【正文】 植 物 纖 維 化 學 一、課程性質和研究內容 ? 課程性質 植物纖維化學是輕化、林產化工專業(yè)的基礎理論課程，研究木材及造紙用非木材植物原料的化學組成、結構、性質、分布規(guī)律及其利用途徑。 ? 研究內容 主要研究植物纖維原料的生物結構及其所含各組分，特別是木質素、纖維素和半纖維素三種主要組分的化學組成、化學結構、物理和化學性質、分布規(guī)律及其利用途徑。 學習內容與相關課程的關系 本課程牽涉有機化學、分析化學（包括儀器分析）、物理化學、高分子化學、高分子物理、生物合成等相關基礎課程。 有關生物結構方面的內容，在 《 植物纖維形態(tài)與結構 》 課程中專門講述； 有關木質素、纖維素和半纖維素在蒸煮和漂白化學反應過程中的影響因素，在《 制漿原理與工程 》 課程中專門講述。 本課程重點研究植物纖維原料的三種主要成分（俗稱三大素），都是天然有機高分子化合物，因此本課程可視作是高分子化合物化學的一個組成部分。 高分子化合物： 指原子數(shù)量達到 103 — 109個，分子量極高并含有若干規(guī)則結構單元的物質。高分子化合物可直接來源于自然界，也可以是人工合成產品。 高分子化合物的化學結構 鏈狀線型：橡膠、纖維素、熱塑性塑料 網狀結構：熱固性塑料、木質素 二、課程的具體要求 掌握木材和造紙用植物原料的主要化學成分 纖維素、半纖維素和木質素的結構、性質 掌握造紙用植物原料的主要化學成分 纖維素、半纖維素和木質素在植物細胞中的分布狀況，以及相互之間的關系； 掌握制漿造紙過程中主要化學反應的實質，為制漿造紙專業(yè)課奠定理論基礎； 了解木材及造紙用非木材植物原料中抽提物的主要類型及主要代表物的結構、性質以及對制漿造紙過程的影響。 三、本課程與化工專業(yè)的關系 植物纖維原料中主要成分的分離和利用 （ 1）、纖維素的綜合利用 （ 2） 、半纖維素的利用 （ 3） 、木質素的分離和利用 （ 4） 、提取物的分離與利用 纖維素衍生物的制備： ? 纖維素酯化和醚化反應是制備纖維素衍生物的重要反應。 ? 由于纖維素大分子每個糖基上有三個 –OH（ C2， C3，C6），可發(fā)生各種酯化、醚化反應，在很大程度上可改變纖維素的性質，生產出許多有價值的纖維素衍生物。 纖維素衍生物的制備 ? 纖維素酯化和醚化反應是制備纖維素衍生物的重要反應。 ? 由于纖維素大分子每個糖基上有三個 –OH（ C2， C3， C6），可發(fā)生各種酯化、醚化反應，在很大程度上可改變纖維素的性質，生產出許多有價值的纖維素衍生物。 纖維素衍生物 纖維素酯： 醋酸酯（醋酸纖維素或乙酰纖維素） 電 影膠片、清漆（難燃）（ –OH被 –O–CO–CH3取代） 硝酸酯（硝酸纖維素或硝化纖維素） 炸藥、清漆（易燃）（ –OH被 –NO2取代） 磺酸酯（黃原酸酯） 粘膠人造絲、玻璃紙 （ Cell–OH + CS2 + NaOH， –OH被 –O–CS–SNa取代） 纖維素衍生物 ? 纖維素醚 ? 乙基纖維素 ? 塑料、清漆、涂料、膠粘劑 ? （ –OC2H5代替 –OH） ? 羧甲基纖維素（ CMC） ? 造紙業(yè)、食品、化妝品、紡織工業(yè)添加劑 （ –OCH2–COOH代替 –OH） 半纖維素衍生物 ? 在造紙工業(yè)中的重要性 ? 生產糠醛 ? 生產木糖醇 ? 在醫(yī)藥和生物化學中的應用 木質素產品 ? 水泥減水劑 ? 植物生長調節(jié)劑 ? 固沙劑 ? 粘合劑 ? 制藥（胃潰瘍、止血劑） ? 緩釋肥 ? 用于石油開采 ? 表面活性劑等 提取物的分離與利用 ? 松香、松節(jié)油 ? 栲膠、活性炭 ? 生物活性物質：生物農藥、天然藥物 如：紫杉醇、甾醇、生物堿、植物激素、印楝素等。 四、主要參考資料 （ 1） 植物纖維化學（第二版），輕工業(yè)出版（ 1991） （ 2） 木材化學 ─ 基礎與應用，（芬蘭） Eero Sj246。rstrom著， 王佩卿，丁振森譯，中國林業(yè)出版社（ 1981） （ 3） Wood Chemistry ─ Ultrastructure and Reactions, Dietrich Fengel, Gerd Wegener (1984) （ 4） 木質素的化學 ─ 基礎與應用，（日本）中野準三著， 高潔等譯，輕工業(yè)出版社（ 1979） （ 5） 木材化學，（日本）中野準三等著， 鮑禾等譯，中國林業(yè)出版社（ 1983） 五、本課程的特點及學習方法 課程特點：植物纖維化學是一門發(fā)展中的學科。這一學科雖然已有 100余年的歷史，但至今仍在不斷發(fā)展、不斷完善。 學習方法：課堂學習與課后閱讀結合 六、教學安排 ? 理論課 40學時。 ? 