竹材木质素在细胞壁中的微区分布
植物的细胞壁结构层次纤维素半纤维素和木质素
植物的细胞壁结构层次纤维素半纤维素和木质素植物的细胞壁是由不同层次的结构组成，其中包括纤维素、半纤维素和木质素。
这些组成材料赋予了植物细胞壁特殊的力学性能和生物学功能。
本文将详细介绍植物细胞壁的结构层次，以及纤维素、半纤维素和木质素的特点和作用。
一、植物细胞壁的结构层次植物细胞壁是细胞外部的一层保护壳，位于质膜的外侧，与细胞膜相连。
它由三个主要的层次结构组成：原生质壁、第二质壁和中央质壁。
1. 原生质壁（primary cell wall）原生质壁是植物细胞发育的第一层细胞壁，通常位于质膜的外侧。
它主要由纤维素、半纤维素和果胶组成。
纤维素是细胞壁的主要构成成分，也是地球上最常见的有机化合物之一。
半纤维素包括木聚糖、甘露聚糖等多种多糖类物质。
果胶是一种水溶性的多糖类物质，能够与水形成胶体状物质，增强细胞壁的稳定性。
2. 第二质壁（secondary cell wall）第二质壁位于原生质壁的内侧，由纤维素和木质素构成。
纤维素在第二质壁中较原生质壁更为丰富，使细胞壁更坚硬和结实。
木质素是植物细胞壁的重要组成部分，它是一种复杂的有机聚合物，具有耐水、抗腐蚀和防御外界环境的功能。
第二质壁的形成较原生质壁晚，通常在细胞发育的后期形成。
3. 中央质壁（middle lamella）中央质壁位于相邻细胞的细胞壁之间，在植物组织中起粘合细胞的作用。
它主要由果胶组成，通过形成胶状物质将相邻细胞黏合在一起。
二、纤维素的结构和作用纤维素是植物细胞壁最主要的组成成分，它是一种由葡萄糖分子通过β-1,4-糖苷键连接而成的高聚糖。
纤维素的分子结构特殊，使得纤维素具有一些独特的力学性能和生物学功能。
纤维素的结构中具有大量的羟基基团，使得纤维素能够与水分子形成氢键而吸水膨胀，增加细胞壁的可塑性和韧性。
纤维素的线性结构也使得细胞壁具有一定的抗拉伸强度，能够抵御外界的压力和拉伸力。
纤维素还能通过形成纤维束和网状结构，增强细胞壁的整体强度和稳定性。
木竹材细胞壁结构形成的分子调控机制
木竹材细胞壁结构形成的分子调控机制【题记】如果说大自然是一位伟大的艺术家，那么木竹材细胞壁就是她的杰作之一。
木竹材细胞壁的结构形成是一个复杂而美妙的过程，它涉及许多分子的调控机制。
在本文中，我将深入探讨木竹材细胞壁结构形成的分子调控机制，带您进入这个神秘而迷人的世界。
【引言】木竹材作为一种重要的经济材料，其细胞壁结构具有决定性的影响。
细胞壁是由纤维素、半纤维素、木质素和琼脂等复合物组成，通过形成复杂的网状结构为木竹材提供了优异的力学性能和耐久性。
然而，木竹材细胞壁结构的形成是一个高度调控的过程，涉及到多个分子的协调作用。
在接下来的篇章中，我将为您揭开木竹材细胞壁结构形成的分子调控机制。
【一、细胞壁合成相关基因的表达调控】细胞壁合成是木竹材细胞壁结构形成的基础，其合成过程需要依赖大量的基因参与。
这些基因在木竹材发育的不同阶段表达量和时空分布都存在差异，从而导致细胞壁结构的差异。
调控这些基因的表达是细胞壁结构形成的重要一环。
1. 转录因子的作用转录因子是调控基因表达的关键分子，它们通过与DNA结合，调控下游基因的转录过程。
在木竹材细胞壁结构形成中，一些转录因子的表达受到内外环境的调节，从而影响细胞壁合成相关基因的表达。
NAC 转录因子家族在细胞壁形成过程中发挥重要作用，其过表达能够促进木竹材细胞壁的合成。
2. 激素的调节激素是木竹材细胞壁形成过程中的重要调节因子。
赤霉素、生长素等激素可以影响细胞分裂和扩张，从而影响细胞壁的合成。
激素还可以通过改变转录因子的活性和结合能力，进而调控细胞壁合成相关基因的表达。
激素在木竹材细胞壁结构形成的调控中扮演着重要的角色。
【二、细胞壁结构形成中的蛋白质调控】在木竹材细胞壁结构形成的过程中，蛋白质的调控也起着至关重要的作用。
蛋白质可以通过其特殊的结构和功能，参与到细胞壁的合成和组装中。
1. 纤维素合成酶的调控纤维素是细胞壁的重要组成部分，而纤维素合成酶则是纤维素合成的关键酶。
竹子PH值杂谈
竹材热分解纤维素化学成分ph值杂谈分类：木塑技术竹材的化学成分竹材的化学成分为：纤维素40％～60％，半纤维素14％～25％或更多，木质素16％～34％，有随年龄增长的趋势。
提取物：冷水浸出2.5％～5％，热水浸出5％～12.5％，醇-乙醚浸出3.5％～5.5％，醇-苯浸出2％～9％，1％氢氧化钠浸出21％～31％。
此外还有蛋白1.5％～6％，脂肪胶腊2％～4％，淀粉类2％～6％，还原糖约2％，氮0.21％～0.26％，灰分1％～3.5％。
所含磷、钾等的总量逐年减少，而硅则有增加，积聚于硅质细胞，竹青中可达4.35％或更多。
竹材化学成分与性质竹材中除了纤维素、半纤维素及木素外，还有一定数量的抽提物，如蛋白质、淀粉、蜡、脂肪和树脂等，这些不是竹材组织的结构物质，是竹材化学组成的次要成分，但其抽提物类型和数量的变化，不仅对竹材的色香味、抗虫、抗菌性及耐久性有密切关系，而且对竹材材质的均匀性也有重要影响。
竹材在使用过程中易遭虫蛀和发霉的特性，对竹材中糖类及淀粉的研究主要集中在糖及淀粉的含量以及不同采伐期不同部位的糖及淀粉含量的变化。
竹材主要由纤维素、半纤维素和木素组成，一般来讲，整竹由50%～70%的全纤维素、30%的戊聚糖和20%～25%的木素组成。
竹子的化学成分在不同的属种之间会有一些差别，部分原因是与微管束类型的不同有关竹材的基本化学成分与竹杆高度及部位有密切关系，如竹杆外侧的纤维素明显多于竹杆内侧，而竹杆内侧的木素又明显多于竹杆外侧。
纤维素含量随竹龄增加而减少，竹子3年生时的纤维素含量基本趋于稳定，基本密度随竹龄增加而减少。
纤维组织比量随竹竿胸径增加而减少，纤维素含量、基本密度与胸径存在一定的负相关关系竹材的pH值在4.80～6.66之间，平均为5.698，呈弱酸性。
散生竹变化范围较大，在5.42～6.66之间。
丛生竹较小，在4.80～5.72之间，且pH值普遍较散生竹小。
大部分散生竹的基部pH值较梢部大。
第四章木材细胞壁结构
本章要点：
4.1 木材细胞壁结构 4.2 细胞壁上的结构特征
4.1 木材细胞壁结构
(The Cell Wall Texture of Wood)
(一) 细胞壁的结构组成
