植物纤维：生物结构解析

目前造纸工业将植物纤维原料分为三类：第一类是木材纤维类，包括阔叶材和针叶材；第二类是非木材纤维类，包括禾本科类纤维、韧皮纤维、叶纤维及种毛料维；第三类是半木材纤维类（其纤维形态及生物结构介于木材与禾草类原料之间），这类原料主要指棉秆。这里按此分类扼要介绍在光学显微镜下观察到的几种具有代表性的植物纤维原料的生物结构。

（一）针叶材的生物结构

针叶材的木质部是造纸工业的主要原料。它主要由管胞、木射线管胞和木射线薄壁细胞及围成树脂道的分泌细胞组成，其中管胞是占90%～95%强的造纸细胞。图1-1为我国广东马尾松生物结构图，图1-2，图1-3及图1-4分别表示树干的横切面、径切面和弦切面。

图1-1 马尾松三向切面×70

A—横向 B—弦向 C—径向

如图1-2所示，在横切面上可见纵向生长的管胞横向断面。图中2为腔小、壁厚、色深的晚材管胞；图中1为腔大、壁薄、色浅的早材管胞。早材和晚材构成年轮。早材和晚材之间为年轮界限。沿径向生长的细胞为木射线。图中3为纵向树脂道。

图1-2 马尾松横切面（SEM×300）

1—早材 2—晚材 3—树脂道

如图1-3所示，在径切面上较粗大的条状细胞为管胞，横向条状细胞为木射线，两者交叉的区域被称为交叉场，在管胞的壁上可见一排排的纹孔。

如图1-4所示，在弦切面上可见较粗大的条状细胞为管胞及被横向切断的木射线的横断面组成的一列列圆孔。

图1-3 马尾松径切面（LM×200）

1—纤维管胞上具缘纹孔 2—交叉场纹孔

图1-4 马尾松弦切面×100

1—管胞 2—木射线 3—树脂道

针叶材中还含有较多的树脂道，在横、径切面中较大的圆孔为纵向树脂道。图1-4上夹在木射线中间并使木射线形成两列或多列的较大的圆形通道为径向树脂道，两者互相沟通形成了立体的树脂道网。

各种针叶材的生物结构较为相似。图1-5、图1-6及图1-7示出了红杉、落叶松和火炬松的横切面。

（二）阔叶材的生物结构

阔叶材的细胞组成要比针叶材复杂。图1-8为南京杨的横切面及径切面的两向剖面图，图1-9为南京杨横切面，图1-10为南京杨弦切面，图1-11为杜仲木质部横切面。从图中可见，阔叶木主要由以下几种细胞组成：

图1-5 红杉横切面（LM×65）

图1-6 落叶松横切面（LM×65）

图1-7 火炬松横切面（LM×65）

图1-8 南京杨二向剖面（SEM×50）

A—横切面 B—弦切面 1—导管 2—木射线 3—木纤维

导管是阔叶木最明显的特征。在以上各横切面的图上都可以看到大孔径的导管。阔叶木可根据导管管孔的散布情况的不同，分为散孔材和环孔材。如果在一个年轮内导管直径没有明显差别的称为散孔材；如果在早材中导管的直径较大，而在晚材中导管的直径明显变小，在横切面上形成环行孔状结构者为环孔材。导管的排列也有单孔式与复孔式两种。在横切面上，单孔式导管每组只有一个管孔；复孔式导管每组有两个以上的管孔。导管由许多导管分子组成，其长度一般都小于1mm。导管分子两端开口，首尾相接，沿树轴方向形成许多通道，以输送树液。

图1-9 南京杨横切面（SEM×160）

1—导管 2—木射线 3—纤维

图1-10 南京杨弦切面（SEM×160）

1—导管 2—木射线 3—纤维

图1-11 杜仲木质部横切面（LM×100）

木纤维是造纸用细胞，占50%～80%。阔叶材不仅造纸细胞含量比针叶材低，而且木纤维与针叶材的管胞相比又细又短，两端尖锐。在横切面上，它位于导管和条状的木射线之间，呈现出四角形或多角形的不规则的细胞腔和较厚的细胞壁。一般将阔叶材的木纤维分为三类：纹孔较大的而且布满整个细胞的叫管胞，纹孔较小但较少的叫纤维细胞，纹孔不明显或没有或有横节纹而且稀少的叫韧性木纤维。大多数阔叶材只有后两种，而桉木等少数阔叶材则三种都有。

木射线细胞全部为薄壁细胞。在横切面上呈现条状，弦切面上呈现多列或双列排成纺锤状的、少数为单列（如山杨）的圆孔。其含量较针叶材的木射线多些，形状不太规则。

木薄壁细胞沿树轴纵向生长。不规则的分布于木纤维中，有的分布在年轮末端，有的在木纤维中排列成同心圆状，有的分布于导管四周。

（三）禾本类植物茎秆的生物结构

一般来说，禾草类植物用于造纸的主要部位是茎秆。各种禾本科植物茎秆的生物结构的共同特点是，它们都主要由维管束组织、薄壁组织及表皮组织所组成。还有一些禾本科植物茎秆（如芦苇）具有纤维组织带。图1-12为芦苇茎秆横切面，图1-13为芦苇秆部维管束横切面，图1-14为稻草茎的横切面，图1-15为小麦茎的横切面。

图1-12 芦苇茎秆横切面（SEM×25）(www.xing528.com)

