梁山慈竹化学成分的变异性1)

杨喜 刘杏娥 杨淑敏 田根林 马建峰

(国际竹藤中心，北京，100102)

梁山慈竹化学成分的变异性1)

杨喜 刘杏娥 杨淑敏 田根林 马建峰

(国际竹藤中心，北京，100102)

对梁山慈竹综纤维素、α-纤维素、木质素、聚戊糖、苯醇抽出物、冷水抽出物、热水抽出物、1% NaOH抽出物和灰分等9个化学成分指标及其随竹龄和竹高部位的变化情况进行了系统的研究。结果表明：梁山慈竹从2年生至5年生，综纤维素和4种抽出物质量分数表现减小的趋势；α-纤维素变化幅度极小；木质素和聚戊糖表现增大趋势，4年生时达到最大。除α-纤维素外，其他8项化学组分在4个竹龄上均表现极显著差异。基部综纤维素、α-纤维素和4种抽出物质量分数最高，木质素和聚戊糖质量分数最低。上部则完全相反，中部各化学成分质量分数居中。除α-纤维素和苯醇抽出物外，其他7项化学组分在竹高部位上均无显著性差异。梁山慈竹的综纤维素和α-纤维素质量分数低于硬头黄竹，略高于龙竹、撑绿杂交竹和车筒竹；4种抽出物和灰分质量分数略高于硬头黄竹，低于其他3种丛生竹。

梁山慈竹；化学成分；竹龄；竹高部位

We studied the chemical compositions of holocellulose,α-cellulose, lignin, pentosan, benzene-alcohol extractive, water extractive, hot-water extractive, 1% of NaOH extractive and ash inDendrocalamusfarinosus, and their variations with bamboo age and culm height. The content of holocellulose decreased from two- to five-year old with no significant difference inα-cellulose, nevertheless significant difference in remaining compositions between five-year bamboos. Lignin and pentosan increased to four-year old and then falling with extreme value at four-year old, oppositely four kinds of extractives and ash were slightly decreased to four-year-old and then increased. Along culm height, the contents of four kinds of extractives in base position reached maximum as well as holocellulose andα-cellulose, while lignin and pentosan at the minimum. The contents of chemical compositions in upper position were just opposite to the base, middle position with almost medium. There were significant differences inα-cellulose and benzene-alcohol extractives among three culm positions at 0.01 level. Holocellulose content inD.farinosuswas lower than that inBambusarigida, and a little higher than that inBamdusapervariadilis×GrandisNin,D.giganteus, andBambusasinospinosa. Four kinds of extractives and ash inD.farinosuswere slightly higher than those inBambusarigid, but lower than those in other three sympodial bamboos.

竹材的化学成分是其物理力学性能和加工利用的基础，对保障竹材制浆造纸得率和作为承重结构材都起着决定作用[1-2]。竹材的化学成分与木材类似，主要由纤维素、半纤维素和木质素三大成分组成。纤维素是木材细胞壁的骨架物质，赋予材料强度和弹性；半纤维素是细胞壁的黏结物质，起着填充和部分胶着作用，赋予材料剪切强度；木质素是细胞壁的硬固物质，起到增强结构刚性的作用[3-6]。竹材α-纤维素(40%～50%)和木质素(20%～26%)的高质量分数使竹材具有强度高、硬度大、弹性好等特点，从而使其成为一种重要的绿色环保建筑材料。

梁山慈竹(Dendrocalamusfarinosus)，牡竹属，是一种地下茎合轴型丛生竹，秆高8～12 m，直径4～8 cm，主要分布在广西、广东、云南和四川，是优良丛生纸浆用材竹，潜在的大型工业丛生用竹，极具开发价值。目前国内对梁山慈竹的研究局限于培育、秆形结构、生态效益和物理力学等方面[7-8]，有关于其化学成分变异性分析的研究未见报道。文中对梁山慈竹主要化学成分在不同竹龄和竹高部位之间进行了差异性分析，并以另外4种丛生竹——硬头黄竹、撑绿杂交竹、龙竹、车筒竹作为参比竹种进行对照分析。以期为梁山慈竹综合开发利用提供科学依据。

