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木材化学

作者:汇感农业百科  阅读:次  类别:森林工业卷

    研究木材中各种物质的组成、结构、理化性质、分布规律以及探索何种化学方法有效利用木材资源的一门学科。由于木材中的有机物在细胞中的分布位置不同,一般区分为细胞壁物质和非细胞壁物质。细胞壁物质是构成木材的基本物质,如纤维素、半纤维素和木质素,都属于天然高聚物。非细胞物质是树木生长过程中形成的次生物质,主要分布在细胞间隙和细胞腔内,种类多、含量少,且因树种和所在部位不同而异,变化幅度较大,基本上属于低分子化合物。因其能溶于水或中性有机溶剂,又称木材提取物。此外,尚含有不到1%的无机物。温带针叶树材和阔叶树材的主要化学成分分别为:纤维素42±2%、45±2%;半纤维素27±2%、30±5%;木质素28±3%、20±4%;提取物3±2%、5±3%。探索上述主要成分的结构、性质及其在木材中的相互关系,以及分离提纯过程中的相互变化,则是木材化学研究的主题和内容。

    历史沿革 木材化学起源于欧洲,但18世纪的欧洲,人们普遍认为木材是一种均匀的化合物。即使1811年格艾—路赛克(J.L.Gay-Lussac)和瑟纳尔得(L.J.Thenard)首次对木材进行了元素分析,由于不同木材元素的相似性,仍然摆脱不了传统的观点。1838年法国农学家帕延(A.Payen)首先重视木质化植物细胞壁化学组成的研究,采用硝酸、苛性钠交替处理木材的方法,得到一种白色絮状残留物,定名为“纤维素”;溶去的物质,比纤维素碳元素含量高得多,氢元素也高一些,定名为“结壳物质”。这种分离出来的纤维素可溶于铜氨溶液,经氯化锌—碘溶液处理显紫色反应,含碘1%的66%硫酸处理显深蓝色反应;但存在木材中纤维素既不溶于铜氨溶液,也无上述显色反应。根据这些事实,帕延提出著名的结壳学说,其要点即木材细胞壁中的纤维素是嵌在结壳物质之中的。帕延试图通过多种分离方法,弄清结壳物质的成分,但未获得成功。通过上述研究结果,足以说明木材并不是单一的化合物,而是由多种化合物组成的,其中含有一种纤维素。帕氏学说为当时绝大多数所接受,从而推动木材化学的研究向前发展。帕延堪为木材化学学科的创建人。

    帕延当年提出的结壳物质,实际上就是木质素和半纤维素。木质素这个名字,虽然早在1865年就提出来了,但仅仅是结壳物质的别名而已。直至1897年,克拉森(P.Klason)研究木质素磺酸时,发现松柏醇在亚硫酸盐蒸煮条件下形成的磺酸,其性质几乎与木质素磺酸一样,因而他提出松柏基丙烷衍生物是木质素的基本亲缘物质的观点。1907年又提出木质素是一种高分子化合物的观点。10年之后,他再提出通过醇羟基和酚羟基之间的连续缩合反应而将松柏醇单质联接起来等设想。虽然帕延没能提出实验来证明他的观点,但被后人的研究得到证明,他提出的观点是正确的,世界公认他是木质素之父。

    半纤维素一词是1891年提出的,但对其实质并不清楚,直至20世纪60年代,才明确半纤维素是木化植物细胞壁中由两种以上糖基构成的非均一高聚糖,比纤维素易溶于稀碱,易于稀酸水解。

    19世纪50年代至20世纪20年代,木材化学的研究主要依赖于有机化学的经典分析方法。自20世纪20年代(特别是60年代)之后,由于偏光和电子显微镜、X-射线仪、紫外和红外光谱仪、质谱仪、核磁共振光谱仪以及各种色谱等近代分析方法引进木材化学研究领域,木材化学领域本身分离、分级和纯化技术的不断进步,生物合成和模型化合物的对比研究,以及当代有机化学结构理论上的成就,使木材化学在19世纪的研究基础上,得以迅速地发展。

    展望 有关木材成分、结构、性质的主要方面以及各种成分在木材细胞中的分布,基本已为人们所掌握。但其中有不少细节如纤维素分子是怎样结合成纤维素微丝,木材中的纤维素分子是怎样结合成的,是否存在折叠结构,木质部不同形态区域内木质素特有结构细节有哪些,组成半纤维素少量成分的高聚糖有哪些等等问题,尚有待进一步研究。以往木材化学领域多偏向主要成分单一的研究,即使这样,也要经过近130多年的时间,才了解到木材中纤维素、半纤维素、木质素3种主要成分的主要方面以及次生物质的成分和分布,了解它们之间在木材中的关系。从80年代研究倾向观察,预计今后木材化学将从单一成分的研究走向整体木材化学的研究,以期达到充分开拓木材这种再生、潜在资源,使之为人类服务。

【参考书目】:

    王佩卿主编:《木材化学》,中国林业出版社,1990。

    埃罗·斯特勒姆著,王佩卿、丁振森泽:《木材化学》,中国林业出版社,1985。(Eero.Sjöström,Wood ChemistryFundamentals and Applications,Academic Press Inc,New York,London,Toronto,Sydney,San Francisco,1981.)

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