《木材的显色与变色》作者 枫亚

《木材的显色与变色》
枫亚(张久铭)编撰
1 材色的定义
《木材学》⁽¹⁾对材色给出的定义如下：
“木材是由细胞壁构成的，而构成细胞壁的主体—纤维素本身是无色无味的物质，只是由于色素、单宁、树脂和树胶等内含物质沉积于木材的细胞腔，并渗透到细胞壁中，使木材呈现出各种颜色，称为材色”。

2 材色的产生
人们曾经认为木材的颜色是由于木材中
存在具有色素的物质或其他物质在外界条件
作用下而产生的。

后来的研究发现，“木质素结构中缔合有发色结构物质，所以木材的颜色产生的原因有两个方面，一是与木质素有关，二是与抽提物有关”⁽²⁾。

2.1 木材颜色产生的基础原理
专业研究结果表明，木材化学组成分中的纤维素、半纤维素在正常情况下都是以单键联结的有机化合物，对可见光中各种波段无吸收，而全部反射，故不具有颜色特性。

木质素及抽提物中的黄酮类、酚类化合物的结构单元中都存在共轭双键的发色基团，在可见光波段区内具有吸收峰，随着吸收和反射光谱的不同，而显示出不同的材色⁽³⁾。

2.2 抽提物中发色物质的形成
心材的颜色往往比边材深，有些深得很多，这是因为抽提物成分在心材和边材中的分布及含量不同，“与木材颜色和变色紧密相关的多元酚类化合物主要分布在心材”。

“木材所呈现的颜色与其组分的化学构成有密切关系，因为分子结构的不同，对可见光的吸收范围和程度不同，从而表现出不同的颜色”⁽⁴⁾。

心材是由边材转化而来，大量抽提物的集中出现是心材形成的标志。

关于边转心的过程与机制，现有的研究表明：“木质化阶段一经结束，木纤维和管胞就死亡。

而横向和纵向薄壁细胞却一直维持很多年仍生活着。

这些细胞作为水和无机盐类传导的通道，维持新陈代谢进程和
贮存养料，经过一定时间后死亡并逐渐形成心材。

在此过程中，木材内部发生各种变化，形成大量抽提物沉积在细胞壁或填充在细胞腔
和一些细胞组织中”⁽⁵⁾。

具体讲就是“边心材转换区的薄壁细胞在死亡之前会产生生理
机能亢进的表现，在这期间薄壁细胞把淀粉粒等贮藏物质转化成抽提物，并将这些抽提物输送到邻近的组织中”⁽⁶⁾。

3 木材的显色
3.1 细胞壁结构物质中的发色组分
木质素是细胞壁的三大构成物质之一，属于非结晶性的三度空间高聚物。

光表现方面，木质素吸收可见光内380nm～500nm之间波段的蓝紫光⁽⁷⁾，反射微黄色的补光。

由于纤维素和半纤维素均为无色物质，所以我们见到的边材颜色来自木质素，由边材转化而成的心材材色中也包含着木质素的颜色在内。

久置于空气中的木材，或木材加工过程中受热、或在氧化剂存在的条件下，均会导致木质素变色。

借助边材，我们可以直观地感受到其颜色的变化，变化的程度与时间和环境温度相关，变色的大致方向是由淡黄色→土黄色→黄褐色→……。

3.2抽提物中的发色组分
木材抽提物中所含的发色物质，如色素、单宁、树胶和树脂等，是木材产生颜色的重要原因之一。

3.2.1色素
色素的发色有以下两种情况：
①是色素本身为带色物质使木材显色。

这些色素种类较多，可使木材显现出不同颜色，比如：
紫檀木心材为红色，可以提取紫檀香(santalin)色素。

美国鹅掌楸木材里可以提取黄色染料鹅
楸黄(liridenine)。

一些桑科的木材中含有桑橙素(maclurin)为黄色微晶粉。

紫葳科中的某些木材含有拉帕醇(lapachol)为黄色柱晶。

②是色素本身无色，经氧化后产生各种有色物质，从而使木材产生颜色。

比如： 桑树中含有的桑色素(morin)为无色针晶，暴露在空气中的木材为黄色。

苏木中含有的苏木素( brazilin)为无色针晶，碱性条件下氧化，显示红色⁽⁸⁾。

3.2.2 单宁
单宁广泛地存在于树木的叶、果、材(木质部)、皮和根部，在木材中心材的含量高于边材。

富含单宁的木材，久置于空气中后表面颜色变深，并逐步向木内扩展。

在加工过程中，与铁接触会发生铁变色，其颜色从浅灰到蓝黑色，随铁与木的接触情况而变化；与铜或合金接触后产生微红色⁽⁹⁾。

3.2.3 树胶
树胶是木材中胶质物的统称，在阔叶树材中广泛地存在。

树胶颜色多为红色、红棕、褐色，也有特殊颜色的，如黄色、黑色及无色的。

有些木材的胶质物直接渗入到纤维组织中，如乌木呈黑色就是因为黑色的胶质物渗透到所有的细胞
组织中⁽¹⁰⁾；紫檀木呈红色则因为其细胞壁中充满了红色的树胶和紫檀香色素⁽¹¹⁾。

