栓皮栎软木杂质微观构造及化学成分分析

2023年12月2日发(作者：欧洲债务危机)

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栓皮栎软木杂质微观构造及化学成分分析

姚慧军;王彦丽;赵泾峰;雷亚芳

【摘 要】通过对国产栓皮栎软木杂质的构造观察及其化学成分分析,为栓皮栎软木除杂技术提供理论依据,结果表明:软木夹砂(石细胞)为坚硬、白色、砂粒状,夹杂(褐色杂质)为皮孔通道及褐色填充物组成的皮孔组织;石细胞为厚壁细胞,细胞腔未见.夹砂(石细胞)、夹杂(褐色杂质)与初生软木中各主要化学成分区别在于软木杂质含有较少木栓脂,较多的纤维素,而石细胞灰分含量高于褐色杂质和软木.

【期刊名称】《西北林学院学报》

【年(卷),期】2014(029)003

【总页数】5页(P178-182)

【关键词】软木;杂质;微观构造;化学成分

【作 者】姚慧军;王彦丽;赵泾峰;雷亚芳

【作者单位】西北农林科技大学机电学院,陕西杨陵712100;中国石油大学(华东)信控学院,山东青岛266580;西北农林科技大学机电学院,陕西杨陵712100;西北农林科技大学机电学院,陕西杨陵712100

【正文语种】中 文

【中图分类】S718.4

软木也称栓皮，是由阔叶树栓皮树上采割而获得的树皮的一部分（周皮），栓皮树种主要指产于欧洲和非洲地中海沿岸的栓皮槠（Quercus suber）和我国的栓皮栎（Quercus variabilis）［1－2］，栓皮槠软木生长速度快，质地轻软、色泽淡雅，采剥下来可制作附加值高的葡萄酒瓶塞等天然软木产品，边角料可再加工软木地板、软木墙饰等软木聚结产品。我国栓皮栎软木以初生软木为主，质地较硬、色泽较深、含有大量杂质，即夹杂（皮孔组织—由补充细胞组成为周皮的通气结构）和夹砂（石细胞），影响了软木产品质量，磨损刀具，制约了我国软木加工生产高附加值产品［3－4］。对栓皮栎软木杂质微观构造和化学成分进行研究可为国产栓皮栎软木除杂技术的探索提供理论依据。以产自秦岭的国产栓皮栎软木为原材料，对软木杂质进行了构造观察和化学成分的分析。

1 材料与方法

1．1 材料

原材料：产自陕西秦岭的栓皮栎软木初生皮，树龄20～30 a，采剥晾干后刨去背面的黑皮，刨切成软木板备用。

化学试剂：无水乙醇，二氯甲烷，三氯甲烷，蒸馏水，无水甲醇，甲醇钠，98%硫酸，65%～68%硝酸，硝酸乙醇溶液等。

1．2 设备

JEE－420真空喷镀仪（日本电子生产），JSM－6360LV扫描电镜（日本电子生产），水浴锅，电子恒温加热套，p H计，电子天平JD200－3型，高温电阻炉，马弗炉，旋转蒸发仪，电热恒温鼓风干燥箱，循环水式真空泵，索式提取器等。

1．3 方法

1．3．1 软木杂质宏观构造的观察 通过肉眼对软木板3个切面进行观察，用相机记录观察结果。

1．3．2 软木杂质微观构造的观察 参考软木微观构造的观察方法［5］，用锋利的单片刀将材料切成大约5 mm×5 mm×2 mm的标准块，进行三切面的扫描电镜观察。同时辅助离析和研磨进行观察。离析是将软木杂质放入试管中，加30%的硝酸，水浴加热30 min左右再加入少量的氯酸钾再加热15 min左右，待杂质细胞粒子松散后，用清水洗净残余的硝酸，然后，向试管中加水并用力震荡将杂质分离为单个细胞进行观察；研磨是将石细胞和皮孔组织直接用研钵研碎，将粉末撒在双面碳导电胶带上，喷金观察。

1．3．3 软木杂质的化学成分分析 主要参考张丽丛［6］等对栓皮栎软木化学成分分析的方法。

1）根据GB／2677．1－93造纸原料分析用试样的采取，进行取样。

2）提取物含量的确定：参考国家造纸原料标准（GB／T2677．6）确定可提取物含量。

3）木栓脂的确定：通过对提取后的残渣进行甲醇解聚来确定木栓脂的含量［7－9］。

4）按照国家造纸原料标准（GB／T2677．8）中酸不溶木质素含量的测定方法，确定酸不溶性木质素（Klason木质素）的含量。

5）取除去木栓脂的试样，参照硝酸乙醇法确定硝酸乙醇纤维素的含量。

6）灰分含量的确定：按照国家造纸原料标准（GB／T2677．3）确定灰分的含量。

2 结果与分析

2．1 栓皮栎软木杂质的宏观构造

石细胞呈白色或淡黄色，坚硬如砂粒状，周围存在棕褐色硬状杂质，较难剥离。在横切面，砂粒状石细胞多为卵圆形，有的在栓皮内星散分布，有的沿皮层呈不规则带状排列，石细胞带粗细不等。在径切面上，白色石细胞点主要为长条状，有的组成带状沿树干方向排列，有的星散分布；弦切面上石细胞主要呈星散分布（图1）。

