mào)易區(qū)的建成和世界生物質(zhì)能源-燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的興起，木薯燃料乙醇產(chǎn)業(yè)在廣西迅速發(fā)展。2012年廣西木薯種植面積達(dá)21.32萬(wàn)hm2，占全國(guó)種植面積的48%，總產(chǎn)量達(dá)181.31萬(wàn)t，占全國(guó)比重為69%；木薯淀粉產(chǎn)量122.93萬(wàn)t，木薯酒精達(dá)48.1萬(wàn)t，均占全國(guó)比重的70%以上[2]。木薯在種植以及加工過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的木薯莖稈、木薯粗根、木薯葉、木薯渣、木薯皮等廢棄物，其中作為與木薯塊根產(chǎn)量基本持平的木薯莖稈和木薯粗根基本上直接被丟棄或是作為低熱值的燃料加以應(yīng)用，不僅會(huì)造成資源的浪費(fèi)，還會(huì)造成生態(tài)環(huán)境的污染[3]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，為滿足國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，尋求合理的木薯廢棄物利用方式，使之產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益已成為木薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要問(wèn)題。筆者曾對(duì)木薯粗根進(jìn)行了研究，結(jié)果表明木薯粗根纖維平均長(zhǎng)度818 μm，寬度26.95 μm，長(zhǎng)寬比31.34，壁腔比0.37，纖維屬中短纖維長(zhǎng)度類纖維原料，壁薄壁腔比小，不適合單獨(dú)用于纖維板和紙張制造，宜與其他長(zhǎng)纖維原料搭配使用，可用于造紙和人造板行業(yè)[4]。曾有研究者利用木薯渣生產(chǎn)人造板，研究發(fā)現(xiàn)木薯渣可以用來(lái)生產(chǎn)刨花板，板材的力學(xué)性能與木質(zhì)刨花板生產(chǎn)相比，用木薯渣做原料生產(chǎn)刨花板所需施膠量較大，產(chǎn)品的密度要偏大，但與木質(zhì)刨花板相比，其內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度都較高[5]。在木薯渣中摻入部分其它纖維材料如甘蔗渣、較細(xì)的木質(zhì)刨花等，可以明顯地提高產(chǎn)品的靜曲強(qiáng)度與握螺釘力[5]。如果能將木薯莖稈也應(yīng)用于制漿造紙和人造板工業(yè)上，能在一定程度上實(shí)現(xiàn)木薯廢棄物的增值利用。因此，對(duì)木薯莖稈纖維形態(tài)和化學(xué)組成進(jìn)行分析研究，探討以木薯莖稈作為造紙、人造板原料的可行性，對(duì)木薯產(chǎn)業(yè)廢棄物的增值利用具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用原料于2009年2月采集于廣西南寧市郊。共3個(gè)品種（A-G911、B-H201、C-H205），每個(gè)品種選取生長(zhǎng)良好，具有代表性的植株3株，共9株。

1.2 方法

1.2.1 試樣離析 去掉粗根后在植株基部、中部、稍部各截取1塊厚約2～3 cm圓盤(pán)，將所取圓盤(pán)沿縱向劈成火柴桿大小，用冰醋酸-雙氧水法將試材離析。經(jīng)染色后采用計(jì)算機(jī)顯微圖像電腦分析系統(tǒng)進(jìn)行纖維形態(tài)測(cè)定[6]。纖維長(zhǎng)度在10×4倍數(shù)下測(cè)定，纖維寬度及腔徑在10×40倍數(shù)下進(jìn)行測(cè)定。每個(gè)參數(shù)測(cè)定60個(gè)數(shù)據(jù)，分析各個(gè)參數(shù)的平均值、最大值、最小值、一般值（即70%的纖維所在范圍）及纖維長(zhǎng)度、寬度的頻率分布。

1.2.2 化學(xué)成分 化學(xué)成分分析試樣選取品種A-G911進(jìn)行試驗(yàn)，試樣處理按GB/T 2677.1-1993進(jìn)行[7]，試樣水分、灰分、抽出物、酸不溶木素、綜纖維素等指標(biāo)分別按GB/T 2677.2-1993、GB/T 2677.3-1993、GB/T 2677.4-1993、GB/T 2677.5-1993、GB/T 2677.6-1994、GB/T 2677.8-1994、GB/T 2677.10-1995方法進(jìn)行[7]，纖維素的測(cè)定采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硝酸-乙醇法。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維形態(tài)特性

纖維形態(tài)是評(píng)價(jià)植物原料纖維形態(tài)優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)[8]，主要包括纖維的長(zhǎng)度、寬度、長(zhǎng)寬比、壁厚、長(zhǎng)寬的均勻性及各種細(xì)胞本身的形態(tài)等方面[9]。