有些胶质物则在导管中单独存在而影响材色。

3.2.4 树脂
针叶树材中的树脂除存在于木射线细胞
内以外，还存在于树脂道内。

阔叶树材中的树脂几乎完全存在于木射线细胞内，轴向薄壁组织内很少。

也有部分心材导管中含有相当数量的树脂，如愈疮木和维腊木。

边材导管中则没有。

树脂的颜色多为黄色，或黄色偏红、偏棕，偶有淡绿或深绿色的。

树脂颜色对材色的影响源于树脂的渗出，或某些导管比较密集且又含有树脂的树种也
对材色构成影响。

3.2.5 水溶性抽提物
水溶性抽提物中的带色物质含量较少或
颜色很浅，长时间的泡木之水颜色仍然淡淡
的，可见水溶性带色抽提物不足以对木材颜色的倾向构成影响。

但是长时间处于高温环境(如干燥加工或在气温较高的区域存放)时，情况则有所不同。

木材在受热过程中，其内部的水分逐渐向木材表面迁移，部分水溶性的(包括酚类及黄酮类化合物在内的)抽提物，随水分移向木材表面，并堆积在木表和近表区域，在热、水和空气的多重作用下，氧化而变色”⁽¹²⁾。

4 木材的变色⁽¹³⁾
4.1 光化学降解引起的变色
在引起木材褪色、变色的诸多因素中，紫外光与可见光的照射是最主要的，置于日光下的木材，其表面会迅速发生化学降解作用，而使木材表面颜色发生变化(褪色)。

有些木种置于日光下后，短期表现为色相的转变，但日晒时间一久，变色的最终方向是褪色。

影响光变色的因素有三个：
①温度。

提高温度可使光降解和氧化反应加速。

②水分。

自由基的浓度是影响光化学降解的因素之一，当含水率在某个值的范围内时，自由基浓度达到峰值。

③树种。

由于光降解发生在木表及近表部分，所以木材的体积越大，其降解侵蚀率越低。

还有，金属离子(尤其是铁离子)的含量对自由基的形成有所影响。

4.2 化学试剂引起的变色
4.2.1 化学试剂导致变色的特点
化学试剂导致木表颜色变化是木材 颜色变化中重要的一类，其特点如下：
①反应快，木材在短时间内变色。