木材的细胞壁主要是由纤维素、半纤维素和木质素三种成分构 成的，组成木材细胞壁的主要化学成分，按其物理作用可分为三 类：骨架物质、基体物质和结壳物质。
阔叶材管胞上的具缘纹孔：
阔叶材木纤维上的具缘纹孔在纹孔膜中央部分一般不具纹孔塞。 与针叶材构造的差异： 纹孔道:纹孔室与细胞腔间较窄的通道。 纹孔内口(inner aperture)：纹孔道通向细胞腔的开口。 纹孔外口(outer aperture)：通向纹孔室的开口。 纹孔内口有内含和外延之分： 内含纹孔口(included aperture) ：纹孔内口的长轴尺寸不大于纹孔 环。 外延纹孔口(extended aperture)：纹孔内口的长轴尺寸大于纹孔环。 相邻纤维细胞壁上的纹孔对在正面观察时，由于纹孔内口的 走向相反，故常呈交叉状。
导管分子的壁层结构(the wall-structure of vessel):
初生壁P：微纤丝呈无定向松散交织的网状结构 次生壁中层S2：微纤丝角α = 40 ° 次生壁外层S1、内层S3 ：成缓平螺纹
薄壁细胞的壁层结构(the wall-structure of parenchyma):
初生壁P ：微纤丝的排列是无定向的； S1层和S3层 ： α = 30 ～ 60°； S2层 ：α ≈ 0 °，与细胞长轴几乎平行。
M：胞间层 P：初生壁
S：次生壁
S1：次生壁外层 S2：次生壁中层 S3：次生壁内层 W：瘤层
细胞壁结构
管胞、木纤维的微纤丝排列：
竹材木质素在细胞壁中的微区分布
第30卷第5期2010年10月林 产 化 学 与 工 业Che m istry and Industry of Forest ProductsV o.l 30N o .5O ct .2010竹材木质素在细胞壁中的微区分布收稿日期:2010-01-25基金项目:/十一五0国家科技支撑计划资助(2006BAD19B0403,2008BADA9B0302)作者简介:杨淑敏(1971-),女,内蒙古赤峰人,博士,主要从事竹材化学特性研究;E -m ai:l shangk e620@hot m ai.l co m *通讯作者:江泽慧,首席专家,从事木材科学与技术的研究。
YANG Shu -m i n 杨淑敏,任海青,费本华,江泽慧*(中国林业科学研究院木材工业研究所,北京100091)摘 要: 对12个月的毛竹和茶秆竹进行了木质素微区分布的研究,实验运用光学显微镜和激光共聚焦扫描显微镜鉴定了木质素的存在,并且利用组织化学染色方法及其可见光显微分光光度计半定量测定竹材纤维﹑薄壁组织和导管的细胞壁各微区木质素含量。
毛竹竹茎各组织细胞壁各微区的木质素含量均大于茶秆竹相应部位的。
木质素在各组织中均有分布,其含量因组织类型及其细胞壁不同微区而有差异,其结构中存在愈创木基(G )和紫丁香基(S)两种木质素组成单元。
竹壁径向和纤维帽不同位置的木质素含量未有明显的规律性变化。
纤维次生壁具有薄厚层交替的多层结构,薄层的木质素含量大于厚层的。
关键词: 茶秆竹;毛竹;木质素微区分布;可见光显微分光光谱中图分类号:TQ351.013 文献标识码:A 文章编号:0253-2417(2010)05-0019-06L i gni n D istri buti on i n CellW all of Ba mboo Cul m s (Phyllostachyspubesce ns and P se udosasa a mabilis )YANG Shu -m i n ,REN H a-i q i n g ,FE I Ben -hua ,JI A NG Ze -hu i(R esearch Institute ofW ood Industry ,Chi nese A cade m y of Forestry ,Be iji ng 100091,Chi na)Abstrac t :L ign i n d i str i bution in d iffe rent anato m ica l reg i ons o f 12-month -old bamboo spec i es ,na m e l y m oso ba m boo andPseudosasa a mabilis K eng .f was i nvesti g ated .L i gnificati on w as stud i ed by m eans of optica lm icroscopy and confocal laser scan -n i ng m icro scopy .In add iti on ,distr i buti on o f li gn i n i n different ti ssues (fi bre ,parenchy m a and vesse l)w as investi ga ted by v isi b l e -li ght m i c rospectropho to m etry coup l ed w ithW iesne r andM ¾ule reaction .L i gn i n isw i de l y d istri buted i n d ifferent tiss ues ,i n wh ich t here i s li gn i n content d ifference a m ong ti ssues and anatom ical reg i ons .G uaiacyl ligni n un its and sy ri ngyl li gni n un its can be found in ce llwa ll of fi bre ,parenchym a and vesse.l There is no regu l ar variati on in lign i n content along diff e rent rad i a l loca ti on o f cul m s and diff e rent l ocation i n fi bre strands .T he mu ltilay er o f the fi bre seconda ry ce ll w a ll has alte rnati ng thick and th i n layers ,w hile li gni n conten t of t h i n l ayer is higher t han tha t of t h ick l ayers .K ey word s :P seudosasa amabilis ;moso ba m boo ;distr i buti on of li gn i n ;v isi ble -lightm icrospectrophoto m e try木质素是竹材中竹茎纤维﹑导管和薄壁组织等细胞壁的主要组成成分之一,其作为一种填充和黏结物质,具有增加竹材的机械强度和抵抗微生物侵蚀的能力。
