纤维素和半纤维素【植物纤维化学】
植物纤维化学
植物纤维化学植物纤维化学是研究植物中纤维素及其化学加工和应用的一门学科。
植物纤维作为一种自然的、可再生的生物大分子材料，在生产和生活中具有广泛的应用。
例如，纸张、纺织品、建筑材料等众多行业都离不开植物纤维这一重要资源。
植物纤维化学旨在深入了解植物纤维的化学组成、结构与性质，制定优化的加工工艺，拓展其新的使用领域。
一、植物纤维的化学组成植物纤维的主要化学成分是纤维素和半纤维素。
纤维素是一种多糖，由葡萄糖单元通过β-1,4-糖苷键连接而成。
半纤维素也是一种多糖，包括木聚糖、半乳糖、甘露聚糖等。
此外，植物纤维还有少量的酚类物质和蛋白质。
纤维素和半纤维素的含量和比例因植物种类和部位不同而变化。
在棉花中，纤维素含量占80%以上，半纤维素含量较低；而在木质植物中，两者含量相近。
二、植物纤维的结构植物纤维的结构可分为两种类型：原生纤维和次生纤维。
原生纤维是由原生细胞壁构成的，例如棉纤维和亚麻纤维。
原生纤维的直径较细，一般小于20微米；因其生长仅发生一次，其结构较简单，只包括纤维素、半纤维素和细胞壁质量。
次生纤维是由次生细胞壁构成的，例如木质素。
次生纤维的直径较粗，一般为20-50微米；其结构复杂，包括三部分：原生细胞壁、次生细胞壁的中层和次生细胞壁的内层。
三、植物纤维化学加工植物纤维在工业上常通过化学方法进行加工。
主要包括以下几个步骤：去除杂质、碱处理、漂白、纤维素膨胀、染色和强化。
去除杂质：将植物纤维进行筛分、清洗、熬软等步骤，去除与纤维相连的非纤维物质，如叶片、树枝等。
碱处理：将去除杂质后的植物纤维浸泡在碱液中，使纤维得到脱脂、脱胶、脱色等处理。
常用的碱液包括氢氧化钠、碳酸钠及亚硫酸等。
漂白：碱处理后的植物纤维中仍含有少量的杂质和色素。
漂白是将这些杂质和色素分离出来，使纤维得到漂白和增白的效果。
漂白剂主要有氯和过氧化氢等。
纤维素膨胀：纤维素膨胀是将处理后的植物纤维浸泡在化学溶液中，使其膨胀，并形成纤维素膜。
纤维素和半纤维素(1) (1)
（2）分级方法
a、溶解分级法：纤维素物料加入纤维素溶剂，则 低分子量的组分首先溶解，而高分子量的组分溶解 较迟。通过调节溶剂的浓度、用量、溶解温度，导 致纤维素依次溶解。从而把纤维素按分子量不同分 成若干级份。所用溶剂为铜氨溶液、铜乙二胺溶液、 磷酸、氢氧化钠等。 b、沉淀分级方法 :纤维素或其酯的溶液+沉淀剂 （正丙醇或丙醇），可降低原来溶剂的溶解能力， 分子量大的先沉淀出来，再加大沉淀剂用量，分子 量小的也沉淀出来。这样，纤维素按分子量大小依 次沉淀出来。 c、凝胶色谱法：根据不同分子量的纤维素，在凝胶 色谱柱中流动的快慢而分离。
（4）水解反应：聚糖在一定条件下水解成单糖 （5）成脎反应：糖与苯肼作用下,生成脎
§5-2 纤维素的存在、分离和测定方法 1、存在
纤维素大家并不陌生，如棉花、纸张等，离开 了纤维素，人们无法生活，纤维素是自然界中 储备量最大，分布最广的天然有机物。纤维素 是高等植物成熟细胞壁的主要组成物质。
木材：40%~50% 禾本科植物：40%~45% Байду номын сангаас麻皮：80%~90% 棉花：95%~99% 树皮 ： 20-30%
纤维素的分子式(C6H10O5)n ，n为聚合度，代表纤维素分子中 葡萄糖基的数目。
按分子个数统计平均的分子量称为数均分子量（Mn）定义 为
=分子的总重量/ 分子的总个数 = ni Mi / ni 按重量统计的平均分子量称为重均分子量Mw
定义为
= wi Mi / wi 用渗透压法和化学法可测定纤维素的数均分子量Mn和数均 聚合度Pn，他们之间的关系为Mn=162Pn 用粘度法、扩散法及超离心法可测得纤维素的重均分子量 Mw和重均聚合度Pw, Mw=162Pw
§5-3 纤维素大分子化学结构、聚合度和 分子量的测定方法、多分散性和分级
第一章植物纤维原料的化学成分及生物结构
植物界
孢子植物 （隐花植物）
种子植物 （显花植物）
裸藻门
绿藻门
轮藻门
金藻门
甲藻门
藻类植物
褐藻门
红藻门
蓝藻门
细菌门
粘菌门
菌类植物
真菌门
地衣门……………….
