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万寿菊秸秆微观形貌和化学组成的变异研究

杨国超 王楠 黄新鑫 耿亚茹 刘婧 张求慧

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万寿菊秸秆微观形貌和化学组成的变异研究

    作者简介: 杨国超,博士生。主要研究方向:生物质材料研究。Email:1006649108@qq.com  地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学材料科学与技术学院.
    通讯作者: 张求慧,博士,教授。主要研究方向:木质材料研究。Email:qhzh66@163.com  地址:同上
  • 中图分类号: S781

Variation of microscopic morphology and chemical composition of marigold stalk

图(7)表(3)
计量
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-30
  • 录用日期:  2019-08-27
  • 网络出版日期:  2019-10-17

万寿菊秸秆微观形貌和化学组成的变异研究

    通讯作者: 张求慧, qhzh66@163.com
    作者简介: 杨国超,博士生。主要研究方向:生物质材料研究。Email:1006649108@qq.com  地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学材料科学与技术学院
  • 木质材料科学与应用教育部重点实验室,北京林业大学材料科学与技术学院,北京 100083

摘要: 目的研究万寿菊秸秆的微观形貌、化学元素组成和官能团的变异规律,可以在微观尺度和分子水平上为科学合理利用农作物秸秆提供技术依据。方法采用场发射扫描电镜(FE-SEM)和电子能谱(EDS)表征万寿菊秸秆横切面的微观结构变异和化学元素组成变异情况;采用彩色图像计算机分析系统,对万寿菊秸秆的上段、中段、下段进行胞壁率测量;采用傅里叶一维红外光谱(FTIR)、二阶导数光谱(SDIR)和二维相关红外光谱(2DIR)表征万寿菊秸秆沿高度方向上的官能团变异规律。结果万寿菊秸秆的径向尺寸在上段变异较小(极差为7.3),而在中段和下段的变异较大(极差分别是10.0和10.7);万寿菊秸秆的上段组织结构“粗疏”,但在中段和下段的管孔直径及分布密度差异不大,导管类型主要是单管孔或复管孔,万寿菊秸秆的碳氧比在高度方向由上至下为0.73、0.79、0.83,呈现递增趋势,氮元素原子百分比也有同样趋势;万寿菊秸秆的胞壁率沿径向由内向外,高度方向由上向下均呈现出递增趋势;万寿菊秸秆不同高度对应的FTIR谱图在2 816 ~ 2 972、1 651、1 461、849 ~ 800 cm− 1处,SDIR谱图在1 700、1 280 cm− 1处,以及2DIR谱图在3 240 ~ 3 409、2 921、2 850、1 619 cm− 1处均存在较明显变化,表明对应官能团的种类与吸收峰强度和秸秆高度位置的变化有一定的相关性。结论通过对万寿菊秸秆微观形貌和官能团分析,揭示了万寿菊秸秆的径向尺寸、内部组织结构、碳氧原子百分比、细胞的胞壁率与秸秆生长高度方向的对应关系;推测出秸秆主要化学成分所含官能团的种类和数量在秸秆生长高度方向上的变异规律。

English Abstract

  • 万寿菊(Tagetes erecta)为菊科(Compositae)万寿菊属(Tagetes)一年生草本植物,也被称为金菊花、蜂窝菊、万寿灯等,是一种常见的园林绿化花卉。除了具有较高的园艺观赏价值,万寿菊的花序还因含有万寿菊素、槲皮万寿菊素和万寿菊酮等成分,具有清热解毒、止咳等明确的药用价值[1]。从万寿菊花序中可以提取纯植物叶黄素[2-3],广泛用于饲料行业,改善动物品质,为家禽补充营养物质,并可明显增加鸡蛋中的叶黄素含量,改变蛋黄中的脂肪酸分布[4-6]。目前,从万寿菊中提取的叶黄素还大量用于医药、保健品、食品、化妆品等行业。

