Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия растительного сырья. Учебное пособие
.pdf
Влияют на свойства древесины форма и размеры волокон.
Прямолинейная их форма, которая присуща для хвойных пород,
обеспечивает последним более высокие показатели прочности. Извилистость волокон в лиственных породах дерева обеспечивает
лучшие показания ударной вязкости и прочности к скалыванию
вдоль волокон.
Породы деревьев с кольцесосудистым строением имеют очень
высокую гибкость, поскольку наличие сосудов обеспечивает волокнам способность не разрушаться при уплотнении.
2.3. Т
ОНКОЕ СТРОЕНИЕ СТЕНОК
ДРЕВЕСНЫХ КЛЕТОК
Как уже говорилось ранее, структурной единицей древесины
и других высших растений является клетка. Каждая клетка имеет ограничивающую её оболочку или стенку, внутри которой в живых
клетках находится протоплазма с ядром. Известно, что всякие клетки,
в том числе и древесины, никогда не зарождаются вновь, а всегда образуются путем деления уже существующих клеток. Древесные клетки образуются в результате деления живых клеток камбия. Природа
протоплазмы при этом заметно меняется. Её ядро постепенно перетягивается и делится пополам с образованием двух ядер, между которыми образуется клеточная стенка или оболочка. Так из одной клетки
получаются две, причем каждая имеет свою протоплазму, ограниченную собственной оболочкой. Смежные клетки всегда прочно скреплены между собой межклеточным веществом.
В жизни вновь образовавшейся древесной клетки можно отметить три стадии её развития, а именно: увеличение её размеров и поверхности, утолщение оболочки (стенки) и лигнификация.
В стадии роста древесной клетки её протоплазма вначале ограничена первичной оболочкой, которая формируется в результате деятельности живой протоплазмы. В протоплазме образуются вещества,
необходимые для придания оболочке твердости, водонепроницаемости и других свойств. При увеличении размеров клетки возрастает её
поверхность. Первичная оболочка становится тоньше и значительно
изменяет свою форму. Это происходит потому, что в древесной ткани
растущие клетки оказывают значительное давление друг на друга.
Первичная оболочка клетки является наружной. Этой оболочкой
две соседние клетки сращиваются между собой (при помощи межкле-
21
точного вещества) в сложную срединную пластинку, кажущуюся
однородной. Однако при рассматривании её в поляризационном микроскопе можно отчетливо видеть две светлые первичные оболочки
соседних клеток и между ними темный слой межклеточного вещества. При действии окислителей (например, хромовой кислоты с бертолетовой солью) межклеточное вещество можно растворить и клетки
(или волокна) древесины разделить между собой.
Во второй стадии роста после того, как древесная клетка достигает своего наибольшего размера по поверхности, её оболочки начинают постепенно утолщаться. Этот процесс происходит в результате
дальнейшей деятельности протоплазмы. Последняя откладывает
на первичную оболочку изнутри большое число слоев вторичной
оболочки. Толщина вторичной оболочки у разных клеток сильно колеблется. Прозенхимные клетки, выполняющие водопроводящие
и особенно механические функции, обычно имеют более толстые
стенки, чем паренхимные.
Конечной стадией развития древесной клетки является лигнификация её оболочек, т. е. отложение в них лигнина. Подобно двум
предыдущим стадиям, лигнификация может происходить лишь при
жизни клеточной протоплазмы, так как отмершие клетки не могут
лигнифицировать свои оболочки. В значительной степени лигнифицируется также и первичная оболочка после или во время её отложения. Процесс образования лигнина в протоплазме происходит, вероятно, за счет окисления ароматических веществ, служащих катализаторами растительного дыхания. Таким образом, перечисленные выше
три стадии развития вновь образовавшейся древесной клетки не являются строго последовательными и происходят практически одновременно.
Как уже было сказано выше, клетки древесины разделены между собой тонким слоем межклеточного вещества, который отличается
от клеточной стенки тем, что он изотропен. Это значит, что по своей
физической природе он проявляет во всех направлениях одинаковые
оптические свойства. Слой межклеточного вещества содержит большое количество лигнина и пектиновых веществ. В противоположность этому клеточная оболочка анатомических элементов древесины
по своей физической природе анизотропна и состоит из двух структурных частей – первичной и вторичной оболочек (рис. 2.4).
Первичная оболочка очень тонка и содержит примерно столько
же лигнина, как и слои межклеточного вещества. Она одинаково
с этим слоем окрашивается красителями, и потому возникают трудно-
22
сти при её обнаружении. Вторичная оболочка обладает значительно
большей толщиной и состоит из трех слоев: наружного S1, среднего S
2
и внутреннего S3. Толщина этих слоев неодинакова. Если внешний и
внутренний слои S1 и S3 вторичной оболочки клетки сравнительно
тонкие, то средний слой S2 достигает значительной толщины. Этот
слой, в свою очередь, состоит из большого числа концентрических
наслоений, откладываемых протоплазмой при формировании вторичной оболочки клетки.
