植物纤维形态与化学2

1、Wood Chemistry化学工程学院纤维资源化学与利用研究室化学工程学院纤维资源化学与利用研究室Laboratory of Biomass Chemistry and UtilizationNanjing Forestry University植物纤维主要化学成分第二章第二章Wood Chemistry化学工程学院纤维资源化学与利用研究室化学工程学院纤维资源化学与利用研究室Laboratory of Biomass Chemistry and UtilizationNanjing Forestry University主要成分主要成分（细胞壁物质）（细胞壁物质）纤纤 维维 素素碳水化合物碳

2、水化合物有机物有机物半纤维素半纤维素木木 质质 素素芳香族化合物芳香族化合物少量成分少量成分（非细胞壁物质）（非细胞壁物质）提提 取取 物物萜类、脂肪族、酚萜类、脂肪族、酚类化合物类化合物灰灰 分分无机盐等无机盐等无机物无机物2.1.1 主要化学成分概述 2.1 植物纤维的主要化学成分 Wood Chemistry化学工程学院纤维资源化学与利用研究室化学工程学院纤维资源化学与利用研究室Laboratory of Biomass Chemistry and UtilizationNanjing Forestry University2.1.1.1 细胞壁物质细胞壁物质纤维素：由-D-葡萄糖单元通

3、过14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。Wood Chemistry化学工程学院纤维资源化学与利用研究室化学工程学院纤维资源化学与利用研究室Laboratory of Biomass Chemistry and UtilizationNanjing Forestry Universi

4、ty2.1.1.2 非细胞壁物质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25%），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Wood Chemistry化学工程学院纤维资源化学与利用研究室化学工程学院纤维资源化学与利用研究室Laboratory of Biomass Chem

5、istry and UtilizationNanjing Forestry University2.1.2 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。测定综纤维素的方法（三种）通常采用的方法为什么测定综纤维素需要保留少量木质素？Wood Chemistry化学工程学院纤维资源化学与利用研究室化学工程学院纤维资源化学与利用研究室Laboratory of Biomass Chemistry and UtilizationNanjing Forestry University2.1.2.2

6、 -、 -和和 -纤维素纤维素综纤维素综纤维素(化学浆化学浆)不溶部分不溶部分-纤维素溶解部分溶解部分不溶部分不溶部分溶解部分溶解部分17.5%NaOH或24%KOHHAc中和-纤维素-纤维素根据起始物的不同，分为综纤维素的a-、-、-纤维素和化学浆的a-、-、-纤维素注意：a-、-、-纤维素的主要成分，及其与纤维素的区别Wood Chemistry化学工程学院纤维资源化学与利用研究室化学工程学院纤维资源化学与利用研究室Laboratory of Biomass Chemistry and UtilizationNanjing Forestry University2.1.2.3 Klason

7、木质素与总木质素木质素与总木质素不溶残渣不溶残渣溶解部分溶解部分72%H2SO420, 2 hrKlason木质素或硫酸木质素、酸不溶木质素脱脂木粉脱脂木粉3%H2SO4回流, 4 hr酸溶木质素总木质素 = Klason木质素 + 酸溶木质素Total lignin = Klason lignin + Acid soluble lignin为什么测定木质素需要保留少量碳水化合物？Wood Chemistry化学工程学院纤维资源化学与利用研究室化学工程学院纤维资源化学与利用研究室Laboratory of Biomass Chemistry and UtilizationNanjing For

8、estry University2.1.2.4 戊聚糖戊聚糖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。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。测定原理测定原理戊戊 糖糖12%HCl木木 粉粉糠糠 醛醛12%HClWood Chemistry化学工程学院纤维资源化学与利用研究室化学工程学院纤维资源化学与利用研究室Laboratory of Biomass Chemistry and UtilizationNanjing Forestry Univers

9、ity2.1.2.5 提取物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。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。取物。一般需说明是用何种溶剂提取的提取物。如：一般需说明是用何种溶剂提取的提取物。如：苯苯-醇提取物醇提取物，乙醚提，乙醚提取物，取物，冷水提取物冷水提取物，热水提取物热水提取物，1%NaOH提取物提取物等。等。Wood Chemistry化学工程学院纤维资源化学与利用研究室化学工程学院纤维资源化学与利用研究室Laboratory of Biom

10、ass Chemistry and UtilizationNanjing Forestry UniversityWood Meal ExtractionSolventExtraneousCompoundsSoluble inNeutral SolventsInsolubleHolocelluloseH2SO4ClO2Lignin17.5% NaOHInsolubleCelluloseHemicellulose(soluble)2N H2SO42N H2SO4D- GlucoseHexosesD-GlucoseD-MannoseD- GalactosePentosesD-XyloseL-Arab

11、inoseUronic Acids& Methoxy UronicAcidsAcetyl Groups木材主要化学成分的分析程序及方法木材主要化学成分的分析程序及方法Wood Chemistry化学工程学院纤维资源化学与利用研究室化学工程学院纤维资源化学与利用研究室Laboratory of Biomass Chemistry and UtilizationNanjing Forestry University针叶材的主要化学组成分析针叶材的主要化学组成分析0102030405060%Douglas FirRedwoodYellow Pine Balsam FirCelluloseHe