    作为经济利用价值较高的一年生栽培作物,对万寿菊的相关研究现在主要集中在以下3个方面:一是研究万寿菊的培育技术和基因变异[7-9],二是研究万寿菊的杀线虫作用[10],三是研究万寿菊的药理作用[11]。对于万寿菊秸秆的应用研究也有少量研究成果。秦冲[12]利用万寿菊秸秆作为原料,制备出具有表面积为1 134.225 m2/g,HK吸附总孔容为0.72 cm2/g的活性炭,此生物质活性炭具有优良的吸附性能;梁筱曼等[13]以万寿菊秸秆为原料,制备热解秸秆醋液,该产物对鲜月季(Rosa chinensis)切花具有较佳的保鲜作用。但总体上看,目前针对万寿菊秸秆的利用尚不充分,主要研究成果集中在宏观利用方面。对于万寿菊秸秆的微观构造及化学元素和官能团的存在状态及变异规律研究,目前鲜见报道。本研究旨在解析万寿菊秸秆的微观构造,并对其化学组成及其变异规律进行探索研究,为进一步深度开发万寿菊秸秆的利用价值提供技术支持和理论依据。

    • 万寿菊秸秆,取自北京延庆县四海镇。秸秆高度1.0 ~ 1.2 m,茎直立、粗壮,具纵细条棱,局部有细小瘤状物。茎秆呈分枝,单株分枝6 ~ 9个,如图1所示。

      图  1  万寿菊秸秆及其下段形貌

      Figure 1.  Marigold stalk and base segment morphology

    • 采用千分卡尺,分别测量万寿菊秸秆的上段(梢部)、中段和下段的径向尺寸,即:沿高度方向分别测量距地100 mm、50 mm、10 mm处的秸秆径向直径,样本数100株。

    • 将万寿菊秸秆用电锯截断成约50 mm的段料,在烧杯中用压网扣住,使之埋入蒸馏水中,用70 ℃水温煮12 h,达到软化程度后,自然冷却至室温,再用切片机沿径向切成厚度3 mm的切片,供电镜扫描用。

    • 采用粉碎机将万寿菊秸秆粉碎,取可通过100目筛的组分,在恒温干燥箱中103 ℃干燥至恒重,置干燥器中,供红外分析用。

    • 利用场发射扫描电镜(FE-SEM)进行万寿菊秸秆横切面的微观结构观测,按照GB/T17359—2012《微束分析 能谱法定量分析》[14]设置实验参数。用该设备(场发射电子扫描电镜FE-SEM和电子能谱EDS,日本设备,JSM-6700F)配置的X射线能谱仪进行化学元素定量分析检测。采用电镜扫描图片,利用软件彩色图像计算机分析系统(木材研究版TM-HY5.2,北京天虹精仪科技有限责任公司),先将图像进行二值化处理[15-16],而后计算万寿菊秸秆的横切面胞壁率。

    • 用红外光谱仪(PerkinElmer公司,SpectrumGX型)对万寿菊秸秆的粉料进行FTIR分析,测定时采用KBr压片法,样品和溴化钾质量比为1∶100,光谱范围400 ~ 4 000 cm− 1,中红外DTGS检测器,光谱分辨率为4 cm− 1。扫描实时扣除H2O的干扰。采用清华大学编写的软件TD Versin4.2进行二维红外光谱数据进行处理。

    • 表1所示为万寿菊秸秆的径向尺寸分布。可以看出:万寿菊秸秆沿高度方向(纵向),上段的径向尺寸分布在1.2 ~ 8.5 mm,下段的相应值为3.5 ~ 14.2 mm,符合一年生禾本科植物的生长特点和普遍规律[17]。极差测量结果显示:万寿菊秸秆的上段径向尺寸极差为7.3,显示出其具有相对较小的离散程度;而万寿菊下段的极差为10.7,表明其具有相对较大的变异范围和离散程度;万寿菊秸秆中段的径向尺寸极差为10.0,稍小于下段的数值,但明显大于梢部,体现出万寿菊生长过程中,秸秆的横向尺寸并非是呈线性增长。这也许与万寿菊生长的季节相关,万寿菊通常采用种子繁殖,每年3—4月份播种,此时正值春季,植物生长发育因温度适宜、雨水充沛而发育旺盛,此时生长出的万寿菊下段和中段的径向尺寸也就呈现出参差不齐的状态。而万寿菊的收获期是在秋季,因气温逐渐降低和水分相对减少,植物生长发育变缓,导致结构上段的径向尺寸开始趋于“同化”。

