全 文 ：收稿日期: 20030909
基金项目: 十五国家科技攻关子课题 落叶松良种选育和高效栽培技术( 2002BA515B0401)和 863课题 优质专用
纤维材新品种培育技术( 2001AA244061)的部分研究内容
作者简介: 王军辉( 1972 ) ,男,河南郏县人,博士,副研究员.
* 本文承蒙中国林科院林业所的马常耕研究员和中国林科院木材工业研究所的陆熙娴研究员审阅并提出修改意
见,天津科技大学材料科学与化学工程学院的胡惠仁教授、谢新良硕士、贾永强、倪丽莉等参与试验分析工作, 特此一并
表示致谢!
林业科学研究 ! 2004, 17( 5) : 570~ 575
Forest Research
! ! 文章编号: 10011498( 2004) 05057006
日本落叶松木材的化学组成研究*
王军辉1, 2, 张守攻1, 2, 石淑兰3, 谭希文4, 程 ! 俊5
( 1 中国林业科学研究院林业研究所,北京 ! 100091; 2国家林业局林木培育实验室,北京 ! 100091;
3 天津科技大学,天津 ! 300222; 4 辽宁省清原县国有大孤家林场,辽宁 清原 ! 113305;
5河北省隆化县茅荆坝林场,河北 隆化 ! 068154)
摘要:对不同树龄和不同部位日本落叶松木材的化学组成、糖类组成进行了研究。结果表明, 不同树龄
日本落叶松木材的化学组成存在一定的差异:随着树龄的增大, 总碳水化合物含量逐渐降低;冷水抽出
物、热水抽出物和 1% NaOH 抽出物的含量增加;灰分含量逐渐降低;聚糖组成中葡萄糖和木糖含量降
低,半乳糖含量增加。从化学组成分析看, 12 年生和15 年生日本落叶松的木材比 20 a以上树龄的更适
合用作造纸原料。与兴安落叶松相比, 日本落叶松的水抽出物与 1%NaOH 抽出物含量较低, 聚糖中葡
萄糖含量较多而半乳糖含量较少;从化学组成来说,日本落叶松木材是一种优于兴安落叶松木材的造
纸原料。
关键词: 日本落叶松;木材; 制浆造纸; 化学组成
中图分类号: S791223 ! ! ! 文献标示码: A
日本落叶松( Larix kaempferi ( Sieb. et Zucc. ) Gord. )是我国北方及南方亚高山地区的重要
造林树种,它早期速生、成林快、易于栽培、适应性广[ 1] ,木材密度较其他针叶树种高,单位种植
面积的产木材率和工业利用率高, 是一种较好的造纸原料。合理开发和利用日本落叶松木材
制浆造纸对我国造纸工业和林业的发展以及促进林纸一体化的进程都有重要的意义[ 2]。纸浆
及纸制品的质量在很大程度上取决于木材原料的微观结构和化学组成的种类和含量。许多国
家都致力于提高纸浆材树种的材性改良,以使木材培育与木材加工工业的终点产品对材性的
要求有机地结合起来,使育种的目的更为明确[ 3~ 8]。造纸植物纤维原料的化学组成是决定此
原料制浆造纸性能优劣的重要指标。植物纤维原料的主要化学组成是纤维素、半纤维素和木
素;少量组成是灰分、有机溶剂抽出物、果胶质、丹宁与色素等。造纸植物纤维原料的化学组成
分析项目包括: 灰分、冷水和热水抽出物、1%NaOH抽出物、苯- 醇抽出物、木素(酸不溶木素与
酸溶木素)、综纤维素(纤维素与半纤维素之和)、聚戊糖等含量。纤维素是由单一的葡萄糖基
组成的均一聚糖,是链状高分子化合物,其酸水解产物为单一的葡萄糖。半纤维素则是由两种
或两种以上单糖基组成的不均一聚糖, 大多带有短侧链。半纤维素酸水解后的主要单糖有:葡
萄糖、甘露糖、木糖、阿拉伯糖和半乳糖等。植物中的半纤维素是无定形物质,是填充在纤维之
间的粘合剂和填充剂。对于一般造纸用浆来说,含有一定量的半纤维素,有利于节省打浆
能耗、提高得率、降低生产成本、提高纸页强度[ 9, 10]。本文重点研究了 3个树龄的日本落叶松
以及不同部位木材试样的化学组成和糖类组成,分析了日本落叶松的木材特性,并与我国兴安
