植物纤维化学范文

植物纤维化学篇1

植物通过光合作用产生碳水化合物而形成合成植物纤维,也吸收了空气中0.3%的二氧化碳。植物是利用少量二氧化碳在水与光合作用下生成纤维素。其纤维横截面由复杂的多种结构组成,这种纤维素具有相似性。纤维科学家将其定义为“二氧化碳纤维”。这就是说,我们一旦了解更多自然知识,我们就可以避免使用化石能源制造人造纤维,而创造一种环境友好型的生物纤维已成为一种可能。

作为仿真丝的第一种化学纤维,人造丝出现在一个世纪前,这种化学纤维拟态丝是用木浆制成的,随后,人们发现木质浆具有可溶性,还可湿纺加工。而人造丝与木质纤维具有纤维素同样的结构。随之,尼龙又出现了。尼龙是人类模仿天然纤维的杰作。50年后,混纺加工技术出现,合成纤维渐渐成为我们的时尚,也形成一种开发方式。随之,聚酯纤维以标新立异的固有特征使其他人造纤维刮目相看,也与人造丝形成鲜明的对比。然而,却不是所有的真丝特征都可以再造的。例如,光泽特征、吸湿特征、可染特征并没有完全尽如人意地模仿出来。例如,的所有有机要素,如糖类、蛋白质、脂肪、纤维素等均含碳元素。光合作用使碳元素生成新的植物碳元素。据称,每年全世界约有2000亿吨碳元素因光合作用被植物从空气中吸收。其中植物就包含了空气和植物中水分子中的二氧化碳,将其转化为植物糖类。

光合作用使植物需要更多能量。植物糖类所含能量高于其他简单化合物,其能量主要来源于光的吸收,即叶绿素和类胡萝卜素的生成,而植物不仅能生成糖类,而且其化合物可以转化为结构性材料,如纤维素和蛋白质。这种转换要求更多能量,这一趋势又使其分解具有高能量的糖类。在氧化作用下,它再次生成二氧化碳和水。这种能量释出和转换过程被看做植物呼吸与生长的过程,类似于动物的呼吸。而光合作用使植物获得能量后以糖类的形式储存下来。日本农业生物科学研究所(NIAS)马越博士(Dr J. Magoshi)认为,蚕丝的形成经历了这个机械过程,而这个过程在所有动植物体内都会产生。也就是说,所有动植物都可以成为拟态生物纤维的“工厂”。

众所周知,家蚕不是真正的吐丝,而是从口中拉出丝,靠移动编织蚕茧。家蚕可以将蚕丝蛋白固定在平面上。如果能给家蚕下“命令”,它们或许能按照人类的指令,直接给人“纺织”衣服,而省掉了织布这一过程。这与我们传统的人造纤维纺织大相径庭,事实上,天然丝纤维要比人造纤维更有伸缩性,丝纤维的隔热性能、手感、吸湿性都要好于合成纤维。并且,丝纤维具有很好的功能性,甚至可以设计更多的人造功能。

在过去,人们并不知道,家蚕是怎样通过食用桑叶而制造蚕丝的。现在发现,那是因为桑叶被消化后形成氨基酸,然后形成丝腺。就这样,分层的丝蛋白就在蚕的肚子里形成,然后又通过丝腺钙离子形成胶质蛋白丝,而凝胶体又通过吸收空气中的二氧化碳转化为溶胶,最终变为液态水晶体,蚕一边移动一边拉出口中的液态水晶体而形成蚕丝。这个过程与人类合成纤维的生产大同小异。

其实,当提及动物纤维时,人类没有真正理解自己的毛发和羊毛生长的过程。人类毛发和羊毛的生长都是一个氨基酸的聚合过程。倘若毛发在形成过程中,聚合体相互缠绕,形成新的合成纤维,那么聚合体就会形成一种溶体并储存下来,然后从皮肤里冒出来。这个过程可以让我们明白,其实这也是一个人造丝的过程。若能真正模仿这种生物动态,那么人类就可以不断创造无数种拟态纤维。目前,世界上已有许多纤维公司把触角伸向人类毛发生成原理。现代生物技术可以让头发按照人类预期的形状在活体内生长。倘若人发能够复制,那么羊毛也可以用未来的生物拟态技术合成出来。

蜘蛛丝是另一有趣的纤维材料。这种动物性纤维具有很强的韧性,它可以任意伸长。为了使自身产丝更有效地捕捉到昆虫,蜘蛛往往会自动地将丝中的养分加以调整,使其丝的强度能让纤维丝以蜘蛛网的轴心看齐。当蛛丝一边被拉伸时,其韧度却在由中心到边缘加大。蜘蛛丝的韧度相当于凯夫拉尔纤维,其延伸性或抗断裂性高于凯夫拉尔35%。因此,其经纬黏度足以捕捉到比蜘蛛自身大得多的昆虫。但是,当蜘蛛移动时,蜘蛛网上的黏度却不会粘住它。这就是大自然的奇妙。世界顶尖级纤维科学家因此对蜘蛛丝的结构十分感兴趣。他们希望能解释蜘蛛丝结构的物理属性,从而开发像蜘蛛丝一样的拟态非均匀性智能化纤维材料。这或许成为未来开发新纤维材料的关键所在。这样的生物拟态应用信息,确定无疑,将成为今后新型化学纤维诞生的温床。未来的生物拟态技术可利用动植物体内的均质物质和非均质物质开发多种生物纤维,以满足人类更多需求。例如,模仿生物的功能即可强化液晶蛋白纤维的强度。使用这样的纤维材料纺织物,可使人类在炎热的沙漠地带都免受强光的照射和炽热高温的危害。

当然,除了动物纤维,人类也可以利用植物纤维的拟态开发纤维种类。例如,竹子纤维是一种天然的强化型复合材料。其横断面显示具有丰富的纤维素材料,而外部坚硬且密度高,其非均质性结构可帮助人类抵御高寒和强风的袭击。日本东京理工学院教授菊谷先生(T. Kikutani)成功地合成了一种同等密度的竹类生物拟态,这种材料拥有极高强度、高韧度、高系数,因此成为市场需求最迫切的产品。

为了探索聚合体材料的理想功能,人类还需要在聚合体分子量和减少分子结构缺陷上下工夫。而与之相适应的新型纺纱加工技术则成为创新者的另一挑战。因为,未来的生物拟态已不再是传统意义上的纺织,而是利用分子导向控制以实现预设的纤维纺织精准度。

在自然界,单体蛋白质分子量超过200万,但聚酰胺的合成分子量最多为20万。因此,通过自然合成高分子聚合物并制造高自旋为导向的纤维产品将会逐步取代现行的纤维生产方式。

这样看来,人类要模拟家蚕制造纤维已不再是天方夜谭,人类利用高新技术手段即可精准地达到这一目的。而非均质结构材料似乎将成为开发智能化纤维的关键性所在。目前,世界上一些发达国家已开始利用高科技手段开发生物纺纱“工厂”。他们将按商业化规模生产出生物纤维品,以取代石油化纤。

植物纤维化学篇2

黑龙江省作为我国农业大省，植物纤维原料来源丰富，成本低廉，开发以植物秸秆纤维为原料的人造板材，既有利于农业生产废物利用，减少秸秆焚烧，控制污染排放，又有利于绿色环保产业开发，增加农民收入。但是在实际实施过程中也遇到了一些现实问题有待解决。

制约黑龙江植物纤维人造板发展的因素

从近年的情况来看，如下几个问题成为制约黑龙江省植物纤维人造板产业发展的瓶颈。

一是受资金和用地不足困扰，生产能力无法扩大，进而导致市场份额丧失。虽已是满负荷生产，但仍不能满足市场需求；而扩大生产规模，又受到资金和用地制约。一些大订单的舍弃会使客户转用其他产品代替，久而久之必然会导致市场萎缩甚至消失。

二是缺少必要的应用规范。由于当年从国外购买设备时，忽略了产品应用规范和标准的引进，以后使用图集制作工作又严重滞后，致使在实际操作中缺乏相关标准和操作规范，妨碍产品有效推广。

三是观念有待转变。植物纤维人造板的生产和使用尚属新生事物，一些群众甚至基层干部对此缺乏理解，心存疑虑。虽然在黑龙江省农村泥草房改造工程中已经使用，但传统观念的影响仍对植物纤维人造板的推广形成一定障碍。

四是科技研发不够。由于现从事植物纤维人造板生产的企业规模较小，实力不足，无力对设备关键技术创新和产品升级换代进行较大投入，产业技术层次还基本停留在设备引进时的水平上。