      表 1  万寿菊秸秆的径向尺寸分布

      Table 1.  Radial size distribution of marigold stalk

      位置
      Position
      最大值
      Max./mm
      最小值
      Min./mm
      径向平均值
      Radial average/mm
      极差
      Range
      上段 Top segment 8.5 1.2 4.0 7.3
      中段 Middle segment 13.0 3.0 7.9 10.0
      下段 Base segment 14.2 3.5 10.3 10.7
    • 万寿菊秸秆径向的场发射扫描电镜检测结果如图2所示。在万寿菊秸秆的上段径向切面上(图2a),导管组织发达(成片状),“蜂窝状”纤维组织带的孔径呈现相对粗疏的不均匀分布状态,由表皮部向髓心方向管孔直径先小后大,这一点与前人研究的同属禾本科植物的杞柳(Salix integra)茎秆的导管形态特征变异规律[18]存在差别。可以认为:即使同为一年生的植物,不同种类的禾本科植物之间,微观组织结构仍存在差异,这应该与其生长发育时“与生俱来”的遗传因子有密切关系。在万寿菊秸秆中段(图2b),纤维组织的管孔直径明显减少,而且趋于相对“均匀”,某些导管内壁上清晰可见有环纹(螺纹),属梯形纹孔。在万寿菊秸秆的下段(图2c),导管呈“椭圆状”,或以独立的单管孔形式存在,或以相互“串联”的复管孔形式存在。总体上,沿秸秆高度方向(纵向),万寿菊秸秆在内表皮处的薄壁组织发达,径切面组织结构在上段相对不均匀,管孔直径大,少量管孔中有侵填体,而在中段和下段的组织结构差异不大。另外,未见万寿菊秸秆径切面上有射线组织存在。

      图  2  万寿菊秸秆径向的微观形貌

      Figure 2.  Radial microscopic morphology of marigold stalk

      对万寿菊秸秆的化学元素组成(EDS)及其高度方向分布变异情况进行测定,测试选取范围以秸秆中段试样的选区为例(如图3b所示),所得结果见表2所示。可以看出:万寿菊秸秆总体上的化学元素组成为C、O、N和微量的硅。这与一般植物多含有的C、H、O基本元素构成一致(EDS无法测定出植物中的H元素),N元素和微量的Si元素是禾本科植物中常见的,这与农作物的氮肥施加以及所处环境土壤中的微量元素有关。

      图  3  万寿菊秸秆元素分析的取样位置

      Figure 3.  Sampling position for marigold stalk element analysis

      表 2  万寿菊秸秆的元素种类、原子百分比均值和碳氧比

      Table 2.  Element type, average of atomic percent and C/O ratio of marigold stalk

      样品
      Sample
      元素种类
      Element type
      原子百分比均值
      Average of atomic percent/%
      碳氧原子比
      C/O atomic ratio
      上段
      Top
      segment
      C 31.92 ± 1.30 0.73
      O 43.68 ± 3.60
      N 24.36 ± 4.96
      Si 0.04 ± 0.01
      中段
      Middle
      segment
      C 32.94 ± 0.18 0.79
      O 41.59 ± 1.68
      N 25.37 ± 1.31
      Si 0.10 ± 0.03
      下段
      Base
      segment
      C 37.48 ± 1.39 0.83
      O 45.31 ± 2.57
      N 17.07 ± 3.67
      Si 0.14 ± 0.04

      表2数据分析可知随着高度方向由上段到下段的改变,秸秆中的碳氧比例呈现出递增趋势。上段、中段、下段平均碳氧原子比分别为0.73、0.79、0.83,碳氧比的不断增加意味着植物中化学物质结构、组成均会发生较大差异。氮元素含量在上段、中段差异较小,而到下段含量降低明显,由于植物秸秆中含有氮元素的主要为粗蛋白质,由此表明万寿菊秸秆下段粗蛋白质下降明显。硅元素含量的变化与氮元素趋势相反,这可能是由于硅元素在植物生长过程中的富集作用引发的。

    • 图4表3分别为基于电镜扫描图像的万寿菊秸秆径向的胞壁率测定取样位置和测定结果。表3的数据结果显示:万寿菊秸秆沿径向由内至外,胞壁率均显现出增大的趋势,但增大的程度以上段为最大(增加了9.44%),而中段和下段的胞壁率增长率相差不大(均约为2.0%)。万寿菊秸秆沿高度方向上的胞壁率平均值自上至下逐渐增大,而胞壁率在某种程度上显示了植物细胞的整体支撑强度,胞壁率越大则秸秆的强度越大,所以此研究结果符合植物的生长规律,下段提供的支撑强度是维系植物直立的决定因素。但在纵向分布上,胞壁率的数值沿纵向从上段到中段再到下段逐渐增大,增大的比例却是不同的,其原因也许与生长发育的规律和环境气候条件相关。

