我國常見瑞香科韌皮纖維結(jié)構(gòu)特征研究

俞夢蘭 劉夢茹 師莉升 肖玉英 李海龍

（華南理工大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州，510640）

瑞香科植物約有48屬、650種以上，多數(shù)種類的韌皮纖維發(fā)達(dá)，纖維細(xì)長柔軟、韌性強(qiáng)，是高級用紙和人造棉的優(yōu)質(zhì)原料。我國有10屬、100種左右，主要分布于我國長江流域及以南地區(qū)。其中，瑞香屬、蕘花屬、結(jié)香屬、沉香屬、狼毒屬在我國較為常見，它們的韌皮纖維都可用于造紙，是優(yōu)質(zhì)的造紙原料。其中，結(jié)香韌皮纖維已被用于生產(chǎn)鈔票紙和證券紙，而蕘花（蕘花屬）的韌皮纖維和狼毒草（狼毒屬）的根部韌皮纖維，分別是我國古代東巴紙[1]和藏紙[2-3]的主要原料。

細(xì)胞壁是植物纖維的主體，對纖維的理化性能起著決定性的作用。研究表明，纖維細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)包括壁層結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)、微纖絲排列等，對纖維本身的性能有著重要影響[4-5]，這也必將影響最終成形的紙張質(zhì)量。目前，國內(nèi)外研究者對木材纖維和竹纖維的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究[6-8]，瑞香科韌皮纖維雖是優(yōu)良的造紙原料，但對其細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的研究報道卻較少。

本研究以芫花（瑞香屬）、蕘花（蕘花屬）、結(jié)香（結(jié)香屬）和土沉香（沉香屬）的莖部韌皮纖維及狼毒草（狼毒屬）的根部韌皮纖維為研究對象，利用光學(xué)顯微鏡、場發(fā)射掃描電子顯微鏡、冷凍掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡和二維廣角X射線衍射儀等技術(shù)手段，對5種瑞香科韌皮纖維的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，為瑞香科韌皮纖維的開發(fā)與利用提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 實驗

1.1 實驗原料

本實驗所用原料產(chǎn)地如表1所示。

表1 5種瑞香科植物原料產(chǎn)地Table 1 Origins of five Thymelaeaceae raw materials

1.2 實驗試劑及儀器

冰醋酸（廣州化學(xué)試劑廠）；過氧化氫（廣州化學(xué)試劑廠）；赫氏染色劑。

冷凍干燥機(jī)（Christ,Alpha 1-4 LSCplus）；冷凍切片機(jī)（Leica, CM1850-01）；纖維形態(tài)測定儀（Techpap, Morfi）；光學(xué)顯微鏡（Olympus, BX51）；場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM，Hitachi，SU5000）；冷凍掃描電子顯微鏡（Cryo-SEM，F(xiàn)EI，Quanta 450）；原子力顯微鏡（AFM，Bruker，MultiMode 8）；二維廣角X射線衍射儀（XRD，Rigaku，HomeLab）。

1.3 實驗方法

1.3.1 纖維樣品制備

取部分枝條，以2 cm 為取樣單位（其中狼毒草取根部韌皮部），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，剩余枝條取韌皮部，去最外層表皮后風(fēng)干保存。

取在FAA 固定液中浸泡48 h 以上的樣品，用冷凍切片機(jī)進(jìn)行切片，保存待用。

取適量風(fēng)干韌皮原料，采用富蘭克林離析法（雙氧水∶冰醋酸=1∶1，60℃）進(jìn)行解離，直至解離為單根纖維，清洗纖維至洗滌水呈中性，待用。

1.3.2 纖維形態(tài)表征

采用纖維形態(tài)測定儀測量纖維的長度、寬度、粗度等形態(tài)參數(shù)，使用Image-Pro Plus 軟件對常規(guī)切片的掃描電鏡圖進(jìn)行分析，測量200根以上纖維的細(xì)胞壁厚并求平均值。另取適量纖維于載玻片，用赫氏染色劑染色后在光學(xué)顯微鏡下觀察纖維形態(tài)。