②大多出现在加工过程中，或加工结束后。

③受反应条件，如温度、时间和PH值等的影响。

④反应多发生在心材。

4.2.2 化学试剂
导致木材表面颜色变化的化学试剂主要是：
①过渡金属（如铁离子等）和氧化剂(如KMnO₄等)
②酸、碱或其他加工过程中的化学助剂。

4.2.3 变色的化学组分
受试剂影响产生颜色变化的主要化学组
分是单宁类、黄酮类、以及木质素和酚类化合物。

4.2.4 化学试剂变色的机理
木质素属于细胞壁的结构物质，是导致木材变色的化学组分之一。

木质素具有较强的还原能力，易被氧化剂氧化，氧化的结果使边材颜色趋向黄褐色，使心材的颜色加深。

木材的抽提物是导致木材变色的重要因素，与材色变化相关的抽提物包括两大类：
①单宁类。

单宁类由水解类单宁和凝缩类单宁组成，具有以下几点特性：
一是具有较强的极性，易溶于热水、乙醇、丙酮和乙酸乙酯。

二是能与重金属盐（如醋酸铅、醋酸铜）和碱土金属氢氧化物(如Ca(OH)₂）溶液形成沉淀。

三是与过渡金属形成络合物显色，如与FeCl₃反应，生成黑或绿色沉淀。

四是强还原剂，易在空气中氧化，尤其在酶作用下，形成发色化合物。

②黄酮类和酚类。

黄酮类和酚类是导致木材显色和变色的重要要化学组分。

这些化合物具有较强还原能力，易被氧化剂氧化，其氧化产物能使木材显色或颜色加深。

同时，也易与过渡金属作用而显色。

单宁类、黄酮类以及其他酚类化合物大多存在于心材中。

4.2.5 铁变色
这是由Fe离子与木材中的单宁、酚类、黄酮类以及木质素发生化学反应引起木材变色，大多呈灰黑色。

在这类变化中，过渡金属铁离子不仅易与多元酚形成金属络合物呈现
颜色，而且在铁离子存在下，多元酚更易被氧化，形成单宁铁、单宁酸铁以及醌类化合物等。

过渡金属铜离子也有类似的反应，生成单宁铜
或单宁酸铜，使木材呈浅红色变色。

引起这类木材变色的铁离子常来源于木
材加工过程，如制材过程的刀锯、以及工业用水等，都能产生与木材作用的铁离子，使木材变色。

影响铁变色的因素有三个：
①木材组分。

影响铁变色的主要木材组分是单宁，单宁的含量影响木材 色差变化，但是黄酮类、木质素等也对变色过程有一定影响。

②铁离子浓度。

一般木材在铁离子浓度很低时就能产生变色。

③时间。

铁引起变色所需的时间很短，一般3 min即可变色，若温度升高则速度会加快。

4.2.6 酸变色
木材的酸变色是酸与木材中的单宁、黄酮类多酚类化合物发生化学反应所致。

经热水抽提过的木材，一般无酸变色反应，可证这一类变色反应不是由木质素引起的。

酸变色的木材一般呈红色，随着PH值的减小而色差值增大。

当PH值为 2～5时，木材变色轻微。

此外，含有凝缩类单宁较多的针叶树材，酸变色程度较大；光照下不仅酸变色速度快而且色差值增大，置于暗处的木材酸变色轻微。

4.2.7 碱变色
碱变色是碱性化合物与木材中的少量组
分单宁、黄酮类以 及其他酚类化合物反应所致。

经热水抽提过的木材，碱变色的反应不明显。

但随PH值增大而颜色加深，并且呈不同颜色，大多呈棕色、红棕色。

碱变色通常出现在木制品使用过程中，如木制品与碱性材料接触，在潮湿条件下，可发生碱变色。

4.3 微生物作用引起的变色
霉菌和变色菌的侵害是导致木材变色的
原因之一，由霉菌和变色菌引起的材色变化主要发生在边材。

遭到霉菌侵害的木材，可见成片的黑灰色和淡绿色的霉斑；变色菌引起木材的变色，因菌种与树种的不同产生的颜色也不同，所变化的颜色有蓝、青、黄、绿、红、灰、黑色等。

木材霉菌和变色菌均为子囊菌纲和不完
全菌纲的真菌，其生长发育的适宜温度为23～35℃。

4.4 其他原因引起的变色
4.4.1 热变色
热变色通常出现于木材干燥过程中。

木材的变色因树种和干燥温度而异，它可以变黄、棕、红、灰等颜色，长期处于高温下的木材可 变成棕褐色。

木材的热变色主要是干燥过程中木材内的水分外移，部分水溶性的抽出物，如酚类、黄酮类化合物随之外移至表面所致，同时在高温下受空气氧化变色。

4.4.2 酶变色
刚采伐的木材，锯解成材后，放置于潮湿环境中，氧化酶会导致木材表面变色。

所变颜色因树种不同而异，如冷杉边材变黄，桤木变红棕色，柳杉变黑。

含水率及温度是酶变色的重要影响因素。

当环境相对湿度达100％时，木材易产生酶变色。

温度也影响酶变色，环境温度在20℃以下时酶变色比较缓慢。

4.4.3 树脂渗出使木材显色
除上述的各种木材变色外，还有木材的树脂渗出引起的变色等。

参考文献
⁽¹⁾⁽²⁾⁽⁸⁾⁽⁹⁾⁽¹⁰⁾《木材学》徐有明主编
⁽²⁾⁽⁵⁾⁽⁸⁾《木材学》刘一星主编
⁽³⁾《木材的材色及材色处理》徐永吉
⁽⁴⁾⁽⁷⁾⁽¹³⁾《木材热诱发变色过程中发色体系形成机理》陈瑶
注：可见光波段范围为380nm～780nm。

⁽⁶⁾《边材生理机能及心材形成机理的研究进展》罗蓓等
⁽¹¹⁾《红木国标/紫檀木》
注：国标中所描述的“紫檀素”实指“紫檀香色素”。

⁽¹²⁾《热处理过程中桉木水溶性抽<br>提物迁移对材色的影响》马姗姗
⁽¹³⁾《木材变色的类型》(作者不详)
注：本节采用了《木材变色的类型》的几乎全部内容，根据需要有所增删，但基本保持了原文的框架、观点和结论。