蒸煮处理对栓皮栎软木主要物理特性的影响

苑一丹，朱玲燕，宋孝周

(西北农林科技大学林学院，陕西杨凌712100)

蒸煮处理对栓皮栎软木主要物理特性的影响

苑一丹，朱玲燕，宋孝周*

(西北农林科技大学林学院，陕西杨凌712100)

研究了沸水不同蒸煮处理时间对秦巴山区初生和再生栓皮栎软木的微观结构、物理特性和表面色度学参数的影响。结果表明，沸水蒸煮可使栓皮栎软木细胞膨胀、细胞壁褶皱减少。在试验范围内，沸水蒸煮可使栓皮栎软木体积增大、密度降低，初生和再生软木体积膨胀率分别为15.4%～17.1%和24.8%～26.8%，密度变化比值均小于1。不同时间沸水蒸煮处理后，初生和再生软木的径向尺寸变化明显大于轴向和弦向。与未处理软木相比，沸水蒸煮可降低软木硬度和压缩回弹率，蒸煮处理1 h后，初生和再生软木压力释放24 h后的压缩回弹率分别为85.20%和84.23%，硬度变化比值分别为0.804和0.724。沸水蒸煮后软木表面明度降低，蒸煮前后的总体综合色差随着蒸煮时间的延长而增大。

栓皮栎软木；蒸煮处理；物理特性；色度学参数；细胞结构

软木也称栓皮，为栓皮树的树皮产物，由木栓形成层向外分生而产生，主要来源树种为国内的栓皮栎和国外的栓皮槠[1-4]。第一次采剥的软木称为初生软木，以后每隔9～15 a再次采剥的软木称为再生软木。软木因质轻、回弹性好、渗透性低和化学稳定性优等特点，被广泛应用于葡萄酒瓶塞、绝热层和室内装饰材料等诸多领域[5-9]。

从树上采剥并经自然干燥后的软木表面不平整，呈弧状，表面杂质较多，容重和硬度较大，未完全呈现出其优良的性能，影响后续的加工和应用。因此，在工业生产中，软木原材料要经过预处理才能进行后续的生产加工，而热水蒸煮处理是一种常见的原料预处理方法[10-11]。通过热水蒸煮可以去除软木表面的杂质和水溶性物质，使软木体积膨胀、密度降低、各项异性减小，提高软木的性能，有利于后续加工[12-13]。

国外已有关于栓皮槠软木热水蒸煮过程的研究报道。Rosa等[14]研究了水煮过程中相关指标对软木试件的影响，包括水煮温度、水煮时间、软木质量等，结果表明，水煮可显著增加软木径向尺寸，而质量则几乎不变；Cumbre等[15]发现热水蒸煮可以增强软木的诸多特性，包括增强软木板的平整性、增加各向尺寸、使软木厚度变得更为均匀和降低软木表面孔隙面积等。国内对栓皮栎软木热水蒸煮过程的研究鲜有报道。赵泾峰等[16]研究表明，沸水蒸煮方式可以使软木体积膨胀，增加其弹性和柔韧性，但蒸煮前后软木的具体尺寸、硬度、颜色及压缩回弹等特性变化还鲜见相关报道。

笔者以陕西秦巴山区的初生与再生栓皮栎软木为原料，探讨沸水不同蒸煮处理时间对栓皮栎软木细胞结构特性、物理特性及表面色度学参数的影响，以期为栓皮栎软木的工业水煮过程提供基础数据和理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

栓皮栎(Quercusvariabilis)软木样品产自陕西凤县，在实验室自然条件下存放约6个月。试件加工时软木含水率在6%左右，初生软木年轮数为40～50个，再生软木年轮数为15～20个。

主要设备：S-4800场发射扫描电子显微镜，日本日立公司；CMT5504电子万能力学试验机，深圳新三思材料检测有限公司；DHG-9123A电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；XHS型邵尔硬度计，营口市材料试验机有限公司；HWS-70B型恒温恒湿培养箱，天津泰斯特仪器有限公司；SC-80C型全自动色差计，北京康光仪器有限公司；MB104型压刨机，牡丹江木工机械厂；WA8型精密推台锯机，秦皇岛欧登多机械制造有限公司；MJ344A型细木工带锯机，威海市木工机械厂。

1.2 试验方法

1.2.1 材料处理与蒸煮试验

将软木试材进行刨削、打磨及锯切，并加工成表面平整的不同尺寸试件备用。软木沸水蒸煮处理即将软木试件浸没于沸水(水温98℃左右)中，浸泡时间分别为30，60，120和180 min。对处理后的试件进行烘干和调湿处理，使处理前后软木试件的含水率一致(两者差值在1%范围内)。