发展植物纤维人造板产业的主要措施

（一）编制产业发展规划，各部门协调推进

把植物纤维人造板产业培育成黑龙江省新兴产业，需要政府有关部门的大力支持。各部门应明确责任，紧密配合，共同推进植物纤维人造板产业。对全省植物秸秆资源情况和利用现状进行充分调查，摸清资源、市场和行业发展的底数。制定全省植物纤维人造板产业发展规划，明确总体目标，产业发展方向，优化产业布局，建立收集、运输体系和储存基地，提出扶持和鼓励发展的相关措施和优惠政策。应重点支持企业扩能，满足市场需求。利用各类新闻媒体做好舆论宣传和引导工作，广泛进行科普教育，使群众特别是农村地区居民能够充分理解秸秆综合利用的意义，正确认识植物纤维人造板等秸秆产品的性能，促进观念转变。

（二）针对关键技术组织攻关

做大做强植物纤维人造板产业，必须坚持在扩大产业规模的基础上，着力解决关键技术上的重点难点问题，推进技术创新，不断提高产品的科技含量和附加值。联合省内高校和重点企业成立研发小组，产学研协作，尽快在三个方面有所突破：一是努力提升目前在产的建筑用纸面秸秆人造板的质量和档次。要在技术、工艺及材料方面不断创新，增加品种，向高端植物纤维人造板发展，扩大应用领域。二是扩展产业原料来源。将小麦、玉米、大豆等黑龙江省主要农作物秸秆全部纳入利用范围，加深秸秆资源化、商品化程度。三是加快植物纤维人造板生产设备研发。要充分发挥装备制造工业基地和科技力量雄厚的优势，组织各方力量，在引进消化吸收国外先进设备和技术的基础上，加快国产化步伐，形成自有核心技术和发明专利，配套建设技术标准体系，使黑龙江省成为全国植物纤维人造板生产设备的重要产地。

（三）充分发挥产业基地作用

打造集产品生产、设备研发制造、技术推广和人员培训为一体的企业集团，以其为龙头企业带动黑龙江省植物纤维人造板产业发展。多方扶持其在保证质量前提下迅速增加品种和扩大产量，形成一定的产业规模，巩固和提高黑龙江省植物纤维人造板的国内市场占有率。通过多种渠道和形式整合科研资源，建立科技创新机制，组建国内高端研发团队，依托基地龙头企业构筑生产技术与设备研发平台，研制适合国情省情的植物纤维人造板生产设备，打造总部经济。有关部门和基地龙头企业应做好植物纤维人造板应用技术培训和产品推广工作，抓紧制定相关标准和操作规范，特别是要加大对所在地区的工作力度，让群众认识、了解、接受和正确使用植物纤维人造板产品，率先在省内市场上取得突破。

植物纤维化学篇3

【关键词】植物纤维全降解地膜；田间试验；定量；抗张强度；温度；湿度

1 塑料地膜的使用情况

农用地膜覆盖技术是20世纪80年代引入我国的一项高产栽培技术。由于地膜在使用过程中具有保温、保湿、保土、保肥、防虫、防寒等显著优点，加上我国处于季风地带，80%以上的耕地存在干旱、低洼或盐碱等障碍因素，使得地膜的需求量日益增长，使用量一直位居世界第一。目前，我国农田中应用最广泛的地膜多数为超薄型塑料地膜，超薄型塑料地膜在使用周期过后会形成大量的地膜碎片，使土壤清理变得十分困难，加之塑料是单体聚乙烯或其他合成聚合物，本身具有分子量大、性能稳定、在土壤中难以分解的特性，这样年复一年地使用，塑料地膜的残留将严重降低土壤的通透性、阻碍水分和养分的运移，对农作物根系的生长有很大影响，给耕作、播种和作物的生长带来困难，将影响我国农业的可持续发展。而更令人担忧的是，除了对农业的影响之外，土壤中裹含着大量的塑料残膜也会对环境、水土造成危害，产生更加深远的影响，也就是我们所说是“白色污染”。

2 植物纤维全降解纸地膜使用的意义

解决塑料地膜残膜造成的“白色污染”成了近年来研究的热点，解决办法总结起来有2条：一是把地里的塑料膜都拣出来，将其进行回收；二是使用无污染可降解的地膜，让它源于自然再回归自然。事实证明，被广泛使用的超薄型塑料地膜在回收时很容易被扯破，进而碎成指甲盖大小，很难捡拾。即使是使用厚一些的便于捡拾回收的塑料地膜，但我国这么大的使用量，不仅单位成本较高、回收工作强度极大，而且做起来也很不容易。植物纤维全降解地膜是以二次植物纤维作为原料，采用多元结合的制浆、造纸工艺加工生产的农用纸地膜，所用的原料是天然纤维素材料，纤维素是由葡萄糖基构成的链状化合物，具有很好的生物相容性和生物活性，无毒且易于生物降解，可通过自然界微生物、酶降解，最终形成CO2和H2O回归自然，因此属绿色环保产品，采用二次植物纤维为原料能有效地降低纸地膜的成本，有利于推广应用。

3 实验材料

3.1 实验所用的材料

（1）本色植物纤维全降解地膜：定量40g/m2，厚度0.05mm，辽宁省轻工科学研究院生产。

（2）黑色植物纤维全降解地膜：定量40g/m2 ，厚度0.05mm，辽宁省轻工科学研究院生产。

（3）塑料地膜：定量25g/m2，厚度0.008mm，吉林省白山市喜丰塑料股份有限公司生产。

3.2 实验地点

辽宁省阜新县中科院生态研究所863节水实验基地中心实验田。

3.3 实验条件

4月中下旬开始，在自然气候条件下，仿效实际地膜铺设和播种深度。

4 植物纤维全降解地膜和塑料地膜表征指标的数据分析

4.1 定量的变化

4.2 抗张强度的变化

4.3 温湿度的变化

温湿度是能为农业生产提供物质和能量的主要气候条件，适宜的温度、湿度能使酶的活性和催化能力达到最强，这就是种子萌发的最理想条件，能改变植物根系的生长、呼吸作用与养分的吸收。在自然环境不具备这一温湿度条件时，地膜就能起到这样的作用。实验方法：在地表面覆膜，测定膜下20cm处的温湿度，采用日本ISUZU温湿度记录仪，测定图表如图1、图2（图1、图2为随机的同一天24h的温湿度走向）。

5 结论

综上所述，植物纤维全降解地膜在铺设、作物出苗过程中，无论是在温湿度的保持，还是在铺设工作上，都同塑料地膜有着同样的作用；而在降解方面，植物纤维全降解地膜在地下70d内能全部降解结束，回归自然，这无论是对环境还是人类生存安全都有深远的意义，将会解决“白色污染”问题，有利于保护环境、保持生态平衡和推进可持续发展。

参考文献

[1]赵燕等.我国可降解地膜的应用现状及发展趋势[].现代农业科技，2010，23.

[2]贾珊珊等.植物纤维地膜的研究现状与发展趋势[].山东纺织科技，2011，5.

[3]中央电视台《农田里的“白色污染”》《焦点访谈》2013年5月8日.

作者简介：

宇春玲（1966-05-04），女，本科（学士学位），高级工程师，主要从事纸及纸制品新产品、新工艺的研究；轻工产品检测及方法研究；轻工产品检验标准的制修订工作。

【计划项目】

植物纤维化学篇4

关键词 罗布麻纤维；改性；染色性能

中图分类号TS102 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）58-0038-02

罗布麻是一种多年生野生植物，具有耐盐碱、耐风沙和耐寒的特点，其培植近年来取得重大突破。罗布麻纤维属于植物纤维中的韧皮纤维，是一种高分子聚合物，由两端封闭的厚壁长细胞组成。与其他麻类纤维一样，罗布麻的纤维刚性强。因其脱胶不净造成的罗布麻织物穿着使用过程中易产生刺痒感，影响舒适性；染色性能差，织物产品颜色大多偏浅，并且染色持久度较差，影响了该类织物的应用范围。针对这些性能缺陷，本文采取对其改性和染色性的试验分析，来研究如何提高罗布麻的适用性能和扩大使用范围。

1 罗布麻纤维的改性研究

对罗布麻的改性研究就是指利用生物、化学或者物理等方式对试验品进行处理，观察其在不同的物理和化学环境下纤维自身的物理机能的改变情况，并针对其物理性能向着适于被开发利用为纺织品原料的方向加强试验分析的过程。目前，对罗布麻改性的方式主要有四种：第一种是以改变纤维组织的排列为方向，第二种是用生物化学的方式，人工的改变其生物性能，以接枝的手段改变生物分子组成结构来改变性能为方向；第三种是以化学手段改变纤维生物分子间的链接方式来改变性能的方式；第四种是新兴的通过对生物菌种的筛选培养，选取可以有效降解罗布麻韧皮中胶质的生物酶，以生物酶的作用来改善罗布麻因脱胶差而导致纤维粗糙的性能。