1 材料与方法

于四川长宁竹海镇，采集竹龄为2年生、3年生、4年生和5年生梁山慈竹各10根，竹子生长正常，无病虫害。齐地伐倒后，每株从离地约1.5 m的整节处，向上截取约2 m长一段作为试材基部，再依次向上截取约2 m长两段分别作为中部和上部，均在整节处截断。在基部、中部和上部下端竹筒中间截取约5 cm长的竹环，每个环上取大约500 g试材，将其劈成细片，风干，再经粉碎机磨碎，截取通过40目筛而不能通过60目筛的细末，凉至室温后，贮存于1 000 mL有磨砂玻璃塞的广口瓶中，供试验使用。

本研究共测定梁山慈竹2、3、4、5年生竹秆的基部、中部和上部及参比竹种(3年生的硬头黄竹、撑绿杂交竹、龙竹和车筒竹)的综纤维素、α-纤维素、木质素、聚戊糖、苯醇抽出物、冷水抽出物、热水抽出物、1% NaOH抽出物和灰分等9项指标。各指标均按造纸原料分析方法国家标准进行测定[9]。其中纤维素质量分数用硝酸乙醇法测定，综纤维素用酸性亚氯酸钠法测定，木质素采用Klaon法测定，聚戊糖采用二溴化法测定。

2 结果与分析

2.1 梁山慈竹化学成分随竹龄的变化情况

2.1.1 细胞壁主要物质

竹材纤维细胞壁主要成分是木质素和综纤维素，它们是判断材料利用价值高低、确定制浆工艺的主要依据[10]26-99。2、3、4、5年生梁山慈竹的综纤维素、聚戊糖、抽出物和灰分等化学成分测试结果见表1。植物综纤维素质量分数是衡量其作为制浆造纸或水解工业原料优劣的重要经济指标，包括纤维素和半纤维素。由表1可知，梁山慈竹综纤维素质量分数从2年生至5年生依次下降，降低幅度较小(3.9%)，以2年生最大，5年生最小，平均值为73.2%。随着竹子生长期增加，综纤维素略有下降的趋势，与陈友地等[11]对10种竹子的研究结果一致。一般说来，针叶材的综纤维素质量分数为65%～73%、阔叶材的为70%～82%、禾本科的为64%～80%[5]104，可见梁山慈竹的综纤维素质量分数属于中上等，是较好的制浆原料。

纤维素是竹材纤维细胞壁的骨架物质。α-纤维素质量分数从2年生至5年生变化幅度极小，绝对差异小于0.2%，平均值49.86%。一般木材和竹材的纤维素质量分数为40%～50%[5]117，梁山慈竹较高的纤维素质量分数决定了其具有较高的强度和弹性模量[8]。半纤维素的成分几乎全为聚戊糖，所以可借用其间接衡量竹材半纤维素的质量分数。在制浆造纸过程中，半纤维素打浆时容易水化，促进纤维间的交织，增加纤维的结合度，从而提高纸张的机械强度。聚戊糖质量分数随竹龄的变化情况与江泽慧等[12]研究的半纤维素质量分数随着竹龄的增加而增加近似，平均质量分数为17.33%，与一般竹材(19%～23%)接近，比针叶材(10%～15%)高得多[5]269。梁山慈竹中适量的聚戊糖有利于制浆造纸和糖醛的综合开发利用。

表1 梁山慈竹4个竹龄的主要化学成分质量分数 %

木质素是苯丙烷基衍生物通过碳碳键和醚键聚合而成的三维结构天然高分子化合物，其质量分数的高低对生产工艺有十分重要的影响，质量分数高，蒸煮困难，消耗的化学药品也相对较多[10]26-99。梁山慈竹木质素质量分数在4年生时达到最大，其他竹龄则较为接近，平均值为21.89%，小于毛竹、马尾松[13]，其较低的木质素质量分数可降低制浆蒸煮中的耗药量，且易成浆。Itoh[14]指出，竹材在第一个生长季即完成木质化，而Lin et al.[15]研究表明，纤维和大多数薄壁细胞的木质化过程不止一年，可能持续7 a，这与本试验结果相吻合。