1.3.3 FESEM觀察

利用FESEM 對冷凍干燥后的纖維和常規(guī)切片進(jìn)行觀察，噴金時間30 s，加速電壓1.5 kV。

1.3.4 Cryo-SEM觀察

利用Cryo-SEM 對從未干燥過的濕纖維進(jìn)行觀察，纖維樣品在冷凍傳輸系統(tǒng)中進(jìn)行噴金（鉑金）處理，噴鍍時間30 s，加速電壓10 kV。

1.3.5 AFM觀察

利用AFM 對冷凍干燥后的纖維和冷凍切片進(jìn)行觀察，分別表征纖維初生壁的微纖絲排列和纖維細(xì)胞壁的截面形貌。實驗過程中采用接觸模式進(jìn)行成像，得到的圖像用離線軟件NanoScope_Analysis 進(jìn)行分析處理。

1.3.6 纖維細(xì)胞壁層結(jié)構(gòu)分析

取適量從未干燥過的濕纖維用液氮進(jìn)行脆斷，脆斷后的纖維冷凍干燥后用FESEM進(jìn)行觀察。

1.3.7 微纖絲角測試

將去除表皮的風(fēng)干韌皮裁成4 mm×4 mm 試樣，用二維廣角XRD 進(jìn)行測試，測試得到的衍射圖用Fit 2D 軟件進(jìn)行處理，導(dǎo)出衍射曲線圖并用Origin 軟件進(jìn)行高斯擬合（Gauss Amp），使用0.6 T法[9]計算微纖絲角。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維形態(tài)分析

纖維的基本形態(tài)特征，如纖維長度、寬度、粗度和壁厚等參數(shù)是衡量纖維材料性能優(yōu)劣及其利用價值的重要指標(biāo)。表2 為5 種瑞香科韌皮纖維的纖維形態(tài)分析。由表2 可知，蕘花、結(jié)香、狼毒草、土沉香、芫花的韌皮纖維平均長度分別為2.56、3.90、3.49、2.15、3.00 mm，平均寬度分別為13.45、17.50、15.95、13.10、16.60 μm，5 種瑞香科韌皮纖維的長寬比較大（約為160～220），遠(yuǎn)高于木材纖維（針葉木長寬比約為60～80，闊葉木長寬比約為30～65）[10]。長寬比大的纖維在成紙時纖維分布細(xì)密，纖維之間相互交織的次數(shù)多，紙張強(qiáng)度高。5 種瑞香科韌皮纖維的粗度均＜10 dg，纖維粗度＜10 dg 的紙張細(xì)膩、平滑度好。5 種瑞香科韌皮纖維中，結(jié)香韌皮纖維的壁厚最大（2.52 μm），而狼毒草韌皮纖維的壁厚最?。?.20 μm），僅為結(jié)香韌皮纖維的50%左右。

表2 5種瑞香科韌皮纖維形態(tài)分析Table 2 Morphological analysis of five Thymelaeaceae phloem fibers

圖1 為5 種瑞香科韌皮纖維的光學(xué)顯微鏡圖。從圖1 可以看出，5 種韌皮纖維經(jīng)過赫氏染色劑染色后呈藍(lán)紫色，纖維整體細(xì)長，纖維末端呈鈍尖形，表面均存在非常明顯的橫節(jié)紋，其中結(jié)香韌皮纖維和土沉香韌皮纖維的中部存在明顯較寬的部分。

圖1 5種瑞香科韌皮纖維的光學(xué)顯微鏡圖Fig.1 Optical micrographs of five Thymelaeaceae phloem fibers

2.2 FESEM分析

5 種瑞香科韌皮纖維表面和常規(guī)切片的場發(fā)射掃描電鏡觀察的結(jié)果分別如圖2 和圖3 所示。從圖2（A-1）～圖2（E-1）中可以看出，5 種瑞香科韌皮纖維整體細(xì)長，呈扁平狀，纖維末端漸細(xì)，其中狼毒草韌皮纖維的扁平狀特征更明顯。另外，從圖2（A-2）～圖2（E-2）可以看出，5 種纖維表面粗糙，存在明顯的縱向波紋狀褶皺，從圖2（A-3）～圖2（E-3）中發(fā)現(xiàn)韌皮纖維初生壁的微纖絲呈網(wǎng)狀排列，這和現(xiàn)已提出的纖維細(xì)胞壁微細(xì)結(jié)構(gòu)模型一致[11]。

