2种杨树湿心材化学成分分析

李明月，段洪南，吴振强，李兴会，邱 坚

(西南林业大学 材料科学与工程学院，云南 昆明 650224)

杨树是我国重要的速生用材树种之一，在全国各地均有种植，生长周期短[1]，分布广，品种多，适应性强。湿心材现象是影响杨树正常生长及有效利用的重要问题，同时杨树湿心材的发生率高达100%[2]。有些树木中存在一些有臭味的液体，这些液体会从树木的伤口冒出同时还伴有气泡，这是所谓湿心树材[3]。湿心材的特征是心边材含水率不同，心材远高于边材，并且常常出现心材变色的现象。活立木中央部分含水率高，暴露于空气中会显出深褐色或红色，在一些树种中常称之为“变色材”或“红心病”[4-5]。通常湿心材对木材生长不会有致命的影响，但是湿心材会影响木材干燥、降低木材品质，造成经济损失[6]，因此各国学者对湿心材进行了广泛研究和报道。

我国对于杨树湿心材的成因也得出不同的结论，主要有3种不同的看法：1)病理性，由于微生物在树木内部活动，使心材产生物理化学变化，形成湿心材。病理性湿心材有2种：原发性和继发性。2)生理性，树木自身的保护反应，为防御伤口等外界伤害，产生的生理作用而形成湿心。3)生理和病理综合作用。而晁龙军[7]等发现1种病原真菌Fusariumproliferaturn致病力强，是引起我国杨树湿心材的主要病原之一。杨树湿心材与基因、树龄、栽植密度、地下水位等多种因素有关系[5]。湿心材很可能是由多种细菌共同作用导致，与环境因素有关。不同树种湿心材的微生物组成、气体、液体和pH值均不同。尽管对湿心材的研究已经取得了不少成果[8-9]，但是关于湿心材的成因，目前还没有被各国学者广泛接受的定论。笔者认为，杨树湿心材的化学成分与边材的化学成分之间必然存在差异，这些差异不仅可以明确杨树湿心材的利用方向，同时反应了杨树湿心材形成的原因，为此本试验测定2种杨树三脉青杨(Populustrinervis)、康定杨(Populuskangdingensis)湿心材与边材的主要化学成分，分析杨树湿心材与边材主要化学成分差异，为杨树湿心材形成原因及杨树湿心材的有效利用提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

具有湿心材现象的三脉青杨(P.trinervis)、康定杨(P.kangdingensis)，树龄15 a左右，试验样品取自地面高度1.5 m处的木质部。各取2种样品，将湿心材部分与边材部分分开处理，分别将湿心材部分和边材部分劈成小木块并在万能粉碎机中粉碎，选取40～60目原料备用。

1.2 主要化学成分分析

2种样品的基本化学组分分析，按照中华人民共和国国家标准测定：灰分按照 GB2677.3-93测定、水抽出物含量按照GB2677.4-93测定、1%NaOH抽出物含量按照GB2677.5-93测定、综纤维素(纤维素和半纤维素)含量测定按照GB2677.10-1995测定。

苯-乙醇抽出物含量测定：称取3 g(精确至0.000 1 g)试样,用苯-乙醇混合液抽提过的定性滤纸包扎好,放入索氏抽提器中进行抽提，确保抽提次数大于4次/h，抽提6 h。抽提完毕后，将底瓶先置入(55±2)℃的烘箱中绝干，在调温度至(105±2)℃恒重。

酸不溶木素含量测定：准确称取1 g试样进行苯醇抽提后风干。移入100 mL的具塞锥形瓶中，加入15 mL 72%的硫酸后密封，在18～20℃条件下保温2 h，并不时摇荡锥形瓶。2 h后将锥形瓶内物质吹洗到锥形瓶中，确保液体总体积为560 mL，确保液体总体积为560 mL的条件下煮沸4 h，过滤、将滤渣洗涤至中性，滤渣移入烘箱，(105±2)℃条件下烘干至质量恒定称重。

2 结果与分析

对具有湿心材现象的三脉青杨、康定杨的湿心材和边材分别进行主要化学成分分析结果如表1。每组样品测试3次，在误差范围内取平均值，表格中为3次测试平均值。

表1 2种杨树湿心材与边材化学成分分析

2.1 细胞壁主要成分

作为细胞的承载物质细胞壁的主要成分是综纤维素和木质素。由表1可以看出，三脉青杨的湿心材的综纤维素含量为78.17%，边材综纤维素含量为79.22%，康定杨湿心材综纤维素含量为79.56%，边材的综纤维素含量为83.05%。2种杨树湿心材综纤维素含量均小于边材总纤维含量。三脉青杨湿心材中木质素含量为25.21%，边材的木质素含量为21%。康定杨树湿心材质素含量为21.42%，边材木质素含量为20.04%，2种杨树的木质素含量心材高于边材。

2.2 灰分

灰分是木材的木质部经过灼烧后残留的无机物组成的，主要化学成分是Ca、K、Na、Mg等无机盐。由表1可以看出，杨树的灰分在0.5%左右，相对于云南甜竹等禾本科植物杨树的灰分含量较低，这有利于杨树在制浆造纸利用后废液的回收。其中三脉青杨湿心材灰分为0.65%，边材灰分为0.45%。康定杨的湿心材灰分为0.59%，边材的灰分为0.47%，二者心材的灰分含量均大于边材灰分含量。