2.1.2 抽出物

抽出物即非细胞壁物质，主要存在于活组织的细胞内外液中，其因极性、酸碱性和相对分子质量的不同，在不同溶剂中的溶解度各不相同[4]。由数据分析可知，苯醇抽出物、冷水抽出物、热水抽出物、1% NaOH抽出物的质量分数随竹龄的变化趋势均表现为先增大后减小的趋势，以2年生最高，4年生时最小(表1)。苯醇抽出物常被称为“树脂”，其存在常增加蒸煮时化学药品的消耗，延长蒸煮时间。梁山慈竹苯醇抽出物质量分数平均值为3.86%，比毛竹、桉木和杨木高[13]，说明其含有较多的蜡质、树脂酸和脂肪酸等物质。冷水抽出物和热水抽出物质量分数分别为13.54%、14.85%，高于毛竹、桉木和杨木的[13]。1% NaOH抽出物质量分数平均值为33.53%，远高于毛竹、桉木和杨木的[13]，说明其低分子聚戊糖和低分子木质素质量分数较高。原料较高的碱抽出物使化学制浆中耗碱量增加。

2.1.3 灰分

灰分是竹子纤维经过灼烧后残留的无机物，为各种矿物元素的氧化物。由表1可知，灰分质量分数随竹龄的增长从2年生至4年生逐渐减小，4年生至5年生增大，4年生时达最小。平均质量分数为1.16%，略低于毛竹，高于桉木和杨木[13]。灰分质量分数高，不利于碱液回收，使造纸耗碱量增大。

由方差分析结果可知(表2)，4个竹龄α-纤维素质量分数在0.01水平上无显著差异，其他8项化学组分指标均表现极显著差异。而且4年生梁山慈竹的木质素和聚戊糖质量分数最高，抽出物和灰分质量分数最小，可推出，4年生梁山慈竹是制浆成本较低，虫蛀、霉变现象较少，强度和弹性模量较高，且最不易生物降解的竹龄。

2.2 梁山慈竹化学成分随竹高部位的变化情况

梁山慈竹沿竹秆高度方向的基部、中部和上部的综纤维素、聚戊糖、抽出物和灰分等化学成分质量分数测试结果见表3。随竹秆纵向高度的增加，综纤维素质量分数从基部至上部有小的下降幅度；α-纤维素质量分数也有减小趋势，但变化幅度极小；木质素和聚戊糖质量分数从基部至上部均呈增加趋势，分别增加了3.9%和3.4%。苯醇抽出物、冷水抽出物、热水抽出物和1%NaOH抽出物质量分数在竹秆高度方向均以基部最大，上部最小；灰分质量分数以上部最小，中部最大。这与Li et al.[16]对毛竹的研究结果不完全一致。

表2 梁山慈竹4个竹龄间、3个竹高部位间各化学成分质量分数方差分析

注：** 表示在0.01水平上差异极显著。

表3 梁山慈竹竹高部位的化学成分质量分数 %

在基部，α-纤维素质量分数最高，木质素和聚戊糖质量分数最低，4种抽出物质量分数和灰分质量分数都最高。表2分析结果表明，除α-纤维素和苯醇抽出物质量分数在竹高部位上表现出极显著性差异外，其他7项化学竹材指标均无显著性差异。

2.3 梁山慈竹与其他4种丛生竹的成分比较

从表4可知，5个竹种中，综纤维素、α-纤维素和木质素质量分数以硬头黄竹最高，车筒竹最低，龙竹则与梁山慈竹最为接近。梁山慈竹相比硬头黄竹，综纤维素、α-纤维素和木质素质量分数分别少4.2%、5.0%和2.4%；相比车筒竹，三者质量分数分别高出3.7%、4.6%和1.1%。相比资料报道的毛竹、甜竹等竹种，综纤维素质量分数明显偏高，木质素质量分数偏低。苯醇抽出物、冷水抽出物、热水抽出物和1% NaOH抽出物4种抽出物质量分数从高到低的排列均为龙竹、撑绿杂交竹、车筒竹、梁山慈竹、硬头黄竹。梁山慈竹聚戊糖质量分数比龙竹的略高，比撑绿杂交竹、硬头黄竹和车筒竹的略低；其灰分质量分数与撑绿杂交竹和硬头黄竹比较接近，远低于龙竹和车筒竹的。

表4 5种丛生竹材的化学成分的质量分数 %

从综纤维素、α-纤维素来看，5种竹材的综纤维素质量分数属于中上等，纤维得率都会比较高，且竹材强度和刚性较好。但从4种抽出物和灰分质量分数来看，梁山慈竹和硬头黄竹成本较低，龙竹和车筒竹成本较高。梁山慈竹中较高的综纤维素、α-纤维素质量分数和适当的聚戊糖质量分数，为竹纤维的制备提供了有利的条件，但较高的木质素质量分数以及半纤维素和木质素之间所形成的木质素—碳水化合物复合体，使其“脱胶”工艺有点复杂。

