近红外反射法在分析桉木中纤维素含量的应用研究

　Development of near infrared reflectance analysis for cellulose content in Eucalyptus

Abstract: Determining kraft pulp yield in the traditional way is slow and expensive, limiting the numbers of samples that may be processed. In order to solve the disadvantage of traditional test menthod, a new method of near infrared reflectance (NIR) was proposed in this paper.The feasibility and efficiency of predicting cellulose content using NIR analysis was examined for Eucalyptus globulus Labill. Calibrations for NIR prediction of cellulose content indicated that NIR analysis could be used as a reliable predictor. Standard errors of calibration were 1% or lower, and there was excellent agreement between laboratory and predicted cellulose values.
Keywords: Near infrared reflectance (NIR), Cellulose content , Eucalyptus

前言
桉木主要种植于全球气候温和的地区，通过硫酸盐法制浆后用于醋酸纤维、粘胶纤维的制造。木材的性质直接关系到木浆企业的利润及最终产品的价值。有研究者研究了木材性质和硫酸盐法制浆利润之间的关系，并确认基础密度和浆粕得率为主要变量[1-3]。
传统的硫酸盐法制浆得率的测试方法如下：首先将木材切片于高温高压下在碱液中蒸煮以去除木质素及叶纤维（含纤维素及半纤维素），并松散组织；然后加工成具有特定卡帕数的木浆粕。通过上述方法算出浆粕得率及每个木材样品所需的化学品消耗量，这些信息和制浆过程的经济性直接有关。这种传统方法的测试效率低、测试费用高。


为评估木材的质量或者遗传因素对木材质量的影响，必须要测试大量的样品以获得足够的数据。传统的测试方法不可能提供大量的试验数据。因此有必要研究一种新的分析方法，如木材中纤维素的含量。有研究表明维素含量和浆粕得率之间有明显的关联。南非产的桉木制浆得率和纤维素含量有83%相关性，Dillner等人[4]971年报道了相似的关联性。
纤维素含量测定可采用不同的方法，但是测试精度各有不同。如Garbutt[5]于1989年采用过氧化醋酸的方法、Pereira[6]于1988年开发的硝酸—醋酸法、及Seifert[7]于1960年提出的二氧杂环乙烷—乙酰丙酮—盐酸法。Wallis[8]于1997年对上述方法作了综合性比较，结果发现杂质的含量随测试方法不同而异。不同的测试方法对样品回流的时间要求从25分钟到3小时不等，从而限制了可处理的样品数量。此外，测试使用的溶剂毒性也不尽相同。Wallis认为，采用Seifert提出的方法制备所得的纤维素纯度最高，然而该法蒸煮木材所需的混合溶剂（二氧杂环乙烷—乙酰丙酮—盐酸）存在一些问题，如乙酰丙酮反应活性很高、二氧杂环乙烷的毒性强等。
尽管上述方法增加了可测试样品的数量，但它仍依赖于化学方法，所以测试用的时间较长、成本较高。如果采用近红外反射法（NIR）等直接测试纤维素含量的方法就可大大增加测试样品的数量，提高测试效率。
木材的近红外谱图上的谱带随着化合物中化学键的振动而增加，谱带的强度取决于振动过程中化学键的偶极矩变化，即谱带的极性强弱。谱带反射的变化即表明木材中的化学物质不同。近红外区间的谱图由谐波及—NH、—OH、—CH等官能基团的拉伸振动谱带组成。近红外谱图中最有用的区间为1200—2500nm。对于波长低于1200nm的区域而言，吸收谱带太弱给测量带来困难；当波长高于2500nm时，吸收谱带又太强。每组木材样品的光谱都很复杂，包含很多重叠的宽谱带。重叠的程度及谱带的复杂性几乎使近红外反射法谱图无法解释，直到计算机分析软件的出现才解决这个问题。从各波长计算的吸收谱带数据，配合使用多变量的统计方法已经能解释木材的近红外光谱谱图。
近红外分析法必须采用一组已知纤维素含量的样品作一标准曲线，所有的测试样品都是基于近红外谱图和标准曲线来预测纤维素的含量。近红外技术还要求用来作标准曲线的测试点包含待测样品所有的变量。
本文研究的目的在于开发和评价应用近红外方法预测桉木中纤维素含量的标准曲线，通过测试纤维素含量来筛选样品；收集每个样品的近红外谱图、建立标准曲线，并采用已知样品来验证标准曲线的有效性。

1实验材料和方法
1.1 样品
本文选用的木材样品来源于三个广西、广东、海南三个不同地域。共对三个地域共15个地点、每个地点随机选5根树木在每边取样，两个取样点的高度差为1.1m。其中，120个样品用作标准曲线的测定，30个样品用作预测。

1.2 纤维素含量的测试
首先将样品切成片状，然后用ESSA 200mm的盘式粉碎机粉碎，最后用1.0mm的筛子筛选1分钟。纤维素含量采用二甘醇二甲醚方法测定。将1g烘干的木料和10ml二甘醇二甲醚以及2ml 10M的盐酸一起加入到50ml的反应瓶中，瓶子用铁氟龙材质的盖子密封，在90℃的水浴中震荡1小时。残留物通过恒重的坩埚用抽滤法收集，并用50ml甲醇和250ml蒸馏水连续洗涤。洗涤完成后，将坩埚在在105℃条件下烘干过夜，冷却后称重。残留物重量除以烘干的木料重量即纤维素含量。

