李 直，林兆里，羅 俊，張 華

(福建農(nóng)林大學農(nóng)學院，福州 350000)

【研究意義】甘蔗(Saccharumspp. Hybrids)作為世界上重要的糖料作物，同時也是我國糖料產(chǎn)業(yè)的主要來源。2020/2021年榨季，我國糖料種植面積穩(wěn)定在138.8萬hm2左右，其中甘蔗種植面積約為115.7萬hm2[1]。此外，甘蔗還是重要的能源作物，在造紙、發(fā)電、提煉乙醇、生產(chǎn)清潔能源等方面作用顯著[2]。但我國甘蔗種植過程中機械化收獲水平偏低，原因主要在于甘蔗機械化收獲過程中難以控制收獲質(zhì)量[3]。因此，研究甘蔗力學性能與纖維組分的關(guān)系可以進一步幫助篩選適宜機械化收獲的品種和改進收獲機械[4-5]?！厩叭搜芯窟M展】甘蔗莖的機械性能受到纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的顯著影響，它們是植物細胞壁的主要化學成分，連同延伸蛋白、結(jié)構(gòu)蛋白、果膠等形成硬而有彈性的細胞壁[6]。半纖維素以非晶態(tài)滲透到纖維素中，并作為粘合劑增強纖維的強度[7]。纖維素作為莖的骨架，由高抗性氫鍵連接在一起的葡萄糖單元組成的聚合物鏈組成[8]。這些纖維素鏈被組合在半纖維素基質(zhì)中，形成微纖維[9]。木質(zhì)素由苯丙烷單元聚合，以提高莖稈的機械強度和剛性[10]。纖維組分作為植物細胞壁的主要原料，在甘蔗的各類生理過程中都起著不可或缺的作用[11]。因此，應(yīng)進一步研究纖維素、半纖維素和木質(zhì)素對甘蔗莖稈的抗倒伏與切削性能的影響。同時，纖維組分的合成又是甘蔗光合產(chǎn)物分配的重要途徑，其與甘蔗的糖代謝有著密切的關(guān)系[12]。研究表明，纖維組分的含量與植物蒸煮液錘度產(chǎn)量及單位含糖量呈顯著相關(guān)[13]。【本研究切入點】一直以來，甘蔗糖在我國的食糖產(chǎn)業(yè)中占據(jù)著主導(dǎo)地位，近年來甘蔗纖維組分的研究也越來越受到關(guān)注。本研究對甘蔗整體纖維組分和力學性能進行定量測量并分析其相關(guān)性，找出纖維組分與力學性能的相互關(guān)聯(lián)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】一方面，研究近地段蔗莖纖維組分的差異，幫助進一步分析其力學性能，從而為機械化收獲與抗倒伏研究提供依據(jù)。另一方面，蔗莖纖維組分研究對甘蔗纖維副產(chǎn)物應(yīng)用有重要指導(dǎo)意義，從而可明確各纖維組分集中的部位，進而為纖維副產(chǎn)物的再利用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

研究材料選取蔗區(qū)主栽及近年選育表現(xiàn)較好的甘蔗品種：柳城05136號、粵糖94-128號、桂糖42號、福農(nóng)41號、熱甘1號。實驗材料取自廣東湛江南亞熱帶作物研究所(21°26′3.31″N，110°33′42.7″E)。

1.2 試驗方法

1.2.1 取樣 于甘蔗宿根生長成熟期時(2021年12月)，選取長勢正常的甘蔗，每個品種取樣品3根；截取貼近土面500 mm蔗莖，其中貼近土面200 mm的部分烘干、研磨后備用，用于測量甘蔗莖稈中的纖維組分含量；將剩余300 mm樣品制作為啞鈴型試樣，用于測量彈性模量，如圖1所示。

圖1 啞鈴型試樣

1.2.2 纖維組分測定 根據(jù)NYT3494—2019標準進行纖維組分分析。纖維素和半纖維素含量的測定采用高效液相色譜法[14]，木質(zhì)素含量的測定采用紫外分光光度法和重量法[15]。

首先將研磨后的樣品進行乙醇抽提，之后用濃硫酸水解，將酸解溶液稀釋后121 ℃熱水解，將濃酸不溶物置于馬弗爐中灰化處理，溶解液用于纖維素、半纖維素、酸溶木質(zhì)素的測定。