国内使用较多的纤维改性方法为化学方法，利用酯醚化反应改变纤维的性质：

1）碱化改性

改性原理为高浓度氢氧化钠溶液与麻纤维素反应生成碱纤维素，所得到的改性麻纤维素为Na-纤维素I或者Na-纤维素II等水化麻纤维。由于该反应为放热反应，常温下即可进行，试验环境较为简单易行。

实验过程如下：实验原料取用本地植物园内的罗布麻，打成麻并用温水沤麻加工。在实验试剂的选区中，对比LiOH、NaOH、KOH、NH4OH等，发现LiOH的碱化改性效果最佳，但因为试剂取材价格偏高，不利于实现扩大化生产，于是选用改性效果较好，但是来源更广泛的NaOH溶液。试验基本原理为麻纤维中的胶质与NaOH发生反应，将纤维中的果胶物质溶解去除，植物脂肪蜡质发生皂化反应，同时纤维中的木质素与NaOH发生生物化学反应――氧桥键断裂，并与氢氧化键组合，产生具有酚羟基的木质素复合物，再以钠盐的形式溶解于碱溶液中，最终降低甚至消除造成麻纤维粗糙“元凶”的木质素。在化学变化的同时，产生的纤维素结构排列的物理变化和结构变化，纤维素大分子中的葡萄糖基环相对位置的改变，造成洁净度和取向度的改变，最后产生了碱纤维素这一新物质，也即是前文所提到的Na-纤维素I和Na-纤维素II，这种碱纤维素因为发生反应而产生润胀膨化效果，使得反应后得到的纤维毛细管得到改善因而具有弹性，纤维渗透性得到改善因而光色鲜艳。

2）尿素法改性

改性原理为尿素中的羰基与碱化改性后的碱纤维素反应，得到优质麻纤维。这种试验方法工艺成本低、操作简便，改性后的麻纤维物理机能较适于用作纺织。这种改性方法得到的纤维在制作成纱线和纺织物后，其染色持久度好，光泽度好，穿着舒适度也有了较大的提升。

2 罗布麻纤维的染色性研究

与亚麻的染色性能相似，罗布麻的染色均匀性较差，而纤维的染色性能与其化学成为关系十分紧密，与亚麻进行化学成分的对比，罗布麻的纤维素含量低于亚麻，而果胶、半纤维素和木质素等无规则分布的小分子量天然共生物的含量比亚麻高出许多。一般来说，麻纤维中果胶物质中的果胶酸钙、半纤维素中的葡萄甘露聚糖和镁盐等物质在碱环境中稳定性较好，不易被着色，因此为了便于着色，在麻纤维的生物、化学脱胶过程中，都希望果胶、半纤维素等物质的含量尽可能的处于较低水平。同样，造成麻纤维粗糙感的木质素，在着色过程中会影响纤维的光泽，一般条件下，纤维中的木质素含量越低，纤维的光泽感越好，弹性越好，并且印染均匀性较高，但是由于木质素分布于植物细胞壁中，若含量降低到一定水平之后，将会影响细胞壁的支撑作用和粘结纤维素的作用，因此，客观上来说，木质素不能完全消除，否则麻纤维的可纺织性能则会随之丧失。

利用上述改性处理后的罗布麻，经试验表明，其染色性也随之发生了改变。罗布麻纤维在经过碱溶液改性处理后，纤维的结晶度、取向和聚合程度都发生了不同程度的改变，且这个改变主要是趋向下滑方向的改变。在统计了试验中不同处理时间段的纤维特性后，总结出纤维改性的规律为：在碱溶液处理的初期，性能下降速率很快，但是随着时间的推移，其变化程度逐渐降低；同时改性的变化程度与碱溶液的浓度变化也呈现出一定的规律性。对比未加工过的麻纤维，煮漂过的罗布麻纤维在改性过程中，其铜值和亚甲基蓝的值均呈较低水平，可见煮漂过程提高了碱溶液的改性效率。通过第一章对罗布麻改性的分析也可以得出，改性对染色率的提高也有较大的帮助。

分析具体原因，在用X射线衍射法对罗布麻纤维的结晶程度、晶体尺寸和分子取向度进行了测定，并绘制罗布麻纤维在超声波处理前后的X射线衍射图，对比结果表明，处理后的麻纤维收到超声波的影响，其结晶程度、晶体尺寸和分子取向度均受到影响，进而得出结论，超声波对于麻纤维的染色性提高有很大的推动作用。同时在对染液的分析结果也表明，超声波处理后的染液其分子渗透和扩散系数都有明显的增强，所以，超声波技术在罗布麻纤维的染色性能的提高上，具有双向的推动作用。

参考文献

[1]蒋少军，吴红玲，李志忠，张新璞，李渊.罗布麻纤维的改性及染色性能的研究[J].燃料与染色，2004，4.

植物纤维化学篇5

本文分别通过对材料自身性能和目前在国内外的应用等情况来介绍纸纤维素和植物纤维这两种绿色环保型墙体保温绝热新材料。并根据以上的介绍，对这类绿色环保型的墙体保温绝热材料今后的应用前景进行展望。

关键词：建筑节能绿色环保保温绝热材料纸纤维素植物纤维

正文：

目前在我国范围内用于外墙保温的绝热材料主要有膨胀聚苯板（EPS板）、挤塑聚苯板（XPS板）、聚氨酯、胶粉聚苯颗粒、膨胀珍珠岩、海泡石、泡沫玻璃、岩棉等，这几种保温绝热材料在生产过程中都对环境有或多或少的不利影响。随着我国建筑节能向第二阶段的迈进，人们对保温节能材料自身的环保性能越来越重视。这里就介绍两种绿色环保型墙体保温绝热材料：纸纤维素和植物纤维。

纸纤维素墙体保温绝热材料

早在1893年，英国就出现了有关把纸纤维素作为保温绝热材料的专利，第一次世界大战后，纸纤维素保温绝热材料引入到美国。现在美国纸纤维素保温材料生产厂家有60余家，还有纤维素保温材料生产企业协会（CIMA）。目前在美国，纸纤维素应用有着最复杂、最严格的国家标准和行业标准。

与其它类型的保温绝热材料相比，纸纤维素主要具有以下几点优势：

热学性能稳定

纸纤维素的热学性能非常稳定，它的导热系数和热阻受密度和温度的影响很小，密度为24kg/m3时的导热系数为0.035W/mK，密度为55kg/m3时的导热系数为0.036W/mK，而玻璃棉的导热系数随着密度的变化相差2倍以上，纸纤维素的导热系数在-20℃~70℃之间基本保持不变，玻璃棉的导热系数在寒冷的冬天最多可降低50%。

低能耗

回收的新闻用报纸经过破碎、阻燃、防水等处理即可使用，纸纤维素在整个制造中所消耗的能源很少，并且不排放CO2气体，而生产一吨聚苯乙烯需要耗电500度、燃料0.64×106达卡、8吨冷却水和2吨原油。

可回收利用

制造纸纤维素的新闻用纸可连续回收利用达7次，而其他保温材料一般只能利用一次。

优良的防火性能

按照英国的标准，正常的防火墙可分为15分钟、30分钟和60分钟三个等级。防火实验证明，经过阻燃处理的纸纤维素防火墙的等级为60分钟。而玻璃棉防火墙的等级为15分钟，矿棉防火墙的等级为30~60分钟，一些泡沫材料不够级别。

生态环保

利用回收纸作为原材料有利于减少环境污染，并且在使用过程中对人类的健康无任何不利影响，使用后没有难以回收或产生垃圾等问题。

在国外，纸纤维素作为保温绝热材料主要用于阁楼和木框架结构建筑中，其安装和使用技术主要有以下几种：

阁楼安装（LoftInstallation）

此法也称为疏松填充。首先把纸纤维素半压缩打包，半压缩包的密度为150~200kg/m3，安装时把半压缩包放进特殊的鼓风设备内，用鼓风设备把纸纤维素吹到阁楼底部，纸纤维素为干态的，不加水和粘结剂，鼓风设备的作用是打碎半压缩的纸纤维素然后把它以松散纤维的形式吹到阁楼底部，吹出来的松散纸纤维素密度为24kg/m3±15%，导热系数为0.035W/mK。

