植物纖維細(xì)胞壁的微細(xì)結(jié)構(gòu)

1、第六節(jié)第六節(jié) 植物纖維細(xì)胞壁的微細(xì)結(jié)構(gòu)植物纖維細(xì)胞壁的微細(xì)結(jié)構(gòu)（ultrastructureultrastructure）一、纖維細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)一、纖維細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu) 細(xì)胞壁由原生質(zhì)體所分泌的物質(zhì)形成，細(xì)胞壁由原生質(zhì)體所分泌的物質(zhì)形成，分為分為胞間層、初生壁胞間層、初生壁和和次生壁次生壁。 細(xì)胞壁上的細(xì)胞壁上的紋孔、胞間聯(lián)絲紋孔、胞間聯(lián)絲等結(jié)構(gòu)以實(shí)等結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞之間水分及其他物質(zhì)的輸導(dǎo)和流現(xiàn)細(xì)胞之間水分及其他物質(zhì)的輸導(dǎo)和流通。通。（二）木材纖維細(xì)胞壁的層次結(jié)構(gòu)（二）木材纖維細(xì)胞壁的層次結(jié)構(gòu) 胞間層胞間層 mlml 細(xì)胞角區(qū)（細(xì)胞角區(qū)（cccc） 復(fù)合胞間層復(fù)合胞間層cmlcml 初生壁初生壁 p

2、 p 次生壁外層次生壁外層s s1 1 次生壁中層次生壁中層s s2 2 次生壁內(nèi)層次生壁內(nèi)層s s3 3 瘤層瘤層 / ht/ ht層層 胞間層（中間層，胞間層（中間層，middle lamellamiddle lamella，mlml）: : 細(xì)胞分裂時(shí)在兩個(gè)新細(xì)胞之間形成的一層薄膜。細(xì)胞分裂時(shí)在兩個(gè)新細(xì)胞之間形成的一層薄膜。( (木素、果膠）木素、果膠） 初生壁（初生壁（primary wallprimary wall，p p層）：層）：纖維素、半纖維纖維素、半纖維素等物質(zhì)在胞間層的內(nèi)側(cè)沉積形成。具有柔軟性素等物質(zhì)在胞間層的內(nèi)側(cè)沉積形成。具有柔軟性和可塑性，厚度僅有和可塑性，厚度僅有0.

3、10.1m m。 （纖維素、半纖維素、木素）（纖維素、半纖維素、木素） 次生壁（次生壁（secondary wallsecondary wall，s s層）：層）：原生質(zhì)體所分原生質(zhì)體所分泌的纖維素等產(chǎn)物在初生壁內(nèi)側(cè)沉積形成，厚度泌的纖維素等產(chǎn)物在初生壁內(nèi)側(cè)沉積形成，厚度在在5 51010m m。分為外層（。分為外層（s s1 1）、中層（）、中層（s s2 2）、內(nèi)層）、內(nèi)層（s s3 3）. . 次生壁是細(xì)胞壁的主體，給植株以剛性和抗次生壁是細(xì)胞壁的主體，給植株以剛性和抗風(fēng)能力。風(fēng)能力。 所有植物細(xì)胞都具有所有植物細(xì)胞都具有初生壁初生壁，但，但并不都具有并不都具有次生壁次生壁。正常的纖維細(xì)

4、胞的細(xì)胞壁均是由。正常的纖維細(xì)胞的細(xì)胞壁均是由p、s1、s2、s3等層次所構(gòu)成的。等層次所構(gòu)成的。 細(xì)胞腔：細(xì)胞腔：細(xì)胞壁所包圍形成的空腔稱為細(xì)胞細(xì)胞壁所包圍形成的空腔稱為細(xì)胞腔。腔。 瘤層（瘤層（warty-layer)：部分材種的：部分材種的s3層內(nèi)表面層內(nèi)表面及紋孔緣內(nèi)表面上存在瘤層。及紋孔緣內(nèi)表面上存在瘤層。纖維細(xì)胞壁的微細(xì)結(jié)構(gòu)纖維細(xì)胞壁的微細(xì)結(jié)構(gòu)不同層次微細(xì)纖維的取向及其對(duì)材質(zhì)的影響不同層次微細(xì)纖維的取向及其對(duì)材質(zhì)的影響 微細(xì)纖維微細(xì)纖維（microfibrilmicrofibril）：在電子顯微鏡圖中）：在電子顯微鏡圖中可見(jiàn)到的未失真最小細(xì)纖維。可見(jiàn)到的未失真最小細(xì)纖維。 微細(xì)纖維

5、的取向：微細(xì)纖維的取向：是指微細(xì)纖維在細(xì)胞壁上與纖是指微細(xì)纖維在細(xì)胞壁上與纖維的軸向之間的交角（或傾角）。維的軸向之間的交角（或傾角）。 在纖維細(xì)胞壁的不同層次中，微細(xì)纖維的取在纖維細(xì)胞壁的不同層次中，微細(xì)纖維的取向是不同的。微細(xì)纖維的取向是鑒別材種的微細(xì)向是不同的。微細(xì)纖維的取向是鑒別材種的微細(xì)結(jié)構(gòu)特征的重要依據(jù)。結(jié)構(gòu)特征的重要依據(jù)。微細(xì)纖維的取向與纖維及木材的力微細(xì)纖維的取向與纖維及木材的力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系學(xué)性質(zhì)的關(guān)系 微細(xì)纖維的取向不同，直接影響纖維及微細(xì)纖維的取向不同，直接影響纖維及木材原料的力學(xué)性質(zhì)。木材原料的力學(xué)性質(zhì)。傾角大：傾角大：抗壓性能好，抗拉強(qiáng)度差抗壓性能好，抗拉強(qiáng)度差傾角?。?/p>

