72杨韧皮部的构造与理化性能

在森林采伐运输储藏、木材加工以及林产化学加工等过程中产生的树皮只有少数被有效利用，大多数树皮被直接废弃或者作为燃料直接燃烧，造成了极大的浪费和环境污染。

因此，从二十世纪六七十年代开始，科学家们开始探索树皮的利用，但由于受到种种限制，树皮利用率较低。

树皮资源转换

◆在少数被利用的树皮中，杜仲、柞树、青檀、银杏树、*皮树等树皮常作药用；杨树、黑荆树、相思树和云杉等树皮可提取单宁、酚酸等，作为木材胶黏剂原料；落叶松以及杉木树皮等改性后被用于重金属离子吸附； 杨树树皮做活性炭纤维，或进行催化热解制备燃料以及生产酸催化乙醇等。

◆此外，树皮可被粉碎制作树皮碎料板、树皮纤维板、刨花板等；

◆另外也可将树皮作为有机肥料或者覆盖在林地、风景区草坪等做土壤改良剂以保护林地和草地。

◆树皮在缓解石油能源紧张方面较常用的是将其气化、 或者压制成型作为燃料，生产酸催化乙醇等，但其效率较低，且材料收集和仓储成本高。

‘72杨’

‘72杨’（Populuseuramericanacv.‘SanMartinaI?72／58’）是我国种植的主要速生林树种之一，具有生长迅速、适应性强、抗病、分布广、取材方便、用途广等优点，在胶合板、纤维板、纸浆造纸等方面具有较强的应用前景。

我国每年的杨树砍伐量非常可观，其树皮较厚，约占木材材积的12％～15％，且‘72杨’树皮中韧皮部部分比其他杨树厚。经测算，新鲜的‘72杨’韧皮部厚度为（4.66±0.49）mm，占树皮厚度的（48.8±29）％；气干的‘72杨’韧皮部厚度为（3.58±0.56）mm，占树皮厚度的（45.5±22）％。经比较，‘72杨’韧皮部厚度比曹庆杰等测量的67种品系的杨树韧皮部厚度更厚，因此，树皮的直接废弃是森林植物资源的极大浪费。目前，对杨树树皮中韧皮部的单独利用研究较少，对其物理结构以及化学组成的研究数据不足，在利用时存在生产效率低、成本高等缺点。因此，需深入探讨‘72杨’韧皮部的物理结构以及化学成分，为杨树的进一步高值化、高效、低成本利用提供理论支持。北京林业大学李帆，*艳辉等以北方常见树种‘72杨’的韧皮部为研究对象，利用扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscope，SEM）、X射线衍射仪（X?RAYDIFFRACTOMETER，XRD）、傅里叶变换红外光谱仪（Fouriertransforminfraedspectrometer，FT?IR）等设备以及美国国家能源部可再生能源实验室（NationalRenewableEnergyLaboratory，NREL）标准对‘72杨’韧皮部的构造以及物理化学性质进行分析，旨在实现杨木树皮的高值高效利用。