(1)纖維素與半纖維素含量。將待測酸水解溶液pH調(diào)至6～7，隨后通過高效液相色譜法洗脫得出試樣中的葡萄糖、木聚糖、半乳糖、阿拉伯糖、甘露糖的含量。

Cel=Z1

Hem=Z2+Z3+Z4+Z5

式中，Z1為試樣中葡萄聚糖的含量(%)，Z2為試樣中木聚糖的含量(%)，Z3為試樣中半乳聚糖的含量(%)，Z4為試樣中阿拉伯聚糖的含量(%)，Z5為試樣中甘露聚糖的含量(%)，Cel為試樣中纖維素含量(%)，Hem為試樣中半纖維素含量(%)。

(2)酸溶木質(zhì)素含量。將待測酸水解溶液，用紫外—可見分光光度計在320 nm處測量液體試樣的吸光值。用水作紫外—可見分光光度計空白，用水稀釋試樣至吸光值為0.7～1.0，記錄稀釋倍數(shù)，記錄吸光值。

式中，ASL為試樣中的酸溶木質(zhì)素含量(%)；A為濾液在320 nm處的紫外可見吸光值平均值；V為濾液體積，取值為87 mL；N為濾液稀釋倍數(shù)；L為比色皿厚度，單位為厘米(cm)；ε為酸溶木質(zhì)素在320 nm處吸收率,取25 L/(g·cm)；w0為抽提前試樣的質(zhì)量(g)；w1為抽提后試樣的質(zhì)量(g)；wef為稱取的不含抽提物試樣質(zhì)量(g)。

(3)酸不溶木質(zhì)素含量。將濃酸不溶殘渣轉(zhuǎn)移至玻璃砂芯坩堝中，在(105±3) ℃烘干玻璃砂芯坩堝和酸不溶殘渣至恒重，并記錄質(zhì)量。將玻璃砂芯坩堝及酸不溶殘渣置于馬弗爐中(575±25) ℃灼燒至少3 h，直至所有有機物被灰化，灰化結(jié)束后降溫至105 ℃，取出放人干燥器中冷卻，稱量坩堝和灰分質(zhì)量。

式中，AIL為試樣中的酸不溶木質(zhì)素含量(%)，m1為玻璃砂芯坩堝質(zhì)量(g)，m2為玻璃砂芯坩堝和酸不溶殘渣的質(zhì)量(g)，m3為玻璃砂芯坩堝和灰分的質(zhì)量(g)。

1.2.3 力學性能測定 對甘蔗莖稈的力學性能測量主要是測量甘蔗蔗皮和蔗芯的彈性模量。一般把表皮以內(nèi)至邊緣的小型維管束環(huán)合稱蔗皮，而蔗芯則是蔗莖去掉蔗皮后的芯部。又由于甘蔗存在結(jié)部，因此，取甘蔗基部按圖1的要求制作蔗皮、蔗皮結(jié)、蔗芯、蔗芯結(jié)4類實驗試樣(圖2-a)。試驗在深圳三思生產(chǎn)的UTM4304X 電子萬能試驗機上進行，夾具采用木材抗拉強度拉伸夾具JDSB104B。試驗設(shè)備及加載方法如圖2-b所示。

圖2 實驗試樣、試驗設(shè)備及加載方法

調(diào)整傳感器量程，設(shè)置加載速度15 mm/min；記錄最大破壞力及試樣破壞后測量斷面處的截面尺寸。從而得到不同品種甘蔗的剛度情況，即彈性模量數(shù)值。

式中，F(xiàn)為拉力(N)，S為斷裂面截面積(mm2)，dL為桿的伸長量(mm)，L為桿的原長毫米(mm)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Prism 9.3.1進行方差分析、相關(guān)性分析及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維組分分析

2.1.1 纖維素 纖維素測量結(jié)果(表1)表明，桂糖42號和粵糖94-128號含量最高，福農(nóng)41號和柳城05136號居中，而熱甘1號含量最低。5個品種中，桂糖42號與粵糖94-128號顯著高于其余3個品種，而熱甘1號則顯著低于福農(nóng)41號與柳城05136號，說明不同品種之間，纖維素含量存在顯著差異。從水解溶液糖色譜圖(圖3)中也可以發(fā)現(xiàn)與纖維素構(gòu)成相關(guān)的葡萄糖含量，在品種間也是存在較為明顯的差異。

2.1.2 半纖維素 由表1可知，半纖維素方面的大體差異與纖維素類似，熱甘1號的半纖維素含量(22.73%)與桂糖42號(23.63%)和粵糖94-128號(22.78%)基本持平，而福農(nóng)41號(19.01%)與柳城05-136號(18.74%)的半纖維素含量要顯著低于其他3個品種。從水解溶液糖色譜圖(圖3)也反映出這2個品種的木糖、阿拉伯糖、甘露糖含量是顯著低于其他品種的。