植物纤维细胞壁的微细结构
Chapter 1 The Composition and Structure of Wood
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Tianjin University of Science & Technology
纤维素的分布
• 纤维素在原料纤维细胞壁中的分布具有 明显的规律性，从P层到S3纤维素含量 逐步升高，其中S2、S3层中含量最高。
• 细胞腔：细胞壁所包围形成的空腔称为细胞 腔。
• 瘤层（warty-layer)：部分材种的S3层内表面 及纹孔缘内表面上存在瘤层。
Chapter 1 The Composition and Structure of Wood
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禾本科纤维的微细结构
• 稻草、麦草的细胞壁组成较正常 • 其他原料的纤维细胞壁都具有特殊性。 • 禾本科原料的纤维细胞壁的P、S1层较 厚。
Chapter 1 The Composition and Structure of Wood
fergusproctergoring1967ccml木素分布图在胞间层木素浓7080在细胞壁中木素浓度为2030在树干横断面上如果髓心偏向一侧且偏心部分的年轮特别宽它在解剖构造和材性上与正常材都有显著的差异这部分木材称之为应力木应力木是木材中的一种缺陷
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Chapter 1 The Composition and Structure of Wood
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木质素 含木质素的分布(课堂精选)
行业学习
13
6.木质素的化学性质
（1）显色反应
因为木质素中含有一些特殊基团，如乙烯基、羰基、苯基 等具有共轭双键的发色基团；以及羟基、羧基等助色基团，会使 木材产生颜色。同时木质素可和许多有机化合物，无机化合物发 生特殊的颜色反应，这对研究木材的颜色及其变化，细胞壁木质 化程度确定木质素在细胞壁中的分布和木质素大分子的功能基者 很重要，同时，还可作为区分针、阔叶树材及木材染色的依据。 用苯酚与盐酸处理木材时，木质素产生蓝绿色；用盐酸苯胺处理， 木质素产生黄色；用间苯三酚与盐酸处理，木质素产生红紫色， 具体见下表：
和分离过程的差异，出自不同文献，同一种木质素的元素
组成有差异。
行业学习
4
木质素的结构
（ 1 ）木质素为天然高分子化 合物，具有三维空间结构；木 素的超分子结构形式借电子显 微镜观察，为球形小粒，并且 集聚成为球形聚集体。
（ 2 ）为芳香族化合物；
（ 3 ）非结晶性；
（ 4 ）结构单元为苯丙烷基
(三种)；结构单元之间以醚键
分离木质素因发生了缩合或降解，许多物理性质改变了， 溶解性质也随之改变，从而有可溶性木质素和不溶性木质 素之分。酚羟基和醇羟基的存在，使木质素能在浓的强碱 溶液中溶解。碱木质素可溶于稀碱或中性的极性溶剂中， 木质素磺酸盐可溶于水中，形成胶体溶液。
行业学习
10
（2）热性质
•
除了酸木质素和铜
氨木质素外，原本木质
云杉二氧六环木质素用水作比重液,在20℃时测定为1.38,用二氧 六环作比重液测定为1.391。
制备方法不同的木质素,相对密度也不同,如松木乙二醇木质素是 1.362,而松木盐酸木质素是1.348。
光学性质：木质素具有高折光系数（1.61）且有特殊的紫外吸收
慈竹_毛竹木质素的化学官能团和化学键特征研究
木质素是一种具有芳香族特征的 、 非结晶性的 、 三维空间结构的高 聚 合 物， 其基本结构单元是苯基 丙烷， 彼此以醚键和碳碳键联结， 而在木质素骨架中 侧链上有着各种化学官能团 。 这些结构单元间的键
-03 31 收稿日期：2009 2007 ］ 91 号） 。 基金项目 ： 国家林业局林业科学技术推广项目（ ［
12 ］ 按照文献［ 中所述方法制备乙酰化的木质 素 。 将经 乙 酰 化 处 理 后 的 木 质 素 样 品 溶 在 CDCl 3 中，四 甲 基 硅 烷 （ TMS ） 作 内 标，用 Bruher DMX300NB 型超导核磁共振 波 谱 仪， 在 300 MHz 条
1 -NMR 件下进行测定 。 总羟基和酚羟基含量通过 H -
第 32 卷
第3期
北
京
林
业
大
学
学
报
Vol. 32 ，No. 3 May ，2010
2010 年 5 月
JOURNAL OF BEIJING FORESTRY UNIVERSITY
慈竹 、 毛竹木质素的化学官能团和化学键特征研究
秦特夫 黄洛华 李改云
（ 中国林业科学研究院木材工业研究所， 国家林业局木材科学与技术重点实验室）
。在竹子的生长过
程中， 其化学组成的 生 物 合 成 途 径 在 不 同 的 品 种 间 由于受到的遗传特征的影 和同一品种的不同 部 位，
-62889467 第一作者 ： 秦特夫， 研究员 。 主要研究方向：木材化学 。 电话：010 国林业科学研究院木材工业研究所 。 本刊网址： http ： ∥ www. bjfujournal. cn ； http ： ∥ journal. bjfu. edu. cn
竹材中的纤维分布
竹材节处的纤维形态与节间不同，他们通常具有钝的尾端，分叉现象也相当普遍，有些纤维还有内含物，与节间的纤维相比它们长度短很多
参考文献：
亚麻生物化学加工与染整[M].史加强
纺织材料学（第三版）[M].