苔鲜植物门
蕨类植物门
裸子植物门
高等植物
被子植物门
低等植物
苏铁纲 (Gycadinae) 银杏纲 (Ginkgoinae) 裸子植物门 松柏纲 (Coniferae) (Gymnospermae) 红豆杉纲 (Taxinae) 买麻藤纲 (Gnetinae)
二、本课程与其它学科的关系
• 生物结构方面： 植物纤维化学与植物解剖学、植物分类学等有密
切相关。 • 化学性质方面：
植物纤维原料中的纤维素、半纤维素和木素都属 于高分子化合物。
三、本课程与造纸工业的关系
• 植物纤维原料 化学浆 漂白化学浆 打浆 抄纸 纸张；
• 漂白化学浆 精制浆 人造丝、人造毛、电影 胶片、喷漆、食品添加剂等；
松柏纲
松、杉、柏及南洋杉科
双子叶植物纲 被子植物门
单子叶植物纲
双子叶植物纲 单子叶植物纲
阔叶材 禾本科
二、植物的命名
国际通用的学 名，基本采用了 1753 年瑞典植物学 家林奈 (Carl von Linne) 所倡用的 “双名法”作为统 一的植物命名法。
第一个词是属名，相当于“姓”，词性：名词； 第二个词是种加词，相当于“名”，词性：形容词； 学名后面加上最早给这个植物命名的作者名的缩写； 学名是用拉丁文来命名的，如采用其他文字语言时也必 须用拉丁字母拼音，即所谓的拉丁化。
2．韧皮纤维原料
植物纤维原料的化学组成
聚-4-0-甲基葡萄糖醛酸木糖 聚葡萄糖甘露糖
阔叶材：
01
聚半乳糖葡萄糖甘露糖 聚阿拉伯糖-4-0-甲基葡萄糖醛酸木糖
针叶材：
02
聚阿拉伯糖-4-0-甲基葡萄糖醛酸木糖
禾本科：
03
木素（木质素，Lignin）
木素含量：针叶材>阔叶材>禾本科>棉花。
2．的概念
1964年Timell提出：半纤维素是低分子量的聚糖类（其平均聚合度近200），它和纤维素一起正常地产生在组织中，它们可以从原来的或从脱去木素的物料中被水或碱水溶液（这是常用）抽提出来。
木糖(Xylose)、阿拉伯糖(Arabinose)、甘露糖(Mannose)、葡萄糖(Glucose)、半乳糖(Galactose)、4-0-甲基葡萄糖醛酸(4-0-Methyl-Glucuronic Acid)、半乳糖醛酸(Galacturonic Acid)、葡萄糖醛酸(Glucuronic Acid)。
3、禾本科原料抽出物
比木材的更低：蜡质、高级脂肪酸、高级醇
2、阔叶材的抽出物
含量少：脂肪酸、中性物等。
不同原料的有机溶剂抽出物
01
主要组成：松香酸、松节油、萜烯类化合物、脂肪酸及不皂化物等。
02
含量：较高，如：红松的乙醚抽提物为4.69%，马
03
尾松乙醚抽提物为4.43%。
04
存在位置：树脂道和射线薄壁细胞中。
第二节 植物纤维原料的化学成分
利用原料、制定生产工艺条件的基本依据 与产品的产量和质量有密切关系 影响生产过程及综合利用等方面
汇报人姓名
少量组分 细胞壁的主要组分
有机溶剂抽出物 纤维素 半纤维素
植物纤维化学复习总结
植物纤维化学总结第一章1、纤维素(Cellulose) 半纤维素（Hemicellulose）木素（Lignin）针叶材（needle leaved wood或soft wood）阔叶材（leaf wood 或hard wood）草类（straw）2、α—纤维素：用17.5%NaOH或（24%KOH）溶液在20℃下处理综纤维素或漂白化学浆45min，将其中的非纤维素碳水化合物大部分溶出，留下的纤维素及抗碱的非纤维素碳水化合物，分别称为综纤维素的α-纤维素或化学浆的α-纤维素。