墙空穴安装（WallCavityInstallation）

EXCEL公司开发了一种“Turfill”系统用于墙空穴安装，这种方法是把纤维在压力下吹入墙上面的空穴内，纤维的密度大约为55kg/m3。对于用预制件装配的建筑系统，可采用湿法喷涂技术安装，此技术是把纸纤维素弄湿后吹到壁骨材料之间的外木质面板的内侧，施工时需要水和粘结剂把纸纤维素与基本结合在一起，然后在固定内墙板之前用特殊工具把纸纤维素刮平。最近，德国市场上出现了另一种适用于用预制装配的建筑体系的技术，此技术是用热固联树脂把纸纤维素粘在一起，纤维的密度为50~100kg/m3。

热屋顶安装（HotRoofInstallation）

对于木结构热屋顶空穴保温系统，或者把纸纤维素吹入空穴内，或者使用湿喷的方法，吹入屋顶空穴的纸纤维素密度为45~55kg/m3，导热系数为0.036W/mK。

预制板填充（FactoryPanelFilling）

EXCEL开发了适用于工厂预制木结构单元的“自动填充”系统，此系统与用于装配建筑系统的湿喷技术类似，然后用薄膜密封住这些预先填充的框架单元以防止在运输和现场安装时湿气的进入。

纸纤维素作为保温绝热材料在欧美已经应用了40多年了，虽然目前纸纤维素在欧美建筑节能市场上占有的份额比较小，但是，随着人们对健康、环保和防火安全等方面的日益重视，纸纤维素保温绝热材料将会飞速发展。

然而，目前中国的建筑节能市场上还没有出现纸纤维素保温材料，原因是多方面的：

1、中外的建筑特点不同。欧美的住宅大多为低层住宅，建筑结构多为木质结构，几乎所有的住宅为坡屋顶，而我国城镇的建筑多为中高层建筑，建筑结构多为钢筋混凝土框架结构。中外建筑特点的不同就决定了纸纤维素的应用方式的不同，国外成熟的应用方式在中国可能就不适用了，我国的企业还需要一定的时间来吸收改进。

2、我国的建筑节能起步较晚，建筑保温技术在一些领域还比较落后，而且许多的建筑节能企业缺乏自主创新意识。

3、中国的建筑节能市场还处于起步和发展阶段，对建筑节能材料的生产要求和使用规范还需不断完善。

植物纤维保温墙体材料

我国作为一个农业大国，每年有大量的农作物秸秆没有很好地被利用。而植物纤维保温材料的出现，可以很好地解决农村农作物秸秆的利用问题，同时它也适应了国家建设节约型社会发展的需求。目前，植物纤维保温材料作为一种新型的建筑材料在市场中的应用刚刚开始，由于其具有突出的利废、环保、再生和节能等特性，已显现出极强的生命力和广泛的应用前景。

植物纤维保温墙体材料的特点体现在如下几个方面：

成熟的技术和高性能的产品。植物纤维保温墙体材料是国家禁用粘土砖替代产品中性能较好、实用性较强的产品之一。该产品的性能与粘土砖接近，有较强的实用性，并且舒适性能高于粘土砖建筑。

改变建筑模式的基础构件。（1）解决寒冷地区跨年度施工的材料保障。工期长、跨年度施工是寒冷地区建筑业延续多年的传统模式。这种模式建筑成本高、建筑质量低、能源消耗大。植物纤维墙体材料系列产品的应用从根本上改变了这种落后的建筑模式。植物纤维保温墙板按图制作、按号拼装、一次完成砌体和保温的全部工作，它与建筑框架同时施工、按序跟进、同时完工。（2）植物纤维为实现建筑轻体化、高能化、省地化提供了可靠的物质基础。

实现建材生产的低耗高产。在生产成本中，植物纤维外墙保温板每平方米耗电0.142度，耗水1.5升，不用1克燃料，每平方米中电和水的成本为1元。与其它墙体保温材料比较，其产出量与能耗比是极低的。植物纤维在使用中的节能效益很高。以植物纤维外墙保温板为例：规格200mm厚的墙板，保温系数高于370mm粘土砖墙4倍，取暖热耗降低4倍，取暖成本减少4倍，每年可节省大量的能源消耗，减少取暖支出。

植物纤维保温墙体材料在我国市场中应用的广泛性：

地域的广泛性。1、由于植物纤维保温材料的秸秆原料广泛，在全国各地均可大量生产使用。植物纤维的种类范围广，如南方的稻草、甘蔗渣、稻糠等；北方的玉米秆、高粱秆、大豆秸等；中原地区的麦秸、谷糠等；；林业地区的锯末和干柴等。2、由于植物纤维保温材料产品已经系列化，使用的地域性极大。就生产而言，南方气温条件好，可以全年生产；北方气温低、但是空气干燥，5-9月每天的产量是南方地区的3倍，产量不会受影响。就气候适应性而言，有突出的保温、防水、高强度的特点，能适合热带、亚热带多雨潮湿的气候；同时亦适应北方地区保温抗寒的要求。

使用的广泛性。1、由于该产品工厂化生产、按图制作、便捷安装、产品系列化等特点，广泛应用于各种框架式建筑如体育场馆、厂房仓库、救灾房屋、宾馆饭店以及商场写字楼等。2、现投产的产品有多种规格、多种用途和功能。如：轻体内墙隔板、卫生间隔板；高保温外墙板、强保温外墙板、保温隔音屋面板、强防水屋面板等。

由于建材价格的不断上涨和房价的上涨，植物纤维系列墙体保温材料的广泛应用，可使建筑成本大为降低。植物纤维墙体保温材料作为一种新的材料，对我国建筑市场的发展将起到积极的推动作用。

随着我国建筑节能市场的逐步完善，人们对健康环保的日益重视，企业自主创新意识的提高，类似以上这两种绿色环保型墙体保温材料必将以其特有的优势在我国的建筑节能市场上占有一席之地。

参考文献：

《全国民用建筑工程设计技术措施/建筑产品选用技术》（建筑•装修）

白小莉，植物纤维保温墙材多快好省，《建设科技》

田胜利，保温绝热新材料：纸纤维素，《建设科技》

史蒂文维索克莱，太阳能与建筑，《中国建筑工业出版社》

植物纤维化学篇6

前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）损伤是骨科常见病和多发病，其损伤可致导致膝关节不稳，继而可引发半月板和关节软骨的损伤，加速关节的退变，因此，目前对于ACL损伤都采取较为积极的治疗措施，即通过重建ACL 来恢复膝关节的稳定性。而腱-骨愈合（tendon-bone healing）是手术成功的关键因素之一，本文就影响腱骨愈合中的物理因素予以综述。

1. ACL腱骨结合部位组织学特征及愈合过程

由于特殊的人体生物学环境，使得腱-骨交界处愈合可能出现间接止点和直接止点两种类型，直接止点结构从韧带向骨方向分别为韧带纤维软骨-钙化软骨，间有潮线相隔，这种高度分化的止点结构能够缓冲应力，有效降低韧带的牵张负荷。间接止点为为骨、钙化的纤维软骨、纤维软骨、Sharpey纤维和肌腱纤维，这种特殊的末端结构能分散纵向拉力和剪切力，使作用于单个胶原束的应力最小化[1]。ACL重建后，腱-骨愈合转归对移植物强度及膝关节稳定性的维持具有重要影响，其理想止点应与正常ACL相似。腱-骨愈合的基本过程可能是腱-骨愈合界面纤维组织形成连接，新骨形成，骨向肌腱内长入，局部塑型改造。纤维软骨带作为腱骨结合部位特征性结构，它的重建与修复对于腱骨结合部位的愈合起到关键性作用。腱骨结合部位在愈合界面之间及其周围区域形成大量纤维组织，瘢痕组织随着愈合时间的推移逐渐重建。

2.移植肌腱的基本变化

重建ACL后，移植物需要经历坏死、重新血管化、胶原纤维爬行替代、塑型等过程，最后成为类似于ACL生物特性的替代韧带，移植物的末端，移植肌腱与骨隧道愈合。王永健等[2]以新西兰兔为实验对象，采用自体半腱肌腱重建兔的ACL，观察腱-骨愈合的组织学表现，发现腱-骨愈合的时间一般需要6 个月至1 年。

3.影响腱-骨愈合的物理因素

3.1 肌腱与骨隧道接触面积；

移植肌腱与骨隧道接触面积越大越利于愈合。如果移植物与隧道接触面积小，易引起摩擦，导致骨质溶解，骨隧道扩大膝关节稳定性降低，腱骨愈合减慢。Fauna等[3]证实挤压固定能增加移植肌腱与骨隧道的接触面积从而加速了腱-骨愈合。Nebelung 等[4]对半腱肌移植重建ACL的临床病例进行随访，发现用双股半腱肌腱重建时，移植物在骨隧道内有微小移动，引起摩擦，导致隧道周围骨溶解，骨隧道直径扩大，腱-骨愈合慢。而采用4股半腱肌腱重建时，移植物与骨隧道的接触面积增大，腱-骨愈合显著加快。

