柚木材中黑线成分和无黑线成分对比分析
作者: 林锦玲 陈鸿 李凯夫
摘 要:以中国林业科学研究院热带林业研究所在海南省乐东黎族自治县尖峰岭培育成材的柚木种源3071试验林为研究对象,采用气相色谱-质谱联用法对比分析了柚木种源3071中具有特殊黑线纹理和无黑线纹理部分抽提物的化学成分,采用元素分析法对种源3071中具有黑线成分的柚木与普通柚木部分进行碳、氢、氮、硫元素分析。结果表明,两者抽提物所含物质有很大差异,两者的碳、氢、氮、硫元素含量也有显著差异。
关键词:柚木;黑线;化学成分
中图分类号:S792.99 文献标志码:B 文章编号:1674-7909(2024)23-129-4
DOI:10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.23.027
0 引言
柚木(Tectona grandis L.f.)因其纹理美观、色泽柔和、富有弹性、尺寸稳定、耐磨耐腐等独特性质,深受人们喜爱,被广泛应用于装饰领域,成为一种珍贵的用材树种[1-2]。
柚木因种源的不同,会呈现出显著的颜色差异,其市场价格也差别很大,其中具有“黑线纹理”的柚木被视为珍品[3]。1966年BRYCE[4]研究发现,与天然林相比,人工柚木林木材的颜色偏白。目前,国内外对木材特殊纹理的研究基本集中在日本柳杉[5-6],对柚木中黑线纹理的研究较少,只有LUKMANDARU等[7]对柚木黑线纹理中的黑线成分做了色彩和化学成分的分析。
本研究选取的柚木种源3071具有丰富的黑线,采用气相色谱-质谱联用法(GC-MS)对比分析了柚木种源3071中具有特殊黑线纹理和无黑线纹理部分抽提物的化学成分,采用元素分析法对种源3071中具有黑线成分的柚木与普通柚木部分进行碳、氢、氮、硫元素分析。该基础性研究对科学合理地利用柚木及增加柚木附加值具有重要意义。
1 试验材料与试验方法
1.1 试验材料
试验所用的柚木木材采集于海南省乐东黎族自治县尖峰岭,为中国林业科学研究院热带林业研究所试验站所培育;柚木种源3071,由丹麦林木种子中心提供。将样木伐倒后,从根部开始到树干1.3 m处取2个10 cm厚的圆盘,至3.6 m处取1个10 cm厚的圆盘,然后每隔2 m取1个10 cm厚的圆盘,到树干7.6 m处结束取样。
1.2 试验设备
试验设备包括:6890N-5975C型气相色谱-质谱联用仪,美国安捷伦公司;Vario EL型元素分析仪,德国Elementar公司;BPS-250CL型恒温恒湿箱,广东一恒集团广东分公司;XS225A-SCS型电子分析天平,瑞士普利赛斯上海公司;XFB-400型中药粉碎机,湖南中诚制药机械厂;AS200型筛分仪,美国Retsch公司;MJ-90型推台锯,威海鼎兴木工机械有限公司;超声波萃取仪。
1.3 试验方法
将种源3071的柚木木材样品自然干燥,用雕刻刀将心材中有黑线和无黑线的部分挑出10 g,分成2组,将其粉碎过孔径0.425 mm筛。将过筛的样品置于温度为50 ℃、功率为400 W的超声波萃取仪中提取50 min,然后将抽提溶液转出定容到80 mL,以备GC-MS分析。将其他木粉放置在温度20 ℃、相对湿度65%的环境下储存,以备碳、氢、氮、硫元素化学成分分析。
1.3.1 GC-MS分析
精确称取种源3071柚木木材抽提物,加入10 ng甲苯内标物,然后用甲醇溶解定容至5 mL,得到GC-MS检测试样。
试验采用安捷伦公司生产的DB-5MS毛细管石英色谱柱,柱长30 m,内径0.25 mm,膜厚0.25 μm。
DB-5MS柱色谱分析条件:进样口温度290 ℃,脉冲不分流进样,进样量1 μL,载气He,柱流量1.4 mL/min,GC-MS接口温度300 ℃,柱温箱升温程序见表1。质谱分析条件:电离源EI,电子能量70 eV,离子源温度230 ℃,四级杆温度150 ℃,扫描范围30~500 amu。
通过Aglient MDS化学工作站数据处理系统,采用面积归一法进行定量分析,分别分析得出各化学成分在抽提物中的相对百分含量。抽提物化学成分的定性通过Aglient MSD化学工作站检索NIST08标准质谱图库,并结合相关文献进行人工谱图解析复合,以确认所测柚木木材样品抽提物的各化学成分。
1.3.2 Vario EL元素分析
采用Vario EL元素分析仪对种源3071柚木木材有黑线和无黑线部分进行碳、氢、氮、硫元素分析,试验6次。碳、氢、氮、硫元素的分析条件见表2。
1.3.3 分析方法
采用SPSS软件对碳、氢、氮、硫元素含量进行分析。
2 结果与分析
2.1 GC-MS分析
如图1所示,根据种源3071柚木木材无黑线部分甲醇抽提物总离子流情况,共检出5种化合物。5种化合物的相对百分含量范围为4.65%~54.42%,其含量由高到低依次为:2-甲基蒽醌(54.42%);4-氨基-8-甲氧基苯并[g]-1,5-萘啶(19.62%);氧化N-2-(2,5-二甲基苯基)-亚丙氨环己烷(14.84%);10,10-二甲基-10H-苯酚氧杂硅(6.48%);5(α)-4,5-环氧基-17-甲基-吗啡(烷)-3,4二醇(4.65%)。
