甘蔗茎中化学元素的微区分布
6
中 国 造 纸 学 报TransactionsofChinaPulpandPaper
Vol119,No.2,2004
甘蔗茎中化学元素的微区分布
张树滨 邱玉桂 方观瑞
(华南理工大学制浆造纸工程国家重点试验室,广州,510641)
摘 要:用扫描电镜2能谱仪研究了甘蔗茎皮层的外表面和横切面中Si等元素的含量及分布。结果表明,Si等元素的含量不同,颗粒物是Si高度密集的部位,Si的含量高达58.23%;平坦处的Si,42;Si的原子数相同,但所含C、O元素的原子数则相反。横切面中,皮层中SiSi的含量较低且分布较均匀,皮下纤维层中Si的含量最低,态的差异。
关键词:甘蔗茎;扫描电镜2能谱仪;;中图分类号:TS71+2
:100026842(2004)0220006205
我国是产糖大国,年产蔗渣
约540万t,可用于造纸的约300万t[1],是南方各省区重要的造纸原料。几十年来,我国在蔗渣制浆造纸方面已经积累了丰富的经验,然而,如同其他禾本科原料,蔗渣碱法制浆黑液碱回收的“硅干扰”问题至今仍无法解决[122]。因此,研究蔗茎中Si等矿质元素的含量、分布,将为研究这些元素的脱除方法和机理、解决黑液碱回收的“硅干扰”难题、实现蔗渣的高效无污染制浆造纸生产提供理论基础。1 实验材料及方法
物”,如图1(上);蔗茎外表面不同形态区域(见图1)的
元素组成如表1,颗粒物的能谱图如图1(下);颗粒物上不同位置的形态如图2(上),相应位置上不同测定点的SEM2EDAX元素测定结果如表2,颗粒物的Si电子地图如图2(下)。
表1 蔗茎外表面不同形态区域的化学元素比较
大面积
元素
质量分数
CKOKSiK
[***********]100
%
平坦处质量分数
[***********]100
颗粒物质量分数
514036137
[1**********]
原子数分数
[**************]
原子数分数
[**************]
原子数分数
[1**********]122
实验用蔗渣由广东江门化工厂(集团)股份有限公
司提供。选取大块、蔗皮完好的蔗渣块,切取适当大小的样品1的外表面及样品2的横切面,经RMC2Eiko公司产的离子镀膜机镀金后,用德国LEO公司产的扫描电镜2能谱仪(scanningelectronmicroscope2energydisper2siveanalysisofX2ray即SEM2EDAX,1530VP2INCA300型)进行测定。2 结果与讨论
211 蔗茎皮层外表面的化学元素分布
总量
注 各元素符号后面的符号“K”表示该元素K电子层特征X射线,下
同
表2 颗粒物不同位置的元素组成
元素
CKOKSiK
%
颗粒物中
质量分数
[***********]00
连接处
质量分数
[***********]00
原子数分数
[1**********]195
原子数分数
[**************]
本课题组的研究表明,蔗茎表皮层外表面粗糙不平,其形态基本上可分为2种类型[3],其中最主要的一种形态的外表面上分布着许多颗粒物,且每个颗粒物均是由两个底部相对的圆台状物连接组成的“肾形
收稿日期:2004207212(修改稿)
本课题为国家自然科学基金(20277012)资助项目。
总量
21111 外表面上不同形态区域的元素组成比较
由表1可见,所测定的蔗茎皮层外表面中的元素组
作者简介:张树滨,男,1979年生;华南理工大学造纸专业硕士研究生;主要从事植物纤维原料矿质元素分布及无污染漂白原理与技术研究。
E2mail:zsb
第19卷 第2期甘蔗茎中化学元素的微区分布7
个部位中的硅化物的组成及元素的化学状态的差异,
这种差异也将影响相应组分的化学稳定性。21112 颗粒物不同位置中的元素组成比较
由表2可见,蔗茎皮层外表面上的颗粒物块及其连接处的Si含量均较高且较为接近,依次达到57140%、58119%,两个部位的Si原子数分数则相同,
依次为42195%、42194%。然而,C、O的含量及原子数分数则相反。颗粒物块C的原子数分数比连接处低了7132%,O7130%。由此可见,原子数分数相同,但相。这种差异意味这,至于这两种结构对蔗茎生理的作用则有待进一步探索。
在禾本科植物生长过程中,禾秆皮层的外表面沉积着一薄层厚度极小但保护作用甚为重要(主要是防水作用)的蜡质层。据甘蔗专家骆君 研究[4],每吨甘蔗的蜡质层的含蜡量为115～210kg,其中最主要为酯类混合物(约占65%),其次是游离脂肪酸类(占27%左右)及少量高级醇(5%)、高级烃类(2%)。
由颗粒物的SEM照片及相应的Si电子地图(如图2)可见,颗粒物外表面覆有一薄层胶状物,可能就是覆盖在蔗渣茎外表面的蜡层,这种物质在颗粒物与周围的平坦位置的连接处富集最明显。颗粒物块及其连接处中段的结构均是致密的,Si的密度均异常高,但由于连接处的上、下两端较深,影响测定效果,故连接处两端Si的密度显得“稀少”些;并且,