英文翻译：The holo-cellulose or bleached chemical pulp is treated with 17.5% sodium hydroxide solution or 24% potassium hydroxide solution at 20 centigrade for 45 minitues; most of the hemicellulose is released and the complex composed of residual cellulose and anti-alkali hemicellulose is called α-cellulose of holocellulose or α-cellulose of chemical pulp.（重点）3、有机溶剂抽出物及其对制浆造纸的影响。
针叶材的抽出物：针叶木中，松木和柏木的有机溶剂抽出物的含量是比较高的（尤其在心材中），其主要成分为松香酸(Rosin Acids)、萜烯类化合物、脂肪酸(Fatty Acids)及不皂化物。
针叶木有机溶剂抽出物主要存在于树脂道和射线薄壁细胞中，心材含量比边材含量高。
阔叶木的抽出物：主要含游离的已酯化的脂肪酸、中性物、多酚类化合物，不含或只含少量松香酸。
主要存在于木射线和木薄壁细胞中。
纤维素,半纤维素和果胶的化学式
纤维素、半纤维素和果胶是常见的植物性纤维素类化合物，它们在植物细胞壁中起着重要的结构和功能作用。
本文将围绕这三种化合物的化学式展开介绍，以期为读者提供更深入的了解。
一、纤维素纤维素是一种多糖类化合物，由数百到数千个β-葡萄糖分子通过1,4-葡萄糖苷键连接而成。
其化学式如下所示：(C6H10O5)n在天然界中，纤维素是最常见的有机化合物之一，广泛存在于植物细胞壁中。
由于其特殊的结构和化学性质，纤维素具有良好的机械强度和耐酸碱性，被广泛用于纸张、纤维素制品、食品工业等领域。
二、半纤维素半纤维素是一种多糖类化合物，通常由葡萄糖、木糖、甘露糖等单糖单体组成，通过β-1,4-和β-1,3-的糖苷键连接而成。
其化学式如下所示：(C5H8O4)n与纤维素相比，半纤维素的分子结构更为多样，同时也具有较强的水溶性。
在植物细胞壁中，半纤维素主要存在于次生壁和中间层，对植物细胞壁的可塑性和抗拉伸性起着重要作用。
三、果胶果胶是一种多糖类化合物，由甲基半乳糖和半乳糖单糖单体通过α-1,4-的糖苷键连接而成。
其化学式如下所示：(C6H10O7)n作为一种水溶性纤维素类物质，果胶具有良好的凝胶性能，常用于食品工业中作为增稠剂和胶凝剂。
果胶也具有一定的抗氧化性能，对于保护食品中的营养成分具有一定作用。
在植物细胞壁中，果胶主要存在于原生质和中间层，对植物细胞的结构和机械性能起着重要的调节作用。
纤维素、半纤维素和果胶作为植物细胞壁中的重要组分，对于植物的生长发育和生理代谢具有重要意义。
它们的化学式和分子结构决定了其在自然界和工业应用中所具有的特殊性质和功能。
希望通过本文的介绍，读者能够对这三种化合物有更深入的了解，为相关领域的研究与应用提供一定的参考价值。
纤维素、半纤维素和果胶作为植物细胞壁中的重要成分，不仅在植物生长发育中发挥着重要的结构和保护作用，同时在工业和食品领域也有着广泛的应用。
