我国常见瑞香科韧皮纤维结构特征研究

俞梦兰 刘梦茹 师莉升 肖玉英 李海龙

（华南理工大学轻工科学与工程学院，广东广州，510640）

瑞香科植物约有48属、650种以上，多数种类的韧皮纤维发达，纤维细长柔软、韧性强，是高级用纸和人造棉的优质原料。我国有10属、100种左右，主要分布于我国长江流域及以南地区。其中，瑞香属、荛花属、结香属、沉香属、狼毒属在我国较为常见，它们的韧皮纤维都可用于造纸，是优质的造纸原料。其中，结香韧皮纤维已被用于生产钞票纸和证券纸，而荛花（荛花属）的韧皮纤维和狼毒草（狼毒属）的根部韧皮纤维，分别是我国古代东巴纸[1]和藏纸[2-3]的主要原料。

细胞壁是植物纤维的主体，对纤维的理化性能起着决定性的作用。研究表明，纤维细胞壁的结构包括壁层结构、孔结构、微纤丝排列等，对纤维本身的性能有着重要影响[4-5]，这也必将影响最终成形的纸张质量。目前，国内外研究者对木材纤维和竹纤维的细胞壁结构进行了大量的研究[6-8]，瑞香科韧皮纤维虽是优良的造纸原料，但对其细胞壁结构的研究报道却较少。

本研究以芫花（瑞香属）、荛花（荛花属）、结香（结香属）和土沉香（沉香属）的茎部韧皮纤维及狼毒草（狼毒属）的根部韧皮纤维为研究对象，利用光学显微镜、场发射扫描电子显微镜、冷冻扫描电子显微镜、原子力显微镜和二维广角X射线衍射仪等技术手段，对5种瑞香科韧皮纤维的细胞壁结构进行了研究，为瑞香科韧皮纤维的开发与利用提供了理论基础和依据。

1 实验

1.1 实验原料

本实验所用原料产地如表1所示。

表1 5种瑞香科植物原料产地Table 1 Origins of five Thymelaeaceae raw materials

1.2 实验试剂及仪器

冰醋酸（广州化学试剂厂）；过氧化氢（广州化学试剂厂）；赫氏染色剂。

冷冻干燥机（Christ,Alpha 1-4 LSCplus）；冷冻切片机（Leica, CM1850-01）；纤维形态测定仪（Techpap, Morfi）；光学显微镜（Olympus, BX51）；场发射扫描电子显微镜（FESEM，Hitachi，SU5000）；冷冻扫描电子显微镜（Cryo-SEM，FEI，Quanta 450）；原子力显微镜（AFM，Bruker，MultiMode 8）；二维广角X射线衍射仪（XRD，Rigaku，HomeLab）。

1.3 实验方法

1.3.1 纤维样品制备

取部分枝条，以2 cm 为取样单位（其中狼毒草取根部韧皮部），放入盛有FAA 固定液（50%乙醇∶36%～40%甲醛∶冰醋酸=18∶1∶1）的容器中密封保存，剩余枝条取韧皮部，去最外层表皮后风干保存。

取在FAA 固定液中浸泡48 h 以上的样品，用冷冻切片机进行切片，保存待用。

取适量风干韧皮原料，采用富兰克林离析法（双氧水∶冰醋酸=1∶1，60℃）进行解离，直至解离为单根纤维，清洗纤维至洗涤水呈中性，待用。

1.3.2 纤维形态表征

采用纤维形态测定仪测量纤维的长度、宽度、粗度等形态参数，使用Image-Pro Plus 软件对常规切片的扫描电镜图进行分析，测量200根以上纤维的细胞壁厚并求平均值。另取适量纤维于载玻片，用赫氏染色剂染色后在光学显微镜下观察纤维形态。

1.3.3 FESEM观察

利用FESEM 对冷冻干燥后的纤维和常规切片进行观察，喷金时间30 s，加速电压1.5 kV。

1.3.4 Cryo-SEM观察

利用Cryo-SEM 对从未干燥过的湿纤维进行观察，纤维样品在冷冻传输系统中进行喷金（铂金）处理，喷镀时间30 s，加速电压10 kV。

1.3.5 AFM观察

利用AFM 对冷冻干燥后的纤维和冷冻切片进行观察，分别表征纤维初生壁的微纤丝排列和纤维细胞壁的截面形貌。实验过程中采用接触模式进行成像，得到的图像用离线软件NanoScope_Analysis 进行分析处理。

1.3.6 纤维细胞壁层结构分析

取适量从未干燥过的湿纤维用液氮进行脆断，脆断后的纤维冷冻干燥后用FESEM进行观察。

1.3.7 微纤丝角测试

将去除表皮的风干韧皮裁成4 mm×4 mm 试样，用二维广角XRD 进行测试，测试得到的衍射图用Fit 2D 软件进行处理，导出衍射曲线图并用Origin 软件进行高斯拟合（Gauss Amp），使用0.6 T法[9]计算微纤丝角。