12、micelluloseLigninExtractive/AshWood Chemistry化学工程学院纤维资源化学与利用研究室化学工程学院纤维资源化学与利用研究室Laboratory of Biomass Chemistry and UtilizationNanjing Forestry University阔叶材的主要化学组成分析阔叶材的主要化学组成分析RedMapleEnglishOakIrokoBalsa0102030405060%RedMapleEnglishOakIrokoBalsaCelluloseHemicelluloseLigninExtractive/AshWood Chem

13、istry化学工程学院纤维资源化学与利用研究室化学工程学院纤维资源化学与利用研究室Laboratory of Biomass Chemistry and UtilizationNanjing Forestry University2.2 木材细胞壁中化学成分的分布 纤维素纤维素为构成植物细胞壁的骨架物质为构成植物细胞壁的骨架物质半纤维素半纤维素为填充物质为填充物质木质素木质素为结壳物质为结壳物质2.2.1 主要化学成分在细胞壁中的分布 纤维素分子纤维素分子原纤丝原纤丝原纤丝原纤丝3.5 nm微纤丝微纤丝12 nm(1030)细胞壁各层细胞壁各层半纤维素半纤维素分布在微纤丝之间分布在微纤丝之间木

14、质素木质素分布在细胞壁微纤丝之间及细胞之间分布在细胞壁微纤丝之间及细胞之间Wood Chemistry化学工程学院纤维资源化学与利用研究室化学工程学院纤维资源化学与利用研究室Laboratory of Biomass Chemistry and UtilizationNanjing Forestry University胞间层胞间层主要为木质素，木质素浓度高主要为木质素，木质素浓度高次生壁次生壁木质素浓度低，但绝对量大木质素浓度低，但绝对量大纤维素、半纤维素和木质素主要集中在次生壁纤维素、半纤维素和木质素主要集中在次生壁Wood Chemistry化学工程学院纤维资源化学与利用研究室化学工程学

15、院纤维资源化学与利用研究室Laboratory of Biomass Chemistry and UtilizationNanjing Forestry University植物细胞的生长过程也是次生壁的形成过程，木质素是细胞壁形成植物细胞的生长过程也是次生壁的形成过程，木质素是细胞壁形成到某种程度后出现的。到某种程度后出现的。木质化木质化 顺序：顺序： 细胞角隅初生壁细胞角隅初生壁 径向、切向复合胞间层径向、切向复合胞间层 细胞角隅及复合胞间层细胞角隅及复合胞间层 次生壁次生壁2.2.2 植物细胞的木质化过程 Wood Chemistry化学工程学院纤维资源化学与利用研究室化学工程学院纤维资

16、源化学与利用研究室Laboratory of Biomass Chemistry and UtilizationNanjing Forestry UniversityTransverse section of a spruce reacheid photographed in UV light (240 nm). The densitometer tracing has been taken across the tracheid wall along the dotted line. S, secondary wall; ML, compound middle lamella; CC, ce

17、ll corner (Fergus et al., 1969)Wood Chemistry化学工程学院纤维资源化学与利用研究室化学工程学院纤维资源化学与利用研究室Laboratory of Biomass Chemistry and UtilizationNanjing Forestry University2.3.1.1 针、阔叶材化学组成在含量上的差别针、阔叶材化学组成在含量上的差别 木质素含量木质素含量针叶材针叶材 阔叶材阔叶材纤维素含量纤维素含量针叶材针叶材 阔叶材阔叶材戊聚糖戊聚糖含量含量针叶材针叶材 阔叶材阔叶材 2.3 植物纤维原料化学组成的特点2.3.1 针、阔叶材及草类原料化

18、学组成的比较 Wood Chemistry化学工程学院纤维资源化学与利用研究室化学工程学院纤维资源化学与利用研究室Laboratory of Biomass Chemistry and UtilizationNanjing Forestry University2.3.1.2 草类原料化学组成的特点草类原料化学组成的特点 木质素含量低（除竹子外）木质素含量低（除竹子外）尤以稻草为低（仅尤以稻草为低（仅14%左右）左右） 灰分含量高灰分含量高尤以稻麦草为高（稻草尤以稻麦草为高（稻草1516%，麦草，麦草56%），其中），其中SiO2占一半以上占一半以上 冷、热水抽出物及冷、热水抽出物及1%NaO

19、H抽出物比木材高抽出物比木材高 戊聚糖含量比针叶材高，而与阔叶材接近戊聚糖含量比针叶材高，而与阔叶材接近 纤维素含量大多接近木材原料纤维素含量大多接近木材原料 Wood Chemistry化学工程学院纤维资源化学与利用研究室化学工程学院纤维资源化学与利用研究室Laboratory of Biomass Chemistry and UtilizationNanjing Forestry University2.3.2 非正常木的化学组成 2.3.2.1 腐朽木化学组成的特点腐朽木化学组成的特点真菌引起的木材腐朽有两类：真菌引起的木材腐朽有两类：褐腐褐腐：主要分解纤维素和半纤维素，木质素则少受影响：主要分解纤维素和半纤维素，木质素则少受影响腐后呈褐色，纤维素与半纤维素含量均下降，腐后呈褐色，纤维素与半纤维素含量均下