2.1.1 纖維長(zhǎng)度和寬度 纖維的長(zhǎng)度及寬度特性通常采用數(shù)量平均值、最大值、最小值和一般值等參數(shù)來(lái)表征[8]。3種不同品種的木薯莖稈長(zhǎng)度及寬度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，種A、種B和種C的纖維平均長(zhǎng)度分別為976.00、919.64、815.18μm，纖維平均寬度分別為33.64、31.53、35.99μm，長(zhǎng)寬比分別為29.00、29.17、22.69。根據(jù)國(guó)際木材解剖學(xué)協(xié)會(huì)（1937年）纖維分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[10]，種A、種B木薯莖稈的纖維長(zhǎng)度>900 μm，屬于中等纖維類，而種C木薯莖稈纖維屬于短纖維類。對(duì)3種木薯莖稈纖維長(zhǎng)度的方差分析結(jié)果表明，不同品種木薯莖稈之間差異非常顯著。從表1可知，3種木薯莖稈的纖維平均長(zhǎng)度為903.61 μm，平均寬度為33.72 μm，平均長(zhǎng)寬比為26.96，長(zhǎng)度中等，長(zhǎng)寬比小。

纖維的長(zhǎng)度特性通常采用數(shù)量平均值、長(zhǎng)度加權(quán)平均值和質(zhì)量加權(quán)平均值等來(lái)衡量。由于纖維原料中細(xì)小組分含量多，但其長(zhǎng)度和質(zhì)量分率相對(duì)較小，細(xì)小纖維數(shù)量會(huì)對(duì)數(shù)量平均值產(chǎn)生非常顯著的影響，因此數(shù)量平均長(zhǎng)度并不能真實(shí)代表纖維的制漿造紙?zhí)匦訹11]，同時(shí)由于長(zhǎng)度加權(quán)平均長(zhǎng)度同紙張的物理性能有密切的關(guān)系，故通常采用長(zhǎng)度加權(quán)平均值表示纖維的平均長(zhǎng)度[11]。3種木薯莖稈的平均長(zhǎng)度見(jiàn)表2。纖維長(zhǎng)度的變異系數(shù)直接影響原料造紙性能的穩(wěn)定性。從表2可知，3種木薯莖稈（種A、種B和種C）的纖維長(zhǎng)度變異系數(shù)分別為13.26%、13.61%和12.14%，三者差距不大。

2.1.2 纖維長(zhǎng)、寬度的均一性 同一原料中纖維各種長(zhǎng)、寬度的頻率分布是造紙工業(yè)在確立各種漿料配比的主要依據(jù)之一[9， 12]。纖維長(zhǎng)、寬度的頻率分布是纖維長(zhǎng)、寬度非均一性的體現(xiàn)，從纖維長(zhǎng)、寬度頻率分布可以了解不同長(zhǎng)度、寬度的纖維在原料中所占的比例，從而確定原料的配比。圖1和圖2是3種木薯莖稈長(zhǎng)度和寬度的頻率分布。從圖2～3可以看出，3種木薯莖稈纖維的長(zhǎng)度、寬度均成正態(tài)分布，纖維長(zhǎng)度在700～900 μm范圍內(nèi)，種A約占23%，種B約占42%，種C約占67%；在900～1 600 μm范圍內(nèi)，種A約占74%，種B約占54%，種C約占21%；寬度在25～32 μm范圍內(nèi)，種A約占46%，種B約占61%，種C約占20%；寬度在33～40 μm范圍內(nèi)，種A約占46%，種B約占34%，種C約占62%；寬度在40 μm以上，種A約占8%，種B約占2%，種C約占18%。3種木薯莖稈的纖維長(zhǎng)度和寬度頻率分布差異性較大。但總體來(lái)看，3種木薯莖稈的纖維長(zhǎng)度頻率分布主要集中在700～1 100 μm，寬度頻率分布主要集中在29～40 μm。

2.1.3 纖維細(xì)胞壁厚、胞間直徑和壁腔比 3種木薯莖稈纖維細(xì)胞壁厚、壁腔比等形態(tài)參數(shù)見(jiàn)表3。由表3可知，木薯莖稈種A、種B和種C的平均腔徑分別為26.59、24.86、30.66 μm，平均雙壁厚分別為7.14、8.17、6.67 μm，平均壁腔比分別為0.27、0.33、0.22?？傮w來(lái)看，3種木薯莖稈的平均腔徑、雙壁厚和壁腔比分別為27.37 μm、7.32 μm、0.27。

2.2 化學(xué)成分

木薯莖稈是天然的有機(jī)材料，其化學(xué)成分跟其他木質(zhì)材料相似，主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及抽提物等組成[10]。種A木薯莖稈與其他常見(jiàn)木質(zhì)材料的化學(xué)成分組成見(jiàn)表4。

