植物纤维化学研究生试题

一、填空题（20分，每空格1分）：

1．造纸工业将植物原料分为：木材纤维、非木材纤维、半木材纤维。

2. 植物纤维原料的主要化学成分包括：纤维素、半纤维素、木素。

3．阔叶材木素的基本结构单元是主要由愈疮木基丙烷和紫丁香基丙烷单元所构成。

4．针叶材、阔叶材和禾草类木素的木素含量的变化规律是：

针叶材> 阔叶材> 禾草类。

5．针叶材最主要的细胞是管胞，阔叶材最主要的细胞是木纤维，禾本科植物纤维原料的主要细胞有：纤维细胞、薄壁细胞。

6. 纤维素是由β-D-葡萄糖结构单元通过1，4-苷键连接而成的高分子化合物。

7．木素大分子结构中最主要的连接形式为β-芳基醚键。

8．木素总量的大部分存在于细胞壁的S2 层，而木素含量最高的是复合胞间层。

二、名词解释（15分）：

1.(3分)早材（春材）：

树木的每一个年轮是由两部分组成的，靠树心部分的颜色浅，是每年生长季节的前期生长出来的，故称为春材，也称早材。

2．(3分)木素：

木素是由苯丙烷结构单元（即C6-C3单元）通过醚键、碳-碳键联接而成的芳香族高分子化合物。

3. (3分)剥皮反应：

在碱的影响下，纤维素具有还原性末端基的葡萄糖基会逐个掉下来，一直到产生纤维素末端基转化为偏变糖酸基的稳定反应发生为止。由于消除下来的烷氧基—OR具有新的还原性末端基（也即是纤维素长链分子具有新的还原性末端基），可以继续进行上述反应，逐个不断地脱掉末端基，所以称为剥皮反应。4. (3分) 半纤维素

半纤维素是除纤维素和果胶以外的植物细胞壁聚糖。也可称为非纤维素的碳水化合物。由两种或两种以上单糖基组成的不均一聚糖，大多带有短的侧链，聚合度较低。\

5. (3分)纤维素的结晶度：

纤维素结晶区占纤维素整体的百分率。

三、简答题（60分）：

1．硫酸盐法蒸煮过程中臭气的主要成分是什么？并说明其形成机理？（10分）

硫酸盐法蒸煮过程中放出的臭气的主要成分为甲硫醇和二甲硫醚。在硫酸盐法蒸煮时，木素结构单元上甲基芳基醚结构和硫化钠发生反应，首先，亲核试剂HS-离子进攻木素芳香环上的甲氧基的碳原子，生成甲硫醇，并在苯环上导出酚羟基；然后，甲硫醇的阴离子（CH3S-）与第二个甲氧基反应，生成二甲硫醚。

2. 对同一种木材，晚材率的大小对制浆造纸有何影响（10分）

晚材率是指树木年轮中晚材的宽度与年轮总宽度之比的百分率。晚材率的大小对制浆造纸有相当大的影响。因为早材是由细胞壁比较薄的细胞组成，所以早材纤维具有弹性和柔韧性，容易打浆，能够制造出抗张强度和耐破强度高的纸张；而晚材纤维壁厚，形成管状，纤维又挺又硬，不容易打浆，抄成的纸除了撕裂度比较高以外，其他指标都不如早材纤维。因此，就同一种木材而言，晚材率低的要优于晚材率高的。

3. 区分两个概念：纤维素，纤维素纤维（10分）

-1，4-苷键联接起来的链状高分子化合物。纤维素纤维指植物原料经过特定的纤维化学工程所得到的残余

物——纸浆，主成分为纤维素，其中还含有一些半纤维素和木素。β纤维素指在常温下不溶于水、稀酸、稀碱的D-葡萄糖基以

4、蒽醌在碱法蒸煮中的作用是什么？（10分）。

-芳醚键的断裂，从而加速木素的脱除，蒽氢醌和木素反应又生成蒽氢醌，继续发生氧化-还原反应。β在碱法蒸煮中，蒽醌氧化碳水化合物，生成糖醛酸末端基，防止剥皮反应的发生，使纸浆得率增加，蒽醌本身被还原蒽氢醌，它与木素的亚甲基醌发生还原作用，促进了木素