b型纤维细胞壁很厚，胞腔狭小，纤维次生壁内层由两个宽层组成，且中部的宽层较内部宽得多。
纤维初生胞壁微原纤被半纤维素、木质素和果胶填充分隔而排列稀疏，呈不规则网状结构。纤维次生细胞壁外层中较厚，其微原纤的取向偏离纤维的轴向而接近横向；纤维次生胞壁的中层是细胞壁中最厚的一层，它的结构决定了纤维的性质；次生胞壁内层的微原纤取向几乎与纤维轴向平行。
竹材中的纤维
纤维素的分布
纤维是纤维帽(或纤维股，纤维束，纤维群)中的纤维细胞。一般竹材的纤维细胞细长，两端渐尖，有时在端部出现分叉。其腔径较小，胞壁较厚，壁上有明显的节状加厚。纤维相靠紧密，有小孔沟通，通导能力小，纤维群几乎包围了组成维管束的其它细胞，其横断面积超过其它细胞共同的横断面积。竹材纤维细胞横切面近似圆形，且壁上有少数小的单纹孔。许多竹种纤维细胞壁上具有瘤层，瘤层排列具有一定规律，不同竹种间瘤层规律和密度不同。竹秆中纤维壁厚通常随竹龄增加而逐渐增厚。
12年竹材Vhyllostachys viridiglaucescens.纤维的5层结构（Liese, Weiner）
由于竹纤维细胞壁多层结构，使其模型与木材纤维细胞不同。竹材纤维细胞壁分为初生壁（P）和次生壁（S），不过这时次生壁（S）是由多层构成，且每层与细胞长轴夹角不一。
Parameswaran等（1976）在研究7种竹材纤维细胞壁时，总结前人对细胞壁层次的厚度、夹角及排列方式后，提出竹纤维细胞壁从紧靠胞间层的最外层开始依次是：初生壁（P），次生壁过度层S0（这层并不总是存在），S1-l，S2-t，S3-l，S4-t，S5-l，S6-t等。其中标注l和t分别代表细胞层次方向偏于轴向和横向。并提出竹材细胞壁的模型如图。
木质素的化学结构
木质素的化学结构一、木质素的概述木质素是一种复杂的有机聚合物，在植物细胞壁中大量存在，是植物界中仅次于纤维素的第二大天然高分子材料。
它与纤维素和半纤维素共同构成植物的骨架结构，对植物起到机械支撑、抵御微生物侵害等重要作用。
二、木质素的基本结构单元1. 三种主要单体木质素主要由三种不同类型的苯丙烷结构单元组成，分别是愈创木基丙烷（G）单元、紫丁香基丙烷（S）单元和对羟基苯基丙烷（H）单元。
愈创木基丙烷单元：其结构中含有一个甲氧基（-OCH₃）连接在苯环的3位上，在木质素的组成中占有较大比例，尤其在针叶木木质素中含量较高。
紫丁香基丙烷单元：该单元的苯环上有两个甲氧基，分别位于3位和5位。
紫丁香基丙烷单元在阔叶木木质素中的含量相对较高。
对羟基苯基丙烷单元：苯环上没有甲氧基，这种单元在草本植物木质素中的比例相对较高。
2. 结构单元的连接方式木质素中的这些结构单元之间通过多种化学键连接，其中最主要的是醚键和碳碳键。
醚键连接β O 4醚键是木质素中最常见的醚键连接方式，大约占木质素结构单元间连接键的一半左右。
它连接着一个结构单元的β位碳原子和另一个结构单元的4位氧原子。
还有α O 4醚键、4 O 5醚键等，但它们的含量相对较少。
碳碳键连接β 5、ββ、5 5等碳碳键连接方式也存在于木质素结构中。
β 5连接（也称为苯基香豆满结构）是较为常见的碳碳键连接类型，它对木质素的结构稳定性有重要影响。
三、木质素的三维结构1. 聚合形成木质素通过上述结构单元的不断聚合而形成三维网络结构。
这些结构单元在植物体内通过酶催化的聚合反应逐步连接起来，形成具有高度分支和复杂拓扑结构的大分子。
2. 空间结构特点由于多种连接键的存在以及不同结构单元的组合，木质素的三维结构具有不规则性。
这种不规则的三维结构使得木质素在植物细胞壁中能够与纤维素和半纤维素紧密结合，填充在它们形成的微纤维之间，增强细胞壁的强度和稳定性。
四、木质素结构的影响因素1. 植物种类差异不同植物种类的木质素结构有所不同。
竹子--天然复合材料
竹子---天然复合材料李志鹏高分子091 5701109017竹子竹为高大、生长迅速的禾草类植物，茎为木质。
分布于热带、亚热带至暖温带地区，东亚、东南亚和印度洋及太平洋岛屿上分布最集中，种类也最多。
枝杆挺拔，修长，四季青翠，凌霜傲雨，倍受中国人民喜爱，有“梅兰竹菊君子之一，“梅松竹”岁寒三友之一等美称。
中国古今文人墨客，嗜竹咏竹者众多。
然而，竹子也是一种天然的复合材料，有着优良的力学结构，作为一种天然的材料，即成本低友环保。
竹子的分类：竹的种类很多,合计种、变种、变型、栽培品种计500余种,大多可供庭院观赏，著名品种有：楠竹、凤尾竹、小琴丝竹、佛肚竹、大佛肚竹、寒竹、湘妃竹、冷箭竹、大箭竹、唐竹、泰竹、大泰竹、孝顺竹、粉单竹、牛耳竹、方竹、四川方竹、龙拐竹、车筒竹、青皮竹、粉单竹、短穗竹、黄竹、花秆黄竹、巨龙竹、拐棍竹、光巨竹、阔叶箬竹、水银竹、人面竹、毛竹、花毛竹、花竹、紫竹、斑竹、龟甲竹、淡竹、刚竹、苦竹、金竹、龟纹竹、银链竹、玉边竹、茶秆竹、矢竹、泡竹、罗汉竹、苗子竹、鹅毛竹、刺竹、菲黄竹、华箬竹、墨竹等用途竹子的化学组成：综纤维素、多戊糖、木质素、苯醇抽出物。
不同类型间综纤维素和木质素平均含量差异极显著;不同竹龄间综纤维素、木质素和苯醇抽出物平均含量差异极显著。
竹茎的化学成分类似于木材，但又有别于木材。
竹茎主要由纤维素、半纤维素和木素组成，一般来讲，整竹由50％～70％的全纤维素、30％的戊聚糖和20％～25％的木素组成，竹子的化学成分在不同的属种之间会有一些差别，部分原因是与微管束类型的不同有关。
竹茎的基本化学成分也与竹杆高度及部位有密切关系，如竹杆外侧的纤维素明显多于竹杆内侧，而竹杆内侧的木素又明显多于竹杆外竹子的力学性能优势：竹子是自然界存在的一种典型的、具有良好力学性能的生物体。
它强度高、弹性好、性能稳定 ,而且密度小 (只有0 . 6～1 . 2 g/ cm,)虽然钢材的抗拉强度为竹材的 2 . 5～3 . 0倍 ,但钢材的密度却为竹材的 10倍左右 ,因此 ,按比强度计算 ,竹材的比强度比钢材高3～4倍同时 ,竹子的细长比可达1 /150～1 /250,这是常规结构难以达到的。