      图  4  万寿菊秸秆径向胞壁率测定的取样位置

      Figure 4.  Sampling position for determination of radial cell wall rate of marigold stalk

      表 3  万寿菊秸秆径向胞壁率及分布

      Table 3.  Radial cell wall rate and distribution of marigold stalk

      位置
      Position
      近内表皮处
      Near inner epidermis
      近外表皮处
      Near outer skin
      平均值
      Average
      上段 Top segment 19.25 28.69 23.97
      中段 Middle segment 33.81 35.83 34.82
      下段 Base segment 36.24 38.21 37.23
    • 图5是万寿菊秸秆上、中、下3段不同位置的FTIR谱图,沿高度方向上,3个不同位置上的FTIR谱图主要有4处较明显差异。其一,在2 818 ~ 2 982 cm− 1处,3个不同位置上此处吸收峰的波形有了较大变化,从上至下,波峰由两个尖锐的吸收峰转变称为一处平滑的吸收带。在图5上段谱图中尖锐峰出现在2 919和2 851 cm− 1处,此位置上的吸收峰系有机化合物中含有的亚甲基–CH2–中的C–H伸缩振动。在图5中段和下段谱图中,此2 818 ~ 2 982 cm− 1区间尖锐吸收峰消失转变为平滑的吸收峰(带),此趋势可归因于中段谱图中甲基(–CH3)含量的增加使位于2 957 cm− 1、2 843 cm− 1处的吸收峰加强,如图5a拟合谱图所示,与2 919 cm− 1和2 851 cm− 1处吸收峰叠加造成尖峰消失变成了大的平滑的吸收峰(带)。由此可以推断随着万寿菊秸秆的生长,植物中甲基官能团的含量逐渐增加[19]。其二,图5下段谱图与上段谱图、中段谱图相比,在波数1 651 cm− 1处出现了一处强度微弱的吸收峰,推断此处为与芳香核发生共轭的羰基[20]。其三,在波数1 459 cm− 1处,此处的吸收峰是甲基(–CH3)上的C–H键的弯曲振动,此处甲基吸收峰的出现可证明在2 818 ~ 2 982 cm− 1间吸收峰变化的推测。其四,在指纹区的800 ~ 849 cm− 1处,通常认为波数在650 ~ 910 cm− 1处出现的吸收峰是由苯环因取代而产生的吸收,在800 ~ 849 cm− 1处吸收峰形状的变化是由于苯环上取代基团数量、位置、种类差异造成的。在中段谱图的818、832 cm− 1处存在两个小的吸收峰,可推测为苯环上存在两个相邻的氢引起的C–H键的面内弯曲振动,而存在的相邻的两个氢可以认为是苯环上发生对位取代,也可能是1,2,4三取代。在上段谱图上只存在818 cm− 1处吸收峰,在下段谱图上只存在832 cm− 1处吸收峰,推断此现象是由上、中、下3段不同位置中存在含有两个相邻氢的苯环且苯环发生了不同方式的取代反应造成的。

      图  5  万寿菊秸秆的FTIR谱图(a为下段谱图2 818 ~ 2 982 cm− 1处峰值拟合图)

      Figure 5.  FTIR spectra of marigold stalk (a is the fitting curve of the lower section curve from 2 818 to 2 982 cm− 1

      万寿菊属于禾本科植物,秸秆中含有较多的木质素,其中木质素结构单元以紫丁香基结构单元和愈创木基结构单元为主,含有少量的对羟苯基结构单元[21]。构成木质素的3个基本单元中,愈创木基丙烷和对羟苯基丙烷均含有苯环,且取代位置不同,含有不同形式的两个相邻的氢。由此推断在上段、中段、下段不同位置存在的木质素结构单元比例不同,上段中以对羟苯基单元为主,下段以愈创木基单元为主,而中段为过渡段。

