王麗珍, 王俊躍, 任 浩, 翟華敏*

(1.南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 輕工與紡織學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080; 3.內(nèi)蒙古 農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

向日葵，雙子葉植物綱，桔梗目，菊科，向日葵屬[1]。向日葵因種子含油量高而被廣泛種植，是四大油料作物之一。2017年我國向日葵的種植面積約117.07萬公頃[2]。脫籽向日葵是脫掉葵花籽的農(nóng)業(yè)殘余物，由秸稈、花盤和葉3部分組成，這些組分間或同組分內(nèi)形態(tài)各異、物理化學(xué)性質(zhì)差異較大，這些差異直接影響著各部分轉(zhuǎn)化利用的途徑、技術(shù)和效率。秸皮和髓的分級利用已有研究，秸皮可用于制漿造紙[3]、生產(chǎn)復(fù)合材料[4]和能源產(chǎn)品[5]；髓可作為緩沖材料[6]和吸附材料[7]；花盤可提取果膠[8]、黃酮類[9]等物質(zhì)；葉中富含萜類化合物[10]，花盤和葉的分級研究未見報道。脫籽向日葵作為重要的生物質(zhì)資源，至今仍未獲得高值利用，究其原因是脫籽向日葵生物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各結(jié)構(gòu)在整體或局部的物理、化學(xué)性質(zhì)高度不均一。因此，本研究將脫籽向日葵分為秸皮、髓、花托、苞片、托片、葉柄和葉片7個級分，系統(tǒng)研究各級分的細(xì)胞形態(tài)和化學(xué)組成，以期為脫籽向日葵高效轉(zhuǎn)化利用提供基礎(chǔ)理論。

1 原料與方法

1.1 原料

脫籽向日葵(HelianthusannuusL.)，收集于內(nèi)蒙古呼和浩特武川縣。手工收集成熟、無變質(zhì)的秸稈、花盤和全部葉的完整植株。自然風(fēng)干，平衡水分儲存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 原料分級

選取有代表性的成熟完整脫籽向日葵(包括秸稈、花盤和全部葉)10株，手工分級。秸稈分為秸皮和髓；花盤先剝掉邊緣的苞片，后揉搓托片，將花托和托片分開，分為苞片、花托和托片；葉從基端剪開，分為葉柄和葉片。脫籽向日葵共分為秸皮、髓、苞片、花托、托片、葉柄和葉片7個級分。手工分級后，分別稱量各級分的質(zhì)量，測定各級分的水分含量(測試方法參照TAPPI T258 om- 02)，計算各級分的絕干質(zhì)量分?jǐn)?shù)，每個樣品平行測定3次。

1.3 細(xì)胞形態(tài)觀察

將秸皮、髓、花托、苞片、托片、葉柄和葉片切成火柴棍大小(2.5 cm)，經(jīng)水煮沸排氣后，用體積比為1 ∶1的冰醋酸和30%過氧化氫在60 ℃下浸泡12～24 h，使試樣軟化并解離成單根纖維，洗凈，制成分散均勻的纖維懸浮液，加入2滴1%番紅染液，制成臨時載玻片，用光學(xué)顯微鏡(BH2,日本Olympus公司)觀察各級分的細(xì)胞形態(tài)。

1.4 纖維質(zhì)量測量

分別取各級分解離后的絕干試樣40 mg，置于試管中并加入適量水?dāng)嚢?，制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.004% 分散均勻的纖維懸浮液，用纖維質(zhì)量分析儀(Morfi,法國Thchpap公司)測量各級分的纖維長度、寬度、粗度、扭結(jié)卷曲和細(xì)小纖維的含量，同時測量麥草秸稈的纖維質(zhì)量，以作對照，每個樣品平行測定2次。

1.5 化學(xué)組成分析

將秸皮、髓、花托、苞片、托片、葉柄和葉片磨成0.30～0.45 mm的粉末，平衡水分，測量各級分的化學(xué)組成，每個樣品平行測定2次。各級分化學(xué)組成的測量按照TAPPI方法：綜纖維素(T249 om-2000)、聚戊糖(T223om- 01)、Klason木質(zhì)素(T222 om-88)、酸溶木質(zhì)素(T211 om- 02)、熱水抽出物(T207 om- 02)、苯醇抽出物(T204 om-97)和灰分(T211om-93)。

各級分中單糖含量的測定參照文獻(xiàn)[11]，采用氣相色譜儀分析(GC-2010plus，日本島津)。氣相色譜條件：毛細(xì)管柱SH-Rtx-1701(30 mL，內(nèi)徑32 mm，0.1 μm膜厚)；FID檢測器；柱溫程序160 ℃，保留 60 min；進(jìn)樣溫度為220 ℃，檢測溫度為230 ℃，載氣為氮氣，流速為3.0 mL/min，分流比為1 ∶50。