1.2.2 软木细胞结构分析

选取处理前后的初生和再生栓皮栎软木进行徒手剖切制样，试样长和宽为3～5 mm、厚1 mm左右，表面平整、厚度均匀，经干燥、粘贴和表面喷金后置于扫描电镜中观察，分析沸水蒸煮前后软木的横向、径向和弦向3个切面的显微图像。

1.2.3 软木物理特性测试

1)参照LY/T 1317—2013《栓皮》测定初生和再生栓皮栎软木尺寸、质量和硬度。使用排水法测定试件的体积，并求得密度。本试验中，将沸水蒸煮处理后的测量值与相应未处理样品的测量值之比定义为该值的变化比值。

2)15 min和24 h后的压缩回弹率测试参照文献[17]中的方法进行，将试件置于力学试验机上加压，加压速度5 mm/min。当试样径向尺寸被压缩至原始尺寸的一半，即受压变形达到50%时解除压力，分别在15 min和24 h后测量试件的厚度。压缩回弹率(R)的计算公式为：

式中：T1为试样径向压缩变形达到50%时的厚度，mm；T2为解除压力15 min或24 h后的试件厚度，mm。

3)根据CIE 1976L*a*b*标准色度学表色系统，利用全自动色差计测量试件处理前后的表面色度学参数值，每个试件测3个不同的点，各点测2次求得均值。L*、a*、b*、C*和H分别表示试件表面的明度、红绿色品指数、黄蓝色品指数、饱和度和明度。

测量沸水蒸煮处理前后软木尺寸、体积、密度和压缩回弹率的试件长和宽均为16 mm，测量表面硬度及表面色度学参数的试件长和宽均为30 mm，两类软木试件的厚度均大于6 mm。测定各物理参数的试件数量均为30个，结果取均值。

2 结果与分析

2.1 蒸煮处理对栓皮栎软木细胞结构的影响

软木是一种栓化死细胞保护层，软木细胞在横切面和径切面上呈砖块状，在弦切面上呈蜂窝状，沸水蒸煮前后软木细胞三切面的扫描电镜图见图1。由图1可知，软木细胞是中空细胞，没有细胞间隙，在未处理栓皮栎软木细胞的横切面和径切面(图1a、b)可以观察到，细胞壁沿径向存在明显的不规则褶皱，而弦切面上的褶皱很少，褶皱是软木细胞在向外生长过程中受压缩产生的。经过沸水蒸煮处理后，软木细胞壁的褶皱有所减少(图1d、e)，弯曲的细胞壁变得更为平直。这是由于沸水蒸煮处理过程中，水分进入软木细胞的细胞壁，水和热的共同作用导致软木细胞壁应力释放，细胞体积膨胀，褶皱有所减少。

注：a和d的箭头方向为软木径向；b、c、e和f的箭头方向为软木轴向。图1 处理前后栓皮栎软木细胞三切面的扫描电镜图Fig. 1 SEM images of the three sections of cork from Quercus variabilis before and after treatment

2.2 蒸煮处理对软木物理特性的影响

沸水蒸煮处理后初生和再生软木试件的径向、轴向和弦向的尺寸、体积及密度变化比值见表1。从表中可以看出，栓皮栎初生和再生软木经沸水蒸煮不同时间后的尺寸和体积变化比值均大于1，密度变化比值小于1，表明沸水蒸煮能够增加软木的尺寸，使其体积膨胀、密度减小。在30～180 min的处理时间下，初生软木体积膨胀率为15.4%～17.1%，再生软木体积膨胀率为24.8%～26.8%，再生软木经沸水蒸煮处理后的体积膨胀程度明显大于初生软木。在初生软木中可肉眼观察到较多呈白色和线条状的杂质，该杂质为夹砂，又称石细胞，质地坚硬，类似于砂石状的硅化物，较多夹砂的存在使初生软木的体积膨胀率低于再生软木。

表1 沸水不同蒸煮处理时间后栓皮栎软木的尺寸、体积和密度变化比值Table 1 Demensional, volume and density change ratios of cork from Quercus variabilis afterdifferent water boiling treatment times

本试验中，初生和再生栓皮栎软木在蒸煮处理60 min时体积变化比值达到最大，之后随着处理时间的增加，栓皮栎软木的体积变化量不再增大。蒸煮过程会导致软木细胞壁褶皱减少，细胞体积膨胀，在宏观上表现为试件体积增大，但是Rosa等[18-19]的研究表明，250℃以上的蒸汽处理才可以使软木的细胞壁变得完全平直。因此，本试验条件下的沸水蒸煮处理只能使软木细胞壁部分变得平直，体积有限膨胀，随着沸水蒸煮时间的延长，软木细胞会变得更加润胀和柔软，而后续的烘干和调湿处理，也会使充分润胀的软木细胞收缩较为明显。因此，试验范围内软木的体积变化比值没有随蒸煮时间的延长而持续增大。

