2.1 植物纤维原料的化学组成在线视频

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