植物纤维化学

植物纤维化学一、课程性质和研究内容1、课程性质植物纤维化学是轻化、林产化工专业的基础理论课程，研究木材及造纸用非木材植物原料的化学组成、结构、性质、分布规律及其利用途径。2、研究内容主要研究植物纤维原料的生物结构及其所含各组分，特别是木质素、纤维素和半纤维素三种主要组分的化学组成、化学结构、物理和化学性质、分布规律及其利用途径。3、学习内容与相关课程的关系本课程牵涉有机化学、分析化学（包括仪器分析）、物理化学、高分子化学、高分子物理、生物合成等相关基础课程。有关生物结构方面的内容，在《植物纤维形态与结构》课程中专门讲述；有关木质素、纤维素和半纤维素在蒸煮和漂白化学反应过程中的影响因素，在《制浆原理与工程》课程中专门讲述。本课程重点研究植物纤维原料的三种主要成分（俗称三大素），都是天然有机高分子化合物，因此本课程可视作是高分子化合物化学的一个组成部分。高分子化合物：指原子数量达到103—109个，分子量极高并含有若干规则结构单元的物质。高分子化合物可直接来源于自然界，也可以是人工合成产品。高分子化合物的化学结构链状线型：橡胶、纤维素、热塑性塑料网状结构：热固性塑料、木质素二、课程的具体要求1、掌握木材和造纸用植物原料的主要化学成分--纤维素、半纤维素和木质素的结构、性质2、掌握造纸用植物原料的主要化学成分--纤维素、半纤维素和木质素在植物细胞中的分布状况，以及相互之间的关系；3、掌握制浆造纸过程中主要化学反应的实质，为制浆造纸专业课奠定理论基础；4、了解木材及造纸用非木材植物原料中抽提物的主要类型及主要代表物的结构、性质以及对制浆造纸过程的影响。三、本课程与化工专业的关系植物纤维原料中主要成分的分离和利用（1）、纤维素的综合利用（2）、半纤维素的利用（3）、木质素的分离和利用（4）、提取物的分离与利用纤维素衍生物的制备：纤维素酯化和醚化反应是制备纤维素衍生物的重要反应。由于纤维素大分子每个糖基上有三个–OH（C2，C3，C6），可发生各种酯化、醚化反应，在很大程度上可改变纤维素的性质，生产出许多有价值的纤维素衍生物。纤维素衍生物的制备纤维素酯化和醚化反应是制备纤维素衍生物的重要反应。由于纤维素大分子每个糖基上有三个–OH（C2，C3，C6），可发生各种酯化、醚化反应，在很大程度上可改变纤维素的性质，生产出许多有价值的纤维素衍生物。纤维素衍生物纤维素酯：醋酸酯（醋酸纤维素或乙酰纤维素）电影胶片、清漆（难燃）（–OH被–O–CO–CH3取代）硝酸酯（硝酸纤维素或硝化纤维素）炸药、清漆（易燃）（–OH被–NO2取代）磺酸酯（黄原酸酯）粘胶人造丝、玻璃纸（Cell–OH+CS2+NaOH，–OH被–O–CS–SNa取代）纤维素衍生物纤维素醚乙基纤维素塑料、清漆、涂料、胶粘剂（–OC2H5代替–OH）羧甲基纤维素（CMC）造纸业、食品、化妆品、纺织工业添加剂（–OCH2–COOH代替–OH）半纤维素衍生物在造纸工业中的重要性生产糠醛生产木糖醇在医药和生物化学中的应用木质素产品水泥减水剂植物生长调节剂固沙剂粘合剂制药（胃溃疡、止血剂）缓释肥用于石油开采表面活性剂等提取物的分离与利用松香、松节油栲胶、活性炭生物活性物质：生物农药、天然药物如：紫杉醇、甾醇、生物碱、植物激素、印楝素等。四、主要参考资料（1）植物纤维化学（第二版），轻工业出版（1991）（2）木材化学─基础与应用，（芬兰）EeroSjörstrom著，王佩卿，丁振森译，中国林业出版社（1981）（3）WoodChemistry─UltrastructureandReactions,DietrichFengel,GerdWegener(1984)（4）木质素的化学─基础与应用，（日本）中野準三著，高洁等译，轻工业出版社（1979）（5）木材化学，（日本）中野準三等著，鲍禾等译，中国林业出版社（1983）五、本课程的特点及学习方法课程特点：植物纤维化学是一门发展中的学科。