全 文 ：第 26 卷　第 3期
2004 年 5 月
北　京　林　业　大　学　学　报
JOURNAL OF BEIJING FORESTRY UNIVERSITY
Vol.26 , No.3
May , 2004
2003--07-12收稿
http: www.wanfangdata.com.cn
＊国家自然科学基金资助项目(S9876005)的部分内容.
第一作者:高建民 ,博士生 ,副教授.主要研究方向:木材干燥新技术.电话:010_62337960　Email:Gaojm@bjfu.edu.cn　地址:100083北京林
业大学材料科学与技术学院.
三角枫在干燥过程中变色机理的研究＊
高建民　张璧光　常建民
(北京林业大学材料科学与技术学院)
摘要　该文通过对三角枫木材抽提物的定性分析 、红外光谱分析 、不同变色试材的扫描电镜分析 , 以及不同干燥工
艺条件下三角枫颜色的变化分析 ,探讨了三角枫在干燥过程中的变色机理.研究结果表明:三角枫在干燥过程中的
变色是一个复杂的变色过程 ,主要是由于三角枫中的多元酚物质以及无色花色素和单宁在一定的温度和湿度条件
下的氧化反应 ,以及三角枫中的苯环 、酚羟基 、羟基—OH 、羰基—C O 等发色团与助色团的变化 ,使三角枫在干燥
过程中变色.
关键词　三角枫 , 干燥过程 , 变色机理
中图分类号　TS652;S781.42
Gao Jianmin;Zhang Biguang;Chang Jianmin.Discoloration mechanism of Acer buergerianum during
drying process.Journal of Beijing Forestry University(2003)26(3)59--63[Ch ,12 ref] School of Material Sci-
ences and Technology , Beijing For.Univ., 100083 , P.R.China.
This paper quantitatively determines the wood soaking solution with different reagents , analyzes the chem-
ical change of its components with infrared spectrum(IRS), and observes its color change under different dry-
ing processes and the microstructure graphs obtained from the scanning electron microscope (SEM).Then the
discoloration mechanism of buerger maple is discussed.The results indicate that the discoloration of buerger
maple is very complicated.It is mainly caused by the oxidization of polyphenol , leucoanthocyanidin and tannin
under different temperatures and humidities , and the functional group changes of color_initiated groups and as-
sistant color_initiated groups , such as the phenyl group , phenyl hydroxyl , hydroxyl (—OH), and carbonyl
(—C O)in buerger maple wood.
Key words　buerger maple , drying process , discoloration
　　木材的颜色是木材表面性质和品质评价的指标
之一.也是木材使用价值的评定指标之一.它不仅与
人们的视觉和心理感觉紧密相关 ,而且能够反映木
材的品质和树种等性质.凭借木材的颜色及其变化
来判断木材的种类 、性质以及性质的变化 ,就是木材
颜色的实际应用.因此 ,木材的颜色是木材物理和化
学性质的一个非常重要的特征.
木材的颜色是木材对波长 380 ～ 780 nm 之间的
可见光照射 、吸收 、反射或透射的结果 ,因而颜色取
决于木材本身的结构及化学组成.木材之所以能呈
现出各种不同的颜色 ,是由于木素中的发色团和助
色团与木材中的某些碳氢化合物以不同形式结合 ,
吸收不同波长的可见光的结果.而构成木材主要化
学成分的纤维素 、半纤维素并不吸收可见光.
木材受外界环境和加工工艺条件的影响会发生
变色 ,通常是木材腐朽的前期表现.木材的变色是一
个较为复杂的物理 、化学过程 ,主要体现在木材中发
色基团的增减和改变上.根据导致木材变色的因子
不同 ,变色可分为:光变色 、化学变色 、微生物变色 、
热变色以及酶变色[ 1--5] .