从图中可清晰地看出,颗粒物的Si密度远高于周围的平坦处,这一结果与表1中SEM2EDAX的测定结果一致。实验结果表明,蔗茎皮层的外表面的Si并不是均匀分布的;其外表面形态具有与麦秆皮层外表面明显不同的特点[5]。212 蔗茎横切面中Si等元素的分布
蔗茎节间横切面的SEM照片如图3(上),相应范围内Si的电子地图如图3(下),元素的组成如表3;
图2 颗粒物的SEM形态、EDAX测定范围(上)及
Si电子地图(下)
图1
蔗茎外表面M照片、EDAX测定范围(上)
以及颗粒物的能谱图(下)
成均较为简单,主要由C、O、Si等元素组成,但不同形态区域的元素组成相差甚大。颗粒物块的Si含量高达58123%,远高于平坦处的相应含量(仅44142%)。颗粒物块中Si、O、C原子数比为1∶1110∶0122,平坦处的相应原子数比为1∶1109∶1147,由此可见,这两个部位中Si、O、C的原子数比有明显差异,这种差异预示着这两
皮层及皮下纤维层横切面的SEM形态及相应位置中
所含元素的能谱图如图4,元素含量见表4;皮层及皮下纤维层(照片中包括两层纤维)中的SEM2EDAX测定点见图4(上),相应的元素组成及含量见表5,皮层内层(点3)及皮下纤维壁(点5、点8)的能谱图对比如图5。21211 蔗茎横切面中的元素分布
图3(上)中,右侧白色致密部分为蔗茎的皮层,皮层的内侧为皮下纤维层(皮下纤维层由3层纤维组
8中 国 造 纸 学 报第19卷 第2期
图3 蔗茎横切面的SEM照片(上)及
相应的Si电子地图(下
)
图5 皮层(点3)及皮下纤维细胞壁的SEM2EDAX元素
组成比较(显示皮下纤维细胞壁中Si含量极低)
表3 蔗茎横切面的元素组成
元素质量分数原子数分数
CK1613621145
OK7711175189
SiK21331131
KK11430157
FeK21770178
%总量
100100
表4 蔗茎皮层及皮下纤维细胞壁的元素组成
元素质量分数原子数分数
CK2211829120
OK6614365164
SiK61643174
KK11510161
CuK31240181
%总量
100100
分布均匀,皮下纤维层中Si的密度最低。蔗茎横切面中
Si的这种分布与麦秆横切面中Si的分布明显不同[5]。
Si是禾本科植物生长所必需的元素,皮层中的Si
图4 蔗茎皮层及皮下纤维层横切面的SEM照片(上)、
测定范围中所含元素的能谱图(下)
在植株生长过程中起着增强禾秆机械强度、抵抗病虫
害、保护内部器官、减少体内水分蒸发等作用;Si也有促进细胞质的生物合成及增厚细胞壁等作用[6]。实验结果表明,Si对蔗茎皮层的作用极为重要(Si的密度高),但由于甘蔗茎是实心的(麦秆则是空心的管状物),横切面中分布着为数众多的维管束,每个维管束又有发达的维管束鞘,机械强度较高,故蔗茎中Si的分布主要集中在皮层,内部器官中Si的密度甚低,并且远低于麦秆中相应部位的Si密度。
成),其余部分(纤维层左侧)为2个维管束及基本组织(即薄壁细胞)。由表3可直观地反映出横切面中Si等元素的含量及分布状况,即蔗茎横切面中主要含C、O元素,并含有少量的Si、K、Fe等元素。值得注意的是其中Si含量仅2133%,明显低于麦秆横切面中的Si含量[5];并且,从图3(下)Si的电子地图可见,皮层中Si的密度最高,维管束及薄壁细胞中Si
的密度较低且
第19卷 第2期甘蔗茎中化学元素的微区分布9
21212 皮层及皮下纤维层中的元素分布
图4(上)为图3中靠皮层部分的放大,包括蔗茎
皮层及两层皮下纤维。图4(下)为图4(上)范围内所含元素的能谱图,相应元素的含量如表4,图中未标注的峰为镀金产生的峰。由表4及图4(下)可见,皮层及皮下纤维细胞区域中最主要的3种元素是C、O、Si,也含有少量K、Cu等元素;但C原子数分数与表3中相比提高了7175个单位,O原子数分数则降低了10125个单位,Si原子数分数则为表3中Si原子数分数的2185倍,这是由于在测定范围内皮层中的Si起着关键作用的缘故。
表5及图4(上)中测定点显示,在测定范围内,中自外向里,Si含量依次为14112%(点1,外层)、19173%(点2,中层)、23187%(点3,内层),呈现外低内高的分布规律性,这一规律与以往所测定的蔗秆皮层一致[3],也与麦秆皮层中Si分布相同[5]。皮层与皮下纤维层交界处(点4)的Si含量仍较高(达23183%)。在皮下纤维的细胞壁中,除C、O主要元素外,普遍含有少量K元素(测定点5、6、7的能谱图中在213keV处也可看到,但含量低);Si含量则均为0,即皮下纤维的细胞壁中Si中)显示皮下纤维层中Si)一致,皮下纤维细[5]。
%
点7(纤维壁)质量分数
[1**********]100
点1(皮外)
元素
质量分数
CKOKSiKKK
[**************]
2)质量分数