落叶松的差别进行了比较,同时针对日本落叶松木材的化学组成对制浆造纸性能的影响进行
了讨论,旨在为日本落叶松纸浆材的合理利用提供科学依据。
1 ! 材料与方法
11 ! 木材来源
实验所用木材为 2003年 3月砍伐的生长在甘肃小陇山林区的 3种不同树龄的日本落叶
松: 12年生日本落叶松; 15年生日本落叶松; 23年生日本落叶松及 15年生日本落叶松不同部
位(顶部、干部和基部)的木材。
12 ! 试样制备
将去皮后的树干经削片机削片, 并风干后, 用试样粉碎机( Willey 磨)粉碎,所得木粉经样品
筛筛选,取 40~ 60目之间的粉末,平衡水分后,供进行木材化学组成分析和糖类组成分析用。
13 ! 分析方法与仪器
131 ! 化学组成分析 ! 试样的化学组成分析
采用国家标准方法进行测定。依据的标准参
见表 1。
化学组成分析的仪器为索氏抽提器、糠醛
仪、综纤维素测定仪、紫外分光光度计等。
132 ! 糖类组成分析 ! 糖类组成分析采用糖
醇乙酸酯化气相色谱法[ 11] , 依据造纸原料和
纸浆中糖类组成的气相色谱法测定国家标准
(GB/ T 120321989)进行测定。首先采用糖醇
乙酸酯化法将木材试样制备成挥发性衍生物,
表 1! 化学分析方法采用的国家标准!
检测项目 参照标准
水分的测定 GB/ T 2677∀21993
灰分含量的测定 GB/ T 2677∀31993
水抽出物含量的测定 GB/ T 2677∀41993
1%NaOH 抽出物含量的测定 GB/ T 2677∀51993
苯醇抽出物含量的测定 GB/ T 2677∀61994
综纤维素含量的测定 GB/ T 2677∀101995
酸不溶木素含量的测定 GB/ T 2677∀81994
酸溶木素含量的测定 GB/ T 103371989
聚戊糖含量的测定 GB/ T 2677∀91994
然后进行气相色谱分析, 得到碳水化合物中各种单糖组成的相对含量与绝对含量。
气相色谱仪为日本岛津 GC 7890#型; 色谱柱为长 2 m、内径 3 mm 的不锈钢柱, 内装涂
3% ECNSSM的 Chromsorb W AW DMCS;气相色谱分析条件为:载气( N2)流速 40 mL∀min- 1、氢
气流速500 mL∀min- 1、空气流速 5 000 mL∀min- 1、柱温190 ∃ 、汽化室及检测器温度 240 ∃ 。
2 ! 结果与分析
21 ! 日本落叶松木材化学组成的分析
211 ! 不同树龄的日本落叶松木材化学组成的比较 ! 落叶松木材是针叶树材中抽出物含量
较高的树种,它的热水抽出物、1%NaOH 抽出物都比其它针叶树高, 特别是在其心材含有较多
的水溶性阿拉伯糖、半乳聚糖及较多的单宁和多酚类双氢栎精, 这些物质的存在严重影响了落
叶松木材的化学制浆性能,主要表现在纸浆得率低,耗碱量高,浆料色深难漂白等[ 8]。
从表 2可以看出:日本落叶松木材的灰分含量不大( 22~ 34 g∀kg- 1) ,且随着树龄的增加
571第 5 期 王军辉等:日本落叶松木材的化学组成研究
略有降低。冷水抽出物、热水抽出物、1%NaOH抽出物含量均随着树龄的增大而增加, 各种抽
出物含量的增加会使制浆得率降低。日本落叶松木材的总木素含量约 270 g∀kg- 1, 综纤维素
含量约为 700 g∀kg- 1。随着树龄的增长, 酸不溶木素含量略有增加, 综纤维素含量略有降低。
日本落叶松木材的酸溶木素含量很低, 仅29 g∀kg- 1, 且不随树龄而变化。
表 2 ! 不同树龄日本落叶松木材的化学组成特征的比较
化学组成 日本落叶松/ a
12 15 23
兴安落叶松[ 9] / a
23
长白落叶松[ 10]/ a
30
灰分/ ( g∀kg- 1)
冷水
抽出物/ 热水
( g∀kg- 1) 1% NaOH
苯醇
木素/ 酸不溶
( g∀kg- 1) 酸溶
总木素
综纤维素/ ( g∀kg- 1)
聚戊糖/ ( g∀kg- 1) !