引起木材变色的因素很多 ,如树种 、立地条件 、
加工条件以及使用条件等不同 ,引起木材变色的因
素也不相同.国内 、外学者对部分树种木材的变色机
理和木材的防变色技术进行了不同程度的研究.防
止木材在加工过程中产生加工缺陷对提高木材利用
率具有重大意义 ,木材变色是木材保存和加工过程
的缺陷之一 ,也是木材科学与技术学科的主要研究
方向之一.
DOI :10.13332/j.1000-1522.2004.03.014
三角枫(Acer buergerianum),属金缕梅科枫香属 ,
为南方天然速生树种 ,一般在 30年内即可成材.从
材质上看 ,结构细 ,木材呈乳白色 ,有光泽 ,纹理美
观.但由于易变色(兰变和红变)和易腐朽等固有的
缺陷 ,至今未能充分利用.三角枫在我国南方特别是
海南 、广东和广西等地具有丰富的蓄积量.该树种既
是美观的红叶观赏树种 ,又是较好的能源树种.若能
解决该树种变色的技术问题 ,三角枫可作为实木家
具用材 ,也可作胶合板 、茶叶包装箱及碱法制浆造纸
的原材料.
1　试材和实验条件
1.1　试材条件
试材取自海南五指山和广东罗定市扶合镇 ,采
伐后制成长为 1.2 ～ 1.3 m ,直径为 30 ～ 35 cm 的木
段 ,两端用石蜡密封 ,运至北京林业大学 ,储存于冰
柜中备用.
三角枫材性测试参照国家标准《木材物理力学
试材锯解及试样切取方法》GB1929-80规定进行 ,测
试结果见表 1.
表 1　三角枫基本材性测定结果
TABLE 1　The basic properties of Acer buergerianum
树种 试验次数 试件数量 基本密度 (g·cm-3)
气干密度
(g·cm-3)
全干缩系数
弦向 径向 体积 差异干缩
三角枫(广东) 2 60 0.563 0.652 0.393 0.166 0.546 2.367
三角枫(海南) 2 60 0.477 0.655 0.294 0.227 0.516 1.295
1.2　实验条件
实验在北京林业大学木材干燥实验室进行 ,实
验设备有:101C-1B型电热鼓风干燥箱 、302A 型调
温调湿箱 、TC--P ⅡG 全自动测色色差计 、IB-3型离
子溅射仪 、电子天平 、日立 S--520扫描电子显微镜 、
伯乐 FTS--20型红外光谱仪等.
2　实验过程及分析
2.1　抽提物的定量测试
将试材用手锯锯成木片 ,再用粉碎机粉碎 ,在室
内充分干燥 5 ～ 7 d ,用 40目筛筛选 ,然后放在干燥
器皿内.测试方法及计算公式参照 GB2677.3-81 ,
GB2677.4-81.三角枫抽提物定量测试均采用平衡测
试方法 ,结果见表 2.
表 2　三角枫抽提物定量测试
TABLE 2　The quantitative test of Acer buergerianum extractive
抽提物成分 灰分 冷水抽提物 热水抽提物 乙醇抽提物
含量 % 0.597 5.01 5.068 4.85
从测试结果可以看出 ,三角枫的抽提物含量属
于平均含量 ,说明抽提物是引发三角枫变色的主要
因素之一.其中灰分含量较高 ,由于三角枫木材内具
有结晶体;而冷水 、热水抽提物含量适中 ,因为其水
溶性浸出物对温度的敏感性不强 ,而时间的长短对
其影响更大一些.
2.2　抽提物的定性测试
2.2.1　水抽提物的定性测试
将筛选后的试样放入冷水及50℃热水中0.5 h ,
浸液由浅黄色变至茶色;颜色逐渐加深至粘稠液生
成.分别用化学试剂对浸液测试 ,测试结果见表 3.