3 结束语

梁山慈竹综纤维素、α-纤维素、木质素、聚戊糖、苯醇抽出物、冷水抽出物、热水抽出物、1% NaOH抽出物和灰分质量分数平均值分别为：73.2%、49.86%、21.89%、17.33%、3.86%、13.54%、14.85%、33.53%和1.16%。

梁山慈竹从2年生至5年生，综纤维素质量分数表现出小幅度下降；α-纤维素变化幅度极小；木质素和聚戊糖表现出先增大后减小趋势，4年生时达到最大；4种抽出物均先逐渐较小后增大，4年生时达最小。基部综纤维素、α-纤维素和4种抽出物质量分数最高，木质素和聚戊糖质量分数最低。上部则完全与之相反，中部各化学成分质量分数居中。4个竹龄α-纤维素质量分数在0.01水平上无显著差异，其他8项化学组分指标均表现极显著差异；竹高部位上除α-纤维素和苯醇抽出物质量分数表现出极显著性差异外，其他7项化学组分指标均为无显著差异。

梁山慈竹的综纤维素和α-纤维素质量分数低于硬头黄竹的，略高于其他3种丛生竹的；4种抽出物和灰分质量分数稍高于硬头黄竹的，低于其他3种丛生竹的。

[1] 张齐生．中国竹材工业化利用[M]．北京：中国林业出版社，1995.

[2] Li Xiaobo. Physical, chemical, and mechanical properties of bamboo and its utilization potential for fiberboard manufacturing[D]. Louisiana： Louisiana State University，2004.

[3] 李民栋．竹材化学组成和半纤维素结构的特征[J]．中国造纸，1990(3)：56-59．

[4] 杨淑惠．植物纤维化学[M]．北京：中国轻工业出版社，2005：6-69.

[5] 刘一星，赵广杰.木材学[M].北京：中国林业出版社,2012.

[6] Scurlock J M, Dayton D C, Hames B. Bamboo: an overlooked biomass resource[J]. Biomass and Bioenergy，2000,19(4)：229-244.

[7] 熊壮,董文渊,刘时才,等.梁山慈竹秆形结构和地上生物量结构研究[J].林业科技开发,2010,24(3)：81-83.

[8] 杨喜,刘杏娥,杨淑敏,等.5种丛生竹材物理力学性质的比较[J].东北林业大学学报,2013,41(10)：91-93.

[9] 中华人民共和国国家标准.GB/T 2677.1～GB/T 2677.10.造纸工业产品试验方法标准汇编[S].北京：技术标准出版社,1980.

[10] 谢来苏,詹怀宇.制浆原理与工程[M].北京：中国轻工业出版社,2001：26-99．

[11] 陈友地,秦文龙,李秀玲,等.十种竹材化学成分的研究[J].林产化学与工业,1985,5(4)：31-39.

[12] 江泽慧,于文吉,余养伦.竹材化学成分分析和表面性能表征[J].东北林业大学学报,2006,34(4):1-6.

[13] 史正军,辉朝茂,袁清泉,等.云南甜竹化学成分分析[J].世界竹藤通讯,2009,7(2):10-13.

[14] Itoh T. Lignification of bamboo (PhyllostachysheterocyclaMitf.) during its growth[J]. Holzforschung,1990,44(3):191-200.

[15] Lin Jinxing, He Xinqiang, Hu Yuxi, et al. Lignification and lignin heterogeneity for various age classes of bamboo (Phyllostachyspubescens) stems[J]. Physiologia Plantarum,2002,114(2):292-302.

[16] Li Xiaobo, Shupe T F, Peter G F, et al. Chemical changes with maturation of the bamboo speciesPhyllostachyspubescens[J]. Journal of Tropical Forest Science,2007,19(1):6-12.

Variation on Chemical Properties ofDendrocalamusfarinosus//

Yang Xi, Liu Xing’e, Yang Shumin, Tian Genlin, Ma Jianfeng

(International Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2015,43(9)：41-44.

Dendrocalamusfarinosus; Chemical composition; Bamboo age; Culm height

1)“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD23B01)。

杨喜，女，1989年8月生，国际竹藤中心，博士研究生。E-mail:yangxijy@126.com。

杨淑敏，国际竹藤中心，副研究员，E-mail:yangsm@icbr.ac.cn。

2014年4月17日。

S795.5；Q946-3

责任编辑：任 俐。