1.3 近红外标准曲线
每个样品内再取两个小样品，采用漫反射近红外扫描红外谱图（NIRSytem Inc. model 5000）。仪器采用陶瓷标准块作为参照。在1100—2500nm范围内，每隔2nm扫描一次。每个样品总共扫描50次，然后取平均值。采用仪器自带的NSAS软件处理数据。
所有的标准曲线用NSAS软件（3.52版本）处理并采用4水平10因子PLS分析。将标准曲线随机分割成四等分，将其中一个部分剔除，剩余的部分采用不同因子数完成PLS标准曲线。然后采用剔除的那个部分的数据来验证标准曲线的准确性。本过程重复四次至所有样品均被测试并检验。
最终检验的因子数量很重要，如选用过多的因子数，则不会准确拟合数据且提供的标准曲线只能适用于拟合该曲线的初始数据。如果因子数太少，则不能充分描述数据的变化。本文使用均方误差来确定最佳因子数，当均方误差达到最小值且保持稳定即表明因子数最佳，每次校验从PLS回归会产生关联系数R值。
在本文中，标准曲线和数据的拟合程度用标准差SEC来表示：



其中 是采用标准曲线计算的纤维素含量； 是纤维素的已知含量；NC是作标准曲线的样品数，k是检验因子数。
对于未知纤维素含量的样品，采用预测值标准差（SEP）来表示：




其中 是样品i通过标准曲线预测的纤维素含量； 是样品i已知的纤维素含量；NP是预测样品数量。

2 结果与讨论
2.1 不同地域桉木中纤维素含量的测试
采用传统方法对每个地域各40组样品进行纤维素含量测试，统计结果如表1所示。表1中测定的纤维素含量数据重复性很好，平均标准偏差小于0.35；广西、广东、海南三个不同的地域取样的分析结果存在明显差异。

Table 1. Descriptive statistics for laboratory cellulose contents of the 40 samples used to develop NIR calibrations for each site.


2.2 纤维素含量的预测
在每个地域取40个样品的基础上，本文作了标准曲线并进行了纤维素含量的预测，如表2所示。每个地域样品所作的标准曲线都很好，相关系数R在0.82到0.94之间， SEC在0.7到1.07之间，SEP在0.78到1.03之间。地域交叉拟合的标准曲线也不错，R值为0.88，SEC、SEP都小于1。

Table 2. NIR calibration statistics for E. globulus cellulose calibrations.



本文采用上述标准曲线预测另外10个样品的纤维素含量，并称之为“盲测”。10个样品采用近红外方法预测值和实测值的关联如图1所示。图1中的回归方程体现出预测值和实测值之间有较好的相关性，R2在0.82到0.95范围内。所以，我们认为采用近红外分析是预测纤维素含量的一种可靠性的方法。


Fig. 1. Relationship between laboratory and NIR-predicted cellulose content for 10 samples from each site used in a blind test of the calibrations.（a）Guangxi; (b)Guangdong; (c)Hainan


3、结论
近红外分析为预测纤维素含量提供了很好的标准曲线。标准曲线和预测值之间的标准差基本上小于1%，表明从近红外谱图预测纤维素含量是一种可靠的方法。
传统的硫酸盐法制浆得率的测定方法操作效率低且费用高，而且需要特殊的设备。相比较而言，本文开发的近红外分析法测试费用低，且效率高。该设备已经商业化生产且价格合理，采用标准曲线测定的结果和浆粕得率、纤维素含量具有很好的相关性。本文开发的近红外反射法测定桉木中纤维素含量的方法具有在制浆行业中推广的可行性。


参考文献
[1] Wallis, A.F.A., Wearne, R.H., and Wright, P.J. 1996b. Analyticalcharacteristics of plantation eucalypt woods relating to kraft pulp yields. APPITA J. 49: 427–432.
[2]Borralho, N.M.G., Cotterill, P.P., and Kanowski, P.L. 1993.Breeding objectives for pulp production of Eucalyptus globulusunder different industrial cost structures. Can. J. For. Res. 23:648–656.
[3] Dean, G.H., French, J., and Maddern, K.N. 1990. Breeding eucalypts for manufacture of pulp and paper. In Proceedings 23rd Forest Products Research Conference, Nov. 1990, Clayton, Victoria, Australia. Division of Forestry and Forest Products, Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, Clayton, Victoria. Vol. 2. No. 5/2.
[4]Dillner, B., Ljunger, A., Herud, O.A., and Thune-Larsen, E. 1971.The breeding of Eucalyptus globulus on the basis of wood density,chemical composition and growth rate. Timber Bull. Eur.23: 120–151.
[5]Garbutt, D.C.F. 1989. The analysis of cellulose in wood using ahydrogen peroxide, acetic acid delignifying reagent moderatedby sodium perborate. Pap. S. Afr. 9: 27–30.
[6]Pereira, H. 1988. Variability in the chemical composition of plantationeucalypts (Eucalyptus globulus Labill.). Wood Fiber Sci.20: 82–90.
[7]Seifert, K. 1960. Zur frage der Cellulose-Schnellbestimmung nachder Acetylaceton-Methode. Papier, 14: 104–106.
[8]Wallis, A.F.A., Wearne, R.H., and Wright, P.J. 1997. New approachesto rapid analysis of cellulose in wood. In Proceedings of the International Symposium on Wood and Pulping Chemistry,June 1997, Montréal, Que. Canadian Pulp and Paper Association,Montréal, Que. Vol. 1. pp. 1–4.