2 結(jié)果與討論

2.1 脫籽向日葵的分級

脫籽向日葵分為秸皮、髓、花托、苞片、托片、葉柄和葉片7個級分，如圖1所示。秸稈直徑約20～30 mm，秸皮厚度約2～3 mm，秸皮與髓的體積比約為1 ∶9，質(zhì)量比9 ∶1。秸皮和髓的密度為328.7和33.8 kg/m3，測量結(jié)果與文獻(xiàn)基本一致[12]?；ㄍ惺腔ūP的主要級分，圓盤狀，直徑約10～30 cm，厚度約0.5～1 cm?；ㄍ杏杀砥ず退杞M成，髓顏色略黃，呈絲狀纏繞，約占花托總體積的90%。苞片呈卵圓形，頂端漸尖，2～3層覆瓦狀生長于花盤圓周。托片質(zhì)硬，膜狀，頂端有淺三角裂口，螺旋式緊密著生于花托上。葉柄較長，約10～25 cm。葉片廣卵形，兩面被糙毛，具3脈。向日葵葉的數(shù)量因品種、產(chǎn)地等差異較大，一般為25～40片葉。

秸皮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(49.4±0.2)%，花托的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(28.1±0.3)%，髓的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(5.3±0.3)%，苞片的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(4.1±0.3)%，托片的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(3.8±0.2)%，葉柄的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(5.9±0.2)%，葉片的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(3.4±0.2)%。從質(zhì)量上來看，秸皮和花托是脫籽向日葵的主要級分，髓、苞片、托片、葉柄和葉片是次要級分。

1.秸皮stalk rind； 2.髓pith； 3.花托receptacle； 4.苞片bract； 5.托片bractlet; 6.葉柄petiole; 7.葉片leaf blade圖1 脫籽向日葵各級分Fig.1 Deseeded sunflower fractions

2.2 各級分的細(xì)胞形態(tài)

圖2是脫籽向日葵各級分的細(xì)胞形態(tài)。秸皮、花托、苞片、托片、葉柄和葉片均由纖維細(xì)胞、薄壁細(xì)胞、導(dǎo)管分子和表皮細(xì)胞組成，髓僅由薄壁細(xì)胞組成。秸皮中纖維細(xì)胞較多，有2種形態(tài)，1種長而壁厚，另1種短而壁薄；薄壁細(xì)胞多為圓形、橢圓形和棒形；導(dǎo)管分子可分為網(wǎng)紋導(dǎo)管和螺蚊導(dǎo)管，網(wǎng)紋導(dǎo)管數(shù)量多而形態(tài)小，螺紋導(dǎo)管數(shù)量少而體積較發(fā)達(dá)；表皮細(xì)胞呈長方形，有些完全解離，有些呈“片狀”(圖2(a))。髓中薄壁細(xì)胞為多面體，體積較大(圖2(b))?；ㄍ?、苞片、托片、葉柄和葉片中薄壁細(xì)胞多形態(tài)不規(guī)則，這些級分中螺紋導(dǎo)管多且形態(tài)較小。托片中纖維細(xì)胞形態(tài)短小?；ㄍ?、苞片、托片的表皮細(xì)胞邊緣呈鋸齒形，葉柄的表皮細(xì)胞呈方形，葉片的表皮細(xì)胞呈圓形，有明顯的氣孔器(圖2(c)～(g))。

P:薄壁細(xì)胞parenchyma cell； V:導(dǎo)管分子vessel element； E:表皮細(xì)胞epidermis cell； F:纖維細(xì)胞fiber cell；a.秸皮stalk rind; b.髓pith; c.花托receptacle; d.苞片bract; e.托片bractlet； f.葉柄petiole; g.葉片leaf blade圖2 脫籽向日葵各級分的細(xì)胞形態(tài)Fig.2 The cell morphology of deseeded sunflower fractions

2.3 各級分的纖維質(zhì)量

在植物纖維原料中，一切細(xì)而長的細(xì)胞，如針葉材的管胞，闊葉材的木纖維，禾本科植物的纖維細(xì)胞及細(xì)長的導(dǎo)管可通稱為纖維，其他非纖維狀的細(xì)胞通稱為非纖維細(xì)胞或雜細(xì)胞[13]。纖維質(zhì)量是植物原料中纖維的長度、纖維的寬度、纖維的長寬比以及非纖維細(xì)胞含量等指標(biāo)的綜合評價，脫籽向日葵各級分的纖維質(zhì)量見表1。各級分纖維長度的大小順序為：秸皮>托片>葉柄>葉片>苞片>花托。秸皮的纖維長度為0.823 mm，托片的纖維長度為0.512 mm，其他級分的纖維長度均低于0.5 mm。各級分纖維寬度大小順序為：花托>苞片>葉片>葉柄>托片>秸皮。秸皮纖維的長寬比最大(38.6)，略低于麥草纖維的長寬比。通常認(rèn)為，纖維長寬比超過33即可作為造紙原料[14]。秸皮可單獨或與亞麻等長纖維搭配作為造紙纖維原料[15]。纖維的粗度是每100 m長度的絕干纖維質(zhì)量。秸皮纖維的粗度(31.7 mg，以100 m計，下同)較大，細(xì)胞壁較厚，纖維的柔韌性較差，適宜生產(chǎn)挺度較大的紙種[16]。其他級分多為薄壁細(xì)胞，纖維粗度均低于20 mg。

