植物纤维的化学成分及结构分析

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：植物纤维主要由纤维素、半纤维素及木质素等组成，它们占总质量的80%～95%。各类植物含纤维素的量不同，其中棉花含纤维素的量最高。表3-1各类植物的纤维素含量未经处理的针叶木、阔叶木及麦草类中纤维素、半纤维素和木质素的相对比例见表3-2。图3-1半纤维素水解的主要产物按照主链的结构，半纤维素可分为三类，即聚木糖类、聚葡萄甘露糖类和聚半乳糖葡萄甘露糖类。

植物纤维主要由纤维素、半纤维素及木质素等组成，它们占总质量的80%～95%。纤维素是植物细胞壁的支撑物，而半纤维素和木质素在植物细胞中起到了填充和黏合的作用。各类植物含纤维素的量不同，其中棉花含纤维素的量最高。常见植物纤维的纤维素含量见表3-1。

表3-1　各类植物的纤维素含量

未经处理的针叶木、阔叶木及麦草类中纤维素、半纤维素和木质素的相对比例见表3-2。

表3-2　植物中主要成分的相对比例

未经处理的木材或麦草含有大量的半纤维素和木质素，这些成分对再生纤维制备过程有较大的影响，因此，必须在浆粕制备过程中除掉。纤维素分子是由葡萄糖通过β-1，4糖苷键连接起来的链状高分子，纤维素的水解产物是D-葡萄糖，它主要含有碳、氢、氧三种元素，其中碳含量为44.44%，氢含量为6.17%，氧含量为49.39%，纤维素的化学分子式为（C6H10O5）n。纤维素在150℃以下时结构不会发生显著变化；但超过这个温度时，会由于脱水而逐渐焦化，温度越高，焦化越严重。纤维素不溶于水，也不溶于乙醇、乙醚等有机溶剂，但它能溶于铜氨Cu（NH3）4（OH）2溶液和铜乙二胺[NH2CH2CH2NH2]Cu（OH）2溶液等。水可使纤维素发生有限溶胀，某些酸、碱和盐的水溶液可渗入纤维结晶区，使纤维产生高度溶胀。纤维素与较浓的无机酸反应，其产物是葡萄糖；与较浓的苛性碱溶液作用生成碱纤维素；与强氧化剂作用生成氧化纤维素。

半纤维素是多种结构多糖的集合体，是由两种或两种以上糖基通过苷键连接起来的带有侧基或支链的高聚糖的总称。与纤维素相比，半纤维素有以下几个特点：半纤维素没有明确的结构，水解后可以得到多种结构的葡萄糖，而纤维素水解产物是单一的β-D葡萄糖；各葡萄糖基并不像纤维素都是通过β-1，4苷键相连接，它可以是β葡萄糖间的连接，也可以与α葡萄糖连接，除了1，4位相连接，还可以在其他位置上连接；带有支链或侧基；木材中所含半纤维素的聚合度低，且具有多分散性，针叶木半纤维素的平均聚合度为100左右，而阔叶木半纤维素的平均聚合度为200左右。

构成半纤维素的糖基主要有D-木糖基、D-甘露糖基、D-葡萄糖基、D-半乳糖基、L-阿拉伯糖基、D-葡萄糖醛酸基和D-半乳糖醛酸基等，还有少量的L-鼠李糖、L-岩藻糖等，它们的化学结构如图3-1所示。

图3-1　半纤维素水解的主要产物

按照主链的结构，半纤维素可分为三类，即聚木糖类、聚葡萄甘露糖类和聚半乳糖葡萄甘露糖类。聚木糖类是以1，4-β-D-木糖构成主链，以4-氧甲基-葡萄糖醛酸为支链的多糖；聚葡萄甘露糖类的主链由D-葡萄糖基和甘露糖基两种糖基构成，以1，4-β形式连接；聚半乳糖葡萄甘露糖类则是由D-葡萄糖基和D-甘露糖基两种糖基，以1，4-β形式构成主链，支链是半乳糖基以1，6形式与主链糖基的碳6连接。

半纤维素与纤维素间无化学键合，相互间有氢键和范德瓦耳斯力存在。半纤维素与木质素之间可以苯甲基醚的形式连接在一起，形成木质素—碳水化合物的复合体。半纤维素的结构疏松、无定形，易于吸水润胀，易溶于稀碱液。作为纸浆用时，半纤维素是需部分保留的组分；而作为纤维用浆粕时，半纤维素的量必须加以控制。预水解硫酸盐法中的预水解工序主要是为了降低半纤维素含量，以提高可纺性。

木质素是由苯基丙烷单元通过醚键和碳—碳键连接而成，具有三维空间结构的芳香族天然高分子化合物。它由碳、氢和氧元素组成，具有甲氧基、羟基、羰基等官能团，并以愈创木基、紫丁香基和对羟基苯基等形式存在，化学结构如图3-2所示。

图3-2　木质素的主要结构

木质素可分为三种类型，由紫丁香基丙烷结构单体聚合而成的称为紫丁香基木质素（syringyl lignin, S-木质素），由愈创木基丙烷结构单体聚合而成的称为愈创木基木质素（guaiacyl lignin, G-木质素）。由对羟基苯基丙烷结构单体聚合而成的称为对羟基苯基木质素（para-hydroxy-phenyl lignin, H-木质素）。针叶材木质素主要由愈创木基丙烷构成，阔叶材木质素主要由愈创木基丙烷单元和紫丁香基丙烷结构构成，草本植物木质素主要由愈创木基丙烷单元、紫丁香基丙烷单元及对羟基苯丙烷单元构成。

化学制浆中需要脱除的成分之一是木质素，浆中残余木质素的含量是衡量浆粕品质的一个重要指标。另外，因为浆粕的颜色主要来源于木质素，所以浆中残余木质素对成浆的白度、色相、强度指标有着重大影响。可漂针叶木浆残余木质素一般为3%～5%，阔叶木浆一般为1%～2.5%，草浆的残余木质素含量与阔叶木浆相近。木质素的结构单元随着品种来源的不同而存在差异，它的结构不稳定，且易被破坏。木质素越多，则制浆越困难，因木质素会使纤维互相粘在一起，只有去除了木质素，单根纤维才会被分离出来。

植物纤维的化学成分及结构分析

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