基于纳米红外技术的竹材细胞壁化学成分研究
引 言
竹材是一种重要 的生物材料 。与木材 相 比，不仅在 宏观 形态上有 巨大 差别 ，而且 在微 观结 构上 也 表现 出 明显 的不 同。竹材细胞 与木 材细胞一 样 ， 都具 有分层 结构 ，但是 竹材 细胞 的分层结构更为 明显而多变 。壁层数 量在不 同竹种 、不 同部位有较大变异 ， 层数最少 的 ２ ～３ 层， 最 多可达 １ ８ 层＿ 】 ｊ 。 由于竹子具有特殊 的结 构 ，并具有生 长迅速 、强度 高 、柔韧 性好 、用途广泛等诸 多优点 ， 学者们很早 就对 竹材细胞 壁产
摘
要
为了深入 认 识竹 材 细胞 壁 的 精细 结 构 ，揭示 竹 材 细胞 壁 的独 特 构 造 ，首 次 应用 纳 米 红外 技 术
（ ＡＦ Ｍ－ Ｉ Ｒ ） 研究竹材纤维细胞壁 的化学成分及其分布 ， 探讨纳米红外技术在竹材细胞壁化学物质分布的研 究
方法 。 结果表 明，利用纳米红外技术可 以实现原位状态下对竹材纤维细胞壁 的化学组成进行分析 ，突破 了传
尺度 的壁层 内的分布情况 。电子显微镜具 有很高 的空间分辨
保鲜膜密封 ，干冰储存 带 回实验室后 置于冰柜 中冷冻 ，保存
待用 。
１ ． ２ 方 法
１ ． ２ ． １ 纳 米 红 外 原 理及 测 试 方 法
率， 但通 常需要进行化 学染 色或者借 助其 他标记方 法如抗体
收 稿 日期 ：２ ０ １ ５ — ０ ９ — ２ ０ ，修 订 日期 ： ２ ０ １ ６ — ０ １ ～ ２ ５
Ｊ ａ ｎ ｕ ａ ｒ ｙ，２ ０ １ ７
基 于 纳米 红 外技 术 的竹 材 细胞 壁 化 学成 分研 究
韦鹏练 ， 黄艳辉 ， 刘 嵘 ， 安 鑫 ， 费本华
森林利用学：竹材解剖结构及物理力学性质
4.2 基本系统
❖ （1）基本组织：是薄壁组织，细胞较大，细胞间隙明显。主要分 布在维管束系统之间，其作用相当于填充物，是竹材构成中的基本 部分，故称基本组织。
❖ （2）髓环：位于髓腔竹膜的外围。它的细胞形态和基本组织不同， 呈横卧短柱状，其胞壁随竹龄加厚，或发展为石细胞。
❖ （3）髓：一般由大型薄壁细胞组成。髓组织破坏后留下的间隔， 即竹秆的髓腔。
Bamboo-wood floor assembled on container
7260kg 小车辊压试验 Rolling test with a 7269kg vehicle
竹木复合板 Bamboo-wood composite
panels
竹木复合产品在公交车上的应用 Bamboo-wood composite applied on buses
4.2 表层系统
（1）表层系统：表皮层是竹壁最外面的一层细胞，由长形 细胞、栓质细胞、硅质细胞、气孔器构成。
（2）皮下层：紧接表皮层之下的是皮下层，由1~2层柱状细 胞构成，纵向排列，横切面呈方形或矩形，一般的细胞壁 稍厚或很厚。
（3）皮层：位于皮下层以内，是无维管束分布的部分，细 胞呈柱状，纵向排列，横切面上呈椭圆形或矩形。
木材加工设备和工艺不能直接用于竹材加 工,故竹材长期停留在原竹利用、编织工艺 品。从结构上看,可分为4类:竹质胶合板、 竹质地板、竹材碎料板、复合板材等。
6、竹材的化学性质
竹材纤维素含量随着竹龄增加而略减,由基 部向上渐增;竹材纤维素含量高于阔叶材。
竹材冷水、热水、1%氢氧化钠抽提物远比 木材高,因而易发生虫蛀、霉变和菌腐。
漂白和炭化竹地板
Bleached and carbonized bamboo flooring
木材的细胞壁和纤维比例
木材的细胞壁和 纤维比例
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目
录
01 添 加 目 录 项 标 题 02 木 材 的 细 胞 壁
03 木 材 的 纤 维
04
木材的细胞壁和 纤维的比例
PART 01 添加章节标题
PART 02 木材的细胞壁
细胞壁的结构
细胞壁由纤维素、 半纤维素、木质 素和果胶质组成
纤维素是细胞壁的 主要成分，占细胞 壁干重的50%以上
03
弹性：细胞壁的弹性决定了木
材的弹性
0 4 耐 久 性 ： 细胞壁的耐 久性决定 了木材的耐久性
0 5 吸水性：细胞壁的吸水性决定
了木材的吸水性
0 6 颜 色 ： 细 胞壁的颜色 决定了木 材的颜色
PART 03 木材的纤维
纤维的形态特征
纤维长度：决定木材的强度和硬度 纤维宽度：影响木材的密度和弹性 纤维排列方式：影响木材的纹理和美观性 纤维壁厚：影响木材的耐久性和抗腐蚀性
半纤维素是细胞壁 的次要成分，占细 胞壁干重的20%左 右
木质素是细胞壁的 次要成分，占细胞 壁干重的10%左右
果胶质是细胞壁的 次要成分，占细胞 壁干重的5%左右
细胞壁的组成成分
纤维素：主要成分，占细胞壁干重的40%-50% 半纤维素：占细胞壁干重的25%-35% 木质素：占细胞壁干重的20%-30% 细胞壁中还含有少量的矿物质和蛋白质
木材的细胞壁和纤 维比例会影响木材 的耐久性和防腐性 能
比例对木材加工性能的影响
细胞壁比例：影响木 材的硬度和强度
纤维比例：影响木材 的韧性和弹性
比例变化：影响木材 的加工性能，如切割、
刨削、打磨等
比例优化：通过调整 细胞壁和纤维的比例， 可以提高木材的加工
木材细胞壁细胞腔细胞间隙的关系
木材细胞壁细胞腔细胞间隙的关系【正文】一、木材细胞壁的组成与结构木材是一种重要的自然资源，被广泛用于建筑、家具、造纸等领域。
作为木材的主要构成部分，木材细胞壁的结构和特性对其性质和用途起着重要的影响。
木材细胞壁由纤维素、半纤维素和木质素组成，其中纤维素是最重要的成分，占据了细胞壁中的绝大部分。
木材细胞壁的结构可分为三层，分别为初生壁、次生壁和中层。