5. 为什么纤维素的吸水量随无定形区百分率的增加而增加？（10分）

水有一定的极性，所以能进到无定形区，发生结晶区之间的润胀。纤维素的吸着水只能进入无定形区而不能进入结晶区，并且与无定形区中的羟基形成氢键结合。吸着水量随无定形区百分率的增加而增加。

6. 针叶木和阔叶材主要的聚木糖类半纤维素是什么？（10分）

针叶材的聚木糖半纤维素是：聚阿拉伯糖基-4-O-甲基葡萄糖醛酸基木糖，

阔叶材的聚木糖半纤维素是：聚4-O-甲基葡萄糖醛酸基木糖。

四、问答题（55分）：

1、纸浆中半纤维素的存在对纸浆的打浆和成纸性能有哪些影响？（15分）

（1）由于半纤维素亲水性好，能在打浆过程中促使制浆的润胀，因此能提高打浆的效率。

（2）由于半纤维素形成氢键的能力比较强，但是聚合度较低(DP＜200)，纸浆中含一定量

的半纤维素有利于提高纸张的物理强度，但半纤维素含量太高会显著影响纸张的强度。。

（3）半纤维素的存在能提高纸张的紧度。但同时降低纸张的不透明度。

（4）半纤维素吸水性好，易受环境中水分的影响，影响纸页的尺寸稳定性。在纸张印刷过程中影响套色。

2. 对于木材纤维，如何用壁腔比大小来判断原料的优劣？（15分）

答：壁腔比就是细胞壁厚度的二倍与细胞腔直径的比值。纤维细胞壁的绝对厚度与纸张性能无关。影响纸张性能的是纤维细胞壁厚度与细胞腔直径的比值（壁腔比）。一般认为细胞壁薄而细胞腔大的纤维抄成的纸张强度比较大。这是由于壁薄腔大的纤维有柔软性，彼此容易结合得好。而壁厚腔小的纤维比较僵硬，彼此结合差，制成的纸张强度比较低，纸页比较疏松，而吸水性好。对木材纤维原料，壁腔比小于1是好原料；等于1是中等原料；大于1是劣等原料。

3．解释一下为什么吸附等温曲线和解吸等温曲线不能重合，这种现象被称为什么现象？（10分）

干燥的纤维素在吸湿过程中其无定形区的氢键不断打开，纤维素分子间的氢键被纤维素与水分子间的氢键所代替，形成了新的氢键。在解吸过程中，润湿了的纤维脱水收缩，无定形区纤维素分子之间重新形成氢键，但由于内部阻力的抵抗，被吸着的水不易挥发，纤维素与水分子之间的氢键不能全部可逆地打开，故吸着的水较多，使得吸附等温曲线和解吸等温曲线不能重合，产生所谓的滞后现象。

4. 如何制备Klason木素，其基本原理是什么？（15分）

C下处理两小时，然后在3%硫酸溶液中水解四小时，得到的不溶残渣即为克拉森木素，它的分离原理是把纤维原料中的多糖水解成单糖，使木素变成不溶性残渣进行分离木素。在制备过程中纤维素和半纤维素发生润胀，然后发生酸性水解反应，最后变成单糖而溶出。?60-80目的脱提取物木粉以72%硫酸在20