接下来我们将更深入探讨这三种化合物的特性和应用。
精品课 植物纤维化学
精品课植物纤维化学植物纤维的化学结构植物纤维是植物中含有的复杂生物聚合物，主要成分为纤维素、半纤维素和木质素。
纤维素纤维素是植物纤维中最丰富的成分，约占其重量的40-60%。
它是由β-D-葡萄糖单元组成的直链聚合物，每个葡萄糖单元以β-1,4-糖苷键连接。
纤维素分子排列成紧密有序的结晶结构，赋予纤维强度和刚度。
半纤维素半纤维素是一组异质性聚合物，约占植物纤维重量的15-35%。
它们由多种糖类单体组成，包括木糖、阿拉伯糖、半乳糖和葡萄糖。
半纤维素分子较短且无规，连接纤维素微纤维，提供结构稳定性和柔韧性。
木质素木质素是一种复杂的芳香聚合物，约占植物纤维重量的15-30%。
它赋予纤维硬度、耐腐性和防水性。
木质素分子通过醚键和酯键与纤维素和半纤维素连接。
植物纤维的性质植物纤维的性质取决于其化学结构。
纤维素的强度和刚度使纤维具有很高的抗拉强度和弹性模量。
半纤维素的柔韧性和可塑性赋予纤维柔韧性和抗皱性。
木质素的疏水性和抗腐性保护纤维免受水分和生物降解的影响。
植物纤维的应用植物纤维广泛应用于造纸、纺织、建筑和复合材料等领域。
造纸：纤维素是造纸的主要原料，为纸张提供强度和韧性。
纺织：棉花、麻和亚麻等天然植物纤维用于生产服装、家纺和工业织物。
建筑：木材和竹子等植物纤维用于建造房屋、桥梁和其他结构。
复合材料：植物纤维增强聚合物复合材料在轻量化、耐用性和可持续性方面具有应用潜力。
植物纤维的修饰植物纤维可以进行化学或物理修饰以改善其性能。
化学修饰包括氧化、乙酰化和酯化，它们可以改变纤维的亲水性、吸湿性和热稳定性。
物理修饰包括纤维化、表面粗糙化和涂层，它们可以增强纤维的强度、抗皱性和抗菌性。
植物纤维的可持续性植物纤维是一种可再生和可持续的资源，与合成纤维相比，其环境足迹较低。
植物纤维的种植和加工需要更少的能源和水，并且可以生物降解，减少环境污染。
植物纤维化学问题详解
第一章1.如何将造纸植物纤维原料进行分类？答：①木材纤维原料：针叶材、阔叶材; ②非木材纤维原料: 禾本科纤维原料、韧皮纤维原料、籽毛纤维原料、叶部纤维原料；③半木材纤维原料：这类原料主要指棉秆；④合成纤维、合成浆：人造丝、聚酰胺、聚酯、聚丙烯、聚氯乙烯等；⑤二次纤维：旧报纸、旧杂志纸、旧瓦楞箱纸板。
2.造纸植物纤维原料中，主要化学组成是什么？写出定义或概念。
答：主要化学成分：纤维素、半纤维素和木素。
纤维素和半纤维素皆由碳水化合物组成，木素则为芳香族-碳键联结构成具有三度空间结构的芳香族高分子化合物。
答：纤维素和纤维素都是碳水化合物，均存在与绿色植物中，都不溶于水。
但纤维素是均一聚糖，只由D-葡萄糖基组成，且有支链，而半纤维素由10种糖组成，且有枝链，纤维素聚合度比半纤维素高，且具有X—射线图。
4.写出综纤维素的定义及四种制备方法，并指出哪种方法比较好？答：综纤维素是指植物纤维原料在除去抽出物和木素后保留的全部碳水化合物。
既植物纤维原料中纤维素和半纤维素的总和。
制备方法：氯化法(Cl2)、亚氯酸钠法(NaClO2→ClO2)、二氧化氯法(ClO2)、过醋酸法(CH3COOOH)。
其中亚氯酸钠法比较好。
5.如何自综纤维素制备α－纤维素？并指出其化学组成。
答：用17.5%NaOH溶液在20℃下处理综纤维素，将其中的非纤维素的碳水化合物大部分溶出，留下的纤维素及抗碱的非纤维素碳水化合物，称为综纤维素的α－纤维素。
