葡萄藤材的化学组成和红外光谱分析1)

王传贵 马欣欣

(安徽农业大学，合肥，230036)

葡萄科共12属700种，其中我国有7属106种。在葡萄产量集中的地区，每年有大量的藤材更替下来却未得到充分利用，成为资源的浪费。葡萄藤的藤茎含粗蛋白约13%、粗纤维约24%、钙约13%，还含有还原糖、蔗糖、淀粉、鞣质和黄酮类［1］;但对其加工方面的研究利用鲜有报道。为了解葡萄藤材的基本材性，提高我国非木材类植物资源高附加值加工利用水平，笔者从化学组成、纤维形态和分子结构方面对葡萄藤材进行了初步探究，以期为其加工利用提供科学依据。

化学组成和纤维形态是判别植物原料优劣与利用价值的一个重要方面，也是合理利用纤维原料的重要依据。

红外吸收光谱属于分子振动光谱，主要研究聚合物分子组成和结构与红外吸收谱图的关系，同时它也可以提供纤维的组成和结构信息［2］。红外光谱对有机物的定性分析具有鲜明的特性，因为每一化合物都具有特异的红外吸收光谱，其谱带中吸收峰的位置和强度均随化合物及其聚集态的不同而不同。因此化合物的红外光谱就象人的指纹一样，具有唯一性，可确定化合物或官能团是否存在。笔者通过傅立叶变换红外光谱法对葡萄藤材的分子结构进行了初步分析。探索葡萄藤纤维和一般木材纤维的结构共性和个性差异，对其鉴别和进一步理论研究提供科学依据［3］。

1 材料与方法

安徽省合肥市包河区大圩镇葡萄园，3年生。

化学成分测定:将藤茎分为上、中、下3部分，藤皮和藤茎分别用粉碎机粉碎后，筛取40～60目的粉末进行化学组成分析，参照国家标准，测试葡萄藤材的水分(GB/T2677.2—1993)、灰分 (GB/T2677.3—1993)、酸不溶木质素 (GB/T2677.8—1994)、综纤维素(GB/T2677.10—1995)、纤维素(硝酸乙醇法)、半纤维素等质量分数。取其统计平均值作为最终试验结果。

纤维形态的测定:选择生长中等的3株葡萄藤，在中部取样。劈成火柴杆大小，放置于V(H2O2)∶V(CH3COOH)=1∶1混合液中，加热至80℃离析后，测量其纤维长度。取其统计平均值作为最终试验结果。

傅立叶变换红外光谱特征分析:美国NICOLET is10－FTIR型傅立叶变换红外光谱仪，扫描范围:4 000～400 cm－1，分辨率4 cm－1，扫描次数32次/min。

在葡萄藤中部取样。将原料磨成细粉，80～120目。干燥至恒质量。按比例与溴化钾固体混合(m(藤材)∶m(KBr)=1∶50)，研磨均匀，采用压片法进行IR光谱测定。

2 结果与分析

2.1 化学成分

葡萄藤材的化学成分结果见表1。葡萄藤材主要由纤维素、半纤维素和木质素3种天然高分子物质组成。在化学组成中，最重要的是纤维素的质量分数。一般来讲，原料的纤维素质量分数越高，产品的力学强度越高。而半纤维素的吸湿性、润胀能力比纤维素大得多，对提高原料的塑性和增进人造板强度是有利的。但如果半纤维质量分数过高，会对人造板制品的耐水性、尺寸稳定性等带来不利的影响。木质素本身强度较低，但耐水性好，耐高温，可塑性好，木质素的热塑性是人造板生产工艺条件制定的主要依据，如在纤维板生产中是纤维分离和纤维重新结合的重要前提条件之一。所以，木质素质量分数较高，亦有利于人造板的生产［4］。由实验数据可得，葡萄藤材的纤维素质量分数约为40%，半纤维素质量分数约为38%，木质素质量分数约为21%。在藤茎高度方向上，3大素的质量分数由基部向上呈增大趋势。加工应用时，需要考虑一下半纤维素的影响。

表1 葡萄藤材的化学成分 %

2.2 纤维形态分析

葡萄藤材的纤维平均长度为1 584.17 μm，平均宽度为38.61 μm，胞腔径为 20.02 μm，双壁厚为18.59 μm，长宽比为41.96，壁腔比为 0.93。