34 31 22 38 20
264 374 456 1325 705
464 579 582 1561 849
1351 1639 1659 2689 1957
264 399 230 255 326
2661 2733 2724 2570 2614
29 29 29
2690 2762 2753
7086 6941 6955 7068 7139
1333 1163 1209 988 1195
! ! 从化学组成特征来看, 15年生和 23年生日本落叶松木材的热水抽出物、1%NaOH 抽出
物、木素和综纤维素含量相近; 而 12年生日本落叶松的热水抽出物、1%NaOH 抽出物和木素含
量较低,综纤维素和聚戊糖含量较高。可见, 12年生日本落叶松木材的上述化学组成特征对
制浆造纸应用性能是有利的。
212 ! 日本落叶松木材与我国其它落叶松木材化学组成的比较 ! 从表 2中可以看出,日本落
叶松木材与兴安落叶松( L. gmelinii ( Rupr. ) Rupr. )和长白落叶松( L . olgensis Henry)木材的化
学组成存在着比较明显的差别。日本落叶松与兴安落叶松、长白落叶松木材的综纤维素、灰分
和苯醇抽出物含量相差不大,酸不溶木素含量略高于兴安落叶松, 与长白落叶松相当。值得
注意的是,日本落叶松木材的水抽出物与1%NaOH 抽出物含量显著低于兴安落叶松和长白落
叶松。例如,日本落叶松木材的热水抽出物含量只有兴安落叶松木材的 30% ~ 37% , 而 1%
NaOH含量只有兴安落叶松木材的 50%~ 60%。日本落叶松木材的聚戊糖含量比兴安落叶松
的高,说明日本落叶松木材中五碳糖半纤维素的组成较高。
日本落叶松与其它落叶松木材化学组成的比较表明,日本落叶松木材的水抽出物和 1%
NaOH抽出物含量显著低于兴安落叶松和长白落叶松木材, 这表明日本落叶松木材碱法蒸煮
时的纸浆得率比兴安落叶松和长白落叶松木材的高。从化学组成考虑,日本落叶松木材的制
浆造纸性能会优于兴安落叶松和长白落叶松。
由表 3可见,在碱法蒸煮中日本落叶松的制浆得率较高, 而且纸浆的用碱量较低。
表 3! 日本落叶松与兴安落叶松木材制浆性能的比较
树种 用碱量( Na2O) / % 硫化度/ % 最高温度/ ∃ 保温时间/ h 粗浆得率/ % 细浆得率/ %
日本落叶松 ! 21 25 170 25 42~ 45 40~ 43
兴安落叶松[ 9] 24 28 165 15 41~ 42 39~ 40
! ! 注:本实验为 12年生日本落叶松木材硫酸盐法蒸煮数据。
572 林 ! 业 ! 科 ! 学 ! 研 ! 究 第17卷
213 ! 不同部位的日本落叶松木材化学组成
的比较 ! 从表 4可以看出, 日本落叶松树体不
同部位木材化学组成有一些差别。顶部的水
抽出物、灰分、聚戊糖含量略高于干部和基部,
而顶部的综纤维素含量则较干部和基部低。
顶部和基部的木素含量和 1%NaOH 抽出物含
量略高于干部。
22 ! 日本落叶松木材糖类组成的分析
221 ! 不同树龄日本落叶松木材糖类组成的
分析比较 ! 在植物生长过程中,组成纤维素和
半纤维素的各种单糖组成会随着树龄的增加
而有一定的变化。通过对不同树龄日本落叶
松木材糖类组成的分析研究, 可以了解树木生
长过程中碳水化合物中各种单糖组成的变化。
表 4! 15 年生日本落叶松不同部位木材的
化学组成的比较
化学组成 15 a日本落叶松顶部 干部 基部
灰分/ ( g∀kg- 1)
冷水
抽出物/ 热水
( g∀kg- 1) 1%NaOH
苯醇
木素/ 酸不溶
( g∀kg- 1) 酸溶
总木素
综纤维素/ ( g∀kg- 1)
聚戊糖/ ( g∀kg- 1) !