图1 栓皮栎软木石细胞在3个切面上的分布Fig．1 Photographs of sclereids in

cork（a）transver，（b）radial，（c）tangential ctions

皮孔通道为褐色孔道，弦切面观察为近似圆孔，横切面上为条状通道，内部填充着深褐色粉状组织，呈疏松状排列（图2）。

图2 栓皮栎软木横切面和弦切面上的皮孔组织Fig．2 Lenticular channels in

cork（a）transver，（b）tangential ctions

2．2 栓皮栎软木杂质的微观构造

2．2．1 夹杂的微观构造 对皮孔组织横切面、径切面、弦切面做扫描电镜观察。从图3a、图4a可见，在横切面和径切面夹杂（皮孔组织）细胞为椭圆形，呈串珠状规则排列，方向与软木细胞排列方向相同，补充细胞与软木接触位置软木细胞和补充细胞都被挤压变形。由图3b可见补充细胞壁很厚，由多层构成，有细胞腔。图4b可见每串细胞的相邻细胞间紧密排列，无明显间隙，而细胞串与细胞串之间间隙明显。

图3 栓皮栎软木皮孔组织横切面扫描电镜图Fig．3 Scanning electron

micrographs of ctions of lenticels：transver ction

图4 栓皮栎软木皮孔组织径切面扫描电镜图Fig．4 Scanning electron

micrographs of ctions of lenticels：radial ction

图5a可见，在弦切面补充细胞排列方式基本与软木细胞相似，类似蜂窝状，细胞尺寸小于软木细胞，直径约10～20μm，补充细胞与软木细胞接触位置补充细胞挤压变形严重。由图5b可见，在弦切面补充细胞形状接近圆形，细胞壁较厚，细胞腔呈圆形。

图5 栓皮栎软木皮孔组织弦切面扫描电镜图Fig．5 Scanning electron

micrographs of ctions of lenticels：tangential ction

2．2．2 夹砂的微观构造 石细胞横切面、径切面、弦切面的微观构造图（图6）可见，软木夹砂（石细胞）在横切面、径切面和弦切面均排列无规则，细胞腔未见。图6c可见石细胞与软木分界处软木细胞挤压变形严重，由图6c可见，软木细胞的细胞腔为空心而石细胞的细胞腔很小，细胞间填充很多胞间质使石细胞连成一片，呈现质地坚硬的实体。

石细胞胞间质被溶解，只余厚壁细胞（图7），石细胞为多面体（图8）。

图6 栓皮栎软木石细胞三切面扫描电镜图Fig．6 Scanning electron

micrographs of ctions of lenticels：（a）transver，（b）radial，（c）tangential ctions

图7 离析的软木石细胞Fig．7 Segregative sclereids

图8 研碎的石细胞Fig．8 Ground sclereids

2．3 栓皮栎软木杂质的化学成分分析

表1为栓皮栎软木夹砂（石细胞）、夹杂（皮孔组织）与不含杂质的栓皮栎初生软木主要化学成分含量。

表1 软木杂质的化学成分含量与初生软木化学成分含量Table 1 The chemical

composition of impurity注：木栓脂仅为长链脂肪酸部分；测定结果的为3次检测结果的平均值。成分二氯甲烷提取物／%乙醇提取物／%水提取物／%总提取物／%木栓脂／%酸不溶木质素／%纤维素／%灰分／%石细胞2．51 3．56 2．62