表1 脫籽向日葵各級分的纖維質(zhì)量1)Table 1 The fiber quality of deseeded sunflower fractions

秸皮中纖維較多，纖維(長度大于0.2 mm的部分)的體積分?jǐn)?shù)為68.4%，纖維的長寬比大，可作為纖維原料。髓、花托、苞片、托片、葉柄和葉片中多為薄壁細(xì)胞，細(xì)小纖維(長度小于0.2 mm的部分)的體積分?jǐn)?shù)均高于50%，不宜作為纖維原料，但這些級分結(jié)構(gòu)疏松多孔，可通過物化改性，制備重金屬離子、油污等功能吸附材料[17]。

2.4 各級分的化學(xué)組成

脫籽向日葵各級分的化學(xué)組成如表2所示。

表2 脫籽向日葵各級分的化學(xué)組成Table 2 The chemical composition of deseeded sunflower fractions %

綜纖維素由纖維素和半纖維素組成，綜纖維素是各級分的主要化學(xué)成分。各級分綜纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小順序為：秸皮>托片>葉柄>髓>苞片>花托>葉片，秸皮和托片綜纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，分別為65.7%和58.6%。各級分聚戊糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小順序為：托片>秸皮>葉柄>髓>苞片>葉片>花托，托片和秸皮半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，分別為22.5%和22.2%。各級分纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小順序為：秸皮>托片>葉柄>髓>苞片>花托>葉片，秸皮纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(43.5%)最高，其次為托片(36.1%)，其他級分纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于30%。各級分總木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小順序為：秸皮>托片>葉柄>苞片>葉片>花托>髓，秸皮木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(22.7%)最高，托片木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(16.2%)次之。各級分熱水抽出物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)順序為：花托>葉片>苞片>葉柄>髓>托片>秸皮，秸皮熱水抽出物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(20.1%)最低。各級分苯醇抽出物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)順序為：花托>葉片>苞片>葉柄>托片>秸皮>髓，秸皮和髓苯醇抽出物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，分別為4.8%和3.5%。秸皮灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低(7.8%)，其他級分灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于10.4%～17.5%。秸皮的化學(xué)組成與麥草相近，秸皮和托片的綜纖維素、聚戊糖和木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，可作為木質(zhì)生物質(zhì)原料。髓、花托、苞片、葉柄和葉片中抽出物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，是萃取萜類、酚類、黃酮類、甾醇等活性物質(zhì)的非木質(zhì)原料[19-21]。

2.5 各級分的單糖組成

纖維素和半纖維素都是由糖類物質(zhì)組成的聚合物，通過水解可制備各種單糖，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化可得到一系列高附加值的產(chǎn)品[22]。脫籽向日葵各級分的單糖組成如表3所示，各級分均含有葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖和鼠李糖。葡萄糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，其次為木糖，阿拉伯糖和半乳糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～5%，甘露糖和鼠李糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于2%。秸皮和托片葡萄糖和木糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，可作為制備糖類及其衍生物的原料，其他級分不宜作為制備糖類化合物的原料[23]。研究表明：向日葵花盤中富含低酯果膠，推測花盤各級分中含有半乳糖醛酸[24-25]。

表3 脫籽向日葵各級分單糖組成Table 3 The sugar composition of deseeded sunflower fractions %

3 結(jié) 論

3.1脫籽向日葵可分為秸皮、髓、花托、苞片、托片、葉柄和葉片7個級分，秸皮和花托是主要級分，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為49.4%和28.1%，其他級分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于3.4%～5.9%。

3.2髓僅由薄壁細(xì)胞組成，其他級分由表皮細(xì)胞、纖維細(xì)胞、薄壁細(xì)胞和導(dǎo)管分子組成，各級分細(xì)胞組成的比例不同。秸皮中纖維的體積分?jǐn)?shù)為68.4%，纖維質(zhì)量良好，可作為造紙原料，其他級分中細(xì)小纖維的體積分?jǐn)?shù)均高于50%，宜開發(fā)其他用途。

3.3秸皮和托片綜纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為65.7%和58.6%，聚戊糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為22.2%和22.5%，木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為22.7%和16.2%，秸皮和托片可作為木質(zhì)生物質(zhì)原料。髓、花托、苞片、葉柄和葉片的熱水和苯醇抽出物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別介于26.1%～50.8%和3.5%～8.7%，這些級分抽出物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，需進(jìn)一步研究。

3.4脫籽向日葵各級分的細(xì)胞種類、形態(tài)和化學(xué)組成高度不均一，它們直接影響著各級分的物理、化學(xué)和生物特性——分級是脫籽向日葵高值利用的有效途徑。