如图2所示,根据种源3071柚木木材有黑线部分甲醇抽提物总离子流情况,共检出10种化合物。10种化合物的相对百分含量范围为0.78%~70.17%,其含量由高到低依次为:2-甲基蒽醌(70.17%);反式角鲨烯(11.26%);6,7-二氢-2-异丙胺-8-甲氧基咪唑并[1,2-a][1,3,5]三氮杂苯-4(8H)-酮(7.83%);2-吗啉-4,5,6-2H-苯并噻唑-7-酮(2.67%);(3,3-二乙基脲)硫酸五氟(2.43%);5-(1,1-二甲基)-[1,1'-二联苯]-2-醇(2.25%);十四甲基环庚硅氧烷(0.83%);N-甲基辛胺(0.78%)。
2.2 元素分析
种源3071柚木心材中有黑线部分和无黑线部分的碳、氢、氮、硫元素分析结果见表3。由表3可知,有黑线部分的碳、氮、硫元素含量比无黑线部分的高,而氢元素含量相对较低,硫元素含量的变异系数较大。
对有黑线部分和无黑线部分的碳、氢、氮、硫元素含量进行方差分析,结果见表4。由表4可知,有黑线部分与无黑线部分中的氢元素含量的显著因子均小于0.01,表明有黑线部分与无黑线部分中氢元素的含量差异较为显著;碳、氮元素含量的显著因子均小于0.05,表明具黑线部分与无黑线部分中碳和氮元素的含量差异显著;硫元素含量的显著因子大于0.05,表明有黑线部分与无黑线部分中硫元素的含量差异不显著。有黑线部分的碳元素含量较比无黑线部分的高,氢元素含量较低。碳元素和氢元素含量的差异主要取决于纤维素、半纤维素、木质素和各种抽出物的化学成分及其比例。有黑线部分的氮元素含量比无黑线部分的高。氮元素含量的差异取决于薄壁细胞中蛋白质的化学成分及其比例,氮元素的含量极少。有黑线部分和无黑线部分的硫元素含量数据不稳定,原因为德国Elementar生产的Vario EL元素分析仪在硫元素的测定中存在一定的误差[8]。
3 结论与讨论
种源3071柚木木材具有黑色条纹,表面纹理美观,其装饰性佳。研究采用气相色谱-质谱联用法对比分析了种源3071柚木木材中具有特殊黑线纹理和无黑线纹理部分抽提物的化学成分,在无黑线部分共检出5种化合物,在有黑线部分共检出10种化合物,两者抽提物所含物质有很大差异,其中只有1种相同的化合物,即2-甲基蒽醌,该化合物含量在无黑线柚木甲醇抽提物中占54.42%,在有黑线柚木甲醇抽提物中占70.17%。
对种源3071柚木中有黑线部分和无黑线部分进行碳、氢、氮、硫元素分析,有黑线部分的碳元素和氮元素含量比无黑线部分的高,氢元素含量较低,而硫元素含量数据不稳定。碳元素和氢元素含量的差异主要取决于纤维素、半纤维素、木质素和各种抽出物的化学成分及其比例。有黑线部分的氮元素含量比无黑线部分的高,氮元素含量的差异取决于薄壁细胞里的蛋白质的化学成分及其比例。
参考文献:
[1]梁坤南,周再知,马华明,等.我国珍贵树种柚木人工林发展现状、对策与展望[J].福建林业科技,2011,38(4):173-178.
[2]邝炳朝,梁坤南,潘一峰.柚木材性的种源与家系选择[C]//中国林学会林木遗传育种分会,广西壮族自治区林学会.面向21世纪的中国林木遗传育种:中国林学会林木遗传育种第四届年会文集.中国林业科学研究院热带林业研究所,1997.
[3]邝炳朝,郑淑珍.我国柚木的遗传改良[J].林业科学研究,1991(2):139-146.
[4]BRYCE J M.Mechanical properties of Tanzania grown teak (Tectona grandis L.)[J].Tanzania Forest Division,1966,34:1-5.
[5]CHANG S T,WANG S Y,CHENG S S. Environmental effects on the color of sugi(Cryptomeria japonica D. Don) heartwood[J]. Journal of Wood Science,2000,46:390-394.
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[7]LUKMANDARU G,ASHITANI T,TAKA- HASHI K.Color and chemical characterization of partially black-streaked heart-wood in teak (Tectona- grandis) [J].Journal of Forestry Research,2009,20(4):377-380.
[8]应卫.VarioEL元素分析仪测定含硫配合物的改进方案及应用[J].实验室科学, 2011,14(1):164-167.