化学组成：综纤维素中的纤维素及抗碱的非纤维素碳水化合物。
6.如何自漂白化学浆制备α－纤维素、β－纤维素、γ－纤维素？并指出各自的化学组成。
答：用17.5%NaOH溶液在20℃下处理漂白化学浆，将其中的非纤维素的碳水化合物大部分溶出，留下的纤维素及抗碱的非纤维素碳水化合物，称为化学浆的α－纤维素。
将溶解部分用醋酸中和，沉淀出来的部分称为β-纤维素，不沉淀部分称γ-纤维素。
化学组成：α-纤维素包括漂白化学浆中的纤维素与抗碱性的半纤维素；β-纤维素含高度降解的纤维素与半纤维素；γ-纤维素全部为半纤维素。
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纤维素
引言
• 纤维素是自然界中资源最丰富的有机物质，它 是所有植物细胞的“骨架”，它与半纤维素、 木素一起构成了植物细胞壁物质，在木材中含 量约为50%左右，纤维素由碳、氢、氧三种元素 组成，C占44.4%，H占6.2%，O占49.4%，其分子 式为(C6H10O5)n，分子量为162n，以葡萄糖基构成。
§5-2 纤维素的存在、分离和测定方法
1、存在
纤维素大家并不陌生，如棉花、纸张等，离开 了纤维素，人们无法生活，纤维素是自然界中 储备量最大，分布最广的天然有机物。纤维素 是高等植物成熟细胞壁的主要组成物质。
木材：40%~50%
禾本科植物：40%~45%
苧麻皮：80%~90%
棉花：95%~99%
树皮 ： 20-30%
2、分离、测定
为了获得纯度较高的纤维素，必须对植物纤维原料 进行处理，从中分离出纤维素，目前有两种途径， 一种是对棉纤维素进行分离和精制，因为棉花纤维 素含纤维素95%-99%，仅含少量的脂肪、蜡、果胶 质和聚戊糖。
实验室精制系将棉花用苯-醇混合液脱脂后，再用 1%氢氧化钠溶液在氮气流下煮沸，可以得到相当纯 净的纤维素（纯度在99%以上）。
试剂
后处理
1：4的酸醇 热水洗
NaClO2 氯水6g/L
30%H2O2 +冰醋酸
冰水洗 NaClO2+热素
英国人克劳斯和贝文（Cross and Bevan）于1880年提出的 分离纤维素的方法，所得的纤维素称之为克贝纤维素或简 称为C.B纤维素。该法用氯气处理润湿的无抽提物试料，使 木素转化为氯化木素，然后用亚硫酸及2%亚硫酸钠溶液洗 涤，以溶出木素。重复以上处理，直至加入亚硫酸钠后仅 显淡红色为止。
2单 糖 哈 瓦 斯 式
3、化学反应类型
（1）氧化反应：糖基上的CHO,最下面的-CH2OH 均可被氧化成酸，具体要看氧化剂的强弱而定
（2）还原反应：- CHO可被还原成醇 （3）缩合反应：- CHO可与醇发生缩合反应 （4）水解反应：聚糖在一定条件下水解成单糖 （5）成脎反应：糖与苯肼作用下,生成脎
B 葡萄糖基的键合
葡萄糖基是在什么位置通过什么键连接起来的？把纤维素甲基化， 然后水解成单个基本结构单元。在水解分离出的单元中，甲基化 的位置相当于纤维素分子内的游离羟基的位置。纤维素进行甲基 化,得到每个葡萄糖基环有三个甲基的三甲基纤维素,水解后,得 到2、3、6-三-O-甲基-D-葡萄糖,另外还可得到微量的2、3、4 、 6-四-O-甲基-D-葡萄糖,这表明纤维素葡萄糖基环中游离羟基是 处于2、3、6位，因此，1、4、5位是由化学键连接的。