1　材料与方法

1.1　试验材料

1.2　试验方法

1.2.1　密度测试

1.2.2　SEM观察

1.2.3　XRD分析

1.2.4　NREL法分析

1.2.5　FT?IR分析

2结果与分析

2.1　微观构造‘72杨’韧皮部以及杉木、毛竹、‘72杨’木质部SEM图见图1。树木的韧皮部可分为初生韧皮部和次生韧皮部。结合韧皮部三切面电镜图（图1a、b和d）可知，‘72杨’韧皮部中主要有韧皮射线细胞、韧皮薄壁细胞、筛管细胞和伴胞等细胞。由图1a可以看出，筛管细胞腔大且细胞壁较薄，薄壁细胞细胞壁薄但孔径小于筛管。结合图1b和d可以看出，筛管具有筛板，筛管为韧皮部的基本成分，可进行植物生长所需的有机物输导。筛管及伴胞的形态如图1c所示，一个筛管分子旁有一个或者多个伴胞，可为无核的筛管分子提供基本的代谢功能。根据ImageJ软件计算可得，‘72杨’韧皮部中薄壁细胞和筛管（壁薄）面积占总细胞面积的（81.9±1.8）％，表明‘72杨’韧皮部细胞以腔大壁薄的结构为主，密度较小。图1e为‘72杨’木质部的横切面，含木纤维、射线细胞和薄壁细胞等，与韧皮部的构造类似，相比针叶材的杉木和禾本科的竹材更复杂；此外，‘72杨’木质部细胞壁厚远大于韧皮部，密度也远高于韧皮部，说明其木质化程度较高。图1f为杉木木质部的横切面，可以看出杉木的细胞结构相对简单，主要由管胞以及少量的射线细胞组成，且晚材管胞细胞腔小、细胞壁相对较厚。由图1g和h可知，毛竹主要由导管、纤维细胞以及薄壁细胞等构成，细胞排列紧密。竹纤维细胞次生壁非常厚，且含量高，因此，竹材抗拉强度和抗弯强度等力学性质优良。与杉木、毛竹和‘72杨’木质部的结构相比，‘72杨’韧皮部优点显著，其结构疏松、腔大壁薄，木质化程度低，在机械和化学作用下降解时因其抗降解屏障低，具有能耗小的优点，可显著降低生产成本。‘72杨’韧皮部薄壁多孔的结构使其在进行物化改性生产具有重金属离子吸附、油污吸附作用等功能的材料时具有突出优势。参照GB／T—测得‘72杨’韧皮部气干和绝干密度分别为0.和0.g／cm3，木质部相应的密度分别为0.和0.g／cm3。‘72杨’属于欧洲黑杨和美洲黑杨杂交品种，易种植，生长速度快，因此，木材密度相对较小，常用作造纸，生产胶合板、纤维板、刨花板等。3年生毛竹气干密度约为0.75g／cm3，而杉木为0.35g／cm3左右。由以上结果可以看出，‘72杨’韧皮部的密度远低于‘72杨’木质部以及竹材，又因其具有腔大壁薄和孔隙率高等特点，适合在改性后用做功能性多孔吸附材料，也同样利于制浆造纸。2.2　结晶度通过X射线衍射仪测定各原料的结晶度可知，‘72杨’韧皮部的结晶度 ，仅为19.4％，相比‘72杨’木质部和杉木分别低8.7％和13.4％，而毛竹的结晶度 ，为61.0％。‘72杨’木质部和杉木的结晶度差异较小，而杉木的纤维长度略长于杨木和毛竹。与其他几种生物质材料相比，‘72杨’韧皮部具有结晶区小，非结晶区大的特性，且韧皮部薄壁细胞以及筛胞含量高，细胞壁较薄，在制备纳米纤维时具有较大优势。此外，在相对低浓度的酸或碱以及较低温度下进行预处理，可节约化学药品，大大降低预处理时间和成本。2.3　化学成分及结构根据NREL标准测得的‘72杨’韧皮部、‘72杨’木质部、杉木和毛竹化学组分含量如表1所示。由表1可知，‘72杨’韧皮部中 、半 、木质素的含量分别为28.7％，11.1％，24.1％；通过高效阴离子交换色谱测得的各单糖含量分别为葡萄糖28.7％、木糖9.6％、半乳糖0.7％、阿拉伯糖0.4％、甘露糖0.4％。因此，‘72杨’韧皮部中主要含葡萄糖和木糖2种糖单体。对比表1中其他几种生物质半 中的单糖含量，‘72杨’韧皮部半 结构相对单一，以葡萄糖醛酸聚木糖为主，主链是由D?吡喃式木糖基以β?1，4?糖苷键连接，平均每10个木糖单元具有7个 基。在稀酸预处理制备生物乙醇等时，由于半 中木糖含量约为86％，成分相对单一，因此，在生物质酶解过程中所需酶也较单一，其半 相对杉木等针叶材更易降解。‘72杨’韧皮部木质素含量较杉木及毛竹低，木质化程度低，结晶度低，酶可及性强，易于酶解。在生物精炼过程中，‘72杨’韧皮部具有易降解的优点，在一定程度上可节约生产成本，减少环境污染，缓解能源短缺压力。‘72杨’韧皮部、索氏抽提后的‘72杨’韧皮部、‘72杨’木质部以及杉木木质部和毛竹的FT?IR谱图见图2。由图2可知，几种生物质的谱图具有一定的相似性，‘72杨’韧皮部、木质部以及杉木和毛竹均在～cm-1时有强吸收峰，此为 中的—OH伸缩振动，表明其分子间以氢键为主；～cm-1处的吸收峰为木质素或半 中 、亚 、次 的伸缩振动，cm-1左右的吸收峰主要由半 中的非共轭羰基伸缩振动形成，，，cm-1附近为木质素中苯环的骨架振动，cm-1为杉木中愈创木基的木质素特征峰，～cm-1归属于 和半 中C—O的伸缩振动以及C—H的弯曲振动。不同生物质的红外吸收峰在谱图中略有不同，由图2b可知，‘72杨’韧皮部在，，和cm-1处的峰和其他几种生物质略有不同。cm-1处峰相比其他几种原料更强，此为韧皮部中单宁、酚类等物质的C；cm-1处为韧皮部中胼胝质葡聚糖的β?1，3?键特征吸收峰；cm-1处主要为韧皮部 和半 中Ch2拉伸振动峰；而cm-1主要为烯烃、芳烃的C—H面外弯曲振动，此峰相比其他原料更明显，说明未抽提的韧皮部中不饱和烃和酚类等物质相对含量高，适合提取用于合成制备高分子有机物等。此外，韧皮部中存在易于改性的不饱和基团，有利于将其化学改性制备功能性多孔材料，如用于污水中重金属离子的吸附。索氏抽提后的‘72杨’韧皮部红外图谱相比未抽提时变化较大，韧皮部在cm-1处主要为 和亚 的C—H不对称和对称伸缩振动峰，在抽提后几乎消失。cm-1处的峰强在抽提后变小，表明韧皮部的酚类化合物、单宁等在抽提过程中被除去。cm-1处的峰在抽提后受苯醇抽提液影响，其峰位向低波数方向位移至cm-1。cm-1处为木质素和木聚糖中的C—C、C—O和C子物质溶在抽提液内被去除。‘72杨’木质部、杉木以及毛竹在此处的峰较其他物质更明显，说明这3种试验材料的半 含量大于‘72杨’韧皮部。在cm-1处，抽提后半 中的C—O峰强度变小，说明其半 含量相对较低。半 在细胞壁中作为连接 和木质素的界面偶联剂，对于维持细胞壁的致密及完整性具有重要作用。‘72杨’韧皮部具有可利用的 及种类和含量较少的半 ，且整体结构相对木质部更疏松，抗降解屏障相对‘72杨’木质部、杉木以及竹材等生物质更低，在物理或者化学作用下更易降解。‘72杨’树皮中韧皮部含量较高，在进行高值化利用时成本更低，是更加清洁绿色环保的原料。