      图6是万寿菊秸秆不同位置的二阶导数谱图(SDIR)。二阶导数光谱是对普通FTIR光谱数据进行微分处理而得到的吸光度对波数的变化率谱图,可以发掘出 FTIR光谱上被某些强峰遮盖的弱峰,从而提高谱图的分辨率[22]。对垂直方向上的不同位置FTIR谱图进行二阶导数处理得到SDIR谱图。上段、中段、下段在2 919和2 851 cm− 1处的特征峰出现了特征峰强度的明显减弱,可以将2 919、2 851 cm− 1推断为亚甲基的特征峰,在万寿菊秸秆的上段存在着较多含有亚甲基官能团的化合物,随着秸秆高度的增长,含亚甲基官能团化合物的结构发生了转变。与此同时,中段、下段谱图上在2 969 cm− 1处出现了新的较强特征峰,可推断为甲基基团,万寿菊秸秆的垂直生长,使中、下段秸秆开始不断累积含有甲基基团的化合物。上段秸秆谱图中,在1 700、1 280 cm− 1处存在特征峰,推测为饱和羧酸基团,表明在上段秸秆中含有存在羧酸基团的物质,如α–D–半乳糖醛酸、α–D–4–O甲基葡萄糖醛酸,其中主要为α–D–4–O甲基葡萄糖醛酸,为半纤维素的重要构成单元。特征峰经过在中段的过渡而在下段谱图中完全消失,表明相应化合物消失。在上段和中段谱图上的1 012 cm− 1特征峰,同时在中段的指纹区850 cm− 1处出现了特征峰(上段在850 cm− 1处峰不明显),推测这两处为六元单氧环,环中C–O–C键发生非对称伸缩振动,推测此处可能为纤维素、半纤维结构中的六元环结构。在下段谱图中两处特征峰变得非常微弱,表明此类化合物的含量大幅度下降。

      图  6  万寿菊秸秆的SDIR谱图

      Figure 6.  SDIR spectra of marigold stalk

      图7是万寿菊秸秆关于不同位置的二维红外谱图(2DIR)。与FTIR和SDIR相比,2DIR光谱可以得到分辨率更高的图谱,并可以反映出不同官能团之间的相互关系[23]。谱图对角线上的峰(自动峰)是某个变量处(如万寿菊秸秆的高度)光谱强度变化的自相关强度,谱图中对角线上颜色越红的地方表示自动峰的强度越强,即对变量越敏感。在不同自动峰的交汇处,对照同步图与异步图可分析出两者之间的相互关系。

      图  7  万寿菊秸秆的2DIR谱图

      Figure 7.  2DIR spectra of marigold stalk

      在2DIR分析中的同步图中对角线为自动峰,图7a中出现了3个强度高的自动峰(带),分别位于3 240 ~ 3 409、2 921、2 850、1 619 cm− 1处。在3 240 ~ 3 409 cm− 1处存在马鞍状自动峰,推测为羟基(O–H)的伸缩振动,在构成万寿菊秸秆的纤维素、半纤维素、木质素中广泛存在着羟基,羟基含量随着秸秆不同位置的变化存在着较大差异。在FTIR分析时,已推测2 921、2 850 cm− 1处为亚甲基,随着位置变化,亚甲基含量出现了大幅度的变化,结合FTIR与2DIR分析为从上段至下段亚甲基逐渐减少。在1 619 cm− 1处推测为芳香环上的碳碳不饱和键之间的伸缩振动,此处自动峰表现较强,表明在不同位置含有芳香环官能团化合物差异明显。结合同步图与异步图[24]分析3 240 ~ 3 409、2 921、2 850、1 619 cm− 1 这4处差异均为特征峰强度降低的趋势,表明随着万寿菊秸秆位置的变化,含有羟基、亚甲基、芳香环官能团的化合物发生了变化。

    • 随着万寿菊秸秆高度方向的变化,在径向尺寸、内部组织结构、元素含量及比例、细胞的胞壁率、官能团的种类及数量等方面均出现了相应变化。在万寿菊秸秆径向方面,上段变异性小于中段和下段。万寿菊秸秆的上段组织结构“粗疏”,但在中段和下段的管孔直径及其分布差异不大,导管类型主要是单管孔或复管孔。万寿菊秸秆的碳氧比、氮元素含量在高度方向由上至下呈现递增趋势,而硅元素含量则相反。万寿菊秸秆的胞壁率在径向由内向外,高度方向由上向下均呈现出递增趋势。万寿菊秸秆中含有的官能团种类和数量与秸秆高度位置的变化呈现一定相关性。通过红外三级鉴定可推断出:作为组成秸秆的主要成分的纤维素、半纤维素、木质素的含量及其结构单元存在与高度相关联的变化。通过对万寿菊秸秆的微观形貌、化学元素组成和官能团的变异规律,可以在微观尺度和分子水平上为科学合理利用农作物废料提供技术依据。

参考文献 (24)

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