圖2 5種瑞香科韌皮纖維表面的FESEM圖Fig.2 FESEM images of five Thymelaeaceae phloem fibers

從圖3（A-1）～圖3（E-1）中可以看出，5 種瑞香科韌皮纖維都存在明顯的胞腔，呈橢圓狀，具有中空結(jié)構(gòu)的纖維往往具有較好的吸收性[12]，其中蕘花、芫花、結(jié)香韌皮纖維的胞腔相較于土沉香、狼毒草韌皮纖維的胞腔更大。從圖3（A-2）～圖3（E-2）中可以發(fā)現(xiàn)組成纖維細(xì)胞壁的微纖絲排列緊密。

圖3 5種瑞香科韌皮部常規(guī)切片的FESEM圖Fig.3 FESEM images of five Thymelaeaceae phloem sections

2.3 AFM分析

圖4 和圖5 分別為利用AFM 觀察的5 種瑞香科韌皮纖維表面的微纖絲紋理和纖維截面。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，5 種瑞香科韌皮纖維表面的微纖絲呈網(wǎng)狀隨機(jī)交織排列，這和FESEM 觀察結(jié)果相似。同樣的成像范圍內(nèi)，土沉香的微纖絲排列數(shù)量最少，即其微纖絲尺寸最大，而蕘花的微纖絲排列最細(xì)密。從圖5中可以看出，5 種瑞香科韌皮纖維截面（冷凍切片、脆斷面）的微纖絲在細(xì)胞壁中排列緊密。微纖絲截面呈不規(guī)則形狀（微纖絲的截面不會有顆粒存在，應(yīng)為微細(xì)纖維端部）。

圖4 5種瑞香科韌皮纖維表面的AFM圖Fig.4 Surface AFM images of five Thymelaeaceae phloem fibers

圖5 5種瑞香科韌皮纖維截面的AFM圖Fig.5 Cross-section AFM images of five Thymelaeaceae phloem fibers

2.4 Cryo-SEM分析

纖維在干燥的過程中，其結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定程度的塌陷、皺縮，為了觀察纖維在含水狀態(tài)下的真實形貌[13]，本研究利用Cryo-SEM 技術(shù)對5種瑞香科韌皮纖維進(jìn)行了觀察。圖6為5種瑞香科韌皮纖維利用Cryo-SEM 觀察得到的圖像，并與冷凍干燥后使用FESEM觀察得到的圖像進(jìn)行對比。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，相較于冷凍干燥后的纖維，5 種瑞香科韌皮纖維在含水狀態(tài)下更加硬挺、飽滿，纖維表面光滑，沒有明顯的縱向波紋狀褶皺，這可能是因為纖維在有水的條件下發(fā)生了吸水潤脹。研究纖維含水狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)不僅有助于認(rèn)識纖維的真實形貌，還可以為纖維成紙時彼此之間的交織方式提供研究基礎(chǔ)。

圖6 5種瑞香科韌皮纖維表面的Cryo-SEM圖和FESEM圖對比Fig.6 Comparison of Cryo-SEM and FESEM images on the surface of five Thymelaeaceae phloem fibers

2.5 纖維壁層結(jié)構(gòu)分析

纖維細(xì)胞壁由初生壁（P）、次生壁外層（S1）、次生壁中層（S2）、次生壁內(nèi)層（S3）等層次所構(gòu)成，但研究發(fā)現(xiàn)，一些植物纖維并不是典型的3層結(jié)構(gòu)，而是具有厚薄交替的多壁層結(jié)構(gòu)，這種多壁層結(jié)構(gòu)對纖維的力學(xué)性能具有較大影響[4]。圖7 是利用液氮對5 種瑞香科韌皮纖維進(jìn)行脆斷后觀察到的纖維細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)。從圖7 中可以看出，5 種瑞香科韌皮纖維細(xì)胞壁經(jīng)過液氮脆斷后，出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象，且每一層的厚度相差不大，特別是蕘花、芫花、結(jié)香、土沉香的韌皮纖維，壁層數(shù)量較多，較難分辨清楚具體的層數(shù)，而狼毒草韌皮纖維的壁層結(jié)構(gòu)相對不明顯。

