《Mining》：Comprehensive Chemical, Structural, and Thermochemical Characterization of the Native Mexican Bamboo Guadua aculeata
编辑推荐：
尽管墨西哥原生竹Guadua aculeata Rupr. ex E. Fourn（G. aculeata）具有较高的生物质生产力和结构潜力，但其不同解剖区域的理化性质在很大程度上仍未被探索。本研究对G. aculeata的秆（culm）、枝（branch）和
尽管墨西哥原生竹Guadua aculeata Rupr. ex E. Fourn（G. aculeata）具有较高的生物质生产力和结构潜力，但其不同解剖区域的理化性质在很大程度上仍未被探索。本研究对G. aculeata的秆（culm）、枝（branch）和叶（leaf）组分进行了全面的化学、结构、形态和热化学表征。成分分析揭示了显著的大分子分化：纤维素和木质素含量从叶（分别为39.5%和9.4%）到结构性的枝（45.0%和20.6%）和秆（46.1%和20.1%）组织显著增加，而半纤维素在叶中最高（25.8%，对比枝和秆中的21.5%–21.9%）。由此得出的秆（约2.3）和枝（约2.2）中纤维素与木质素的比值反映了平衡的木质纤维素基质，适用于结构型生物复合材料与生物精炼应用。元素分析显示各组分中碳（42.8%–43.7%）和氢（5.3%–5.4%）含量均匀一致，而电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）确定叶是主要的矿物质储库，在总无机灰分含量为9.48%的情况下积累了7.72%的硅（对比秆中4.25%的硅）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）表明，在秆和枝中1230 cm?1处的谱带（紫丁香基和愈创木基单元中的C–O伸缩振动）比叶中更强且更清晰，证实了其较高的木质化程度。X射线衍射（XRD）证实了天然纤维素-I多晶型的优势，结晶度指数从秆（41.9%）到枝（35.1%）和叶（25.3%）依次降低。扫描电子显微镜（SEM）揭示了秆中厚壁的厚壁组织纤维鞘和致密薄壁组织，与枝中多孔输导组织和叶中富含硅的气孔表皮形成对比。最后，在惰性和氧化气氛下的热重分析（TGA/DTG）表明，秆较高的结晶度和致密的木质化微观结构与其优异的热稳定性（约330 °C）相关，而叶组织因其较高的无定形碳水化合物和催化性钾（0.901%）含量而较早降解，为G. aculeata的分部位特异性增值建立了科学基线。
木质纤维素生物质因其可再生性和碳中性特征，被视为可持续能源和生物基材料的关键原料。在众多木质纤维素资源中，竹子因生长速度快、强度高和固碳能力强而备受关注。然而，目前关于竹类物理化学性质的数据库主要来自亚洲竹种，而新热带物种如墨西哥原生竹Guadua aculeata Rupr. ex E. Fourn（G. aculeata）的相关数据仍然缺乏。尽管G. aculeata具有优良的物理力学性能，并在墨西哥乡村地区具有广泛的社会经济用途，但其不同解剖部位（秆、枝、叶）的化学、结构和热化学性质尚未被系统研究。因此，开展这项研究旨在填补这一认知空白，为其结构复合材料、生物能源和碳材料应用提供科学依据。
研究人员采用多学科分析方法，对G. aculeata的秆、枝、叶进行了全面的化学组分、元素组成、官能团、结晶度、微观形貌和热解/氧化行为表征，并建立了各参数间的结构-性能关系。研究首次报道了该物种分部位的理论化学基线，表明秆具有高结晶度和高热稳定性，叶是潜在的硅资源库，为该物种的差异化利用提供了科学基础。