初生壁位于细胞内，由纤维素和半纤维素组成，具有较低的密度和较高的可塑性。
次生壁位于初生壁的外部，由纤维素和木质素疊合形成，具有较高的密度和强度。
中层是次生壁内部的一层薄膜，具有较高的可塑性和柔软性。
二、木材细胞腔的作用与特点木材细胞腔是指细胞壁之间的空隙，它们是木材细胞壁组织中的重要组成部分。
木材细胞腔除了填充了部分空间外，还起到了贮存水分、气体传输和物质运输的作用。
木材细胞腔的大小和数量会受到多种因素的影响，如树种、生长环境、芳龄等。
一般来说，硬木的细胞腔较小而密集，而软木的细胞腔较大而稀疏。
木材细胞腔还具有一定的连通性，可以使得水分、气体和溶质在细胞间进行传输，为木材的性质和应用提供了便利。
三、木材细胞间隙的功能和影响因素木材细胞间隙是指细胞与细胞之间的空隙，它们是木材细胞组织中的重要成分。
木材细胞间隙对木材的性质和用途有着重要的影响。
木材细胞间隙可以影响木材的密度、强度和导热性能等性质。
一般来说，细胞间隙越小，木材的密度和强度越高，导热性能越差。
具有较小细胞间隙的木材更适合用于建筑结构等领域，而具有较大细胞间隙的木材更适合用于造纸和纤维板等领域。
木材细胞间隙的大小和分布会受到多种因素的影响，如树种、生长环境、芳龄等。
一般来说，硬木的细胞间隙较小而均匀，而软木的细胞间隙较大而不均匀。
细胞间隙的分布还会影响木材的加工和使用，不均匀的分布会增加木材的加工难度和损耗。
四、木材细胞壁、细胞腔与细胞间隙的关系木材细胞壁、细胞腔和细胞间隙是相互关联和相互影响的。
木质素——土壤中植物源有机质“代言人”
木质素——土壤中植物源有机质“代言人”木质素的命运维管束植物具有复杂的细胞壁化学结构，其中的木质素将纤维素和半纤维素组成的碳水化合物包于其中，形成木质纤维复合屏障，以抵御微生物及周围环境对植物组织的攻击破坏（图1）。
图1 木质纤维结构示意图叶片等植物组织因着季节变化，“落叶归根”进入土壤，成为土壤中微生物等分解者的“口粮”。
微生物分解植物残体（主要来自凋落物和细根），首先分解的是单糖、低聚糖等“易消化”的低分子化合物，其次分解的是“难消化”的木质纤维素复合物。
作为难降解物质，木质素一度成为生态学中表征土壤有机质稳定性的“宠儿”，人们用“木质素/N”（N为营养元素）等指标验证枯枝落叶在土壤中的抗分解能力。
但这并不代表木质素会一直稳定存在于土壤中，通过同位素分析可知，土壤中木质素的转化速率要比总有机质更快。
因此，木质素在土壤中的“稳定”是暂时的，最终仍逃不过被降解或氧化为其它有机质的命运。
土壤中的木质素指示剂自然界中植物种类的多样性直接决定了木质素含量和分子结构的多样性，目前通过化学方法可测得木质素氧化后的一系列酚类化合物（图2），它们不仅可以表征木质素的量，还可以表征木质素被微生物降解的程度和木质素源自的植物种类（草类、裸子植物、被子植物等）。
因此，这些木质素酚类化合物通常作为阐述植物残体来源和被微生物降解情况的指示剂，土壤中木质素的量变和质变的差异可直接反映植物源有机质在土壤中的变化情况。
图2 木质素经CuO氧化后得到的酚类单体长白山阔叶红松林群落生态演替是一个生态群落物种结构随时间变化的过程。
对于森林来说，有些生长迅速的“先锋树种”会产生大量的种子，这些种子会随风传播，且可以在大片的空地上繁殖。
它们在阳光照射下发芽壮大，一旦形成了封闭的树冠，造成土壤缺乏直接的太阳辐射，它们自己的幼苗就很难生长。
于是在先锋树种的保护下“耐阴树种”寻得良机，取代“先锋树种”形成一个相对稳定的群落，直到新的灾难（干扰）到来。
细胞壁起支撑作用的成分
细胞壁起支撑作用的成分
细胞壁是植物细胞外层的一种特殊结构，为植物的形态、功能和生长发育提供支撑作用。
细胞壁的主要成分有纤维素、半纤维素、木质素、凝胶质、糖蛋白和脂质等。
1、纤维素：细胞壁中的纤维素以植物纤维素的形式存在，是细胞壁最重要的成分之一。
它主要由二聚体组成，其中葡聚糖占90%以上，起着增加细胞壁弹性和硬度的作用，能够抗体抗压强度。
2、半纤维素：半纤维素是一种含水材料，因其表面电荷强，所以能够抵抗植物的环境因素，并且有一定的吸附作用，从而保护植物的细胞壁。
3、木质素：木质素是植物细胞壁的结构性成分，主要由维管束纤维素和木质素组成，是细胞壁最重要的结构性成分，对植物的硬度、强度和形态等有很大的影响。
4、凝胶质：凝胶质是植物细胞壁中的一种成分，是由多种糖原和多种结构性蛋白质组成，主要起着支撑细胞壁的作用。
5、糖蛋白：糖蛋白是植物细胞壁的一种重要成分，它主要由糖基化的蛋白质组成，能够通过调节细胞壁的结构和强度来调节植物的形态和功能。
6、脂质：脂质是植物细胞壁的成分之一，主要由多种不同的脂肪酸和多种不同的甘油三酯组成，起着维持细胞壁的形状、结构和硬度的作用。
谈木材细胞壁的层次结构
谈木材细胞壁的层次结构【摘要】木材是由细胞组成的，也就是说，细胞是构成木材的基本形态单位。
对于木材检验工作来说，首先要了解木材细胞壁的超微构造、壁层结构以及细胞壁上的特征，因为无论是木材树种识别与利用，还是木材物理力学性质的各向异性都与其有密切的关系。
【关键词】木材；检验；细胞壁；层次；结构木材是由细胞组成的，也就是说，细胞是构成木材的基本形态单位。
木材细胞在生长发育过程中经历分生、扩大和胞壁加厚等阶段而达到成熟。
成熟的木材细胞多数为空腔的厚壁细胞，仅有细胞壁与细胞腔，俨如桑蚕的蚕茧。
所以，对于木材检验工作来说，首先要了解木材细胞壁的超微构造、壁层结构以及细胞壁上的特征，因为无论是木材树种识别与利用，还是木材物理力学性质的各向异性都与其有密切的关系。
1．细胞壁物质组成木材细胞壁主要是由纤维素、半纤维素和木质素三种成分构成。
纤维素以分子链聚集成束和排列有序的微纤丝状态存在于细胞壁中，起着骨架物质作用，相当钢筋水泥构件中的钢筋。
半纤维素以无定形状态渗透在骨架物质之中，起着基体黏结作用，故称其为基体物质，相当钢筋水泥构件中的绑捆钢筋的细铁丝。
