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第二章 植物纤维化学成分
第一节 植物纤维原料的化学组成
同学们好 在上一章中
我们学习了植物组织学的相关内容
重点学习了植物纤维的宏观构造
显微构造与超微结构
在宏观与显微构造的学习中
我们了解了植物解剖学的基本概念
以及纤维的主要细胞类型
将显微构造进一步放大
我们学习了细胞壁具有分层特征的超微结构
以及微细纤维的冯格尔模型
通过对这些内容的学习
我相信同学们已经对纤维的生物结构和细胞形态
有了初步的认识
从这一章开始，我们将进入化学部分的学习
植物纤维原料的化学组成
实际上是对纤维超微结构的进一步放大及延伸
纤维组分的含量与化学结构
是综合利用原料、制订生产工艺与条件的基本依据
它对高效、合理利用植物资源有着重要的意义
与产品的产量和质量有着密切关系
一 元素组成
植物纤维原料主要由
纤维素、半纤维素和木质素等多种有机物组成
这些有机物的结构与性质不同
但其元素组成相差很小
都包括碳、氢、氧、氮4种元素
根据木材的元素分析结果表明
各种不同品种的木材平均约含碳50%
含氢6.4%、含氧42.6%、含氮1%
二 化学组成
木材或是非木材纤维原料中的化学组分包括
主要组分及少量组分
主要化学组分为纤维素、半纤维素和木质素
三者的总和约占细胞壁总质量的80~95%
此外，还含有其他少量组分
如抽提物、果胶质和无机物灰分等
1 纤维素
纤维素作为细胞壁的骨架物质
具有四个特点
首先，纤维素是不溶于水的均一聚糖
其次，它是由D-葡萄糖基构成的链状高分子化合物
纤维素大分子中的D-葡萄糖基之间
按照纤维素二糖连接的方式相连
其化学结构如图所示
按照结构式，纤维素应命名为1,4-β-D-吡喃式失水聚葡萄糖
纤维素大分子之间以及纤维素分子内存在大量的氢键连接
纤维素具有特征的X-射线衍射图
对于聚合物分子，我们习惯上用聚合度DP来衡量分子大小
聚合度就是大分子链上所含重复单元数目的平均值
天然纤维素分子的聚合度DP均高于1000
例如木材的纤维素分子链长度约为5000nm
相应约含10000个葡萄糖基 即平均聚合度为10000
棉花纤维的聚合度高于木材 大约为15000
而禾本科植物的纤维素平均聚合度则偏低
纤维素是纸浆的主要化学组成
当木材经蒸煮和漂白制成化学浆时
纤维素会发生降解
纸浆中纤维素的聚合度只有1000左右
为了提高纸浆得率和成纸强度
化学制浆过程中应尽量使纤维素不受破坏
2 半纤维素
半纤维素是指除纤维素和果胶质外的植物细胞壁聚糖
对半纤维素我们要与纤维素对比来学习
首先从概念上与纤维素不同
半纤维素是由两种或两种以上单糖组成的不均一聚糖
大多带有支链
构成半纤维素线型聚糖主链的单糖主要是
木糖、甘露糖和葡萄糖
构成半纤维素短的支链糖基、糖醛酸基有
木糖、葡萄糖、阿拉伯糖、半乳糖、鼠李糖
葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸等
半纤维素的性质也与纤维素不同
主要包括以下4点
（1）半纤维素是无定形物质
作为填充物填充在纤维之间和微细纤维之间
而纤维素是具有结晶结构的
（2）聚合度较低 一般小于200
而纤维素聚合度很高
（3）在不同纤维原料中
半纤维素的组成和含量也不相同
（4）在同一种原料中 半纤维素结构也不尽相同
3 木素
木素是由苯丙烷结构单元
通过醚键和碳-碳键连接构成的具有三度空间结构的
复杂天然高分子聚合物
其具有三种基本结构单元，如图所示
分别是紫丁香基丙烷，即S型单元
愈创木基丙烷，即G型单元
和对羟苯基丙烷，H型单元
木素最大的特点在于其不均一性
表现在不同原料中木素含量及组成不同
比如针叶材中木素含量高，主要是G型结构单元
而阔叶材木素含量低于针叶材，主要是S型结构单元
其次，木素结构在同种原料不同部位的变化很大
比如芦苇的节和节间的木质素含量和结构均有明显不同
节比节间更致密，含有更多的对香豆酸和阿魏酸等酚酸
总之，木素不是单一物质
而是代表某一共同性质的一群物质