3.2 肌腱在骨隧道内的活动度

移植肌腱在骨隧道内的活动有两种表现方式，一是肌腱沿隧道纵轴方向运动，即拉橡皮筋效应；二是肌腱垂直于隧道轴方向的活动，即雨刷效应。固定方法的不同、松质骨软化、骨隧道过大等都会使肌腱活动度增加而影响腱骨愈合，故减少肌腱在骨隧道内的活动度，可促进腱-骨愈合。

3.3 肌腱在骨髓道的位置

移植肌腱在骨隧道内的位置不同其愈合情况也不一样。Berg等[5]在股骨和胫骨上作与ACL平行的隧道，但不损伤正常的ACL。将骨隧道分为远离关节腔、靠近关节腔及中间地带3个部分分别进行观察，术后4周，股骨及胫骨隧道远离关节腔部分充满新生骨，靠近关节腔部分仅有少量新生骨；术后12周，隧道中间地带也充满新生骨。不过，股骨隧道内的新生骨仅为其体积的49. 9%，而胫骨隧道内新生骨为其体积的92%。观察显示，越接近关节腔，隧道内新生骨的含量越少，这可能与关节腔内滑液所含的蛋白水解酶、细胞因子、生长因子抑制剂影响有关。该研究认为，肌腱在骨隧道内的愈合是由骨隧道远端向关节腔内生长的，越靠近关节腔，愈合所需时间越长。膝关节运动中的ACL长度变化≤2. 5mm，因此要求移植物的拉伸长度不能>2. 5mm。如果ACL移植物的股骨位置偏前，膝屈曲时移植物的长度增大，这样会限制ACL屈曲时引起移植物紧张，导致膝伸直松弛，相反，膝伸直时移植物长度增大，会限制膝伸直，或膝关节曲时松弛。另外，胫骨隧道内口太靠前，ACL移植物会撞击颗间窝顶部；太靠后，ACL移植物变得较垂直，就不能限制胫骨前移。膝伸屈时，旋转中心点会有变化，更接近股骨附着区，故要使膝运动更正常，制作股骨隧道须更加精确些。

3.4 移植肌腱的固定方式

移植物的固定是重建术的薄弱环节和关键环节，其对腱-骨愈合有重要影响，悬吊式固定（皮质外固定）和挤压固定（隧道内固定）是目前移植肌腱的常用方式。研究表面采用悬吊式固定倾向于间接愈合，而挤压固定则多数为直接愈合。Tomita等[6-8]分别用双股屈肌腱移植和骨-髌腱-骨移植重建ACL，均采用悬吊固定，12周时双股屈肌腱组在腱-骨界面间可见Sharpey纤维，隧道前方比后方多；而骨-髌腱-骨组3周可见新生骨形成。拉力实验显示：3周时两组的连接薄弱区均在移植物与隧道壁之间，而6周时，双股屈肌腱组薄弱区位于隧道内的移植肌腱，骨-髌腱-骨组薄弱区则位于移植骨块近端；3周时，双股屈肌腱组最大拉力试验明显低于骨-髌腱-骨组，但6周时二者之间无明显差别。胫骨及股骨端应用悬吊固定移植物在骨隧道内会产生纵向的微动-蹦极效应，挤压螺钉能提供重建韧带的即时稳定要求，因此，普遍认为挤压固定更为牢靠。Weiler等[9]在羊模型上用可吸收螺钉挤压固定重建ACL，24周时表现为直接连接，在隧道入口处可见到大量规则排列的韧带长入并钙化的软骨，与正常的ACL的附着区域极为相似。

3.5 移植物的张力

肌腱在骨隧道内不同部位的愈合情况与移植物的应力分布有关，张应力分布在隧道口处，对腱-骨愈合情况起促进作用；压应力分布于隧道下部，促进软骨形成，切应力主要分布在隧道内部，对愈合几乎无影响。Yamakado等[10]用兔的趾长伸肌的股骨端切断后植入垂直于胫骨干的骨隧道内，发现6周时在骨隧道下部可见新生的编织骨，而骨隧道上部有类似Sharpey纤维连接；12周时隧道内的纤维连接变薄，但在隧道口处纤维连接排列更加有序，隧道内部无编织骨，仅见于隧道口；Nicholas[11]等将患者随机分配到高张力组和低张力组，分别给予移植肌腱90N和45N的预张力，术后跟踪随访20个月，发现低张力组较高张力组膝关节松弛明显，5例胫骨前移位>5mm的患者均出现在低张力组。给予90N的初始张力较45N的初始张力更有利于膝关节功能的恢复，膝关节更稳定。保持移植物适当的张力对于术后生物塑型、再血管化以及膝关节功能恢复都有重要作用。张力过大不仅影响膝关节伸屈活动，而且影响术后移植物的再血管化过程，导致韧带蜕变，膝关节不稳；张力过小则术后韧带松弛，膝关节前后位移增加。

3.6 骨隧道的长度和直径

不同骨隧道长度和直径对手术影响很大，甚至直接决定手术的成败。Yamazaki 等[12]建立狗的ACL 重建模型，骨隧道直径分别为4 mm和6 mm，结果发现6 mm 直径隧道内部的连接纤维较多。李棋等[13]通过建立狗的ACL重建模型，将隧道长度分为5，10，15，20 mm4组，移植物的直径统一修整为4 mm，术后6周和12 周观察腱-骨愈合的情况。李棋的研究发现生物力学检测显示同期各组最大拔出负荷随移植肌腱在隧道内长度的增加而依次增大，15 mm 和20 mm 组的纤维连接较其他两组多，并出现了Sharpey纤维，两组之间差别小，差异无显著性意义，愈合较其他两种牢靠。杨晓[14]实验动物模型骨隧道的直径分为3.5，4.0，4.5，5.0 mm4 组，术后6周，3.5 mm组的胶原纤维连接较其他组多，且致密有序，隧道壁上有新生编织骨形成；术后12 周，各组腱-骨交界区有类软骨样细胞形成，但只有3.5 mm组排列有序，其他组腱- 骨交界区的细胞和纤维连接显得杂乱无张，生物力学检测显示3.5 mm组的最大拔出负荷强度要高于同期各组。

3.7 外界物理因素：

术后用冲击波刺激手术部位能明显促进腱- 骨愈合，且治疗时间越长，腱-骨愈合的质量越好。徐钢等[15]建立兔髌骨部分切除模型，实验组每日接受低强度超声刺激，对照组给予假刺激。结果发现实验组腱-骨愈合较对照组提前，术后6周组织学结果显示实验组腱- 骨交界区成纤维细胞和成骨细胞增生活跃，术后12 周出现软骨带，部分胶原纤维长入新生骨质中，恢复较对照组好。Wang等[16]用兔的趾伸肌腱重建ACL，术后右膝采用冲击波治疗，左膝不采用，结果发现术后4 周，右侧移植肌腱周围产生的松质骨明显比左侧多；术后8周，右侧腱- 骨交界区连接纤维的生长明显比左侧好；术后24 周，右侧移植肌腱的最大拔出负荷强度明显比左侧高。

4.结论

前交叉韧带重建术后的腱-骨愈合过程较为复杂，物理因素引起腱-骨愈合的机制尚未完全明确，愈合过程中细胞的分化、组织成分的转变、分子生物学等方面的研究较少，还需进一步的深入，总的来说，目前在促进腱-骨愈合方面已探索出一些较有潜力的方法，但是这些方法大多数尚处于动物实验阶段或者牵涉到复杂的实验室技术，在进入临床应用之前，对这些方法的可行性尚需进一步的研究。

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作者简介：

植物纤维化学篇7

关键词：植物病原真菌；侵染；细胞壁降解酶

中图分类号：S432.4+4 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2012）21-4697-04

Research Progress of Fungal Cell Wall-degrading Enzyme

DONG Zhang-yong1，2，WANG Zhen-zhong2

（1. Zhongkai University of Agriculture and Engineering， Guangzhou 510225， China；

2. Laboratory of Physiological Plant Pathology，South China Agricultural University， Guangzhou 510642， China）

Abstract： The type of plant pathogenic fungal cell wall-degrading enzymes was overviewed. The role of cell wall-degrading enzymes in the plant pathogenic fungal infection was clarified. Moreover factors affecting the production of cell wall-degrading enzymes as well as the synergistic effects among the enzymes were summed up.