表 3　水浸提物定性测试
TABLE 3　The qualitative test of water soaking solution
处理方法 FeCl3 醇溶液 明胶--NaCl 铁矾 浓硫酸
常温水浸液 黄绿色 ,有沉淀 无 兰紫 无
热水浸液 黄绿色 ,有浑浊 无 兰绿 ,有沉淀 无
从测试结果可得出水溶出物的酚类性质明显 ,
单宁性质不明显.但不排除含有单宁的可能 ,有时由
于分子量小 ,使单宁的鞣质性质不明显.
2.2.2　乙醇抽提物测试
乙醇抽提采用加热及常温两种方法.加热方法
是将三角枫小木条放入索式提取器 ,注入适量的
95%乙醇 ,其量以浸没木条为度.索式提取器下方安
装锥形瓶 , 锥形瓶放入恒温水浴箱中 , 温度调至
80℃.抽提时间为 57 h.
常温抽提方法将三角枫小木块放入 2 000 mL
的烧杯内 ,注入 95%乙醇 ,其量浸没木块 ,烧杯上口
封闭 ,抽提时间72 h ,测试结果见表 4.
2.2.3　抽提物红外光谱分析
将三角枫木粉加入 10%盐酸与乙醇煮沸几分
钟 ,浸液迅速由无色变成红色.将红色液过滤洗涤 ,
蒸干得黑红色粉末.对其做红外光谱分析 ,从红外线
光谱图可以看出:抽提物中存在多元酚类物质 、苯
环 、酚羟基 、—OH、羰基—C O 以及无色花色素和
单宁等.
60 北　京　林　业　大　学　学　报 第 26卷　
表 4　醇浸提物定性测试
TABLE 4　The qualitative test results of ethanol soaking solution
处理方法 FeCl3 醇液 明矾-NaCl 浓硫酸 铁矾
加热乙醇抽提 兰黑色 少量白色沉淀 紫红色 蓝黑色 ,有沉淀
常温乙醇抽提 兰黑色 少量白色沉淀 紫红色 蓝黑色 ,有沉淀
3　三角枫变色的电镜观察
通过对三角枫变色的电镜观察来判断引起三角
枫变色的原因.
取变色与未变色小木块制取 5 mm ×5 mm ×5
mm小试样 ,各断面一次切成 ,以保证观察面光滑洁
净 ,放入干燥器干燥.另取变色小木块 ,切成 5 mm×
5 mm×2 mm 小试样 ,变色面不切削 ,用 95%乙醇洗
涤后 ,放在干燥器内干燥.
将干燥好的试样的观察面用手术刀片再次切削
后放入 IB-3型离子溅射仪 ,对观察面作表面镀膜处
理 ,在扫描电子显微镜下观察 ,结果见图3 ～ 5.
从图 3中可以观察到大量的菌丝 ,菌丝已成网
状 ,说明变色试块已受到菌丝污染.
从图 4 、5中未发现菌丝 ,由于切削深度大 ,菌丝
在侵入内部时会产生自融;不管是否存在菌丝体 ,变
色试块的共同特征是薄壁细胞内含有大量的淀粉颗
粒 ,而且淀粉量大的地方 ,在电镜中观察产生明显的
阴暗区;而未变色试块 ,淀粉颗粒明显很少或没有;
淀粉颗粒引起的变色主要是酶引起的淀粉颗粒氧化
变色.
图 3　三角枫变色试样菌丝扫描电镜图
FIGURE 3　The SEM graphs of hypha in discolored Acer buergerianum
图 4　三角枫未变色试样淀粉颗粒扫描电镜图
FIGURE 4　The SEM graphs of starch grain in undiscoclored Acer buergerianum
图 5　三角枫变色试样淀粉颗粒扫描电镜图
FIGURE 5　The SEM graphs of starch grain in discoclored Acer buergerianum
61第 3期 高建民等:三角枫在干燥过程中变色机理的研究
4　干燥工艺条件与三角枫变色的关系
三角枫在干燥中 ,工艺条件不同变色的情况也
各不相同.因此 ,应对三角枫在不同干燥条件下的变
色特点进行研究 ,找出干燥工艺条件与变色的关系 ,
分析三角枫在干燥过程中变色的原因 ,以便采用适
当的干燥工艺防止三角枫在干燥过程中的变色.