2011年研究生招生试卷答案

信息来源：湖北工业大学植物纤维化学

一、填空题（20分，每空格1分）：

1.植物纤维细胞壁可分为初生壁和次生壁两层，构成纤维细胞壁的主要化学成分有??_纤维素_、半纤维素、_木素__ 。

2．针叶材最主要的细胞是管胞，阔叶材最主要的细胞是木纤维，禾本科植物纤维原料的主要细胞有：纤维细胞和薄壁细胞。

3. 纤维素的碱性降解指剥皮反应和碱性水解。

4.木素是由苯丙烷结构单元通过醚键和碳-碳键连接而成的天然高分子化合物。

5．一般来说木材原料的灰分含量较低。而草类原料的灰分较高，其主要成分为SiO2 。

6.针叶木、阔叶木和禾本科植物的木素分别属于?___G____型、__GS__型以及__GSH__型。

二、名词解释（15分）：

1.(3分)：复合胞间层:由于初生壁P层和胞间层ML层紧密地生长在一起，故把相邻两个细胞的P层及共有的ML层一起称为复合胞间层CML。

2．(3分)木素-碳水化合物复合体：木素和半纤维素之间存在着化学键，构成木素-碳水化合物复合体(Lignin- Carbohydrate Complexes 简称为LCC)。

3. (3分)剥皮反应：在碱的影响下，纤维素具有还原性末端基的葡萄糖基会逐个掉下来，一直到产生纤维素末端基转化为偏变糖酸基的稳定反应发生为止。由于消除下来的烷氧基—OR具有新的还原性末端基（也即是纤维素长链分子具有新的还原性末端基），可以继续进行上述反应，逐个不断地脱掉末端基，所以称为剥皮反应。

4. (3分)：纤维素的结晶区和无定形区：纤维素的聚集态结构是一种由结晶区和无定形区交错结合的体系。结晶区的特点是纤维素分子链取向良好，密度较大，分子间结合力强。无定形区的特点是纤维素分子链取向较差，分子排列无序，分子间距离较大，密度较低，分子间氢键结合数量少。

5. (3分)贝克曼（Bj?rkman）木素：又称磨木木素。在室温下，用不引起润胀作用的中性溶剂作介质仔细地研磨木粉，通过溶剂抽提而获得高得率的分离木素。

三、简答题（60分）：

1．针叶木半纤维素和阔叶木半纤维素有什么差异？（8分）

针叶木的半纤维素以聚O-乙酰基半乳糖葡萄糖甘露糖为主，聚阿拉伯糖4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖也有一定的含量；阔叶木的半纤维素主要是聚O-乙酰基-（4-氧甲基葡萄糖醛酸）木糖，伴随着少量的聚葡萄糖甘露糖。

2. 木材的心材和边材在制浆性能上有何差别？（8分）

心材树脂含量高，浸透性差，用于制浆时药液浸透较困难，影响蒸煮的均匀性，降低浆的质量，酸法制浆时极易产生树脂障碍及由于浸透不均匀而产生黑片等问题。边材易于浸透，易成浆，泡沫少，纤维长度较

大，是制浆造纸的好原料。

3. 硫酸盐法蒸煮过程中臭气的主要成分是什么？并说明其形成机理？（8分）

硫酸盐法蒸煮过程中放出的臭气的主要成分为甲硫醇和二甲硫醚。在硫酸盐法蒸煮时，木素结构单元上甲基芳基醚结构和硫化钠发生反应，首先，亲核试剂HS-离子进攻木素芳香环上的甲氧基的碳原子，生成甲硫醇，并在苯环上导出酚羟基；然后，甲硫醇的阴离子（CH3S-）与第二个甲氧基反应，生成二甲硫醚。

4、蒽醌在碱法蒸煮中的作用是什么？（10分）。

-芳醚键的断裂，从而加速木素的脱除，蒽氢醌和木素反应又生成蒽氢醌，继续发生氧化-还原反应。β在碱法蒸煮中，蒽醌氧化碳水化合物，生成糖醛酸末端基，防止剥皮反应的发生，使纸浆得率增加，蒽醌本身被还原蒽氢醌，它与木素的亚甲基醌发生还原作用，促进了木素

5. 为什么纤维素的吸水量随无定形区百分率的增加而增加？（8分）

水有一定的极性，所以能进到无定形区，发生结晶区之间的润胀。纤维素的吸着水只能进入无定形区而不能进入结晶区，并且与无定形区中的羟基形成氢键结合。吸着水量随无定形区百分率的增加而增加。