2 结果与讨论

2.1 纤维形态分析

纤维的基本形态特征，如纤维长度、宽度、粗度和壁厚等参数是衡量纤维材料性能优劣及其利用价值的重要指标。表2 为5 种瑞香科韧皮纤维的纤维形态分析。由表2 可知，荛花、结香、狼毒草、土沉香、芫花的韧皮纤维平均长度分别为2.56、3.90、3.49、2.15、3.00 mm，平均宽度分别为13.45、17.50、15.95、13.10、16.60 μm，5 种瑞香科韧皮纤维的长宽比较大（约为160～220），远高于木材纤维（针叶木长宽比约为60～80，阔叶木长宽比约为30～65）[10]。长宽比大的纤维在成纸时纤维分布细密，纤维之间相互交织的次数多，纸张强度高。5 种瑞香科韧皮纤维的粗度均＜10 dg，纤维粗度＜10 dg 的纸张细腻、平滑度好。5 种瑞香科韧皮纤维中，结香韧皮纤维的壁厚最大（2.52 μm），而狼毒草韧皮纤维的壁厚最小（1.20 μm），仅为结香韧皮纤维的50%左右。

表2 5种瑞香科韧皮纤维形态分析Table 2 Morphological analysis of five Thymelaeaceae phloem fibers

图1 为5 种瑞香科韧皮纤维的光学显微镜图。从图1 可以看出，5 种韧皮纤维经过赫氏染色剂染色后呈蓝紫色，纤维整体细长，纤维末端呈钝尖形，表面均存在非常明显的横节纹，其中结香韧皮纤维和土沉香韧皮纤维的中部存在明显较宽的部分。

图1 5种瑞香科韧皮纤维的光学显微镜图Fig.1 Optical micrographs of five Thymelaeaceae phloem fibers

2.2 FESEM分析

5 种瑞香科韧皮纤维表面和常规切片的场发射扫描电镜观察的结果分别如图2 和图3 所示。从图2（A-1）～图2（E-1）中可以看出，5 种瑞香科韧皮纤维整体细长，呈扁平状，纤维末端渐细，其中狼毒草韧皮纤维的扁平状特征更明显。另外，从图2（A-2）～图2（E-2）可以看出，5 种纤维表面粗糙，存在明显的纵向波纹状褶皱，从图2（A-3）～图2（E-3）中发现韧皮纤维初生壁的微纤丝呈网状排列，这和现已提出的纤维细胞壁微细结构模型一致[11]。

图2 5种瑞香科韧皮纤维表面的FESEM图Fig.2 FESEM images of five Thymelaeaceae phloem fibers

从图3（A-1）～图3（E-1）中可以看出，5 种瑞香科韧皮纤维都存在明显的胞腔，呈椭圆状，具有中空结构的纤维往往具有较好的吸收性[12]，其中荛花、芫花、结香韧皮纤维的胞腔相较于土沉香、狼毒草韧皮纤维的胞腔更大。从图3（A-2）～图3（E-2）中可以发现组成纤维细胞壁的微纤丝排列紧密。

图3 5种瑞香科韧皮部常规切片的FESEM图Fig.3 FESEM images of five Thymelaeaceae phloem sections

2.3 AFM分析

图4 和图5 分别为利用AFM 观察的5 种瑞香科韧皮纤维表面的微纤丝纹理和纤维截面。从图4中可以发现，5 种瑞香科韧皮纤维表面的微纤丝呈网状随机交织排列，这和FESEM 观察结果相似。同样的成像范围内，土沉香的微纤丝排列数量最少，即其微纤丝尺寸最大，而荛花的微纤丝排列最细密。从图5中可以看出，5 种瑞香科韧皮纤维截面（冷冻切片、脆断面）的微纤丝在细胞壁中排列紧密。微纤丝截面呈不规则形状（微纤丝的截面不会有颗粒存在，应为微细纤维端部）。

图4 5种瑞香科韧皮纤维表面的AFM图Fig.4 Surface AFM images of five Thymelaeaceae phloem fibers

图5 5种瑞香科韧皮纤维截面的AFM图Fig.5 Cross-section AFM images of five Thymelaeaceae phloem fibers