由表1还可看出，沸水不同蒸煮处理时间后，初生和再生软木的径向尺寸变化明显大于轴向和弦向。在本试验条件下，初生软木的径向尺寸增长在10.2%～10.9%之间，再生软木的径向尺寸增长在20.1%～20.3%之间，初生软木的非径向(轴向和弦向)尺寸增长在1.8%～3.4%之间，再生软木的非径向尺寸增长在1.4%～2.8%之间。这是因为软木是由木栓形成层沿垂直于树轴方向(即径向)向外分生而形成的栓皮层，细胞在生长过程中由于受到应力及自然挤压的影响，在径向存在更多的褶皱(图1a和1b)，蒸煮处理后的软木细胞在径向有更多的褶皱变平直，在宏观上表现为径向尺寸变化大于非径向。此外，初生和再生软木体积膨胀率分别为15.4%～17.1%和24.8%～26.8%，密度降低范围分别为12%～15%和20%～21%。

沸水不同蒸煮处理时间前后初生和再生软木的表面硬度及其变化比值见表2。表2可见，初生和再生栓皮栎软木经不同时间沸水蒸煮后的硬度变化比值均小于1。水分和热量的作用使软木中的杂质有所减少，细胞壁中的木质素和半纤维素等成分会发生一定程度的塑化，导致硬度降低，软木变得较为柔软。与未处理软木相比，蒸煮处理后立即测硬度时，其值明显降低；当沸水蒸煮后的软木含水率调整到与未处理软木一致时，硬度又有一定程度的升高，但仍低于未处理前软木的硬度值。

表2 沸水不同蒸煮处理时间前后栓皮栎软木表面硬度及其变化比值Table 2 Surface hardness and its change ratios of cork from Quercus variabilis before and after differentwater boiling treatment times

注：括号中数据为硬度变化比值。

沸水蒸煮处理对初生和再生软木硬度的影响不同，在本试验条件下沸水蒸煮并调整含水率至与未处理软木一致后，初生和再生栓皮栎软木的硬度值分别降低了19.2%～19.7%和27.6%～28.1%。与再生软木相比，初生软木中含有较多的夹砂杂质，软木中的夹砂硬度较大，影响软木的平均硬度值，蒸煮处理可以降低软木硬度，但不能完全除去杂质。因此，夹砂含量的不同，使初生和再生软木硬度的降低程度也不同。

由表2还可以看出，蒸煮后立即测得的硬度值在总体上随着蒸煮时间的延长而减小，而调整试样含水率后，蒸煮时间对硬度的变化没有明显影响。这是因为随着蒸煮时间的延长，软木内部渗透的水分也越多，水热作用使软木细胞更加润胀和柔软，立即测得的硬度值也越低，硬度变化比值减小。本试验条件下的沸水蒸煮温度(98℃左右)没有达到软木中的木质素和纤维素玻璃化转变温度，当调整蒸煮后试样含水率到其初始值时，由于含水率的降低，软木又有恢复其原有硬度特性的能力，而且试样本身之间存在差异，使得试验范围内蒸煮时间对处理后软木试件硬度变化比值的影响没有明显规律。

沸水蒸煮处理前后初生和再生软木试件的压缩回弹率见表3。由表3可知，未处理的初生和再生栓皮栎软木试件在受压并释放15 min后可达到较大程度的回弹，其值分别是83.16%和85.86%，而在受压并释放24 h后压缩回弹率值分别达到88.42%和90.82%，因此，软木是一种压缩回弹性能优良的材料。不同时间的沸水蒸煮处理会导致初生和再生栓皮栎软木压缩回弹率的实际数值有不同程度的降低。由于软木是一种黏弹性材料，蒸煮处理后塑性会增加，而处理后的软木试件受到压缩时容易产生新的褶皱，可能会导致软木压缩回弹率有所降低。但是蒸煮处理后，软木的径向尺寸明显增大，试件压缩后的径向实际回复尺寸值未必小于未处理试样，由于本试验的压缩回弹率值只是不同试样压缩后回复的最终厚度与初始厚度之比，因此，蒸煮处理对软木压缩回弹率的具体影响还需深入研究。

表3 沸水不同蒸煮处理时间后栓皮栎软木的压缩回弹率Table 3 Compression resilience ratios of cork from Quercus variabilis after different water boiling treatment times