1—外表皮膜及表皮细胞 2—维管束 3—薄壁细胞 4—内表皮膜 5—纤维组织带 6—导管 A—横切面 B—弦切面

图1-13 芦苇秆部维管束横切面（SEM×84）

1—纤维 2—导管 3—筛管 4—薄壁细胞

图1-14 稻草茎的横切面

图1-15 小麦茎的横切面

表皮组织由表皮膜、表皮细胞、硅质细胞、栓质细胞等组成。它们是茎秆的最外一层细胞。

薄壁组织由薄壁细胞组成，所占比例较大，主要生长在维管束周围及表皮组织与纤维组织带之间。在维管束周围的薄壁细胞，腔较大，数量较多；而在表皮组织与纤维组织带之间的薄壁细胞，细胞腔较小，数量也较少。薄壁组织的邻角区（三个细胞交界的部分）有明显的空隙。

由图1-13可见，维管束组织由导管、筛管和纤维细胞组成。在横切面上呈“花朵”状，或者说呈“面目”状。纤维在最外一层，形成环状的维管束鞘；导管和筛管被“鞘”围在里面，靠近茎髓的导管在茎秆成熟时，多被挤坏，形成一个明显的孔腔。维管束的形态和排列方式随品种而异。

纤维组织带是由靠近外表皮的一圈纤维细胞连接而成，其中嵌有较小的维管束。

造纸用的纤维细胞多数存在于纤维组织带中，少部分存在于维管束中。

（四）竹子茎秆的生物结构

图1-16为毛竹横切面，图1-17为淡竹（花竹）横切面。从图中可以看出，竹子茎秆的生物结构与禾草类基本相同。两者之间的主要差别如下：

① 竹的纤维细胞含量占60%～70%，高于禾草类而低于针叶木。竹纤维细长，两端尖锐，呈纺锤状。

图1-16 毛竹横切面×80

图1-17 淡竹（花竹）横切面LM×80

② 竹子茎秆表皮组织紧密，表皮细胞多呈长方形，细胞边缘整齐，无锯齿状细胞，这可以作为鉴别竹浆和大多数草浆的依据。

③ 目前用于造纸的竹纤维全部生长在维管束中。维管束的大小、形状及数量随竹的品种和部位而异，据此可鉴别竹种。

（五）麻类植物茎秆的生物结构

麻类属韧皮纤维。造纸常用的有大麻、亚麻、红麻及黄麻等，其生物结构大同小异。茎秆主要由韧皮部和木质部组成。图1-18示出了大麻茎秆的横切面。麻类茎秆从外向内依次可分为表皮组织、厚角细胞组织、薄壁细胞组织、韧皮部、形成层、木质部和髓。

图1-18 大麻茎秆横切面

1—木质部 2—韧皮部

细而长的纤维存在于韧皮部，是造纸的优质原料。较短的纤维存在于木质部，类似于阔叶材的木纤维，也可以用于造纸。从横切面上能看到韧皮部中有几个纤维群体组成一些“径向行”。有的品种（如红麻）皮部组织比较厚，在一个“径向行”中，纤维群体可达5～6个，使皮部的比例高达25%～30%。而有些品种（如亚麻和大麻）每一“径向行”的纤维群体较少，皮部较薄，仅占15%～20%的比例。

麻类植物木质部的横切面近似阔叶材的散孔材，导管散布在纤维细胞和射线细胞之间。射线细胞一般呈双行排列，从髓心延伸到皮部。靠近髓心的纤维细胞壁较薄，而向外逐渐加厚，形成环状结构。一般来说，在麻类植物的木质部中，薄壁细胞含量较高，可达30%～40%（体积比），超过了阔叶材的杂细胞含量。

（六）叶纤维的生物结构

造纸常用的叶纤维主要是龙须草、西班牙草和剑麻等植物的叶部纤维。图1-19示出了龙须草叶部的横切面。从图中可见：龙须草叶部的外表皮有一层透明膜状组织，向内为锯齿状表皮细胞、栓质细胞及气孔器交错排列，再向内侧则有维管束和薄壁细胞。两个大的维管束之间常夹有1～4个小的维管束。大维管束的外围有一层含有内容物的杆状石细胞，内部为纤维细胞和导管。维管束的端部有一群厚壁的纤维细胞群体与外表皮层相连接。该厚壁纤维占纤维总数的40%～50%。

图1-19 龙须草叶部横切面×100

（七）棉花及棉秆的组织结构

棉花纤维有两种：长纤维又称棉绒纤维，是通过轧棉机处理种子而分离的。棉绒的长度一般为12～23mm。棉纤维绒毛，即棉短绒，仍附着在种子上，可通过进一步处理与种子分离而得到。棉短绒的纤维长度约为棉绒的1/5，约为2～12mm。棉纤维无胞间层，细胞壁很厚，胞腔小，纤维两端较中部略小，上端略尖，下端略圆，但都较“钝”。纤维壁上无横节纹和纹孔。造纸用的棉花纤维多为纺织品废料及棉短绒。

图1-20及图1-21示出了棉秆的横切面及棉秆半木质化部分的构造。其生物结构及纤维形态与软阔叶材（如杨木）相近。皮部为韧皮纤维，约占26%；木质部约占66%；髓部约占8%。随产地不同各部分的比例略有不同。

注：本节部分照片由中国制浆造纸研究院王菊华高工提供，在此表示感谢。

图1-20 棉秆的横切面

1—髓心 2—木质部 3—皮部

图1-21 棉秆半木质化部分的构造