6. 请比较针叶木、阔叶木原料的木素中甲氧基含量的差别，造成这个差别的原因是什么？（8分）（1）甲氧基含量的顺序为：阔叶木≥针叶木

（2）阔叶木木素主要结构单元为愈创木基和紫丁香基，紫丁香基含有两个甲氧基，愈创木基含有一个甲氧基。

针叶木木素主要结构单元为愈创木基，愈创木基含有一个甲氧基。

7. 为什么从纤维形态的角度看，针叶木的造纸特性要优于阔叶木？（10分）

针叶木的生物结构比较简单，主要由管胞组成。管胞占木质部细胞总容积的90～95%。而管胞属于优良的造纸纤维，纤维较长。而阔叶木是由导管、木纤维、木射线薄壁细胞与木薄壁细胞等组成的。主要是木纤维与导管，也有木射线与薄壁组织。阔叶木中对造纸有用的纤维状细胞（木纤维）的数量（占木材体积的50%以上）显然比针叶木中的管胞少得多，而且木纤维比较短，而非纤维状细胞却比针叶木多。所以从纤维形态的角度看，针叶木优于阔叶木。

四、问答题（55分）：

1. 烧碱法蒸煮和硫酸盐法蒸煮的蒸煮药剂有什么不同？对于同一原料，硫酸盐法和烧碱法蒸煮哪个脱木素反应速度更快？为什么？（15分）

-芳醚的断裂，加速了木素的降解和溶出。β碳形成苯甲硫基结构，该结构通过邻基参与反应促进了在NaOH 作用下很难起反应的非酚型α烧碱法的蒸煮药剂为NaOH，硫酸盐法的蒸煮试剂为NaOH和Na2S，S2-比OH-具有更强的亲核性，进攻

2．解释一下为什么纤维素的吸附等温曲线和解吸等温曲线不能重合，这种现象被称为什么现象？（10分）干燥的纤维素在吸湿过程中其无定形区的氢键不断打开，纤维素分子间的氢键被纤维素与水分子间的氢键所代替，形成了新的氢键。在解吸过程中，润湿了的纤维脱水收缩，无定形区纤维素分子之间重新形成氢键，但由于内部阻力的抵抗，被吸着的水不易挥发，纤维素与水分子之间的氢键不能全部可逆地打开，故吸着的水较多，使得吸附等温曲线和解吸等温曲线不能重合，产生所谓的滞后现象

3. 为何Klason木素适用于定量测定，而磨木木素适合于木素化学结构的分析？（15分）

因为木素在化学上不稳定。当它受到温度、酸度或者化学试剂的作用时，都会引起化学变化，即使在比较温和的条件下也会引起木素结构的改变。Klason木素是以残渣的形式而分离的木素。所有用酸水解得到的木素制备物全都改变了它们的结构和性质，主要是缩合反应。因此这些制备物是不可能用于结构研究的，

但所得残渣的量与木素的真实含量很接近，所以主要是用于测定木素含量。而磨木木素是被溶解而分离得到的木素，是现在可用的最好的木素制备物，可以看作是木材中的木素代表，虽然它与原本木素并不相等。因为它是在温和条件下采用惰性溶剂分离出来的，其化学结构测定结果比较接近于原本木素。但是由于磨木木素的得率比较低，不能代表木素的含量。

4. 纸浆中半纤维素的存在对纸浆的打浆和成纸性能有哪些影响？（15分）

（1）由于半纤维素基本上是无定型结构，结构松散，水的可及度高，吸水性好，在打浆过程中能促进纤维的润胀，能提高打浆度，降低能耗，并促进纤维的分丝帚化。

（2）半纤维素能提高纸张的紧度，但降低不透明度。少量的半纤维素能促进纤维间氢键的形成，提高纸张的抗张强度。但由于半纤维素聚合度较低，本身强度低，半纤维素含量太高时会影响纸张的综合强度。（3）由于半纤维素吸水性好，会影响纸张的尺寸稳定性，也会影响纸张的套色印刷。