木质素是在细胞分化的最后阶段木质化过程中形成，它渗透在细胞壁的骨架物质和基体物质之中，可使细胞壁坚硬，所以称其为结壳物质或硬固物质，相当钢筋水泥构件中的水泥。
2．木材细胞壁的层次结构木材细胞壁各层的化学组成不同，光学显微镜下，它的结构可分为胞间层(ml)、初生壁(p)和次生壁(s)三层。
(1)胞间层细胞分裂的末期，出现了细胞板，将新产生的两个细胞隔开，这是最早的细胞壁部分。
此层很薄，它是两个相邻细胞中间的一层，为两个细胞所共有，实际上，通常将胞间层和相邻细胞的初生壁合在一起，称为复合胞间层。
主要由木质素和果胶物质组成，纤维素含量很少，所以高度木质化，在偏光显微镜下显现各向同性。
(2)初生壁初生壁是细胞增大期间所形成的壁层。
初生壁在形成的初期，主要由纤维素组成，随着细胞增大速度的减慢，可以逐渐沉积其他物质，所以木质化后的细胞，初生壁木质素的浓度特别高。
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第30卷第5期2010年10月林 产 化 学 与 工 业Che m istry and Industry of Forest ProductsV o.l 30N o .5O ct .2010竹材木质素在细胞壁中的微区分布收稿日期:2010-01-25基金项目:/十一五0国家科技支撑计划资助(2006BAD19B0403,2008BADA9B0302)作者简介:杨淑敏(1971-),女,内蒙古赤峰人,博士,主要从事竹材化学特性研究;E -m ai:l shangk e620@hot m ai.l co m *通讯作者:江泽慧,首席专家,从事木材科学与技术的研究。
YANG Shu -m i n 杨淑敏,任海青,费本华,江泽慧*(中国林业科学研究院木材工业研究所,北京100091)摘 要: 对12个月的毛竹和茶秆竹进行了木质素微区分布的研究,实验运用光学显微镜和激光共聚焦扫描显微镜鉴定了木质素的存在,并且利用组织化学染色方法及其可见光显微分光光度计半定量测定竹材纤维﹑薄壁组织和导管的细胞壁各微区木质素含量。
毛竹竹茎各组织细胞壁各微区的木质素含量均大于茶秆竹相应部位的。
木质素在各组织中均有分布,其含量因组织类型及其细胞壁不同微区而有差异,其结构中存在愈创木基(G )和紫丁香基(S)两种木质素组成单元。
竹壁径向和纤维帽不同位置的木质素含量未有明显的规律性变化。
纤维次生壁具有薄厚层交替的多层结构,薄层的木质素含量大于厚层的。
关键词: 茶秆竹;毛竹;木质素微区分布;可见光显微分光光谱中图分类号:TQ351.013 文献标识码:A 文章编号:0253-2417(2010)05-0019-06L i gni n D istri buti on i n CellW all of Ba mboo Cul m s (Phyllostachyspubesce ns and P se udosasa a mabilis )YANG Shu -m i n ,REN H a-i q i n g ,FE I Ben -hua ,JI A NG Ze -hu i(R esearch Institute ofW ood Industry ,Chi nese A cade m y of Forestry ,Be iji ng 100091,Chi na)Abstrac t :L ign i n d i str i bution in d iffe rent anato m ica l reg i ons o f 12-month -old bamboo spec i es ,na m e l y m oso ba m boo andPseudosasa a mabilis K eng .f was i nvesti g ated .L i gnificati on w as stud i ed by m eans of optica lm icroscopy and confocal laser scan -n i ng m icro scopy .In add iti on ,distr i buti on o f li gn i n i n different ti ssues (fi bre ,parenchy m a and vesse l)w as investi ga ted by v isi b l e -li ght m i c rospectropho to m etry coup l ed w ithW iesne r andM ¾ule reaction .L i gn i n isw i de l y d istri buted i n d ifferent tiss ues ,i n wh ich t here i s li gn i n content d ifference a m ong ti ssues and anatom ical reg i ons .G uaiacyl ligni n un its and sy ri ngyl li gni n un its can be found in ce llwa ll of fi bre ,parenchym a and vesse.l There is no regu l ar variati on in lign i n content along diff e rent rad i a l loca ti on o f cul m s and diff e rent l ocation i n fi bre strands .T he mu ltilay er o f the fi bre seconda ry ce ll w a ll has alte rnati ng thick and th i n layers ,w hile li gni n conten t of t h i n l ayer is higher t han tha t of t h ick l ayers .K ey word s :P seudosasa amabilis ;moso ba m boo ;distr i buti on of li gn i n ;v isi ble -lightm icrospectrophoto m e try木质素是竹材中竹茎纤维﹑导管和薄壁组织等细胞壁的主要组成成分之一,其作为一种填充和黏结物质,具有增加竹材的机械强度和抵抗微生物侵蚀的能力。