2.3 沸水处理对栓皮栎软木表面色度学参数的影响

沸水蒸煮处理前后初生和再生软木试件表面色度学参数结果见表4。由表4可知，沸水蒸煮处理导致试件在处理前后出现了明显的色差变化，处理前后初生和再生栓皮栎软木试件的总体综合色差ΔE*的范围分别为14.97～17.27和12.15～18.44。栓皮栎软木试件表面色度学参数发生了不同程度的变化，其中明度的变化是导致试件在处理前后总体综合色差较大的主要原因，在本试验条件下初生和再生软木试件处理前后的明度差ΔL*均为负值，即蒸煮处理会导致栓皮栎软木表面的明度值降低。随着沸水蒸煮处理时间的增加，处理前后栓皮栎软木试件表面的总体色差ΔE*的变化呈现出明显的规律性，且与明度差ΔL*的变化规律相似，即随着蒸煮处理时间的增加，试件表面的明度降低，处理前后栓皮栎软木试件表面的明度差绝对值明显增大，总体综合色差增大。

表4 沸水不同蒸煮处理时间前后栓皮栎软木表面色差值Table 4 Surface color difference of the cork from Quercus variabilis before and after different water boiling treatment times

注：ΔE*表示处理前后试件的总体综合色差，数值越大表示处理前后试件的颜色差异越大。

3 结 论

以栓皮栎软木为研究对象，采用沸水进行蒸煮处理，系统研究了蒸煮处理对软木微观构造及主要物理特性的影响规律，结果表明：

1)沸水蒸煮会导致栓皮栎软木细胞体积膨胀，细胞壁褶皱减少。

2)沸水蒸煮能使栓皮栎软木的体积增大、密度降低，初生和再生软木径向的尺寸变化率明显大于轴向和弦向。在本试验范围内，初生和再生软木的径向尺寸增长范围分别为10.2%～10.9%和20.1%～20.3%，非径向尺寸增长范围分别为1.8%～3.4%和1.4%～2.8%；初生和再生软木体积膨胀率分别为15.4%～17.1%和24.8%～26.8%，密度降低范围分别为12%～15%和20%～21%。

3)沸水蒸煮会降低初生和再生栓皮栎软木的表面硬度，但在本试验范围内，当蒸煮后软木含水率调整到与未处理一致时，蒸煮时间对硬度变化比值的影响不明显。软木是一种压缩回弹性能优良的材料，压力释放24 h后，未处理的初生和再生栓皮栎软木的压缩回弹率可达88.42%和90.82%，蒸煮处理1 h后的初生和再生栓皮栎软木也能保持较高压缩回弹率，分别为85.20%和84.23%。沸水蒸煮对软木压缩回弹率的具体影响还需深入研究。

4)沸水蒸煮处理可降低初生和再生栓皮栎软木试件的表面明度，随着处理时间的增加，处理前后栓皮栎软木试件表面明度差的绝对值明显增大，总体综合色差增大。

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Effects of boiling water treatment on main physicalproperties of cork fromQuercusvariabilis

YUAN Yidan, ZHU Lingyan, SONG Xiaozhou*

(College of Forestry, Northwest A & F University, Yangling 712100, Shaanxi, China)

The original and reproduced cork samples fromQuercusvariabiliswere collected from the Qinba Mountain in Shaanxi Province, China. Cell structural features, principal physical properties and colorimetric parameters of the corks were investigated before and after boiling water treatment in order to explore the influences of boiling water treatment on the original and reproduced corks. The microscopic structures of the original and reproduced corks were observed by using the field emission scanning electron microscope (FE-SEM), and the characteristic parameters of the cork cells were analyzed with the software of Image-Pro Plus 6.0. The main physical properties, such as density, hardness, compression resilience ration and colorimetric parameters were measured by the techniques based on the relevant national and industrial standards and literatures. All parameters were measured before and after the boiling water treatment. The results of FE-SEM observation showed that the boiling water treatment could result in attenuation of cell-wall corrugation and cork cell expansion. The boiling water treatment led to volume expansion and density reduction of the corks fromQ.variabilis. The volume growth ranges of original and reproduced corks were 15.4%-17.1% and 24.8%-26.8%, respectively. The density change ratios of the original and reproduced corks were 0.85-0.88 and 0.79-0.80, respectively. The maximum volume expansion occurred when the samples were treated for 1 h. The boiling water treatment caused a reduction of hardness, while the change ratio of hardness was not affected by processing time. The mean hardness change ratios of the original and reproduced corks were 0.804 and 0.724, respectively, after 1 h boiling. In addition, the boiling water treatment caused brightness reduction of the samples, and the color difference increased with the increase of processing time. The cork had excellent compression recovery performance, and the mean radial compression resilience ratios of the original and reproduced corks after 24 h pressure relief were 88.42% and 90.82%, respectively. However, the influence of boiling water on the recovery performance still needs further studies.

cork fromQuercusvariabilis; boiling water treatment; physical property; colorimetric parameter; cellular structure

2016-12-22

2017-03-02

国家自然科学基金(31470583)。

苑一丹，女，研究方向为木材科学与技术。通信作者：宋孝周，男，教授。E-mail:xzhsong@163.com

S781.3

A

2096-1359(2017)03-0044-06