教學內容： ? （一）緒論 ? （二）主要成分及在細胞中的分布 ? （三）木質素化學 ? （四）纖維素化學 ? （五）半纖維素化學 ? （六）提取物化學 植物纖維原料的結構 第一章 植物分類及命名 植物種類繁多，地球現(xiàn)存約 40萬種 根據(jù)親緣關系，歸結為 界 ——門 ——綱 ——目 ——科 ——屬 ——種 藻類植物 低等植物 菌類植物 植物 苔蘚植物 高等植物 蕨類植物 種子植物 木本 —針葉樹類 裸子植物： 木本 —闊葉樹類 種子植物 雙子葉植物：草類、麻類、豆類 被子植物 單子葉植物 —多數(shù)為草本，如禾本科類、禾本亞科、 竹亞科 命名 國際統(tǒng)一命名為拉丁名，即植物 學名一般采用雙名法：屬名、種 名、定名人。 如馬尾松 Pinus massoiana Lamb 植物纖維原料的分類 、木材纖維原料： ? 針葉材（又稱軟木， Softwood） 如云杉、紅松、落葉松、馬尾松、思茅松等； ? 闊葉木（又稱硬木， Hardwood） 如楊木、樺木、桉木、櫸木、相思木等 、 非木材纖維原料 ? （ 1）草類纖維原料 即禾本科植物纖維原料。 如稻草、麥草、蘆葦、荻、甘蔗渣、竹、龍須草等； ? （ 2）韌皮纖維原料 包括各種麻類及某些樹種的樹皮，如亞麻、黃麻、紅麻、桑皮、構皮、檀皮等； ? （ 3）種毛纖維原料 如棉短絨纖維。 植物細胞學基礎 活的細胞腔內充滿原生質、成熟后形成空腔 成熟細胞的構造主要為細胞壁的構造其中包括細胞壁的層狀構造 胞間層 M 復合胞間層 CML 初生壁 P 細胞壁 外層 S1（ Outer layer） 次生壁 S 中層 S2（ Middle layer） 內層 S3（ Inner layer） 、植物成熟細胞壁的層狀構造 ? 各層的精細構造 ? 通過電子顯微鏡研究，可進一步了解纖維細胞壁的層狀結構是由不同走向的微纖絲構成。 微纖絲 ——纖維素分子的聚集體 是細胞壁中用電鏡能鑒別出的最小天然結構單位，在電鏡下呈細絲狀 微纖絲外圍是半纖維素，微纖絲相互之間鑲嵌著木質素和半纖維素，須脫去木質素才能在電鏡下看到微纖絲。 ? 微纖絲以不同走向沿軸繞纏構成細胞壁各個薄層： (見薄膜模式木材纖維的超微結構 ) M厚約 1~2μ無微纖絲 P厚約 ~狀、無規(guī)則 S1厚約 ~1μ”s”、” z”型交叉螺旋 50~70度 S2厚約 3~10μ單一取向10~20度 ——30~40度 占細胞壁的70~80% S3較 S2薄走向類似 S1 （ T三生壁 北歐習慣） ? S1層微纖維結晶度較高，對化學作用較穩(wěn)定，與 P層結合較緊密， S1緊緊套住 S2使S2不易分絲縱裂，打漿時先將 P、 S1剝離，S1S2結合較松弛，生產半化學漿時往往在S1S2之間分離， S2層是否易散開，與微纖絲夾角有關，角度越小，越容易分絲量化， P層薄而易碎 ? 稻草、麥草與木材纖維相似，但分層較厚， S2層角度較大 ? 多年生禾本科植物（如竹）次生壁層狀構造較為特殊，具有多層結構，每層由厚、薄不一，微纖絲走向不同的兩個薄層交替排列而成。 ? 窄層：走向幾乎與軸垂直（ 8590度），且恒定 ? 寬層：走向幾乎與軸平行（ 220度） ? 胞間層 ——腔緩慢增加 ? 木質素濃度窄層 寬度 ? 禾草類纖維超微結構有四種類型，見“中國造紙原料纖維特性及顯微圖譜” P33 、植物成熟細胞壁上的紋孔 ? 紋孔（ pit）：次生壁不均勻加厚過程中遺留下來的未加厚部分形成的凹穴。 ? 紋孔對：相鄰細胞壁上成對出現(xiàn)的紋孔。 （也有不成對的稱為盲紋孔） ? 作用：相鄰細胞間水分和養(yǎng)料交流的主要通道。制漿造紙過程中藥液滲透的主要通道。 單紋孔（ Simple pit） 紋孔類型 具緣紋孔（ Bordered pit） 單紋孔對 紋孔對 具緣紋孔對 半具緣紋孔對 具緣紋孔對 半具緣紋孔對 單紋孔對 紋孔 ? 具緣紋孔對及其構造 ? 具緣紋孔對（ TEM） ? 具緣紋孔 、植物纖維原料的解剖結構 木材構造 ? 根據(jù)觀察手段的不同，木材（樹干的主要部分，木質部）的構造分為 粗視構造 (Coarse Structure) 和 顯微構造 (Microstructure)。 ? 粗視構造 ：又稱宏觀構造，直接憑肉眼或者借助放大鏡能見到的木材外貌特征。 ? 顯微構造 ：又稱微觀構造，顯微鏡下觀察到的木材構造（在電子顯微鏡下觀察到的構造又稱超微結構）。 ? 木材解剖結構研究通常在 三切面 上進行： 包括 橫切面 、 徑切面 和 弦切面 木材三切面 ? 橫切面 （ Cross Section or Transverse View)：沿著與樹木生長軸垂直方向切開的面稱為橫切面。 ? 弦切面 (Tangetial Section)：沿著與射線垂