Key words： plant pathogenic fungi； infection； cell wall-degrading enzymes

植物细胞壁是寄主与病原真菌相互作用的重要场所，在植物病原真菌侵入寄主的过程中起主要的屏障作用。病原真菌在侵染寄主植物的过程中分泌一系列细胞壁降解酶（Cell wall degrading enzymes， CWDES），包括果胶甲基半乳糖醛酸酶（Pectin methyl-galacturonase）、果胶甲基反式消除酶（Pectin methyl transeliminase）、多聚半乳糖醛酸酶（Polygalacturonase）、多聚半乳糖醛酸反式消除酶（Polygalacturonic acid transeliminase）和纤维素酶（Cellulose）等，它们在病原真菌的致病过程中不仅能摄取营养，而且能降解寄主组织[1]。

1 植物病原真菌细胞壁降解酶的类型

在植物病原真菌与寄主的识别过程中，病原真菌分泌的细胞壁降解酶可以降解寄主植物的细胞壁和角质层等，这有利于病原真菌的侵入、定殖与扩展。细胞壁降解酶的分类方式有多种，其中根据酶作用的底物，细胞壁降解酶可分为果胶酶（Pectic enzyme）、纤维素酶（Cellulase）、半纤维素酶（Hemicellulase）、角质酶（Cutinase）和其他酶类如蛋白酶（Protease）、淀粉酶（Amylase）和磷脂酶（Phospholipase）等。

1.1 果胶酶

果胶酶是一类能够催化果胶质分解的酶的总称。果胶酶大致分为果胶裂解酶（Pentin lyases）、果胶酯酶（Pectin esterases） 、原果胶酶（Protopectinase）和果胶水解酶（Pectin hydrolases）等。其中果胶水解酶又可分为聚鼠李半乳糖醛酸酶（Rhamnogalacturonases）、果胶甲基半乳糖醛酸酶（Pectin methyl-galacturonase）、多聚半乳糖醛酸酶（Polygalacturonase）、半乳聚糖酶（Galactan esterases）、阿拉伯聚糖酶（Arabanase）[2]、木糖基半乳糖醛酸酶（Xylogalacturonas）[3]等。果胶酶按其作用最适pH又分为酸性果胶酶和碱性果胶酶。

1.2 角质酶

许多真菌和少数细菌产生角质酶，角质酶是一种酯酶，在pH 9～10的条件下最适合催化水解角质层，产生寡聚体后降解为单体。催化过程是先经酰化作用从醇脂基中产生醇，再经脱酰基作用产生脂肪酸。角质酶被认为是病原真菌直接穿透植物寄主表皮时用于克服植物表面的角质层的重要因子之一。

1.3 纤维素酶

纤维素酶是能水解纤维素β-1，4-葡萄糖苷键，使纤维素变成纤维二糖和葡萄糖的一组酶的总称，是多组分酶系，又称纤维素酶复合物。它广泛存在于自然界的生物体中，细菌、真菌、动物体内都能产生纤维素酶。依据纤维素酶作用的pH条件将其分为酸性纤维素酶和碱性纤维素酶。凡是能在碱性条件下水解纤维素的酶均称为碱性纤维素酶；凡是能在酸性或中性偏酸性条件下水解纤维素底物的纤维素酶均称为酸性纤维素酶。

1.4 半纤维素酶

半纤维素酶是分解半纤维素的一类酶的总称。半纤维素的酶解需要许多酶的共同参与，植物病原真菌可以集中产生半纤维素酶。根据它们作用于聚合体时释放的单体的类型，可分为葡聚糖酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶、阿拉伯聚糖酶和半乳聚糖酶等。

1.5 蛋白酶

许多植物病原真菌产生蛋白酶。随着植物细胞壁结构研究的深入，发现植物细胞次生壁、中胶层和细胞膜中也含有蛋白质，因而引起人们对病原真菌产生的蛋白酶进行研究的兴趣。Dow等[4]发现蛋白酶是细菌十字花科黑腐病菌（Xanthomonas campestris pv. campestis）的主要毒力因子，但对于植物病原真菌分泌的蛋白酶的研究仍然很少。

1.6 其他酶类

其他酶类包括淀粉酶和磷脂酶等，分别降解淀粉和脂类物质[4，5]。

2 细胞壁降解酶在植物病原真菌侵染中的作用

2.1 病原物侵染的致病因子

细胞壁降解酶是真菌成功侵染并定殖寄主植物的重要因子。病原真菌要成功侵染植物必须克服寄主在进化过程中形成的多种抗性机制。其中，真菌能产生一系列降解表皮角质层和细胞壁的细胞壁降解酶，其成为真菌克服细胞壁屏障的重要因素之一。植物病原真菌针对植物细胞壁中的每种多糖成分，均分化出相应的降解酶。陈捷等[6]发现病原真菌无论在活体组织内还是在活体组织外产生的细胞壁降解酶对玉米胚根均有明显的浸解作用，随着细胞壁降解酶浓度的增加酶浸解能力增强，且呈显著正相关。王琪[7]的研究表明，多聚半乳糖醛酸酶是香蕉枯萎病4号小种（Fusarium oxysporum f. sp. cubense race 4）致病过程的重要致病因子之一。

2.2 植物抗病反应的诱导因子

许多以细胞壁降解酶致病的病原物都能引起寄主植物细胞壁透性的变化，为其在植物组织中的入侵和定殖创造条件。同时，植物病原真菌侵染产生的细胞壁降解酶还可能诱发植物的防卫反应。

2.2.1 激发子 研究表明某些酶作为激发子诱导寄主植物产生抗性。激发子是病原物产生的能激发寄主植物对其侵染产生抗性的一类物质。细胞壁降解酶及其产物具有其他生物和非生物化合物的激发特性，包括次生代谢物、类脂和蛋白质。用某些酶处理植物组织和细胞，能引起植物的防卫反应。因此，病原真菌的细胞壁降解酶对植物作为警示信号与对于病原物作为致病因子同样重要。在许多情况下，植物似乎并不能直接识别细胞壁降解酶，而是对酶的产物作出反应。其中寡聚半乳糖醛酸作为激发子的研究较多。寡聚半乳糖醛酸可以诱导植保素和活性氧的产生，影响烟草外植体的形态建成，诱导番茄蛋白酶抑制剂的局部合成。一些研究表明寡聚半乳糖醛酸的聚合度为10～15时的活性最高。植物同样对其他寡糖和细胞壁降解酶有反应。真菌木聚糖酶是一种小分子蛋白质，可以在木质部进行传输，作为激发子的木聚糖酶的活性可能会由于变性而丧失，但相异的是木聚糖酶是直接作用而不是通过其产物产生作用[8]。

2.2.2 植物抑制因子 许多植物产生蛋白酶抑制剂，而这些蛋白酶抑制剂对病原真菌产生一定的影响[9]。如在寄主植物与病原真菌长期相互作用的过程中，植物相应地产生能够抑制病原真菌多聚半乳糖醛酸酶活性的因子，其中以多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白（Polygalacturonase-inhibiting protein， PGIP）为主。植物中存在的多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白可以抑制病原真菌的多聚半乳糖醛酸酶活性，使多聚半乳糖醛酸酶的作用延缓，这样其水解产物的长度得到提高，且该水解产物能诱导寄主产生防卫反应。同时，它可以减缓病原真菌的生长速度，使得寄主其他的防卫系统得以表达。Sella等[10]发现，多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白对多聚半乳糖醛酸的作用具有特异性，大豆的多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白能抑制串珠镰刀菌（Fusarium moniliforme）FC-10菌株分泌的多聚半乳糖醛酸，但不能抑制串珠镰刀菌PD菌株所分泌的多聚半乳糖醛酸，因而对这2个菌株的抗病性表现不同。代易等[11]分离纯化了香蕉多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白，该抑制蛋白对香蕉枯萎病菌4号小种多聚半乳糖醛酸酶活性的抑制高于对黑曲霉（Aspergillus niger）的多聚半乳糖醛酸酶活性的抑制，表明其对不同多聚半乳糖醛酸酶活性的抑制具有选择性。

3 影响细胞壁降解酶产生的因素

3.1 植物病原真菌的种类

研究表明，植物病原真菌的不同，其产生的细胞壁降解酶的种类及活性均有差异。一些研究显示很多病原真菌都能产生细胞壁降解酶。辣椒炭疽病菌（Colletotrichum acutatum）产生的细胞壁降解酶主要是果胶裂解酶、多聚半乳糖醛酸酶以及分解纤维素的β-葡糖苷酶和纤维二糖酶[12]。槭菌刺孢（Mycocentrospora acerina）活体外能产生几种细胞壁降解酶，在发病组织中也可检测到果胶酯酶、多聚半乳糖醛酸酶、果胶裂解酶和内切葡聚糖酶[13]。董章勇等[14]的研究表明，香蕉枯萎病4号生理小种在寄主体内和体外培养时都比1号生理小种多分泌一种多聚半乳糖醛酸酶，两个生理小种在体外培养时分泌的果胶甲基半乳糖醛酸酶、多聚半乳糖醛酸反式消除酶和果胶甲基反式消除酶没有差异，4号生理小种在寄主体内比1号生理小种多分泌一种果胶甲基半乳糖醛酸酶，却少分泌一种多聚半乳糖醛酸反式消除酶，两个生理小种在寄主体内的果胶甲基反式消除酶则没有差异。