干燥工艺条件主要指温度和相对湿度.分别测
试温度 、相对温度 、温度和相对湿度对三角枫变色的
影响.试材规格为 150 mm×100 mm×20 mm ,试材初
含水率为 55%～ 75%.将试材分别置于干燥箱和调
温调湿箱之中 ,测定三角枫在不同干燥工艺条件下
色差 ΔE 值的范围 ,观察三角枫颜色的变化情况.测
试结果见表5 ～ 7.
表 5　干燥温度对变色的影响
TABLE 5　The effect of drying temperature on discoloration
温度 ℃ 时间 h 色差 ΔE 变色观察
70以下 48 25～ 30 变色不明显
80 48 30～ 35 变色 ,表面红褐色 ,内部浅红色
100以上 48 35～ 50 表面砖红色 ,端面及径面色深 ,内部浅红色
表 6　相对湿度对变色的影响
TABLE 6　The effect of relative humidity on discoloration
温度
℃
相对湿
度 %
时间
h
色差
ΔE 变色观察
40 50 48 25～ 35 稍变色 ,表面浅红色 ,内部未变色
40 70 48 35～ 40 变色 ,表面红褐色 ,内部浅红色
40 90 48 35～ 45 变色 ,表面红褐色 ,内部浅红色
表 7　温度 、湿度对变色的影响
TABLE 7　The effect of temperature and humidity on discoloration
温度 ℃ 相对湿度 % 色差 ΔE 变色观察
60 50 30～ 35 表面稍变色 ,内部未变色
60 70 30～ 43 表面红褐色 ,内部浅红色(稍深)
80 50 30～ 35 表面红褐色 ,内部浅红色
80 70 30～ 45 表面红褐色 ,内部浅红色(深)
从表 5 ～ 7可以看出 ,温度在 70℃以下时 ,三角
枫基本不变色 ,温度在 70℃以上时 ,随着温度的升
高 ,三角枫的变色加剧;而湿度对三角枫变色的影响
远大于温度 ,尤其是高温高湿时 , 三角枫的颜色较
深 ,颜色比较均匀.由于相对湿度在 50%时 ,三角枫
就开始变色 ,所以在干燥工艺过程中预防三角枫的
变色比较难.
5　三角枫变色机理分析
1)通过对三角枫微观构造及化学成分鉴别的测
试 ,可以得知三角枫兼有生物变色和化学氧化变色.
由于真菌和酶的作用 ,形成堆积的淀粉颗粒 ,使三角
枫易产生氧化变色而呈现褐色.这种变色伴随着木
材的腐朽.
2)三角枫抽提物中存在多元酚类物质 、苯环 、酚
羟基 、羟基 —OH 、羰基—C O 以及无色花色素和
单宁等.酚类物质都具有苯环和酚羟基 ,无论是间苯
环还是连苯环上的酚羟基都易与铁离子形成络合物
而呈蓝色.
3)单宁除了具有酚类物质的通性外 ,单宁水溶
液能吸收空气中的氧 ,在碱性溶液或有氧化酶的条
件下很快氧化 ,氧化后颜色变深.单宁在直接或间接
的日光作用下 ,颜色也会变深.
4)无色花色素在酸性条件下发生的氧化反应使
三角枫变红;尤其在高温以及高温 、高湿条件下 ,这
种氧化反应更为激烈.
5)由于三角枫中存在苯环 ,酚羟基 ,羟基 —OH 、
羰基 —C O 等发色基团和助色基团 ,会与木素中
的碳水化合物结合而形成发色体 , 在一定条件下
显色.