S3 S2 S1
K
S3
S2
S1
P
S P M
Рис. 2.4. Тонкое строение клеточной стенки:
А – полость клетки; М – межклеточное вещество; Р – первичная оболочка;
S – вторичная оболочка; S1, S2, S3 – слои вторичной оболочки;
K – канал волокна
Давно уже были замечены при микроскопических наблюдениях
характерные особенности строения оболочек растительных клеток.
Этими особенностями являются их слоистость и полосатость.
Слоистость оболочки растительной клетки обусловлена в основном наличием многочисленных концентрических колец в мощном
среднем слое S3 её вторичной оболочки. Она становится особенно заметной на поперечном сечении волокна после его набухания в медноаммиачном реактиве, в горячем концентрированном растворе хлористого цинка или в щелочи. При сильном увеличении с помощью микроскопа удается различать до 200 и более чередующихся между собой
более плотных (светлых) и менее плотных (темных) концентрических
23
наслоений. Причину этой слоистости объясняли различно, видя её в
неравномерной работе протоплазмы, отлагающей изнутри концентрические кольца слоя S2 вторичной оболочки.
При изучении концентрической слоистости на поперечных срезах волокон сырого (неочищенного) хлопка, состоящего на 90 % из
чистой целлюлозы, было замечено, что концентрические слои отлагаются во вторичной оболочке периодически. Нарастание каждого
слоя, соответствующего одному дневному вегетационному периоду,
задерживается ночью. На следующий день начинает откладываться
новый слой. В результате такого прерывистого (периодического) процесса во вторичной оболочке клеток хлопка образуется концентрическая слоистость.
В клетках древесных пород нарастание вторичной оболочки, повидимому, также происходит путем прерывистого периодического
отложения концентрических колец. По мнению некоторых исследователей, в светлых, более плотных участках поперечных срезов вторичной
оболочки древесного волокна преобладает целлюлоза, и, наоборот,
в темных (рыхлых) концентрических кольцах вторичной оболочки
в большей части содержится лигнин и другие нецеллюлозные вещества.
Полосатость оболочки растительной клетки также является характерной её особенностью. Полосатость можно заметить с помощью
поляризационного микроскопа, при больших увеличениях, в виде довольно тонкой штриховатости, идущей косо, по спирали справа вверх
налево, вдоль оси волокна. Часто после соответствующей обработки и
набухания клеточной оболочки или при легком надавливании на неё
обнаруживаются две взаимно перекрещивающиеся системы штрихов.
Они, вероятно, относятся к разным концентрическим слоям той же
оболочки.
По современным представлениям такая штриховатость клеточной оболочки обусловлена наличием тончайших нитей фибрилл цел-
люлозы неопределенной длины. Так, например, наблюдения при помощи электронного микроскопа и методами микроскопии показали,
что первичная оболочка клетки Р и все три слоя S1, S2 и S3 вторичной
оболочки построены из целлюлозных фибрилл (см. рис. 2.4).
Диаметр фибрилл, вероятно, может колебаться в широких пределах от 1000 Å (0,0001 мм = 0,1 µ) до 100–300 Å (0,00001–0,00003 мм =
= 0,01 µ). Ориентация фибрилл в клеточных стенках неодинакова.
Однако целлюлозные фибриллы составляют только меньшую часть
24
объема первичной оболочки. Большую часть объема этой оболочки
занимают лигнин и гемицеллюлозы. Толщина первичной оболочки в
сухом состоянии, измеренная с помощью электронного микроскопа,
оказалась около 300 Å. Предполагают, что в ней может содержаться
около трех слоев целлюлозных фибрилл.
В природном набухшем состоянии толщина первичной оболочки клетки оценивается примерно в 0,1 µ (1000 Å). Целлюлозные фибриллы внешнего слоя Р вторичной оболочки образуют две группы
встречных перекрещивающихся очень пологих восходящих спиралей.
Однако структура этого слоя, по мнению некоторых исследователей,
может являться еще более сложной.