这一学科虽然已有100余年的历史，但至今仍在不断发展、不断完善。学习方法：课堂学习与课后阅读结合六、教学安排理论课40学时。教学内容：（一）绪论（二）主要成分及在细胞中的分布（三）木质素化学（四）纤维素化学（五）半纤维素化学（六）提取物化学植物纤维原料的结构第一章1.1植物分类及命名植物种类繁多，地球现存约40万种根据亲缘关系，归结为界——门——纲——目——科——属——种藻类植物低等植物菌类植物植物苔藓植物高等植物蕨类植物种子植物木本—针叶树类裸子植物：木本—阔叶树类种子植物双子叶植物：草类、麻类、豆类被子植物单子叶植物—多数为草本，如禾本科类、禾本亚科、竹亚科命名国际统一命名为拉丁名，即植物学名一般采用双名法：属名、种名、定名人。如马尾松PinusmassoianaLamb1.1.1植物纤维原料的分类1.1.1.1、木材纤维原料：针叶材（又称软木，Softwood）如云杉、红松、落叶松、马尾松、思茅松等；阔叶木（又称硬木，Hardwood）如杨木、桦木、桉木、榉木、相思木等1.1.1.2、非木材纤维原料（1）草类纤维原料即禾本科植物纤维原料。如稻草、麦草、芦苇、荻、甘蔗渣、竹、龙须草等；（2）韧皮纤维原料包括各种麻类及某些树种的树皮，如亚麻、黄麻、红麻、桑皮、构皮、檀皮等；（3）种毛纤维原料如棉短绒纤维。1.2植物细胞学基础活的细胞腔内充满原生质、成熟后形成空腔成熟细胞的构造主要为细胞壁的构造其中包括细胞壁的层状构造胞间层M复合胞间层CML初生壁P细胞壁外层S1（Outerlayer）次生壁S中层S2（Middlelayer）内层S3（Innerlayer）1.2.1、植物成熟细胞壁的层状构造各层的精细构造通过电子显微镜研究，可进一步了解纤维细胞壁的层状结构是由不同走向的微纤丝构成。微纤丝——纤维素分子的聚集体是细胞壁中用电镜能鉴别出的最小天然结构单位，在电镜下呈细丝状微纤丝外围是半纤维素，微纤丝相互之间镶嵌着木质素和半纤维素，须脱去木质素才能在电镜下看到微纤丝。微纤丝以不同走向沿轴绕缠构成细胞壁各个薄层：(见薄膜模式木材纤维的超微结构)M厚约1~2μ无微纤丝P厚约0.1~0.2μ网状、无规则S1厚约0.5~1μ”s”、”z”型交叉螺旋50~70度S2厚约3~10μ单一取向10~20度——30~40度占细胞壁的70~80%S3较S2薄走向类似S1（T三生壁北欧习惯）S1层微纤维结晶度较高，对化学作用较稳定，与P层结合较紧密，S1紧紧套住S2使S2不易分丝纵裂，打浆时先将P、S1剥离，S1-S2结合较松弛，生产半化学浆时往往在S1-S2之间分离，S2层是否易散开，与微纤丝夹角有关，角度越小，越容易分丝量化，P层薄而易碎稻草、麦草与木材纤维相似，但分层较厚，S2层角度较大多年生禾本科植物（如竹）次生壁层状构造较为特殊，具有多层结构，每层由厚、薄不一，微纤丝走向不同的两个薄层交替排列而成。窄层：走向几乎与轴垂直（85-90度），且恒定宽层：走向几乎与轴平行（2-20度）胞间层——腔缓慢增加木质素浓度窄层宽度禾草类纤维超微结构有四种类型，见“中国造纸原料纤维特性及显微图谱”P331.2.2、植物成熟细胞壁上的纹孔纹孔（pit）：次生壁不均匀加厚过程中遗留下来的未加厚部分形成的凹穴。纹孔对：相邻细胞壁上成对出现的纹孔。（也有不成对的称为盲纹孔）作用：相邻细胞间水分和养料交流的主要通道。制浆造纸过程中药液渗透的主要通道。单纹孔（Simplepit）纹孔类型具缘纹孔（Borderedpit）单纹孔对纹孔对具缘纹孔对半具缘纹孔对具缘纹孔对半具缘纹孔对单纹孔对纹孔•具缘纹孔对及其构造•具缘纹孔对（TEM）•具缘纹孔1.2.3、植物纤维原料的解剖结构木材构造根据观察手段的不同，木材（树干的主要部分，木质部）的构造分为粗视构造(CoarseStructure)和显微构造(Microstructure)。