圖7 5種瑞香科韌皮纖維的壁層結(jié)構(gòu)FESEM圖Fig.7 FESEM images of wall structure of five Thymelaeaceae phloem fibers

2.6 纖維細(xì)胞壁微纖絲角度分析

次生壁的微纖絲角是影響纖維微觀力學(xué)性能及原料宏觀力學(xué)性能的重要因素之一，微纖絲角小，纖維的抗拉強(qiáng)度大，拉伸彈性模量高。另外，次生壁的微纖絲角也是影響紙漿打漿難易的重要因素，微纖絲角度越小，纖維越容易分絲帚化[14-15]。圖8 是利用二維廣角XRD 測得的5 種瑞香科韌皮纖維的衍射圖。從圖8中可以看出，蕘花、芫花、結(jié)香、土沉香韌皮纖維的衍射圖中存在非常明顯的對稱弧段和對稱斑點，說明纖維取向良好。狼毒草韌皮纖維的衍射圖中的對稱弧段和對稱斑點相對不明顯，其纖維取向性較差。

圖8 5種瑞香科韌皮纖維的XRD圖Fig.8 XRD patterns of five Thymelaeaceae phloem fibers

圖9 為5 種瑞香科韌皮纖維的X 射線衍射圖。表3為5種瑞香科韌皮纖維的微纖絲角。從圖9和表5可以看出，瑞香科韌皮纖維均存在明顯的雙衍射峰，其中蕘花、結(jié)香和土沉香韌皮纖維的峰形比較尖銳，存在明顯的結(jié)晶區(qū)，微纖絲角分別為10.66°、10.55°和10.20°，芫花韌皮纖維的峰形尖銳度其次，微纖絲角為19.67°，而狼毒草韌皮纖維的雙峰都較寬且峰形圓潤，其無定形區(qū)占比相對較大，微纖絲角為40.11°。

圖9 5種瑞香科韌皮纖維的XRD譜圖Fig.9 XRD spectra of five Thymelaeaceae phloem fibers

表3 5種瑞香科韌皮纖維的微纖絲角Table 3 Microfibril angle of five Thymelaeaceae phloem fibers

3 結(jié) 論

本研究利用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡、二維廣角X射線衍射儀等技術(shù)手段對我國常見的5種瑞香科韌皮纖維的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，為瑞香科韌皮纖維的開發(fā)與利用提供了研究基礎(chǔ)。

3.1 5 種瑞香科韌皮纖維整體細(xì)長，長寬比遠(yuǎn)大于一般的木材纖維，存在明顯的橫節(jié)紋，其中結(jié)香和土沉香韌皮纖維存在一段明顯較寬的部分。

3.2 5 種瑞香科韌皮纖維表面粗糙，均存在縱向波紋狀褶皺，初生壁微纖絲呈網(wǎng)狀交織排列，其中土沉香韌皮纖維的微纖絲尺寸最大，蕘花韌皮纖維的微纖絲排列最細(xì)密。另外，5 種瑞香科韌皮纖維的次生壁微纖絲排列緊密，微纖絲截面呈不規(guī)則形狀。

3.3 5種瑞香科韌皮纖維均存在多壁層結(jié)構(gòu)，其中蕘花、芫花、結(jié)香、土沉香的韌皮纖維的壁層結(jié)構(gòu)明顯，壁層數(shù)量較多，而狼毒草韌皮纖維的壁層結(jié)構(gòu)不明顯。

3.4 5 種瑞香科韌皮纖維中，蕘花、結(jié)香、土沉香和芫花韌皮纖維的微纖絲角分別為10.66°、10.55°、10.20°和19.67°，遠(yuǎn)小于狼毒草韌皮纖維（40.11°）。