41 ! 31 28
483 374 401
641 579 571
1726 1639 1766
351 399 251
2788 2733 2793
26 29 24
2814 2762 2817
6795 6941 6902
1205 1163 1034
! ! 从表 5可以看出,日本落叶松干部木材糖类相对组成中, 聚葡萄糖比例最大(为 6735% ~
6833%) ,它包含了全部纤维素和部分半纤维素中的葡萄糖组成。其它单糖组成中以聚甘露
糖含量最高(为 1624% ~ 1898%) , 说明日本落叶松木材的半纤维素组成主要是聚甘露糖类,
这也是针叶木半纤维素的结构组成特征(阔叶木的半纤维素则以聚木糖类为主)。
从日本落叶松干部木材中各糖的绝对含量来看,以聚葡萄糖含量最多,为 4592~ 4781 g
∀kg- 1;聚甘露糖次之,为 1135~ 1294 g∀kg- 1; 其它糖类含量较少。12年生与 15年生的日本
落叶松木材中聚糖的各组成相近,而 23年生日本落叶松木材中的聚阿拉伯糖和木糖含量较
低,聚甘露糖和聚半乳糖含量较高。从总体上来说, 幼龄日本落叶松木材中的聚阿拉伯糖、半
乳糖较低,对提高制浆得率比较有利。
表 5! 不同树龄不同部位日本落叶松木材的糖类组成
糖类组成
日本落叶松/ a
12
干部
15
顶部 干部 基部
23
干部
聚糖相对
含量/ %
聚糖绝对
含量/ ( g∀kg- 1)
阿拉伯糖 208 238 222 217 179
木糖 881 973 925 822 662
甘露糖 1738 1781 1624 1804 1898
半乳糖 355 480 396 585 526
葡萄糖 6818 6527 6833 6572 6735
阿拉伯糖 146 162 155 150 122
木糖 618 661 646 567 451
甘露糖 1219 1210 1135 1246 1294
半乳糖 249 326 276 404 359
葡萄糖 4781 4434 4774 4538 4592
总碳水化合物 7012 6793 6986 6905 6818
222 ! 日本落叶松不同部位木材糖类组成的分析比较 ! 从表 5中可以看出,日本落叶松干部
573第 5 期 王军辉等:日本落叶松木材的化学组成研究
木材的聚甘露糖和聚半乳糖含量较少并低于顶部和基部, 主干顶部、干部、基部各部位的聚阿
拉伯糖含量相近。从总体来看,日本落叶松树体各部位木材的糖类组成相差不大。
223 ! 日本落叶松木材与其它造纸原料糖类组成的比较 ! 从表 6可以看出,日本落叶松木材
以聚甘露糖为主, 属聚甘露糖类半纤维素。与鱼鳞云杉 ( Picea jezoensis var. microspermia
(Lindl. ) Cheng et L.K. Fu) [ 11]相比,日本落叶松木材中的聚阿拉伯糖和聚半乳糖含量较高,但
与其它落叶松相比要低得多, 特别是聚半乳糖含量。
表 6 ! 日本落叶松木材与其它造纸原料糖类组成的比较
糖类组成 日本落叶松( 12年生) 兴安落叶松[11] 鱼鳞云杉[11] 杨木[ 11] 稻草[11]
聚糖相对
含量/ %
阿拉伯糖 208 340 130 100 440
木糖 881 650 640 2340 3090
甘露糖 1738 1570 1910 480 090
半乳糖 355 1540 270 090 160
葡萄糖 6818 5880 7060 7000 6230
! ! 注:杨木( Populus spp. ) ,稻草( Oryza spp. )。
在针叶木中,落叶松是较为特殊的材种, 在它所含的半纤维素中,聚阿拉伯糖和聚半乳糖
占主要成分,造成落叶松木材制浆得率低等弊端,加之落叶松木材纤维壁厚等形态特点, 因而
限制了落叶松制浆造纸应用的发展,因此,考察日本落叶松木材半纤维素中糖类组成的特点,
特别是聚阿拉伯糖和聚半乳糖的含量, 对于评价其制浆造纸性能是重要的。
3 ! 结论与讨论
( 1)不同树龄日本落叶松木材化学组成存在一定的差异。其中: 冷水抽出物、热水抽出物
和1%NaOH 抽出物的含量随着树龄的增大而增加; 灰分含量随着树龄的增加而略有降低;其
它化学组成的含量随着树龄的增大变化规律不明显,综纤维素含量为 700 g∀kg- 1左右,酸不溶
木素含量为 270 g∀kg- 1左右,酸溶木素含量为 29 g∀kg- 1,聚戊糖含量为 120~ 130 g∀kg- 1。从
不同树龄日本落叶松木材的化学组成比较来看, 12 年生日本落叶松木材的热水抽出物、1%
NaOH抽出物和木素含量较低,综纤维素和聚戊糖含量较高; 而 15年生和 23年生日本落叶松
