非木材植物纤维细胞壁中木质素的分布

出处：按学科分类—工业技术 中国轻工业出版社《常用非木材纤维碱法制浆实用手册》第75页（3494字）

近年来我国高等院校和科研单位对我国造纸常用非木材植物纤维原料中的木质素在细胞壁中的分布情况作了较多研究，研究方法采用扫描电镜－X射线能谱(SEM－EDXA)法，染色用溴化法或高锰酸钾法。这些原料各形态区的校正体积百分数、木质素浓度及木质素含量占原料总木质素的百分数的研究数据汇总列入表2－7－5中。

表2－7－5 非木材植物原料木质素在细胞壁中的分布(SEM－EDXA分析)

注：①麦草、荻、蔗渣、红麻为溴染色、芦苇、棉秆为KMnO₄染色。

②CC－细胞角隅；CML－复合胞间层；S－次生壁。

对不同原料木质素的分布研究认为，阔叶木和草类原料木质素在细胞壁中的分布情况，与针叶木有某些差别，其胞间层及细胞壁外层的木质素较多，而不象针叶木的木质素较多地深入到细胞壁内层(次生壁中层和内层)。

由表2－7－5所列结果可看出，各种原料木质素在细胞壁中分布的规律相同。即：

木质素浓度：CC＞CML＞S

木质素占总木质素的百分数：S＞CML和CC

1．麦草

南京林业大学采用溴化法SEM－EDXA分析麦草纤维不同形态区的木质素分布的研究结果表明，麦草复合胞间层(CML)和角隅区(CC)木质素的密度较高。厚壁纤维CML和CC木质素密度分别为S层的2．45倍和3．4倍；薄壁纤维则分别为S层的2．2倍和4．3倍。

麦草木质素含量以S层最多。厚壁细胞中CC、CML和S层木质素含量是分别为14．5%、18．0%和67．5%；在薄壁纤维中则分别为22．2%、20．3%和57．5%。

2．荻

华南理工大学采用SEM－EDXA技术研究荻纤维木质素的分布结果为：细胞角隅、复合胞间层和次生壁的木质素密度分别为60．7%、44．6%和17．6%。各微区木质素含量占原料总木质素含量的比例分别为22．4%、14．7%和60．9%。

3．芦苇

轻工业部造纸工业科学研究所采用高锰酸钾染色以及溴处理试样，用电子显微镜与X射线能谱相配合的方法，研究了木质素在芦苇细胞组织中的分布。显色现象说明，在细胞角隅区，木质素密度最大，其次是复合胞间层和S₁层。S₃层木质素密度较S₂层略高。此外，在次生壁的微细薄层间，还显示出一圈圈的同心圆状结构，说明木质素也存在于这些部位。

用KMnO₄染色法SEM－EDXA分析测定芦苇沿两根相邻的纤维壁各层剖面锰元素的谱线峰值，列于表2－7－6，它可间接反映木质素的密度大小。

表2－7－6 芦苇细胞壁各部位木质素峰值

如以各层的平均峰值为纵坐标，以各层组织在细胞中所占比例(即各层细胞壁的百分含量)为横坐标作图，则曲线下各区域所包括的面积即为各区木质素的相对含量，如图2－7－3所示。由于芦苇细胞壁层厚度变化较大，所示图形带有局限性，但仍可以说明：虽然初生壁和胞间层木质素密度大，但在细胞壁中所占比例少，因而绝大多数木质素仍存留在次生壁中，其相对比例约为：CML－19%，S₁－29%，S₂－47%，S₃－5%。

图2－7－3 芦苇纤维细胞壁各层中木质素的相对含量

采用溴染色法研究了木质素在芦苇各种类型细胞中的相对量，其测定峰值如表2－7－7所示，峰值越高，表示木质素的密度越大。

表2－7－7 芦苇各种细胞中澳(即木质素)的相对峰值 (单位：ev)

表2－7－7中所列数据说明：各种细胞中，木质化程度最高的是纤维细胞，薄壁细胞和导管分子次之，而在外表皮膜上木质素含量相对较低。

4．甘蔗渣

华南理工大学研究了甘蔗渣木质素的微区分布。在经KMnO₄染色的甘蔗纤维横切面中，可以根据颜色深浅判断木质素浓度的高低，木质素浓度变化的规律为：CC、CML＞S₁、S₃＞S₂；而在次生壁分层异常的纤维中，木质素浓度呈现了低——高——低——高的交替变化，即宽层木质素浓度低，窄层木质素浓度高。

通过溴化法SEM－EDXA分析，测定甘蔗渣纤维横切面的不同形态区域中木质素浓度的差别(用溴浓度值表示)，结果如表2－7－5中数字所示。木质素密度的变化情况为：CC＞CML＞S，在CC中木质素的密度约为S壁中的两倍，而CML中则为S壁中的1．6倍。

应用SEM－EDXA测定经过KM_nO₄染色的甘蔗渣横切面，观察结果认为：各部位的细胞中，木质素的密度不同。节部纤维中密度最高，皮部次之，髓部则较低。

5．毛竹

西北轻工业学院和轻工业部造纸研究所采用超薄切片、高锰酸钾染色、SEM－EDXA技术研究了不同竹龄的皖南经县毛竹纤维细胞壁中木质素的分布状况。由表2－7－8所列结果可以看出，毛竹与其它材种一样，由细胞角隅开始木质化，且符合CC＞CML＞S₂浓度分布规律。在生长过程中，不同微区木质化速率随竹龄有显着变化，即CML和S₂加快，而CC则减慢，最终使得CC、CML、S₂木质素浓度差别减小。

表2－7－8 毛竹木质素分布能谱测定的Mn－Kα计数值

电镜观察发现，次生壁中木质素并非均匀分布，在宽层木质素浓度较低，而窄层木质素浓度较高。

6．红麻

天津轻工业学院造纸研究室采用溴化法SEM－EDXA技术，研究了红麻韧皮部和木质部纤维细胞壁中木质素的微区分布。由表2－7－5中所列研究结果表明，红麻不论是韧皮部还是木质部，各纤维形态区的木质素浓度均服从CC＞CML＞S这一规律。红麻皮细胞角隅木质素浓度约为次生壁中的5．5倍，而红麻秆芯为3．4倍。但是，由于S层的容积远比CC和CML区大，因此红麻纤维中木质素大部分存在于次生壁中。红麻皮与秆部次生壁中的木质素占总木质素量的比例分别为79%和85%，而复合胞间层和细胞角隅区中的木质素之和分别占21%和15%。

比较红麻韧皮部和木质部纤维各形态区的木质素浓度及其化学分析结果可以看出，红麻秆芯的总木质素含量及纤维各形态区域的木质素浓度均比红麻皮高，这是红麻皮比红麻秆芯易于蒸煮成浆和纸浆得率较高的主要原因。

7．棉秆

西北轻工业学院采用KM_nO₄染色SEM－EDXA分析棉秆各形态区锰的相对含量，间接测定各部位木质素的相对浓度(见表2－7－9)。结果表明：细胞角隅的木质素浓度最高，复合胞间层次之，次生壁木质素浓度最低。根据细胞壁各层厚度所占的比例计算，次生壁所占容积最大(为90%)，计算得出，棉秆87%的木质素分布在次生壁中，而复合胞间层和角隅区木质素的相对含量为13%。因此制取棉秆化学浆或半化学浆需要有一个药液扩散、渗透的过程，否则药液浸渍不良会造成黑煮。

表2－7－9 棉秆结构中锰的X－射线相对峰值