结论

１）‘72杨’韧皮部结构较为简单，主要由韧皮薄壁细胞和筛管分子［占细胞总面积的（81.9±1.8）％］组成，还含有少量伴胞和韧皮射线细胞等。此外，韧皮部木质化程度较小，密度和结晶度较低，其结晶度比‘72杨’木质部、杉木和毛竹分别低8.7％，13.4％，41.6％。２）‘72杨’韧皮部中的半 主要成分为木糖，易降解和预处理。韧皮部在植物生长过程中起到输导作用，通过腔大壁薄、木质化程度低的筛管分子运输有机养料，贮藏单宁、酚类化合物、胼胝质等物质。３）‘72杨’韧皮部这种低密多孔、薄壁细胞多、木质素含量低的天然结构，特别有利于机械（能耗低）或化学（抗降解屏障低）降解以及物化改性（多孔、可及性强），有望应用于生物质高效转化和制备纳米 、功能性多孔吸附材料，实现杨木树皮的高值高效利用。该文发表于《林业工程学报》年第1期。引文格式：李帆,*艳辉,叶翠茵,等.‘72杨’韧皮部的构造与理化性能[J].林业工程学报,,6(1):73-78.LIF,HUANGYH,YECY,etal.Structureandphysicochemicalpropertyof‘72poplar’phloem[J].JournalofForestryEngineering,,6(1):73-78.▼更多精彩推荐，请

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