木材的热水抽出物、1%NaOH 抽出物、木素和综纤维素含量相近。可见, 12年生日本落叶松木
材的上述化学组成有利于提高制浆造纸的应用性能。
( 2)日本落叶松树干不同部位的化学组成虽有一定的差别,但相差不大。干部的综纤维素
含量略高,而木素、水抽出物和 1%NaOH 抽出物含量略低。
( 3)不同树龄日本落叶松木材中聚糖的组成比较接近,总碳水化合物含量随着树龄的增大
而降低。与23年生日本落叶松相比, 12年生与 15年生日本落叶松木材的聚葡萄糖含量较高,
聚半乳糖含量较低, 对提高制浆得率比较有利。
( 4)日本落叶松与兴安落叶松木材化学组成的比较结果表明: 日本落叶松木材的水抽出物
和1% NaOH抽出物含量较低;半纤维素中聚阿拉伯糖和聚半乳糖含量较低。日本落叶松木材
的化学组成与糖类组成特征, 对于提高制浆得率和改善其制浆造纸性能是有益的。从化学组
成来说,日本落叶松木材是一种优于兴安落叶松的造纸原料,而且 12 a 和 15 a日本落叶松木
材优于20 a以上树龄的木材。
574 林 ! 业 ! 科 ! 学 ! 研 ! 究 第17卷
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Study on Chemical Compositions of Larix kaempf eri for Papermaking
WANG Junhui 1, 2, ZHANG Shougong1, 2 , SHI Shulan3 , TAN Xiwen4, CHENG Jun5
( 1Research Inst itute of Forestry, CAF, Beijing! 100091, China;
2Laboratory of Tree Breeding and Cult ivation, State Forestry Administration, Beijing! 100091, China;
3TianjinUniversity of Science and Technology,Tianjin ! 300222,China;
4Dagujia Forest Farm, Liaoning Province, Qingyuan ! 113305, Liaoning, China;
5Maojingba Forest Farm Hebei Province, Longhua! 068154,Hebei, China)
Abstract:The chemical compositions and saccharide of Larix kaempf eri in different tree age and different vertical
location within a stem were investigated. In a result, the chemical compositions of Larix kaempf eri in different
tree age had certain difference. With the growing of Larix kaempf eri tree, the total carbohydrate decreases, water
extraction and 1%NaOH extract ion increase, glucose and xylose decrease, galactose increases. Taking chemical
compositions into account, 12years and 15years Larix kaempf eri had an advantage over those aged more than 20
years in papermaking. As compared with L. gmelinii, its water extraction, 1%NaOH extraction and galactose
were less, however, glucose was more. So Larix kaempf eri was better than L. gmelinii in papermaking。
Key word: Larix kaempf eri; timber; papermaking; chemical compositions
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