В среднем широком слое S2 вторичной оболочки целлюлозные
фибриллы располагаются по крутым восходящим спиралям под углом, значительно большим 45°, или почти параллельно продольной
оси клетки. Причем спирали закручены против часовой стрелки
вокруг продольной оси клетки. Некоторые исследователи в последнее
время считают, что видимая разница между отдельными концентрическими кольцами слоя S2 вторичной оболочки объясняется небольшими различиями в направлениях целлюлозных фибрилл, образующих эти кольца. С помощью электронного микроскопа недавно было
показано, что каждое концентрическое кольцо среднего слоя S2 вторичной оболочки имеет толщину 100–200 Å. Следовательно, каждое
концентрическое кольцо этого слоя имеет максимум два кольцевых
наслоения фибрилл.
Внутренний слой S3 вторичной оболочки построен из фибрилл,
расположенных по очень пологим восходящим спиралям, также против часовой стрелки, почти перпендикулярно к продольной оси волокна. Однако точное расположение фибрилл в этом внутреннем слое
пока еще не вполне выяснено. В клетках некоторых древесных пород
(береза, ель) фибриллы во внутреннем слое направлены почти вдоль
продольной оси клетки. В других же случаях этот слой вообще может
отсутствовать.
Контрольные вопросы и задания
для самоподготовки
1. Охарактеризуйте макроскопическое строение дерева и функ-
ции отдельных его элементов.
2. Назовите основные части ствола.
3. На каких разрезах изучают строение и свойства древесины?
25
4. Перечислите элементы макроскопического строения древе-
сины.
5. Какие особенности макроскопического строения древесины
используют для определения пород?
6. Назовите основные структурные элементы и их расположе-
ние в клеточной стенке.
7. Опишите анатомические элементы, выполняющие проводя-
щие, механические и запасающие функции в древесине хвойных и лиственных пород.
8. Чем отличается микростроение древесины лиственных и
хвойных пород?
9. Покажите зависимость свойств древесины и строения клеток.
10. Перечислите стадии развития клетки.
11. В чем заключаются особенности строения первичной и вто-
ричной оболочки древесной клетки?
26
3. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
3.1. Х
ИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ БИОМАССЫ ДЕРЕВА
Основой живой природы являются органические высокомолекулярные соединения. Важнейшими соединениями, входящими в состав
растений, являются полисахариды, лигнин, белки, пектиновые вещества. Например, ценные механические свойства древесины, хлопка,
льна обусловлены значительным содержанием в них высокомолекулярного полисахарида – целлюлозы. Главной составляющей частью
пшеницы, ржи, овса, риса, кукурузы, картофеля является другой полисахарид – крахмал.
Торф, бурый уголь, каменные угли представляют собой продукты геологического превращения растительных тканей, главным
образом целлюлозы и лигнина, и также должны быть отнесены к высокомолекулярным соединениям.
Мир растений – исполинское производство высокомолекулярных соединений, в котором осуществляется биохимический синтез
высших полисахаридов и лигнина. Катализаторами процесса синтеза
высокомолекулярных соединений в растениях служат белкиферменты.
По химическому составу растительные ткани отличаются друг
от друга. Например, в древесине главными из органических веществ
являются целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин. Для злаковых растений таким соединением является крахмал (табл. 3.1).
Наряду с этим, существенное значение для характеристики растительного сырья имеет содержание экстрактивных веществ, уроновых кислот, зольных компонентов, а также углеводный состав гидролизатов, образующихся при количественном гидролизе полисахаридов, и др. Определение всех этих компонентов ведет к наиболее полной характеристике химического состава растительной ткани.
Следует помнить, что изучение химического состава растительного сырья связано с большими трудностями: во-первых, из-за сложности строения этих веществ, во-вторых, из-за существования тесной
связи между отдельными компонентами в исследуемом образце. До
настоящего времени еще не найдены совершенные методы, позволяющие выделить основные компоненты из растительного сырья
в неизменном состоянии. Это обусловлено, прежде всего, высокомолекулярной природой этих соединений.
27
Таблица 3.1
Содержание высокомолекулярных соединений
Древесина:
– хвойная;
– лиственная
Торф 35 18 – 8 –
Картофель 4,4 8,4 70–80 – 2
Пшеница 2,8 14,8 60–72 – 16
Рожь 2,2 10 65 – 13
Кукуруза – 12 66 – 10
Ячмень 6 11 55 – 12
Топинамбур
(надземная часть)
Примечание: прочерк означает отсутствие компонента.
в растительных материалах
Содержание, % от сухого сырья Материал
Целлюло-
за
46–54
41–45
18–37
Гемицел-
люлозы
16–19
21–28
11–19
Крахмал Лигнин Белки
–
–
–
25–30
20–24
9–18
~1
~1
1,5–17,5
При выделении отдельных компонентов, таких как лигнин и
целлюлоза, используются сравнительно жесткие методы химического
воздействия, вызывающие изменение химического состава и молекулярной массы вследствие окислительных, гидролитических и других
реакций. Кроме того, выделенные компоненты, как правило, содержат
примеси в виде продуктов их разложения и другие вещества.