3.2 细胞壁降解酶种类与病害症状的关系

不同病原真菌在侵染寄主植物时所产生的细胞壁降解酶种类与这些酶的特性的不同造成不同病菌侵染症状的差异。如匍枝根霉（Rhizopus stolonifer）和半裸镰刀菌（F. semitectum）侵染甜瓜的致病力和致腐形式有明显差异，这是由两种病原物所产生的细胞壁降解酶种类及其活性决定的[15]。匍枝根霉主要从果实的机械损伤处侵入，侵染后菌丝只能在细胞间隙和细胞壁间生长，病菌分泌高活性果胶酯酶、果胶甲基半乳糖醛酸酶和多聚半乳糖醛酸酶，而果胶甲基反式消除酶、果胶裂解酶以及纤维素酶的活性低，这样该菌能迅速降解果胶物质，使组织解离并软腐，进而导致细胞离析，但它们不能突破细胞壁进入胞内生长[16]。

3.3 植物病原真菌的致病性

Piero等[17]在研究棉花枯萎病菌时发现，菌株的致病力差异导致胞壁降解酶的数量及活性状况的差异。Cano-canchola等[18]用玉米黑粉菌（Ustilago maydis）接种玉米后，强致病力菌株产生的细胞壁降解酶活性较高，而弱致病力菌株及健康玉米组织中则低很多。王纯利等[19]研究西瓜枯萎病时得出尖孢镰孢菌致病力与β-葡萄糖苷酶活性呈正相关的结论，在β-葡萄糖苷酶细胞壁组分的诱导下分泌降解细胞壁，致使寄主萎蔫，酶活性越高，则分解细胞壁的速度就越快。姜雪等[20]研究玉米弯孢霉叶斑病菌对不同抗性种质资源的作用时发现，寄主抗性水平越高，诱导产生的纤维素酶活性也越高。

3.4 植物品种的抗病性

植物病原真菌活体内产生的胞壁降解酶的数量和活性与寄主植物品种的抗性有关。李宝聚等[21] 的研究表明，黄瓜黑星病菌（Cladosporium cucumerinum）产生的纤维素酶和果胶甲基半乳糖醛酸酶的活性与品种的抗病性密切相关。病菌侵染后抗病品种和感病品种受侵染叶片内纤维素酶和果胶甲基半乳糖醛酸酶的活性都上升，但感病品种中这两种酶的活性比抗病品种的高很多。Neeru等[22]研究发现禾生指梗霉（Sclerospora graminicola）在珍珠稷感病品种中纤维素酶和多聚半乳糖醛酸酶的活性均上升，但在抗病品种中却下降。

3.5 外界环境

植物病原真菌细胞壁降解酶的种类及活性与金属离子等环境因子有关。一些研究者认为Ca2+等离子的存在抑制了植物病原真菌的生长及细胞壁降解酶的活性。Piero等[17]研究发现Ca2+会抑制棉花枯萎病菌（F. oxysporum f. sp. vasinfectum）产生的多聚半乳糖醛酸酶活性。Martino等[23]的研究表明，苹果树粉孢（Oidiodendron maius）能帮助提高其寄主在富含重金属土壤中的定殖能力，铬离子和锌离子浓度在一定范围内的提高会引起病原真菌多聚半乳糖醛酸酶活性的上升。Sucheta等[24]的研究结果显示，核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）的胞壁降解酶活性一般受二价金属离子抑制，但Mg2+却能刺激多聚半乳糖醛酸酶和果胶酯酶的活性。病原真菌的细胞壁降解酶的种类及活性与温湿度等环境因子有关。李宝聚等[25]的研究结果表明，在不同温度下番茄灰霉病菌产生的细胞壁降解酶活性不同，β-葡萄糖苷酶、多聚半乳糖醛酸酶、果胶甲基半乳糖醛酸酶和纤维素酶在20 ℃时其活性均为最高，15 ℃次之，当温度达到25 ℃时4种细胞壁降解酶的活性均急剧下降。

4 细胞壁降解酶之间的协同作用

植物病原真菌产生的细胞壁降解酶降解寄主细胞壁具有时间顺序。如黄萎轮枝菌（Verticillium albo-atrum）侵染番茄茎部产生细胞壁降解酶的先后顺序为：多聚半乳糖醛酸酶、多聚半乳糖醛酸反式消除酶、阿拉伯糖苷酶、木聚糖酶和纤维素酶。一种果胶酶的作用产物可以诱导另一种或一些细胞壁降解酶的活性。陈捷等[26]对玉米茎腐病菌（F. graminearum）细胞壁降解酶的致病作用的研究发现，果胶酶和纤维素酶对玉米胚根均具有一定的浸解作用，但二者混在一起时对玉米胚根的浸解能力比任何一种单独浸解的作用都更加明显。Kuc[27]的研究表明，黄瓜黑星病菌的复合酶中，纤维素酶和蛋白酶的混合物在24 h之内未能浸解黄瓜胚轴组织，而含果胶酶和纤维素酶的混合物在2～3 h内就能浸解其胚轴组织，果胶酶和蛋白酶两者的混合物浸解能力更强，只需30～60 min。黄瓜黑星病菌产生的纤维素酶、毒素和果胶酶对黄瓜叶组织超微结构影响的研究表明，3种细胞壁降解酶在致病过程中既各自独立又相互联系。

5 结语

随着分子生物学和蛋白质组学的发展，人们从基因水平乃至蛋白质水平研究与认识真菌与寄主植物之间的互作过程将会不断地深入下去。植物病原真菌细胞壁降解酶在侵染过程中与植物间的互作关系也会在这些技术的发展过程中逐步得到研究。

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收稿日期：2012-02-06

基金项目：国家自然科学基金项目（30671349）；国家自然科学基金——广东联合基金项目（U0771001）；公益性行业（农业）科研专项（200903049-05）

作者简介：董章勇（1981-），男，广东化州人，讲师，博士，主要从事分子植物病理学和微生物学研究，（电话）13570474157（电子信箱）

植物纤维化学篇8

关键词：辣椒（Capsicum annuum）;根腐病;傅里叶变换红外光谱

中图分类号：O657.3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）12-2906-03

Fourier Transform Infrared Spectroscopic Study of Pepper Root Rot

YANG Chun-yan1，LIU Fei1，HU Qiong2，LIANG Yun-feng3

（1.Department of Physics， Yuxi Normal University，Yuxi 653100，Yunnan， China;

2.Department of Bioengineering， Yunnan Vocational and Technical College of Agriculture， Kunming 650212， China;

3.Agricultural Economics Management Service Centre of Yuanjiang， Yuanjiang 653300， Yunnan， China）

Abstract： Fourier transform infrared spectroscopy （FTIR） was used to obtain the spectra of leaf， taproot and fibrous roots of normal and root rot pepper plants in thestage. The results showed that for normal and root rot pepper plants， the main components of leaves were protein and polysaccharide， and for taproots and fibrous roots they were cellulose and lignin; for root rot plants， relative to normal plants， the structure of protein and polysaccharide in leaves has been changed， the relative content for cellulose of taproots has increased while fibrous roots decreased. The above results demonstrated that FTIR may be used to distinguish the effects of the toot rot on different parts of the pepper， which provided reference for the study of pepper root rot.