综纤维素包括了试样中的纤维素和半纤维素，不可避免 的尚含微量残余木素。用5%NaOH和24%KOH分两 步在氮气条件下处理综纤维素,重复处理，使其半纤维 素和残余木素含量逐步下降，从而获得纤维素（其纤维 素得率也逐渐减少），随着试样的品种和测定方法之不 同，分离的纤维素得率在40-60%之间。
不论哪种分离方法，在分离纤维素过程中，纤维素都 受到不同程度的降解，所得的结果均是在特定条件下 获得的，故所得的百分含量值必须冠以其分离方法。
在上述条件下，非纤维素的碳水化合物也部分被溶出，另 外还有0.1-0.3%的木素仍残留在克贝纤维素中。克贝纤维 素降解较综纤维素稍多，但与工业纸浆中的纤维素相比， 其降解程度则较小，它含纤维素与一部分半纤维素。
硝酸乙醇法纤维素
硝酸乙醇法测定纤维素含量是法国人库尔施奈尔和霍费 (Kurschner & Hoffer)所提出：用20%硝酸和80%乙醇的混 合液，在加热至沸腾(75-80℃)的条件下处理无抽提物的植 物纤维原料，使其所含木素变为硝化木素，并溶于乙醇之 中，所得残渣过滤即为硝酸乙醇纤维素。此法使原料中大 部分半纤维素水解，故测定结果较同一原料的克贝纤维素 含量低。而且在测定过程中，纤维素分子链也发生降解， 故其组成，性质与克贝纤维素也有所不同。
§5-3 纤维素大分子化学结构、聚合度和 分子量的测定方法、多分散性和分级
1、纤维素的大分子结构
纤维素是由很多吡喃型D-葡萄糖基，在1-4位 置上彼此以ß-苷键连接而成的线型高聚物， 其结构如下：
(1) 结构论证
A 纤维素大分子的结构单元：
(a)纤维素的强酸水解
1921年Menier-Willianes 用浓H2SO4水解纯的棉花纤维，分 离出得率为90.7%的结晶D-葡萄糖。这对于确定纤维素聚合物 是由脱水D-葡萄糖的重复单元所组成是一个好的证明。1922 年Irvine和Hirst把棉花醋酸化，转化成纤维素醋酸酯，然后 甲醇解得到得率为95.5%的甲基-D-葡萄糖苷和甲基 -D-葡 萄糖苷的混合物，进一步分析，其产物不含多戊糖，也没有其 它化合物能检查出来，由此证明纯的纤维素只含葡萄糖基。
§5-1. 糖 化 学 基 础
1. 结 构 式
单 糖 开 链 式
倒数第二个碳原子上的-OH在右为D型，在左为L型。 葡萄糖为Glucose，简写为 Glu。 甘露糖为Mannose，简写为 Man 阿拉伯糖为Arabinose，简写为 Ara 半乳糖为Galactose ，简写为 Gal 木糖为Xylose，简写为 Xyl。 上述这些结构是开链式， 也可写成哈瓦斯式如葡萄糖 大家知道吡喃是六元环，呋喃是五元环，因此我们一般把六 元环的糖基称为吡喃型，把五元环的糖基称为呋喃型
另一种是从木材和其他植物纤维原料中制备，需要 从中除掉相当多的伴生物如木质素、半纤维素及果 胶等，也就不可避免地会引起纤维素的分解，制得 的纤维素其纯度也就远不及棉纤维素。
从木材和其他植物纤维原料中制备:
处理方法 试 样
硝酸乙醇法 气干试样
综 亚氯酸纳法 苯醇抽提后
纤
维 氯化法
苯醇抽提后
素 过醋酸法 苯醇抽提后
纤维素经40%盐酸或72%硫酸在室温下放置12-24小时，使其 充分溶解，然后稀释至含酸量低于1%，在水浴锅上回流煮沸数 小时，如此所得到的D-葡萄糖接近于理论值（96-98%）
(b)纤维素经醋酸分解得到八醋酸纤维素二糖,皂化后可得到高 得率的纤维素二糖
(c)缓和条件水解可得到3-7个葡萄糖基的低聚糖