竹材木质化过程和木质素在细胞壁中的微区分布都有过研究[1-5],但对毛竹和茶秆竹木质素的分布系统研究的较少。
通常木质素所含有的对羟基苯基丙烷单元(H )、愈创木基丙烷单元(G)和紫丁香基丙烷单元(S)3种单元对不同的化学试剂显色反应不同。
M ¾ule 反应可以鉴别紫丁香基木质素的存在,主要是紫丁香基中游离的酚羟基使木材产生红色[6]。
W iesner 反应对紫丁香基和愈创木基都会产生颜色反应。
作者利用组织化学染色结合光谱分析研究了毛竹和茶秆竹发育过程中各种组织的细胞壁各微区的木质素组成单元及其含量,这些成果对进一步研究竹材生物形成机理具有重要参考价值。
1 材料和方法实验材料选取:采于浙江庙山坞自然保护区和安吉竹种园,分别选取12个月的毛竹和茶秆竹,自基部向20林产化学与工业第30卷上的第3节间中部,切取0.5c m@0.5c m@T c m(T为竹壁径向宽度)的小竹块,置于标准固定液中固定。
切片制作:固定后的小竹块清洗,甘油酒精溶液软化后,利用滑走切片机切取20L m厚的切片。
切片一部分用于组织化学染色的光学显微镜的观察、拍照,一部分用于测定可见光吸收光谱。
组织化学染色:M¾u le反应,切片用1%高锰酸钾溶液染色5m in后,用蒸馏水冲洗3遍;在3% HC l中浸泡1m i n,蒸馏水洗涤;29%氨水封片观察。
W iesner反应,切片用2%间苯三酚酒精(95%)溶液浸泡5m i n,滴加6m ol/L H C l封片观察。
可见光显微分光光度计测定吸收光谱:M¾ule和W iesner反应后的切片利用可见光显微分光光度计(U nivar,点径1L m,谱带宽10mm)测量可见光吸收光谱。
染色后的切片容易褪色[7-8],在切片褪色前测量完毕,同一部位可用多个切片以防止其褪色。
测定纤维组织次生壁、细胞角隅区和复合胞间层在最大吸收峰处的吸光度时,分别在竹壁的竹黄、竹中和竹青3个区域选择有代表性的维管束3个,从靠近原生木质部导管和初生韧皮部筛管的纤维作为起点,以靠近薄壁组织的纤维作为终点,按近似直线方向依次测定外方纤维帽和内方纤维帽上的纤维次生壁、细胞角隅市和复合胞间层的吸光度。
然后取3个维管束的平均值作为竹壁径向不同位置的吸光度。
薄壁组织和导管的木质素微区分布只测定竹壁中部的。
2结果与讨论2.1木质素的定性分布运用组织化学染色鉴定木质素组成单元的存在,12个月的毛竹和茶秆竹纤维、薄壁组织和导管经过M¾ule试剂显示出棕色(图1(a)~(b)、图2(a)~(b)),经过W iesner反应显示暗红色(图1(c)~(d)、图2 (c)~(d)),说明12个月的毛竹和茶秆竹木质素大量沉积,并且含有愈创木基(G)和紫丁香基(S)两种木质素组成单元。
这和K i m等[9]的研究中发现纤维次生壁含有G和S两种组成单元是一致的。
番红固绿染色后,纤维、导管和薄壁组织被染成红色,说明已经有木质素的沉积,这和组织化学染色的结果一致(图1(e)、图2(e),靠近维管束内部的纤维红色较深,木质素沉积是从维管束内部向外进行(图2(c))。
原生木质部导管,后生木质部导管细胞壁染成红色,纤维和薄壁组织呈现红色,一年生纤维全部呈现红色,纤维全部木质化(图2(c))。
图1毛竹M¾u l e反应横切面Fig.1P.pubescens M¾u le reaction,cross sec ti on第5期杨淑敏,等:竹材木质素在细胞壁中的微区分布21图2茶秆竹Fig.2P.am abilis L egend薄壁组织和纤维的次生壁显示了多层结构,并且薄层的荧光比厚层的明显(图1(f)、图2(f))。
这也支持了以往对生维次纤壁研究所得到的薄层木质素浓度多于厚层的结论[10-11]。
2.2木质素在细胞壁的微区分布毛竹和茶秆竹的竹茎纤维、薄壁组织和导管经M¾ule和W i e sner试剂反应后的可见光吸收光谱见图3。
为了便于对比,把不同竹龄、不同组织的两种反应的最大吸收峰处的波长总结在表1。
分别在每个组织相对应的最大吸收峰波长处测定相应组织及其各微区的吸光度。
图3M¾u le(a、c)和W i e s n er(b、d)反应可见光吸收光谱Fig.3V isib le li gh t absorp tion sp ec tra after M¾u le reaction(a,c)and W iesner react i on(b,d)22林产化学与工业第30卷表1M¾u l e和W iesner反应后各组织的最大吸收峰值T ab le1Absorp tion peak s after M¾ule reac ti on and W ies n er reaction nm 竹种s peci es反应类型reacti on typ e纤维fi b re薄壁组织paren chy m a导管vessel 毛竹P.pubescens M¾u l e510515505茶秆竹P.amabilis M¾u l e510500510毛竹P.pubescens W i es n er530510510茶秆竹P.amabilis W i es n er520510520不同竹种的纤维、薄壁组织和导管的两种组织化学染色的可见光吸收光谱在505~530nm都具有较强的吸收峰值,同样说明不同组织中同时含有S和G木质素。