[**************]
3(皮内)质量分数
[**************]
点4(纤维壁)质量分数
[**************]
点5(纤维壁)质量分数
[1**********]100
点6(纤维壁)质量分数
[1**********]100
点8(纤维壁)质量分数
[***********]100100
原子数分数
[1**********]152
原子数分数
[**************]
原子数分数
[**************]
原子数分数
[**************]
原子数分数
[1**********]100
原子数分数
[1**********]100
原子数分数
[1**********]100
原子数分数
[***********]
———
100100
——
100100
——
100100
——
100100
——
100100
——
100100
—
总量100100
蔗茎横切面中Si等元素的分布特点将会对蔗渣
在碱法制浆过程Si等元素的脱除情况造成影响。3 结 论
311 蔗茎皮层外表面的元素组成简单,主要由C、O、Si等元素组成,颗粒物的Si含量明显高于平坦处。312 每个颗粒物由两个底部相对的圆台状物连结而
现外层低里层高的规律性;皮层与皮下纤维的交界处
中Si的含量较高,但皮下纤维细胞壁中Si的含量则较低。316 蔗茎皮层外表面的形态和Si的分布以及皮下纤维细胞壁中Si的分布等均具有明显不同于麦秆原料的特点。
参 考 文 献
[1] 曹朴芳,曹振雷,邝仕均1我国造纸工业原料结构调整战略研究1
成。致密的颗粒物块及其连接处所含的Si原子数分
数相同,但两个部位中C、O元素的含量及原子数分数则相反。这种差异预示着这两个部位中硅化物的组成及元素存在的化学状态的差异。313 蔗茎横切面中主要含C、O元素,也含少量的K、Fe等元素,Si含量较低。314 蔗茎横切面中,皮层中Si的密度最高,维管束及薄壁细胞中Si的密度较低且分布较均匀,皮下纤维层中Si的密度最低。315 蔗茎皮层横切面中,自外向里,Si的含量分布呈
中国造纸,2003,22(5):55
[2] 赵叔浙1我国麦草碱回收的进展与主要经验和建议1农垦造纸,
2002(2):23
[3] 张树滨,邱玉桂,黄 斌,等1蔗秆表皮层的SEM2EDAX研究1中
国造纸学报,2003,18(1):1
[4] 骆君 1甘蔗学[M]1广州:广东省甘蔗学会,1984
[5] 邱玉桂,云 娜,蒋李萍1麦秆皮层矿质元素的微区分布1中国造
纸学报,2003,18(2):6
[6] 孙 羲1植物营养原理1北京:中国农业出版社,1997
10中 国 造 纸 学 报第19卷 第2期
DistributionofChemicalElementsinSugarcaneStemZHANGShu2bin3 QIUYu2gui FANGGuan2rui
(StateKeyLabofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince,510641)
Abstract:DistributionofchemicalelementsincuticleandthetransversesectionofsugarcanestemwerestudiedbymeansofSEM2EDAX1Theresultsshowthatthecontentofsiliconandotherchemicalelementsinvariousmorphologicalregionsofcuticlesurfaceisdifferent,thegranulesarerichofsilicon,whereitscontentisupto58123percent,ontheotherhand,theflatareahasalittlelowercontentof44142percent1Theatomnumberofsil2iconingranulebodyanditssurroundingareaarethesame,butthatofcarbonaswellasoxygenarecontrary1Insection,theconcentrationofsiliconincuticleisthehighest,intheregionsoffibrovascularbundleandisinfibriouslayeristhelow2est1Theprofileofchemicalelementsisdistinctfromthatofwheatstem1Thetheofsilicidesandthechemi2calstatesofelementsconcernedinvariousregions1
Keywords:
sugarcanestem;SEM2EDAX;elements;(责任编辑:关 颖)