Key words： pepper（Capsicum annuum）; root rot; fourier transform infrared spectroscopy

辣椒（Capsicum annuum）根腐病是由茄腐镰孢菌（Fusarium solani）引起的典型土壤传播病害。一般病田中辣椒根腐病病株率20%～40%，严重地块高达50%～80%，更有甚者造成绝产，已成为辣椒可持续生产中的一大障碍[1]。该病多发于定植后至坐果初期，发病初期植株顶部叶片稍见萎蔫，傍晚至次日早晨恢复，数日后整株枯死。病株茎部及根部皮层呈淡褐色或深褐色并腐烂，极易剥离，露出深色木质部。横切茎可见维束管变褐色，湿度大或生育后期时茎基部或根茎部腐烂[2]。对辣椒根腐病的发生、鉴定、防治及根腐菌的生物学特性已经进行过研究报道[1-4]，但这些研究都没有反映病菌对染病植株化学组成的影响。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）是一种能提供分子化学结构信息的技术，利用此技术可对样品进行定性和定量地无损分析，根据光谱的谱峰位置可以鉴定有机化合物及官能团的存在，而利用光谱的吸收强度可以定量地计算各种化学组分在样品中的相对含量[5]。目前，FTIR技术已应用于农作物病害的研究，如任先培等[6]用FTIR研究病害烟叶，刘飞等[7]利用FTIR研究油菜根肿病，欧全宏等[8]用FTIR研究稻瘟病、玉米锈病和蚕豆锈病叶片。红外光谱法研究辣椒根腐病还未见报道，本研究利用FTIR研究了成株期正常辣椒和根腐病辣椒3个不同部位的红外光谱，比较了正常辣椒和根腐病辣椒同一部位所含化学信息的差异，以期为辣椒根腐病的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 仪器设备

红外光谱仪为PE公司生产的Frontier型傅里叶变换红外光谱仪，装备DTGS检测器，累加扫描次数为16次，扫描范围为4 000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1，光谱数据使用Omnic 8.0软件处理。

1.2 样品制备及光谱预处理

正常辣椒植株和根腐病辣椒植株均为辣椒成株期样品，采自云南省玉溪市红塔区北城镇，并经农业技术人员鉴定，样品经自然晾干，除去根部泥土，保存待测。取样时叶片、主根和须根均取相同或相近部位，将样品放入玛瑙研钵磨为细粉，再加入溴化钾并搅磨均匀，然后压片测定光谱。所有光谱均已扣除背景光，并使用Omnic 8.0软件进行自动基线校正、平滑和归一化处理。

2 结果与分析

2.1 正常植株与根腐病植株叶片的红外光谱图分析

图1为正常植株和根腐病植株叶片的红外光谱图，其中a是正常植株叶片的红外光谱，b是根腐病植株叶片的红外光谱，谱图都以1 445 cm-1附近峰为参考进行了归一化处理。3 343～3 340 cm-1附近为O-H伸缩振动峰和N-H伸缩振动峰;2 930～2 926 cm-1主要为多糖、蛋白质等的亚甲基C-H反对称伸缩振动峰;1 648～1 628 cm-1强吸收峰主要是酰胺Ⅰ带C=O酰胺键的伸缩振动吸收峰[9]及部分N-H弯曲振动吸收峰;1 264～1 261 cm-1为酰胺Ш带C-N伸缩振动、N-H变形振动峰[10]。由于没有1 580～1 540 cm-1附近吸收峰存在，说明辣椒叶片中蛋白质类物质中的酰胺大多为叔酰胺[11];1 445～1 404 cm-1为甲基C-H剪式振动吸收;1 319 cm-1为芳香胺中C-N伸缩振动;1 139/1 146 cm-1、1 121/1 104 cm-1、1 069/1 075 cm-1和1 054 cm-1的阶梯增强吸收峰主要是糖类物质C-O和C-O-C的伸缩振动峰[12]。叶片光谱的上述特征表明，叶片中的主要物质成分为蛋白质和多糖类物质。

根腐病植株叶片的光谱中，反映蛋白质酰胺Ⅰ带和Ш带吸收的1 628 cm-1和1 264 cm-1附近峰均强于正常植株叶片相应吸收带范围内吸收峰，峰位分别向波数减小和增大方向移动了20 cm-1和3 cm-1，且前者成为光谱最强峰;与正常植株相比，根腐病植株叶片光谱中糖类物质的吸收峰峰强均有增加，峰位由正常植株叶片中1 139、1 121和1 069 cm-1变为1 146、1 104、1 075和1 054 cm-1。说明根腐病影响了辣椒叶片中营养物质的含量和结构。

2.2 正常植株与根腐病植株主根的红外光谱图分析

图2为正常植株和根腐病植株主根的红外光谱图，其中a是正常植株的主根光谱，b是根腐病植株的主根光谱，谱图都以1 630 cm-1附近的吸收峰为参考进行了归一化处理。

从图2可以看出，二者红外光谱存在许多典型的共有峰。在3 352（3 330）cm-1附近有一个极强且宽的吸收峰，主要为O-H伸缩振动吸收峰，2 929（2 931）cm-1为CH2中C-H反对称伸缩振动的特征吸收峰，1 742（1 735）cm-1附近的弱吸收峰为纤维素、木质素和脂类羰基C=O伸缩振动吸收峰，1 628（1 630）cm-1附近极强的吸收峰，主要为芳环骨架振动吸收以及蛋白质酰胺I带C=O伸缩振动和N-H弯曲振动吸收，1 383（1 374）cm-1是纤维素中C-H弯曲振动，1 300～950 cm-1区域主要为各类C-O伸缩振动吸收峰。光谱特征表明，主根的主要物质成分为纤维素和木质素。

根腐病植株主根光谱中，反映纤维素和脂类羰基伸缩振动的吸收峰相对强度与正常植株相比明显下降，且峰位由正常植株主根中1 742 cm-1向波数短的方向移至1 734 cm-1，说明根腐病植株主根中木质素和纤维素的相对含量比正常植株的高[13]，反映芳环骨架振动和蛋白质酰胺I带吸收的1 628 cm-1峰，由正常植株主根中的最强峰成为根腐病植株中第二强峰，且增加了1 650 cm-1附近峰和反映芳环骨架振动及蛋白质酰胺Ⅱ带吸收的1 543 cm-1和1 520 cm-1峰，说明根腐病植株主根中增加了新的蛋白质类物质;在1 500～1 300 cm-1区域，根腐病植株主根光谱比正常植株增加了可能包含C-H弯曲振动以及C-O伸缩振动的1 430 cm-1吸收峰，反映纤维素中甲基C-H伸缩振动的吸收峰峰位由1 383 cm-1向波长变短方向移至1 374 cm-1，且峰强下降明显，说明纤维素的相对含量显著下降[7]，这与1 742（1 735） cm-1峰相吻合。在1 200～1 000 cm-1区域，正常植株主根光谱中显示了1 149、1 106、1 058和1 030 cm-1 4个阶梯增强的纤维素中C-O-C的伸缩振动以及C-C伸缩振动的吸收峰，而根腐病植株主根光谱中则只显示了1 149和1 052 cm-1两个吸收峰，且相对吸收强度均明显低于正常植株。在1 000～700 cm-1区域，正常植株显示了体现纤维素、木质素中糖环振动的918、830和781 cm-1 3个吸收峰[14]，而根腐病植株则只显示了896和781 cm-1 2个吸收峰，减少了体现木质素中C-H平面弯曲振动的829 cm-1[15]。

两种主根光谱的差异表明，正常植株主根中纤维素的相对含量比根腐病的高，木质素相对含量基本相同，根腐病植株主根中增加了蛋白质类物质。

2.3 正常植株与根腐病植株须根的红外光谱图分析

图3为正常植株和根腐病植株须根的红外光谱图，其中a是正常植株的须根光谱，b是根腐病植株的须根光谱，谱图都以1 034 cm-1附近的吸收峰为参考进行了归一化处理。

由图3可以看出，须根的主要物质成分是纤维素和木质素。它们的光谱差异主要表现为：①在1 800～1 500 cm-1区域，正常植株光谱显示了1 735 cm-1单峰、1 642和1 628 cm-1双峰、以及1 543和1 516 cm-1弱双峰，而根腐病植株在相应位置则分别显示了1 738、1 653和1 513 cm-1单峰，且对应于正常植株须根光谱两双峰附近区域，根腐病须根光谱在前一双峰处峰强显著下降，后一双峰处则显著增强，同时由于反应纤维素中羰基伸缩振动吸收的吸收峰峰位由1 735 cm-1向高波数方向移至1 738 cm-1，说明根腐病植株须根中纤维素与木质素的相对含量比正常植株高。②在1 500～1 200 cm-1范围，正常植株须根光谱中显示的谱峰有最强峰为1 383、1 322及1 258 cm-1峰，而根腐病植株在此范围显示了5个依次增强的阶梯峰1 460、1 425、1 373、1 321及1 251 cm-1单峰，其中1 383 cm-1峰已由最强峰变为弱峰，1 322 cm-1附近峰相对强度变化也较显著。③在1 200～900 cm-1区域，两种光谱的峰位、峰形和峰强均相似。

3 小结

通过对成株期正常辣椒和根腐病辣椒植株叶片、主根和须根的光谱测试和分析，结果反映了根腐病对辣椒植株不同部位的影响。病菌的侵染改变了病害植株主根和须根的物质成分和相对含量，使其不能较好地将营养物质输送到植株其他部位，从而影响了辣椒植株的正常生长和产量。研究结果表明，傅里叶变换红外光谱可以判断正常辣椒和根腐病辣椒植株同一部位所含化学信息的差异，为辣椒根腐病的研究提供了参考，具有方便、易行的优点。

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