木纤维的功能主要是支持树体，承受力学强度。约占整个木材解剖分子量的50%，木纤维形态特征直接影响木材材质且是木浆强度的指标之一［5］。纤维一定的长度、长宽比对板制造中纤维交织和结合性能有重要的影响。其中尤以纤维长度最为重要。在考虑纤维平均长度的影响时，只看纤维平均长度是不全面的，还必须注意其不均一性，不均一性常用频率分布图表示。表2是葡萄藤材的纤维长度频率分布。可以看出，纤维长度符合正态分布，且长度值大多集中在1 200～2 000 μm，大约占总数的96.6%，说明葡萄藤材的纤维均整性较好。仅从纤维形态而言，葡萄藤材不能划到好原料之列，柔韧性和可塑性较差，刚性较高，所以加工利用时对生产工艺制定和设备的选择应充分予以考虑。

表2 葡萄藤材的纤维长度

2.3 红外光谱特征分析

葡萄藤材除了主要的3大素外，还含有蔗糖、淀粉、鞣质和黄酮类等物质，其化学组成和结构极为复杂［1］。

其中，纤维素的结构较为简单，一般认为纤维素的特征吸收峰为 2 900、1 425、1 370、890 cm－1。半纤维素的红外光谱主要以1 730 cm－1附近的乙酰基和羧基上的C—O伸缩振动吸收峰与其他组分的特征进行区别。木质素的红外光谱最为复杂。图1是对葡萄藤材红外光谱峰进行的归属分析［6］106－107。

图1 葡萄藤材的红外光谱图

表3 葡萄藤材红外光谱中吸收带的归属

3 420 cm－1处的强且宽的吸收带是羟基的特征峰，说明葡萄藤材表面存在羟基，该伸缩振动是由于葡萄藤材的醇羟基、其他羟基和吸收水分中游离和缔合的羟基振动引起的。

2 927.1 cm－1附近的吸收峰通过归属，判断应为CH3的碳氢不对称伸缩振动峰，峰形较窄，说明葡萄藤材中有与苯环相连的甲氧基和甲基。

1 739.9 cm－1和 1 623.4 cm－1的吸收峰通过归属，判断是来自羧基或醛和酮基中C=O伸缩振动峰，二者也可能与苯环发生了共轭。从谱图整体看，1 739.9 cm－1归属为挥发油类成分特征峰，为多种物质光谱叠加的结果［7］。

1 423.2 cm－1处的吸收峰通过归属，判断为芳香族骨架振动和C—H面内弯曲振动。其中C—H弯曲振动包括CH2剪式振动(纤维素)和CH2弯曲振动(木质素)。

1 374.6 cm－1处的吸收峰通过归属，判断应为脂肪族在CH3和酚羟基上的C—H弯曲振动(纤维素和半纤维素)。

1 242.6 cm－1处的吸收峰通过归属，判断应为苯羟基和羟酸类中C—O键的伸缩振动和O—H面内变形振动引起的，也可能是木质素酚醚键C—O—C伸缩振动。

1 046.2 cm－1附近的吸收峰通过归属，判断应为C—H芳香族面内弯曲(G型)和C—O键的伸缩振动:乙酰基中的烷氧键伸缩振动，强度较强。

830 cm－1附近的吸收峰通过归属，判断为C—H面外弯曲振动，G 环的 2，6 位(紫丁香基结构木质素)［7－9］。

3 结论

从化学组成看，葡萄藤材适宜制造人造板。从纤维形态看，葡萄藤材的纤维均整性较好，柔韧性和可塑性较差，刚性较高，所以加工利用时对生产工艺制定和设备的选择应充分予以考虑。根据葡萄藤材的红外光谱图可以初步推断出葡萄藤材中的木质素主要为紫丁香基型和愈疮木基型结构［6］107。结合化学组成和红外光谱特征分析，发现葡萄藤材的化学结构与阔叶木材相似，这为葡萄藤材制造人造板提供了一定的依据。

［1］刘伟新，李九如.葡萄藤茎的生药学研究［J］.新疆中医药，2006，24(4):58.

［2］许炯，刘羽，韦巧云.竹纤维在1 100～950 cm－1区间的红外吸收光谱分析［J］.浙江林业科技，2010，30(2):1－5.

［3］贾敬华，金东青.稻草改性的红外光谱分析［J］.环境保护科学，2008，34(2):104－116.

［4］华毓坤.人造板工艺学［M］.北京:中国林业出版社，2002.

［5］成俊卿.木材学［M］.北京:中国林业出版社，1985.

［6］李坚.木材波谱学［M］.北京:科学出版社，2003:99－109.

［7］邹志明，周清平.一枝黄花的红外光谱法分析［J］.时珍国医国药，2007，18(2):312－313.

［8］陈方，陈嘉翔.桉木化机浆的傅里叶变换红外光谱分析［J］.华南理工大学学报，1995，23(10):89－95.

［9］刘杰，韩卿.红外光谱技术在木质素结构研究中的应用［J］.江苏造纸，2010(3):25－33.