木薯莖稈（種A）的灰分含量為3.46%，含量大于木材原料[10]（0.3%～1.0%）。木薯莖稈（種A）的抽出物含量較高，冷/熱水抽出物分別為11.89%與14.15%，苯醇抽出物為6.96%，1%NaOH抽出物含量為22.22%。木質(zhì)素含量為21.44%，高于小麥莖稈、稻草莖稈、蘆葦?shù)确悄举|(zhì)材料，略低于落葉松、馬尾松等，與毛白楊十分接近。木薯莖稈（種A）的纖維素含量為41.49%（硝酸-乙醇法纖維素），僅高于表4中稻草莖稈，而低于其他木質(zhì)材料。

3 討論與結(jié)論

3.1 纖維形態(tài)特性

目前對(duì)木薯加工剩余物（木薯粗根、木薯莖稈和木薯渣）的研究主要集中在飼料、燃料、菌類培養(yǎng)基等方面[13-17]，對(duì)于天然纖維素基質(zhì)材料的木薯莖稈和木薯粗根而言，研究其纖維形態(tài)特性并將其用作造紙和人造板纖維原料具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

根據(jù)國(guó)際木材解剖學(xué)協(xié)會(huì)（1937年）纖維分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[10]，種A、種B木薯莖稈的纖維長(zhǎng)度>900 μm，屬于中等纖維類，而種C木薯莖稈纖維屬于短纖維類。根據(jù)纖維寬度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[10]， 3種木薯莖稈的纖維寬度屬于3、4級(jí)，高于普通木材。與前期木薯粗根纖維研究相比較[4]，3種木薯莖稈的纖維平均長(zhǎng)度（903.61 μm）略大于木薯粗根纖維平均長(zhǎng)度（818 μm），纖維平均寬度（33.72 μm，4級(jí)）大于木薯粗根纖維平均寬度（26.95 μm，3級(jí)）。3種木薯莖稈的平均長(zhǎng)寬比為26.96，小于木薯粗根纖維平均長(zhǎng)寬比（31.34），亦小于在造紙工業(yè)中植物纖維的長(zhǎng)寬比一般要求（>30）[18]。由此可見(jiàn)，木薯莖稈和木薯粗根均不屬于很好的長(zhǎng)纖維（>1 600 μm）原料，不宜單獨(dú)作為造紙和人造板纖維原料。

根據(jù)纖維原料要求：當(dāng)壁腔比<1時(shí)，為很好的纖維原料，壁腔比約為1時(shí)，為好的纖維原料，壁腔比>1時(shí)，為劣等纖維原料[19]。本研究結(jié)果表明，木薯莖稈纖維細(xì)胞壁較薄，細(xì)胞腔大，壁腔比小，約為0.27，說(shuō)明木薯莖稈屬于很好的纖維原料，這樣的纖維柔韌性大，制漿時(shí)很容易被壓潰變形，形成細(xì)纖維，抄紙時(shí)結(jié)合比表面積大，有利于提高紙張的強(qiáng)度，成紙質(zhì)量較好[20-21]。

本研究纖維形態(tài)分析表明，3種木薯莖稈的纖維長(zhǎng)度和寬度種間存在顯著性差異，種A和種B屬于中等纖維長(zhǎng)度類原料，種C屬于短纖維長(zhǎng)度類原料。3種木薯莖稈的平均纖維長(zhǎng)度為904 μm，平均寬度為34 μm，平均雙壁厚為7.32 μm，長(zhǎng)寬比為27，壁腔比為0.27。綜合來(lái)看，3種木薯莖稈屬于中短纖維長(zhǎng)度類纖維原料，壁薄，長(zhǎng)寬比小，可作為造紙和人造板纖維原料，不適宜單獨(dú)使用，宜與其他針、闊葉材等長(zhǎng)纖維原料配合使用。

3.2 化學(xué)成分

本研究結(jié)果顯示，木薯莖稈的灰分含量大于木材原料（0.3%～1.0%）。木薯莖稈的抽出物含量較高，說(shuō)明木薯莖稈中脂肪酸、樹(shù)脂、植物堿、小分子木素、蠟、色素、酚類、不皂化物、無(wú)機(jī)鹽等含量遠(yuǎn)高于一般的木材及其常用的針、闊葉材原料[22]。一般來(lái)說(shuō)，抽出物的存在會(huì)增加蒸煮中化學(xué)藥品的消耗，延緩蒸煮過(guò)程，影響紙漿的顏色，還可能產(chǎn)生樹(shù)脂障礙，不利于生產(chǎn)[22]。木薯莖稈的木素含量為21.44%，說(shuō)明木薯莖稈的材質(zhì)硬度小，在削片、擠碾過(guò)程中能耗較小[22]，蒸煮中也可減少化學(xué)藥品的消耗，漿料也容易漂白。木薯莖稈的纖維素含量為41.49%，均低于杉木、落葉松等木質(zhì)材料。

總體而言，木薯莖稈的木素含量較低，纖維素含量較高，用木薯莖稈制漿可獲得與木材原料相當(dāng)?shù)睦w維得率，表明被測(cè)木薯莖稈可作為造紙和人造板纖維原料。

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