这张图是针叶木木素化学结构模型的片段
可以看到木素的结构非常复杂
主要含有G型结构单元
通过不同的醚键和碳碳键连接起来
三种主要组分中，纤维素是长的直链状
有结晶结构的聚糖作为骨架物质
半纤维素是带支链的多糖作为填充剂
而木素是三维空间结构的复杂的大分子结构作为粘合剂
将纤维素与半纤维素包裹在一起
三者在细胞壁中形成图中类似钢筋混泥土的稳定结构
针叶材、阔叶材和禾本科原料的主要化学组分含量如表所示
三种原料纤维素的含量差别不大
针叶材和阔叶材中纤维素含量约45%
禾本科植物略低，为42%
半纤维素与木素含量差别较大
禾本科原料中半纤维素含量高达40%
其次是阔叶材含量为34%
针叶材的半纤维素含量较低 为26%。
4 抽提物
抽提物虽然是植物纤维原料中的少量成分
但其包括多种不同的物质
这些抽提物因溶剂不同 溶出的程度也不同
我们可以根据抽提物分离时选择的溶剂的分类
把抽提物分为无机溶剂抽提物和有机溶剂抽提物
一般来说无机溶剂抽出物主要包括 水抽提物和稀碱抽提物
原料中的无机盐、糖、植物碱、单宁、色素
及树胶、粘液、淀粉、果胶等多糖类物质均能被水抽出
稀碱不仅可以溶出原料中被水溶出的物质
还可溶出部分木素、戊聚糖、树脂酸、糖醛酸等
有机溶剂抽提物是指纤维原料中
可溶于非极性有机溶剂的化合物
常用有机溶剂包括苯、乙醇、苯-乙醇混合液、乙醚、丙酮、石油醚等
其中较常采用的是苯乙醇溶剂
苯对树脂、蜡、脂肪及香精油的溶解能力很强
但不溶于水
而乙醇对脂肪、蜡的溶解能力差
但能与水混溶，可溶解单宁、色素，部分碳水化合物和微量木素
不同原料的有机溶剂抽提物存在差别
如表所示，同样使用苯乙醇作为溶剂时
针叶材的抽提物组成中主要为
松香酸、萜烯类化合物、脂肪酸和不皂化物
而阔叶材的主要为脂肪酸
禾本科原料的主要为脂肪、蜡、单宁、红粉及色素等
5 灰分
灰分是植物纤维原料燃烧和灰化后的剩余物质
它们在原料中是呈氧化物状态的矿物质元素
灰分的含量及其中各种元素的比例
会因原料种类、植株部位、年龄及生长环境而产生较大差异
下表为木材和非木材的灰分比较
从表中可以看出木材中的灰分主要为氧化钙、氧化钾和氧化镁
而非木材为二氧化硅
大多数木材原料的灰分含量都非常低
为0.3~0.5% 小于1%
而非木材原料的灰分通常较高 大于2%
多数在2%和5%之间
木材中灰分主要存在于果胶质中
而非木材的灰分主要存在于叶、梢、节及节间等部位
6 果胶质
果胶质是由半乳糖醛酸组成的多聚体
它是相邻细胞的粘结物质 也是细胞壁的组成成分
果胶的性质取决于支链糖基的特性
甲氧基含量多少以及聚合度高低
果胶主要存在于胞间层（M）和初生壁(P)
针叶材 阔叶材和禾本科植物中果胶质含量较少
韧皮纤维含果胶质较多
小结
这节课我们学习了植物纤维原料的化学组成
请同学们重点掌握纤维素、半纤维素和木素的概念
在后续的课程中
我们将对这些主要组分的理化性质进行更深入的探讨
下节课我们将学习与纤维素相关的概念
及化学组成对制浆造纸的影响
欢迎大家继续关注我们的课程
-绪论
--绪论
-讨论
-1.1 植物纤维原料形成与分类
-1.1 植物纤维原料形成与分类--作业
-1.2 木材的宏观结构
--木材的宏观结构
-1.2 木材的宏观结构
-1.3 针叶材与阔叶材的显微构造
-1.3 针叶材与阔叶材的显微构造--作业
-1.4 非木材原料的宏观与显微结构
-1.4 非木材原料的宏观与显微结构--作业
-1.5 纤维细胞壁超微结构
-1.5 纤维细胞壁超微结构--作业
-1.6 纤维形态学因素
-1.6 纤维形态学因素--作业
-讨论
-图文
-课程思政--中国文化自信案例1
--纸的故事（一）
-本章总结
-2.1 植物纤维原料的化学组成
-2.1 植物纤维原料的化学组成--作业
-2.2 与纤维素相关的概念及化学组成对制浆造纸的影响
-2.2 与纤维素相关的概念及化学组成对制浆造纸的影响--作业
-2.3 常用植物纤维原料的化学组成
-2.3 常用植物纤维原料的化学组成--作业
-讨论
-图文
-本章总结
-3.1水分存在形式
-3.1水分存在形式--作业