6)水溶性多元酚类物质随水分从木材内部移动
至木材表面 ,在光和氧气的作用下发生氧化而呈色.
如在高温以及高温 、高湿条件下对三角枫进行干燥
处理 ,高温 、高湿能促使变色原物质溶解在木材的水
分中 ,从而获得更大的活性以引发木材变色的加剧.
6　结　　论
1)由于真菌和酶的作用 ,三角枫易产生生物变
色;这种变色一般伴随着木材的腐朽.因此 ,三角枫
在加工过程中应避免这种变色.三角枫采伐后立即
进行干燥处理 ,可以防止三角枫在加工过程中产生
生物变色.
2)酚类物质苯环上的酚羟基易与铁离子形成络
合物而使三角枫产生蓝色变色.这种变色对三角枫
来说是一种污染 ,一般发生在干燥前的加工过程中 ,
应予以避免.可在三角枫干燥前的加工过程中 ,对加
工表面用清水冲洗 ,以防止铁离子附着于三角枫表
面与酚羟基形成络合物 ,引起三角枫变色.
3)单宁与无色花色素在酸性条件下易发生氧化
反应使三角枫的颜色变红.这种变色无腐朽和木材
表面污染 ,不影响三角枫的物理和力学性能 ,并能在
家具制造中提高三角枫的应用价值 ,在工艺技术方
面具有深入研究的前景.
4)由于相对湿度在 50%时 ,三角枫就开始变
色 ,所以在干燥工艺过程中预防三角枫的变色比较
难.但是 ,高温 、高湿能加速单宁与无色花色素在酸
62 北　京　林　业　大　学　学　报 第 26卷　
性条件下的氧化反应.若干燥工艺技术得当 ,三角枫
有望在干燥过程中获得较为理想的颜色 ,这有待进
一步研究.
参 考 文 献
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(责任编辑　李文军)
(上接 40页)
其中 , 5年生三倍体毛白杨纤维平均长达到 1.28 mm ,比 5 年生二倍体普通毛白杨长 52.4%;木质素含量降
低 ,仅为 16.7%,比二倍体毛白杨低 17.9%;而 α-纤维素含量则相应提高 ,可达到 53.2%,比同龄二倍体毛
白杨高5.8%.三倍体毛白杨新品种作为纸浆材等纤维用材应用时 ,制浆得率高 ,而能耗 、化学品消耗低 ,可
保证整个产业化链的综合经济效益最大化.
3.三倍体毛白杨新品种尤其得到造纸企业的重视 ,为以草浆为主的民族造纸工业原料结构调整带来希
望 ,已进入大规模纸浆林基地建设阶段.目前 ,三倍体毛白杨以其在生长 、材性和制浆 、制纸性能等方面的优
良特性 ,已经成为适生区内造纸企业短期内解决木浆原料的首选品种 ,开始进入“林纸结合”的产业化攻关
阶段.据不完全统计 ,全国有近 20家造纸企业选用三倍体毛白杨作为纸浆林基地建设品种 ,总体规划面积
超过 50万 hm2.其中 ,自 2002年以来 ,山东兖州太阳纸业 、山东高唐泉林纸业 、山西襄汾纸业以及湖南洞庭
白杨林纸有限责任公司等企业营建的三倍体毛白杨纸浆林就超过3.67万 hm2.众多企业对三倍体毛白杨的
重视程度 、造林规模 、投入力度等 ,均为国内首次.
在黄河中下游等适宜地区营建三倍体毛白杨纸浆林 ,大力发展木浆造纸业 ,不仅有利于相关区域的农
业产业结构调整 ,改变我国的木浆依赖进口局面 ,形成地区新的经济增长点 ,同时还可以通过经济杠杆的推
动作用 ,提高森林覆被率 ,从而带动地区经济与生态环境的良性发展.
(康向阳 供稿)
63第 3期 高建民等:三角枫在干燥过程中变色机理的研究