峰值從左至右分別為葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖，由于半乳糖含量過低因此未被明顯洗脫

2.1.3 酸溶木質(zhì)素 由表1可知，福農(nóng)41號的酸溶木質(zhì)素顯著高于其他品種，而粵糖94-128號與桂糖42號則顯著低于其他品種，并且二者之間無顯著差異性。同時，酸溶木質(zhì)素含量在各品種中的含量差異明顯，纖維素與半纖維素含量較高的品種其酸溶木質(zhì)素含量則與之相反。以桂糖42號為例，呈現(xiàn)高含量纖維素、半纖維素對應(yīng)低含量酸溶木質(zhì)素與酸不溶木質(zhì)素，這種含量變化可以推測各纖維組分之間可能存在一定的此消彼長[16]。

表1 不同品種纖維組分含量

2.1.4 酸不溶木質(zhì)素 由表1可知，粵糖94-128號的酸不溶木質(zhì)素含量最低，而福農(nóng)41號與熱甘1號的酸不溶木質(zhì)素則最高，二者含量雖無顯著差異，但高于其他3個品種。進一步分析發(fā)現(xiàn)，酸不溶木質(zhì)素基本與酸溶木質(zhì)素的含量趨勢類似，較高的纖維素含量對應(yīng)較低的酸不溶木質(zhì)素含量。

2.2 力學性能分析

經(jīng)測量5個甘蔗品種不同部位的應(yīng)力—應(yīng)變圖(圖4)，根據(jù)斜率計算得到的彈性模量，進行顯著差異分析(表2)。蔗皮彈性模量除熱甘1號數(shù)值略小外，其余4個品種的彈性模量差異不顯著。而蔗芯彈性模量方面，桂糖42號與熱甘1號存在顯著差異，而其余3個品種之間差異不顯著。進一步分析蔗皮結(jié)處彈性模量，柳城05136號顯著高于福農(nóng)41號和熱甘1號。最后對蔗芯結(jié)處分析，桂糖42號的蔗芯結(jié)彈性模量要顯著高于其他4個品種，而其余4個品種之間的彈性模量差異不顯著。

表2 不同品種彈性模量數(shù)值

2.2.1 蔗芯彈性模量 如圖5所示，蔗芯與蔗芯結(jié)處的彈性模量呈相同趨勢，其中桂糖42號的數(shù)值分別為118.88和176.97 MPa，要遠高于其他品種，其次是粵糖94-128號。彈性模量最小的熱甘1號分別為81.26和117.25 MPa。側(cè)面說明桂糖42號在受到外力載荷的情況下更不易變形，體現(xiàn)其具有良好的抗倒伏性，總體來看，高的彈性模量對抗倒伏是有積極作用的。根據(jù)圖5進一步分析可知，桂糖42號、福農(nóng)41號、柳城05136號、粵糖94-128號、熱甘1號在結(jié)處與結(jié)間處均存在顯著性差異。說明蔗芯結(jié)處相比于蔗芯位置具有更好的力學性能。

2.2.2 蔗皮彈性模量 如圖5所示，其中桂糖42號的蔗皮彈性模量最高，為2207.67 MPa，而福農(nóng)41號蔗皮結(jié)處的彈性模量最小，為1054 MPa?？傮w來看，品種間蔗皮彈性模量的變化趨勢基本與蔗芯彈性模量的變化趨勢相同，但不同之處在于結(jié)處小于結(jié)間處。桂糖42號、福農(nóng)41號、柳城05136號、粵糖94-128號、熱甘1號在蔗皮結(jié)處與蔗皮結(jié)間處均呈顯著性差異?？傮w來看，蔗皮與蔗芯彈性模量存在幾何倍數(shù)的差值，這可能也是導(dǎo)致機械作業(yè)后蔗芯更易破碎造成一定田間損失的重要原因。