Древесина – многолетняя ткань, образующаяся в результате
вторичного прироста в стволе, ветвях и корнях деревьев и кустарников.
Элементный химический состав древесины разных пород практически одинаков. Абсолютно сухая древесина в среднем содержит
около 50 % углерода. Элементный химический состав древесины
ствола и ветвей также различается мало. В коре содержится больше
углерода (табл. 3.2). В малых количествах могут присутствовать Ni,
As, Cu, Cd, Pb, Cr, Zn и др.
При сжигании древесины остается ее неорганическая часть – зола. Содержание золы в древесине колеблется от 0,25 до 1 % и зависит
в первую очередь от породы дерева. Так, например, зольность древесины бука составляет 0,57, дуба – 0,53, сосны – 0,39, березы – 0,29,
а лиственницы – 0,27 %. Если проба древесины взята весной, в период
интенсивного сокодвижения, то количество золы в ней будет больше,
чем в пробе, взятой осенью или зимой. Древесина верхней части
28
ствола дает больше золы, чем нижняя. Больше золы дает кора и ветви.
Так, кора дуба при сжигании образует 7,2 %, а ветви березы 0,64 %
золы.
Таблица 3.2
Углерод (С) 48–50 51–66
Кислород 38–42 23–40
Водород (Н) 6–6,5 5,9–8,4
Азот (N) 0,5–2,3 0,3–0,8
Сера (S) 0,05 0,05
Хлор (Cl) ≤ 0,01 0,01–0,03
Примечание: а.с.с. – абсолютно сухое сырье.
Элементный состав древесины и коры
Количество, % а.с.с. Элемент
Древесина Кора
Зола древесины частично растворяется в воде (до 10–25 % от
общего количества золы). Растворимая часть состоит главным образом из углекислого калия и натрия (около 2/3 растворимой части) и
карбонатов других металлов, а также растворимых солей серной, соляной и кремниевой кислот. Из нерастворимых веществ важнейшими
являются углекислый кальций (около половины нерастворимой части), силикаты, фосфаты и окислы железа, магния и марганца.
Основными компонентами клеточных стенок древесины являются целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин, кроме этих компонентов
растительные клетки содержат еще и экстрактивные вещества (рис. 3.1).
Полисахариды можно классифицировать по выполняемой функции и по растворимости компонентов. Основную часть полисахаридов относят к структурообразующим компонентам, участвующим
в построении клеточной стенки, а водорастворимые компоненты
относят к экстрактивным веществам (водорастворимые полисахариды
и полиурониды).
Структурные полисахариды, не извлекаемые из древесины нейтральными растворителями и водой, называют холоцеллюлозой.
Холоцеллюлоза – комплекс полисахаридов древесины, получающийся в виде волокнистого остатка после удаления экстрактивных веществ и лигнина. В состав холоцеллюлозы входят целлюлоза
и нецеллюлозные полисахариды (гемицеллюлозы). Выход холоцеллюлозы при выделении ее из древесины различными методами
составляет в среднем для хвойных пород 70–73 %, для лиственных
29
пород – 72–79 %. В промышленности получение холоцеллюлозы рас-
вещ
е
ства
сматривают как перспективный способ выделения полисахаридов
древесины для дальнейшей переработки в целлюлозно-бумажном
и гидролизных производствах.
Целлюлоза
Пентозаны Гексозаны
Ксиланы
Арабинаны
ДРЕВЕСИНА
Гемицеллюлозы Лигнин
Маннаны
Галактаны
Экстрактивные
Летучие с паром
Растворимые
в органических
растворителях
Растворимые
в воде
Рис. 3.1. Схема химического состава древесины
Целлюлоза, или клетчатка, является основной составной частью
древесины и других растительных тканей. Вторым по количеству
компонентом древесины является лигнин, третий компонент сырья –
экстрактивные вещества (табл. 3.3).
По химическому составу гемицеллюлозы хвойных пород значительно отличаются от гемицеллюлоз древесины лиственных пород.
Содержание гемицеллюлоз в древесине колеблется от 17 до 43 %.
В лиственных породах гемицеллюлоз примерно в 1,5 раза больше,
чем в хвойных. Состав гемицеллюлоз лиственной и хвойной древесины обычно различен (табл. 3.4).
На долю полисахаридов в древесине независимо от породы дерева приходится 65–70 % от массы сухого сырья. Лиственные породы
содержат больше пентозанов (17–25 %, иногда до 30 %), а хвойные
породы – меньше (от 5 до 13 %).
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]