-3.2 水分对木材的影响
-3.2 水分对木材的影响--作业
-讨论
-图文
-课程思政——木材水分与干缩湿胀实例
-本章总结
-4.1木材提取物的定义、分类、结构和性质
-4.1木材提取物的定义、分类、结构和性质--作业
-4.2 芳香族化合物
-4.2 芳香族化合物--作业
-4.3 脂肪族化合物和无机物
-4.3 脂肪族化合物和无机物--作业
-4.4 提取物的分布、提取和分离
-4.4 提取物的分布、提取和分离--作业
-4.5 提取物对加工利用的影响
-4.5 提取物对加工利用的影响--作业
-讨论
-课程思政——提取物的高效利用实现绿水青山就是金山银山
--松脂采集
--松脂加工利用案例
-本章总结
-5.1糖化学基础
-5.1糖化学基础--作业
-5.2纤维素的存在、结构、性质
-5.2纤维素的存在、结构、性质--作业
-5.3纤维素物理结构
-5.3纤维素物理结构--作业
-5.4纤维素晶体结构
-5.4纤维素晶体结构--作业
-5.5纤维素结晶度及测定方法
-5.5纤维素结晶度及测定方法--作业
-5.6 纤维素润胀、溶解
-5.6 纤维素润胀、溶解--作业
-5.7 纤维素双电层及热解
-5.7 纤维素双电层及热解--作业
-5.8 纤维素酸水解和碱降解
-5.8 纤维素酸水解和碱降解--作业
-5.9 纤维素的氧化
-5.9 纤维素的氧化--作业
-5.10 纤维素酶降解
-5.10 纤维素酶降解--作业
-5.11纤维素酯化
-5.11纤维素酯化--作业
-5.12 纤维素醚化
-5.12 纤维素醚化--作业
-5.13纤维素接枝共聚与交联
-5.13纤维素接枝共聚与交联--作业
-5.14纤维素物理改性
-5.14纤维素物理改性--作业
-5.15细菌纤维素
-5.15细菌纤维素--作业
-讨论1
-讨论2
-图文
-拓展学习资料
--纸张结构
--纤维角质化定义
--纤维角质化机理
-课程思政--文化自信案例2（中国古名纸）
-课程思政——国家能源战略：生物质能源
-课程思政——文化自信案例3（纤维素与纺织）
-本章总结
-思维导图
-6.1半纤维素的命名、存在
-6.1半纤维素的命名、存在--作业
-6.2半纤维素提取
-6.2半纤维素提取--作业
-6.3半纤维素分离及糖基测定
-6.3半纤维素分离及糖基测定--作业
-6.4半纤维素的化学性质
-6.4半纤维素的化学性质--作业
-6.5半纤维素与纸张的关系
-6.5半纤维素与纸张的关系--作业
-6.6半纤维素利用
-6.6半纤维素利用--作业
-讨论
-图文
-拓展学习-功能性低聚糖
--功能性低聚糖
--常见功能性低聚糖
--木糖醇的食用
-本章总结
-7.1 绪论-木素的研究现状
-7.1 绪论-木素的研究现状
-7.2 木素的存在及其生物合成
-7.2 木素的存在及其生物合成--作业
-7.3 木素概念及化学结构
-7.3 木素概念及化学结构
-7.4 木素的分离
-7.4 木素的分离--作业
-7.5 木素碳水化合物复合体
-7.5 木素碳水化合物复合体
-7.6 木素化学结构的研究方法
-7.6 木素化学结构的研究方法
-7.7 木素的紫外及红外光谱
-7.7 木素的紫外及红外光谱
-7.8 木素的显色反应
-7.8 木素的显色反应
-7.9 木素化学结构与化学反应的关系
-7.9 木素化学结构与化学反应的关系
-7.10 木素的亲核反应1-氢氧化钠脱木素
-7.10 木素的亲核反应1-氢氧化钠脱木素
-7.11 木素的亲核反应2-硫酸盐法脱木素
-7.11 木素的亲核反应2-硫酸盐法脱木素
-7.12 木素的亲核反应3-亚硫酸盐法脱木素
-7.12 木素的亲核反应3-亚硫酸盐法脱木素
-7.13 木素的亲电反应
-7.13 木素的亲电反应
-7.14 木素的物理性质及特性
-7.14 木素的物理性质及特性
-7.15 木素的利用
-7.15 木素的利用
-讨论1
-讨论2
-图文
-植物纤维化学实验资料
--植物纤维化学实验
-课程思政——文化自信案例3：中国造纸技术的贡献
-本章总结
-考试