不同小寫字母表述同一品種結(jié)處與結(jié)間處在5%水平顯著差異

2.3 蔗莖彈性模量與纖維組分相關(guān)性分析

由表3可知，蔗芯彈性模量與纖維素含量呈極顯著正相關(guān)，與半纖維素含量呈顯著正相關(guān)，說明蔗芯的彈性模量隨著纖維素與半纖維素的含量呈遞增趨勢。蔗芯結(jié)處也呈現(xiàn)相同的規(guī)律，說明甘蔗的主要力學性能與纖維素與半纖維素的含量有顯著關(guān)系。蔗皮彈性模量則只與纖維素的含量呈顯著正相關(guān)，同時蔗皮的彈性模量是蔗芯的倍數(shù)級，說明蔗皮的主要力學性能是由纖維素含量決定。進一步證明纖維素是維持植物力學性能的主要物質(zhì)。木質(zhì)素與彈性模量的相關(guān)性不顯著，說明木質(zhì)素在蔗莖所產(chǎn)生的力學支持作用不顯著。此外，纖維素與半纖維素含量也呈顯著相關(guān)，半纖維素與酸溶木質(zhì)素含量呈顯著相關(guān)，酸溶木質(zhì)素與酸不溶木質(zhì)素含量呈顯著相關(guān)。說明蔗莖中的纖維組分之間存在一定的內(nèi)部聯(lián)系，共同作用以維持植物的力學性能。

表3 各因素間相關(guān)性分析

由圖6可知，纖維素含量與甘蔗芯彈性模量、蔗芯結(jié)處彈性模量及蔗皮彈性模量均呈正相關(guān)，即隨著纖維素含量的增加上述3個部位處的彈性模量也顯著增加。根據(jù)回歸方程斜率判斷，其中蔗皮彈性模量的增加速度大于蔗芯與蔗芯結(jié)處，說明纖維素對蔗皮彈性模量作用更明顯。而半纖維素含量的變化則顯著影響蔗芯彈性模量的變化，二者呈正相關(guān)。隨著半纖維素含量的增加蔗芯彈性模量與蔗芯結(jié)處彈性模量的變化幅度基本相當，說明半纖維素對二者的影響趨勢基本相同。

圖6 各因素間的回歸方程

3 討 論

本文基于不同甘蔗品種基部蔗莖的纖維組分與彈性模量進行研究，反映了甘蔗整體纖維組分對蔗莖不同部位處彈性模量的相關(guān)影響。其中纖維組分的占比分別為：纖維素(39.78%～49.10%)、半纖維素(18.74%～23.63%)、酸溶木質(zhì)素(2.98%～4.80%)、酸不溶木質(zhì)素(12.61%～19.21%)。且不同品種之間纖維組分均存在顯著差異。彈性模量在甘蔗不同位置處存在顯著差異，其數(shù)值大小排列為：蔗皮>蔗皮結(jié)>蔗芯結(jié)>蔗芯。對5個品種不同部位處的彈性模量進行方差分析，發(fā)現(xiàn)在品種間均存在顯著差異。最后將彈性模量與纖維素含量進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)纖維素與半纖維素均與甘蔗莖稈彈性模量存在顯著正相關(guān)。因此，本研究探究了不同位置處的彈性模量與纖維組分的差異程度，可以在一定程度上反映纖維組分含量對甘蔗力學性能的影響。

在此之前，對于甘蔗莖稈纖維組分與力學性能的研究主要分成2個部分。其中纖維組分包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，是植物細胞壁S2層的的重要組成成分，對植物起到重要的支撐作用。劉高源等[17]在對纖維組分的測量過程中，利用全自動纖維分析系統(tǒng)并采用濃酸水解法對甘蔗不同部位纖維組分含量的測量，反映了甘蔗整體纖維組分在蔗莖中合成和積累的趨勢，在一定程度上反映了蔗莖中不同成熟度部位纖維組分分布特征。這與本研究所得的纖維組分中，半纖維素與木質(zhì)素含量基本一致，而纖維素含量略低于本研究，造成此結(jié)果的原因可能是由于濃酸水解不完全。而Celso等[18]利用共聚焦激光掃描顯微鏡和電子顯微鏡對甘蔗莖稈細胞壁結(jié)構(gòu)中的纖維組織進行分析。進一步具象化證明負責甘蔗力學性能的細胞壁是一種高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成交聯(lián)纖維網(wǎng)絡(luò)。纖維素作為骨架，半纖維素以非晶態(tài)滲透到纖維素中同時充當粘合劑以對細胞提供更好的固定與保護[19]。這種研究方法可以從結(jié)構(gòu)上進一步說明甘蔗力學特性基礎(chǔ)，但對不同品種的力學差異的體現(xiàn)依然存在困難。而Gibson[20]則通過對植物細胞壁中4個基本構(gòu)件的排列和細胞結(jié)構(gòu)的變化進行研究，從微觀層面來解釋纖維組分對力學性能差異的影響，從而推算廣泛的植物力學性能的變化范圍和顯著的機械效率，這也是進一步對甘蔗莖稈的力學分析進行微觀解釋。而在宏觀方面，近年來單獨對于甘蔗莖稈的力學性能測試也有過部分研究，主要是采用整桿試件，包括拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲實驗等，對甘蔗莖稈力學的宏觀性能進行了表述[21-22]。本研究則是將甘蔗莖稈分為4個子部分進行探究，可以更好地幫助后期纖維組分對甘蔗不同部位的影響具體化。同時，本實驗對多個品種的力學性能測量可以更好的展示不同品種間的力學差異，將甘蔗力學性能的參數(shù)值范圍化，幫助后期對于甘蔗莖稈的切割過程進行仿真與有限元分析，從而進一步改進機械化收割設(shè)備，提升收割質(zhì)量。本實驗最主要的方面在于對甘蔗纖維組分與力學性能的聯(lián)系，將2個研究方向進行整合，從而分析纖維組分對力學性能的顯著影響，從纖維含量可以進一步推算甘蔗的潛在力學性能，這可能會進一步幫助研究人員獲得更加適合機械化種植的甘蔗品種。