2.3 抽出物

抽出物是树木生理代谢的产物，是评价木材利用的重要指标，也是探究植物代谢过程的依据。水抽出物的主要成分是糖类、淀粉类、精油、单宁、色素等。由表1可以看出，三脉青杨湿心材热水抽出物为2.9%高于边材热水抽出物1.78%，同样康定杨的湿心材热水抽出物的含量3.35%也高于其边材热水抽出物的含量1.75%。三脉青杨湿心材冷水抽出物含量为1.95%高于边材冷水抽出物的含量1.32%，康定杨湿心材冷水抽出物的含量1.96%同样高于其边材冷水抽出物的含量1.45%。苯醇抽出物的主要成分是脂肪类。由表1可以看出，三脉青杨湿心材苯醇抽出物含量为3.50%小于边材苯醇抽出物的含量3.95%，同样康定杨湿心材苯醇抽出物的含量1.55%也小于边材苯醇抽出物的含量2.05%。康定杨总体苯醇抽出物的含量要小于三脉青杨。由表1可以看出，三脉青杨湿心材1%NaOH抽出物含量为14.84%小于边材1%NaOH抽出物的含量18.21%，同样康定杨湿心材1%NaOH抽出物的含量14.79%也小于边材1%NaOH抽出物的含量19.356%。

3 结论与讨论

2种杨树湿心材木质部与边材木质部主要化学成分有明显的差异，综纤维素含量湿心材低于边材，木质素含量湿心材高于边材。木材细胞壁是树木的实质承载结构，是以纤维素微纤丝为增强相，木质素、半纤维素为基质的层板结构纳米复合材料[10]。综纤维素和木质素是细胞壁的主要化学物质，是判断原材料利用价值的主要依据，杨树湿心材与边材的综纤维素含量和木质素含量是其利用的重要标准。从细胞壁主要成分来看，2种杨树湿心材的综纤维素含量都低于边材的综纤维素含量，但是2种杨树湿心材的纤维素含量仍然高于禾本科植物综纤维素含量如龙竹、甜龙竹[11]，是较好的纤维材料。而在造纸制浆过程中木质素含量多，会降低化学法制浆的纸浆得率，如果制浆过程中木质素残留量较大，可能出现纸张泛黄的现象[12]。湿心材木质素含量相对于边材较高，湿心材在制浆造纸过程中湿心材比边材出现纸张泛黄的可能性大，同时由于杨树湿心材位置颜色较深，对于杨树的利用有一定影响。综纤维素和木质素含量的变化，是木材生理代谢不同阶段的成果，湿心材与边材综纤维素和木质素含量测定为杨树湿心材形成过程中生理代谢产生不同现象提供数据基础。木质素是木材细胞壁中的重要组成部分，木质素含量的变化与植物生长代谢及收到刺激后的防御反应有很大的相关性。有学者研究表明当植物收到外界刺激，产生的防御反应中木质素含量增加是其中重要的一个现象[13]，主要是因为木质素的主要结构是芳香族化合物，而芳香族化合物具有一定的防御效果，在植物受到环境胁迫后产生防御反应，保护植物。2种杨树的湿心材的酸不溶木质素含量均大于边材酸不溶木质素的含量，说明木质素含量增加是湿心材在形成过程中受到外界的刺激而产生防御反应，是植物自我保护一种机制。

2种杨树中湿心材灰分都高于边材灰分含量。湿心材的灰分含量较边材高可能由于杨树湿心材的水分含量较高，水中含有大量的无机盐类物质，从而造成湿心材灰分含量高。也有学者认为由于湿心材的无机盐含量高而增加心边材的渗透压，迫使水分大量由边材渗透到心材，形成湿心材的现象[8]，这与本研究的结论相符。

抽出物主要存在于细胞的组织液中，主要成分是糖类、蛋白类物质、淀粉、氨基酸、脂肪、蜡、树脂、精油、单宁、色素等。这些非细胞壁物质，因极性、酸碱性和分子质量的不同，在不同溶剂中的溶解度各不相同是纤维类化合物利用评价的一个重要指标[14]。抽出物是树木生长生理变化的体现，也是木材在利用过程中的一个重要指标，一般阔叶材的心材抽出物含量较边材高[15]。2种杨树心边材抽出物测定结果是：苯醇抽出物含量湿心材小于边材，1%NaOH抽出物的含量湿心材小于边材，冷水抽出物的含量湿心材小于边材，热水抽出物含量湿心材小于边材。2种杨树湿心材的水抽出物含量大于边材，说明湿心材含有较高含量的水溶性物质。这说明刺激杨树湿心材形成过程中植物中不可溶于水的化合物逐渐代谢成为水溶性物质如单糖、低聚糖、氨基酸等可溶性亲水矿物质而被水抽出。杨树湿心材水抽出物的含量与一般树种正常形成的心材的抽出物含量相反，说明杨树湿心材的形成原因与正常的树种心材形成的原因不同。2种杨树湿心材的苯醇抽出物的含量均小于边材苯醇抽出物的含量，有学者认为杨树湿心材形成是由于病源真菌的作用，2种杨树心材苯醇抽出物的含量均小于边材苯醇抽出物含量，说明湿心材形成过程中会抑制脂肪类等溶解于有机溶剂的物质产生。1%NaOH抽出物的主要成分热水抽出物和脂肪酸及在弱碱条件下降解的半纤维素和木质素[11]，是造纸工艺中评价原料的重要指标。碱性制浆可以提高纸浆的强度特性，因为稀释的碱液处理原料可以溶解部分半纤维素链段，得到较长链段的纤维素，从而增强纸浆强度[16]。湿心材的1%NaOH抽出物含量小于边材，说明在湿心材中半纤维素含量较低，在碱性制浆造纸过程中湿心材作为原料更有利于提高纸张强度。