粗视构造：又称宏观构造，直接凭肉眼或者借助放大镜能见到的木材外貌特征。显微构造：又称微观构造，显微镜下观察到的木材构造（在电子显微镜下观察到的构造又称超微结构）。木材解剖结构研究通常在三切面上进行：包括横切面、径切面和弦切面木材三切面横切面（CrossSectionorTransverseView)：沿着与树木生长轴垂直方向切开的面称为横切面。弦切面(TangetialSection)：沿着与射线垂直方向切开的面称为弦切面。径切面(RadialSection)：沿着射线切开的面称为径切面树脂道：针叶材的特征有些针叶材在横切面的晚材部分，凭肉眼就可看见一些针头状的小白点，这就是轴向树脂道或称纵行树脂道。在弦切面借助放大镜看见的位于木射线之中的比较小的树脂道，是径向树脂道或称横行树脂道。轴向树脂道a.Normalresincannalspresentbutsporadicandprimarilyinlatewoodb.Normalresincanalspresentandabundant针叶材的细胞组成(a)松木早材管胞(b)松木晚材管胞(c)云杉早材管胞(d)云杉木射线管胞(e)松木木射线管胞(f)云杉木射线薄壁细胞(g)松木木射线薄壁细胞阔叶材的细胞组成（a）桦木导管（a1）桦木导管（晚材）（b）杨木导管（c）橡木导管（早材）（c1）橡木导管（晚材）（d）橡木轴向薄壁细胞（e）橡木射线薄壁细胞（f）桦木射线薄壁细胞（g）橡木纤维状管胞（h），（i）桦木韧型纤维思考题细胞壁的层状构造微纤丝纹孔及其类型纹孔对及其类型针叶材的三切面及其细胞组成阔叶材的三切及其细胞组成植物纤维主要化学成分第二章2.1植物纤维的主要化学成分主要成分（细胞壁物质）纤维素碳水化合物有机物半纤维素木质素芳香族化合物少量成分（非细胞物质）提取物萜类、脂肪族、酚类化合物灰分无机盐等无机物2.1.1主要化学成分概述•植物纤维原料的化学组成百分比2.1.1.1细胞壁物质纤维素：由-D-葡萄糖单元通过1→4苷键连接而成的线型高分子化合物。纤维素是自然界贮量最丰富的可再生资源。半纤维素：细胞壁中非纤维素高聚糖（习惯上不包括果胶和淀粉）的总称。由两个或两个以上的糖基组成，通常有分枝结构，可用热水或冷碱提取。木质素：由苯丙烷单元通过醚键和碳碳键连接而成的，具有三度空间结构的复杂的高聚物。木质素和半纤维素在一起，填充在细胞壁的微纤丝之间，同时也存在于胞间层。2.1.1.2非细胞壁物质植物纤维原料中的非细胞壁物质通常指存在于细胞腔和细胞间隙的、不参与细胞壁结构的物质，大部分可溶于中性有机溶剂或水，又称提取物。提取物：用水、水蒸汽或中性有机溶剂可提取的物质。在植物原料中含量少（一般2~5%），但种类繁多（约700余种）。提取物可分为三大类：萜类化合物：树脂、萜类等。脂肪族化合物：蜡、脂肪、单糖和低聚糖、淀粉、果胶、树胶、蛋白质、生物碱等。酚类化合物：茋、木酚素、黄酮类化合物、单宁等。2.1.2植物纤维化学成分分析主要名词2.1.2.1综纤维素综纤维素：经脱脂的植物纤维原料除去木质素后保留下来的全部高聚糖，即纤维素和半纤维素的总和。2.1.2.2-、-和-纤维素不溶部分综纤维素（化学浆）溶解部分不溶部分溶解部分17.5%NaOH或24%KOHHAc中和-纤维素-纤维素-纤维素根据起始物的不同，分为：综纤维素的-、-、-纤维素和化学浆的-、-、-纤维素注意：-、-、-纤维素的主要成分，及其与纤维素的区别相当于植物纤维原料中全部五碳糖的总和。在一定程度上可反映原料中半纤维素的含量，对草类纤维原料，接近半纤维素的含量。测定原理：2.1.2.4戊聚糖木粉戊糖糠醛12%HCl12%HCl2.1.2.5提取物用极性和非极性有机溶剂、水蒸汽或水可提取的物质。提取物种类很多，性质差别也很大。不可能用单一溶剂提取所有提取物。一般需说明是用何种溶剂提取的提取物。如：苯-醇提取物，乙醚提取物，冷水提取物，热水