8．69 1．85 22．31 22．58 7．19皮孔组织4．87 1．93 4．80 11．60

2．20 24．32 23．61 1．99初生软木5．15 2．35 3．65 11．15 37．95

23．15 7．39 2．16

纤维素在石细胞中含量约为22．58%，为石细胞最主要的成分；在皮孔组织中含量为23．61%，为仅次于酸不溶木质素的成分；而软木中纤维素含量为7．39%。

石细胞的灰分含量约为7．19%，皮孔组织中灰分的含量为1．99%，软木细胞的为2．16%。

软木中木栓脂的含量为37．95%，为软木最主要的化学成分，是影响软木性能的最主要因素；但杂质细胞中木栓脂的含量少，为2%左右。

石细胞中抽提物含量为8．69%，皮孔组织中抽提物含量为11．6%，软木中抽提物含量为11．15%，差异不大，似并非影响石细胞与软木性质不同的主要原因。

栓皮栎软木石细胞中酸不溶木质素的含量为22．31%，皮孔组织中为24．32%，软木为23．15%，二者差异不大，不是影响石细胞与软木性质不同的主要原因。

3 结论与讨论

软木杂质包括夹砂（石细胞）和夹杂（皮孔组织），主要存在于初生软木中，再生软木杂质少而质量较优［10］。细胞壁主要结构成分木栓脂（suberin），木质素（lignin），纤维素（cellulo），软木细胞中纤维素位于初生壁和第3层细胞壁中，属线性的高分子聚合物，在细胞壁中起骨架作用［11］。纤维素作为杂质最主要成分的原因可能为：杂质为厚壁细胞，有更多的胞壁物质，所以纤维素含量也更高。且在实际应用中发现，软木中纤维素含量越高，弹性越差，这解释了杂质为栓皮内一种硬化细胞的现象。软木和杂质中纤维素含量差异较大，是影响二者性质不同的主要因素之一。

灰分含量的大小随材料部位、树龄、土壤等因素不同而变化。灰分的组成主要有溶于水的钾、钠碳酸盐和不溶于水的钙、镁硅酸盐。石细胞的灰分含量与软木的差异大，说明灰分是影响石细胞与软木性质不同的主要因素之一，石细胞灰分较大的原因可能是由于细胞内有较多的内含物晶体，而内含物晶体的主要化学成分为草酸钙晶体［12－13］，因此杂质呈现硬而脆的特征。皮孔组织的灰分含量较少，所以皮孔组织较软。

木栓脂是组成软木细胞壁的主要化学成分，由脂肪酸和酚酸组成，与蜡质交织组成细胞壁中最厚的次生壁，使得软木具有耐酸碱、耐腐、耐老化等性能。木栓脂能使芳香族高分子沉积在疏水的细胞壁上，促使亲水性的脂肪族高分子和可溶性蜡的沉积，使水分不能扩散通过细胞壁［9，14］。软木中木栓脂含量和杂质细胞中的差异很大，是影响杂质与软木性质不同的主要因素之一。由于杂质细胞中木栓脂含量较少，使其丧失了软木的诸多优良性能，推测其疏水性较差，易与水溶性化学试剂接触反应，可以利用杂质此性质以探索化学试剂使其软化或除去杂质。

软木提取物分极性和非极性2种，极性可提取物主要为一些酚类和多酚类物质，非极性的主要为长链脂肪族化合物、萜类化合物、酚类化合物，一般沉积在细胞壁、填充在细胞腔和一些细胞组织中，比如蜡质，蜡质能阻止水分附着在细胞壁上，使软木细胞具有一定的低渗透性。

木质素是组成软木细胞壁的一种重要的物质，可使细胞壁坚硬。酸不溶木素可能还有一定量的酚酸类物质，由于栓皮石细胞中所含软木脂和聚酚类浸出物的干扰，分离时可能导致相当部分的重叠，木质素含量的准确测定比较困难。酸不溶木质素的数值为木质素和聚黄酮类化合物两者含量之和。可能与其胞壁中栓化层的发达程度、软木脂含量、酚酸形成不溶性类似木素的沉淀物质多少有关［15］。

栓皮栎软木石细胞在初生软木中数量较多，在次生软木中则较少。石细胞坚硬、白色、密集，似为砂粒状，外围有棕褐色硬状杂质，较难剥离，栓皮横断面上石细胞带与皮层平行。皮孔通道中填充着深褐色粉状组织（补充细胞），呈疏松状排列。石细胞细胞壁极度增厚，细胞腔未见，石细胞与软木分界处细胞挤压变形严重。皮孔细胞（补充细胞）呈圆饼状，从横切和径切面观察排列似串珠状，补充细胞尺寸小于软木细胞，细胞壁较厚，由多层构成，有圆形细胞腔，杂质细胞与软木细胞接触位置细胞挤压变形严重。栓皮栎软木夹砂（石细胞）、夹杂（褐色杂质）与初生软木中各主要化学成分的含量有所不同：夹砂（石细胞）和夹杂（褐色杂质）中木栓脂的含量小于软木；而纤维素含量远高于软木。石细胞灰分含量远高于软木中灰分含量，而皮孔中灰分含量与软木近似相等，由此推测，影响杂质与软木性质不同的主要因素为木栓脂、纤维素、灰分的含量。纤维素和灰分的含量高使得软木杂质坚硬，影响软木的机械加工，损伤加工刀具。软木脂的含量低使得软木杂质疏水性、耐酸碱、耐腐、耐老化等性能较差，易与水溶性化学试剂接触反应。

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