样本采集自墨西哥Puebla州INIFAP“Las Margaritas”实验站（Hueytamalco, Puebla, Mexico），选取9株4–5年生成熟个体，随机分为3批；分别取秆的节间10–15及其对应节上的枝和叶。样品经清洁、风干、60 ℃烘干至恒重、粉碎过筛后用于分析。化学组成按ASTM D1105-21和NREL方案测定乙醇抽出物、Klason木质素、酸溶木质素、综纤维素（holocellulose）和α-纤维素，半纤维素由综纤维素与α-纤维素差值计算；C/H/N/S/O用元素分析仪测定，无机元素使用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定；结构表征采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）；热稳定性通过热重分析/微分热重分析（TGA/DTG）在氮气和空气气氛下评估。数据采用单因素方差分析和Tukey多重比较（p<0.05）进行统计。
3.1 G. aculeata各解剖部位的化学成分
通过化学组分和元素分析发现，纤维素和木质素含量从叶到枝和秆显著增加：叶中分别为39.5%和9.4%，枝中45.0%和20.6%，秆中46.1%和20.1%；而半纤维素在叶中最高（25.8%，对比枝中的21.5%和秆中的21.9%）。秆和枝的纤维素/木质素比分别约为2.3和2.2，表明其木质纤维素基质平衡。元素分析显示各组分C含量为42.8%–43.7%，H含量为5.3%–5.4%，均匀一致，且N、S含量较低。ICP-OES结果确定叶是主要的矿物储库，其中Si含量为7.72%，总无机灰分为9.48%，而秆中Si含量为4.25%；K在叶中为0.901%，在秆中为0.25%。
3.2 FTIR光谱分析
FTIR光谱显示所有组分在3400 cm
?1（O–H伸缩）、2920 cm
?1（C–H）和1730 cm
?1（C=O）附近具有木质纤维素典型吸收带。秆和枝在1230 cm
?1（紫丁香基和愈创木基单元中的C–O伸缩）处表现出比叶更强且更清晰的谱带，证实其木质化程度更高；叶在1640 cm
?1附近的明显谱带可能来自吸附水的O–H弯曲振动及蛋白质、酚类化合物中的C=C伸缩。
3.3 XRD分析
XRD图谱显示所有解剖部位均以天然纤维素-I多晶型为主，在2θ≈16°和22°处有特征衍射峰。采用Segal法计算结晶度指数（CrI），结果为秆（41.9%）>枝（35.1%）>叶（25.3%），与化学组成测定结果一致，表明秆含有更高比例的结晶纤维素。
3.4 G. aculeata的微观结构形貌
SEM观察显示，秆的横截面上有厚壁的厚壁组织纤维鞘包裹的导管，纵切面中薄壁细胞呈致密砖墙状排列，细胞壁表面存在纹孔（micropores）；枝的薄壁细胞壁上具有大量纹孔，形成有利于输导的多孔结构；叶表皮具有平行脊、沟和硅质结构，气孔复合体呈椭圆形并沿纵向排列，表面有蜡质突起。
3.5 G. aculeata的热分解行为
TGA/DTG分析表明，在惰性气氛下，秆和枝的最大失重峰约为330 ℃，叶约为320 ℃；叶因含较多的无定形碳水化合物和催化性钾（0.901%）而降解较早，最终残渣量叶（约22%）高于枝和秆（约11%）。在氧化气氛下，峰温顺序为叶<枝<秆。这些结果与结晶度、化学组成和微观结构相互印证。
综合各表征结果，G. aculeata的秆因其较高的纤维素含量、纤维素/木质素比（约2.3）和结晶度指数（41.9%），以及致密的厚壁纤维鞘和薄壁组织微观结构，表现出最佳的热稳定性（约330 ℃）。相比之下，叶含有较高的半纤维素、无定形碳水化合物和催化性钾，降解温度较低，但其高硅含量使其成为硅吸收和灰分回收的潜在原料。低氮、低硫含量则有利于减少热化学转化过程中的NOx和SOx排放。这些结果说明化学组成、结晶度、微观形貌和热行为之间存在紧密关联。
该研究对G. aculeata的主要解剖部位进行了化学、结构和热化学表征，结果表明秆具有高度特化的层级组织，高结晶度指数和高纤维素/木质素比是其优异热稳定性的原因；SEM进一步揭示了秆的致密低孔隙结构在热解和氧化降解过程中提供了稳健的木质纤维素骨架。叶是硅的重要储库，表明其地上生物量可在生物炭生产或富硅灰分回收中应用。尽管单一升温速率TGA仅能识别脱挥发分阶段和抗热解指标，但这些结果与材料组成、结晶度和形貌一致。该研究为开发可持续的本地生物制品和先进生物能源系统奠定了科学基础，有助于将这种墨西哥原生竹纳入循环生物经济框架。