2.4 Cryo-SEM分析

纤维在干燥的过程中，其结构发生了一定程度的塌陷、皱缩，为了观察纤维在含水状态下的真实形貌[13]，本研究利用Cryo-SEM 技术对5种瑞香科韧皮纤维进行了观察。图6为5种瑞香科韧皮纤维利用Cryo-SEM 观察得到的图像，并与冷冻干燥后使用FESEM观察得到的图像进行对比。从图6中可以发现，相较于冷冻干燥后的纤维，5 种瑞香科韧皮纤维在含水状态下更加硬挺、饱满，纤维表面光滑，没有明显的纵向波纹状褶皱，这可能是因为纤维在有水的条件下发生了吸水润胀。研究纤维含水状态下的结构不仅有助于认识纤维的真实形貌，还可以为纤维成纸时彼此之间的交织方式提供研究基础。

图6 5种瑞香科韧皮纤维表面的Cryo-SEM图和FESEM图对比Fig.6 Comparison of Cryo-SEM and FESEM images on the surface of five Thymelaeaceae phloem fibers

2.5 纤维壁层结构分析

纤维细胞壁由初生壁（P）、次生壁外层（S1）、次生壁中层（S2）、次生壁内层（S3）等层次所构成，但研究发现，一些植物纤维并不是典型的3层结构，而是具有厚薄交替的多壁层结构，这种多壁层结构对纤维的力学性能具有较大影响[4]。图7 是利用液氮对5 种瑞香科韧皮纤维进行脆断后观察到的纤维细胞壁结构。从图7 中可以看出，5 种瑞香科韧皮纤维细胞壁经过液氮脆断后，出现了明显的分层现象，且每一层的厚度相差不大，特别是荛花、芫花、结香、土沉香的韧皮纤维，壁层数量较多，较难分辨清楚具体的层数，而狼毒草韧皮纤维的壁层结构相对不明显。

图7 5种瑞香科韧皮纤维的壁层结构FESEM图Fig.7 FESEM images of wall structure of five Thymelaeaceae phloem fibers

2.6 纤维细胞壁微纤丝角度分析

次生壁的微纤丝角是影响纤维微观力学性能及原料宏观力学性能的重要因素之一，微纤丝角小，纤维的抗拉强度大，拉伸弹性模量高。另外，次生壁的微纤丝角也是影响纸浆打浆难易的重要因素，微纤丝角度越小，纤维越容易分丝帚化[14-15]。图8 是利用二维广角XRD 测得的5 种瑞香科韧皮纤维的衍射图。从图8中可以看出，荛花、芫花、结香、土沉香韧皮纤维的衍射图中存在非常明显的对称弧段和对称斑点，说明纤维取向良好。狼毒草韧皮纤维的衍射图中的对称弧段和对称斑点相对不明显，其纤维取向性较差。

图8 5种瑞香科韧皮纤维的XRD图Fig.8 XRD patterns of five Thymelaeaceae phloem fibers

图9 为5 种瑞香科韧皮纤维的X 射线衍射图。表3为5种瑞香科韧皮纤维的微纤丝角。从图9和表5可以看出，瑞香科韧皮纤维均存在明显的双衍射峰，其中荛花、结香和土沉香韧皮纤维的峰形比较尖锐，存在明显的结晶区，微纤丝角分别为10.66°、10.55°和10.20°，芫花韧皮纤维的峰形尖锐度其次，微纤丝角为19.67°，而狼毒草韧皮纤维的双峰都较宽且峰形圆润，其无定形区占比相对较大，微纤丝角为40.11°。

图9 5种瑞香科韧皮纤维的XRD谱图Fig.9 XRD spectra of five Thymelaeaceae phloem fibers

表3 5种瑞香科韧皮纤维的微纤丝角Table 3 Microfibril angle of five Thymelaeaceae phloem fibers

3 结 论

本研究利用光学显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜、二维广角X射线衍射仪等技术手段对我国常见的5种瑞香科韧皮纤维的结构进行了研究，为瑞香科韧皮纤维的开发与利用提供了研究基础。

3.1 5 种瑞香科韧皮纤维整体细长，长宽比远大于一般的木材纤维，存在明显的横节纹，其中结香和土沉香韧皮纤维存在一段明显较宽的部分。

3.2 5 种瑞香科韧皮纤维表面粗糙，均存在纵向波纹状褶皱，初生壁微纤丝呈网状交织排列，其中土沉香韧皮纤维的微纤丝尺寸最大，荛花韧皮纤维的微纤丝排列最细密。另外，5 种瑞香科韧皮纤维的次生壁微纤丝排列紧密，微纤丝截面呈不规则形状。

3.3 5种瑞香科韧皮纤维均存在多壁层结构，其中荛花、芫花、结香、土沉香的韧皮纤维的壁层结构明显，壁层数量较多，而狼毒草韧皮纤维的壁层结构不明显。

3.4 5 种瑞香科韧皮纤维中，荛花、结香、土沉香和芫花韧皮纤维的微纤丝角分别为10.66°、10.55°、10.20°和19.67°，远小于狼毒草韧皮纤维（40.11°）。