獲得纖維組分與甘蔗莖稈彈性模量的相互聯(lián)系，后期在實際應(yīng)用過程中通過纖維組分含量的測定挑選適合機械化收獲、抗倒伏的品種，這對保證甘蔗的糖分積累與產(chǎn)量是一個重要因素。其次可以幫助更好的分析機械切割甘蔗莖稈的切削過程，考慮到當機械收獲機的切頂器工作時，會對甘蔗基部產(chǎn)生軸向拉伸作用，極易造成力學性能不良的品種在基部發(fā)生彎折斷裂，這將造成甘蔗無法被順利切割、輸送，使機械化收獲產(chǎn)量進一步降低，增加生產(chǎn)成本[23-24]。最后可以為品種的選育提供新的參考方向，尤其是對蟲害防治角度而言，韌皮部力學性能優(yōu)異的甘蔗品種，在對抗咀嚼型或鉆柱型蟲害時可以更好的防止昆蟲突破韌皮部進入甘蔗內(nèi)部，預(yù)防甘蔗減產(chǎn)[25]。豐富纖維組分與力學性能的關(guān)聯(lián)可以從2個方向?qū)Ω收岬男阅苓M行定量分析，進一步細化對微觀指標的鑒定。在實際生產(chǎn)與種業(yè)鑒定的過程中，可以進一步豐富篩選甘蔗優(yōu)良品種的指標，建立起微觀與直觀相結(jié)合的鑒定體系。

本研究中暫時缺少纖維組分的含量結(jié)構(gòu)與剪切模量和剪切強度的關(guān)系，而這可能對機械化收獲中的切割與斬斷有一定的指導(dǎo)作用。后期筆者就解決上述問題的同時，對指標所對應(yīng)的品種大田表現(xiàn)進行驗證，進一步擴大不同品種的研究，以提升研究的整體豐度。

4 結(jié) 論

本研究分析了5個甘蔗品種纖維組分的分布比例分別為：纖維素(39.78%～49.10%)、半纖維素(18.74%～23.63%)、酸溶木質(zhì)素(2.98%～4.80%)、酸不溶木質(zhì)素(12.61%～19.21%)。各纖維組分在品種間均存在顯著差異，尤其在纖維素與酸溶木質(zhì)素方面差異更顯著。甘蔗在芯部和皮部的彈性模量數(shù)值差距巨大，同時結(jié)處與結(jié)間處存在顯著差異。其中彈性模量大小依次為：蔗皮>蔗皮結(jié)>蔗芯結(jié)>蔗芯。同時，4個位置處的彈性模量在品種間也存在顯著性差異，即不同品種的力學性能存在顯著不同。纖維素含量與蔗芯彈性模量、蔗芯結(jié)彈性模量及蔗皮彈性模量存在顯著相關(guān)。而半纖維素含量則與蔗芯彈性模量和蔗芯結(jié)彈性模量存在顯著相關(guān)。即纖維素和半纖維素等纖維組分是對甘蔗力學性能的重要支撐。最后，通過此研究確定了纖維組分與甘蔗莖稈力學性能存在聯(lián)系，這將有助于后期通過纖維組分測量來選擇力學性能更加優(yōu)異的甘蔗品種(系)，并用于機械化收獲與抗倒伏。這對降低我國甘蔗糖業(yè)生產(chǎn)成本，提升國際競爭力具有重要促進作用。