6、傾角?。嚎估瓘?qiáng)度好，抗壓強(qiáng)度差抗拉強(qiáng)度好，抗壓強(qiáng)度差 三者關(guān)系三者關(guān)系：細(xì)胞壁中，細(xì)胞壁中，微細(xì)纖維、微細(xì)纖維、半纖維素、半纖維素、木素以不連木素以不連續(xù)的層狀結(jié)續(xù)的層狀結(jié)構(gòu)繞細(xì)胞腔構(gòu)繞細(xì)胞腔排列排列瘤層（瘤層（w w warty layer warty layer） 有些樹(shù)種，如馬尾松、云南松等，在細(xì)胞腔的腔壁上有有些樹(shù)種，如馬尾松、云南松等，在細(xì)胞腔的腔壁上有一層瘤狀結(jié)構(gòu)層，這個(gè)部位纖維素含量較少，木素含量較高，一層瘤狀結(jié)構(gòu)層，這個(gè)部位纖維素含量較少，木素含量較高，它是獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，與它是獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，與s s3 3層有明顯的界限。層有明顯的界限。臭松管胞內(nèi)壁的瘤層（弦切面）臭松管胞內(nèi)壁的瘤層

7、（弦切面）1.1.瘤層；瘤層；2.s2.s3 3層層12htht層（層（helical thickeninghelical thickening） 某些針葉材，如花旗松與紫杉的纖維細(xì)胞壁在某些針葉材，如花旗松與紫杉的纖維細(xì)胞壁在s s3 3層的細(xì)層的細(xì)胞腔一側(cè)，有螺旋狀增厚層胞腔一側(cè)，有螺旋狀增厚層( (節(jié)狀增厚層節(jié)狀增厚層) )，稱為，稱為htht層，層，htht層層起著細(xì)胞壁的附加支撐作用。起著細(xì)胞壁的附加支撐作用。微細(xì)纖維的精細(xì)結(jié)構(gòu)微細(xì)纖維的精細(xì)結(jié)構(gòu)纖維細(xì)胞 微細(xì)纖維 原微細(xì)纖維 纖維素分子 亞原微細(xì)纖維thomas:（一）微細(xì)纖維的精細(xì)結(jié)構(gòu)（一）微細(xì)纖維的精細(xì)結(jié)構(gòu)纖維素大分子（約纖維素

8、大分子（約4040個(gè)）有規(guī)則地排列聚集成原細(xì)個(gè)）有規(guī)則地排列聚集成原細(xì)纖維（纖維（elementary fibrilelementary fibril），若干原細(xì)纖維組成微細(xì)纖），若干原細(xì)纖維組成微細(xì)纖維（維（microfibrilmicrofibril），若干微細(xì)纖維再組成纖維），若干微細(xì)纖維再組成纖維（fiberfiber）。）。d.fengeld.fengel的微細(xì)纖維結(jié)構(gòu)模型的微細(xì)纖維結(jié)構(gòu)模型 原細(xì)纖維直徑為原細(xì)纖維直徑為3nm(elementary fibril)3nm(elementary fibril) 微纖維絲直徑為微纖維絲直徑為 12nm (fibril)12nm (fibr

9、il) 微細(xì)纖維直徑為微細(xì)纖維直徑為 25nm( microfibril)25nm( microfibril)tappi/march 1970 vol.53,no.3tappi/march 1970 vol.53,no.3纖維素長(zhǎng)纖維素長(zhǎng)鏈分子與鏈分子與微細(xì)纖維微細(xì)纖維之間的結(jié)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系構(gòu)關(guān)系纖維的層次結(jié)構(gòu)與打漿的關(guān)系纖維的層次結(jié)構(gòu)與打漿的關(guān)系 打漿過(guò)程：打漿過(guò)程： 打漿初期，打漿初期，p層及層及s1層破裂引起纖維表面層破裂引起纖維表面微細(xì)纖維化。微細(xì)纖維化。 破壞破壞p層及層及s1層，完全打掉或部分打掉，層，完全打掉或部分打掉，使使s2層裸露并使其分絲帚化。層裸露并使其分絲帚化。 橫向切

10、斷，縱向分絲帚化。橫向切斷，縱向分絲帚化。 使纖維發(fā)生水化潤(rùn)脹，也叫內(nèi)部微細(xì)纖維使纖維發(fā)生水化潤(rùn)脹，也叫內(nèi)部微細(xì)纖維化。化。禾本科纖維的微細(xì)結(jié)構(gòu)禾本科纖維的微細(xì)結(jié)構(gòu) 稻草、麥草的細(xì)胞壁組成較正常稻草、麥草的細(xì)胞壁組成較正常 其他原料的纖維細(xì)胞壁都具有特殊性。其他原料的纖維細(xì)胞壁都具有特殊性。 禾本科原料的纖維細(xì)胞壁的禾本科原料的纖維細(xì)胞壁的p p、s1s1層較層較厚。厚。主要化學(xué)組分在細(xì)胞壁中的分布主要化學(xué)組分在細(xì)胞壁中的分布 骨架（骨架（frameworkframework）：纖維素）：纖維素 填充物質(zhì)填充物質(zhì)(matrix substance)(matrix substance)和粘合物質(zhì)

11、和粘合物質(zhì)(encrusting substance) (encrusting substance) ：半纖維素、：半纖維素、木素木素 這三種組分在細(xì)胞壁中構(gòu)成了繞細(xì)胞腔排這三種組分在細(xì)胞壁中構(gòu)成了繞細(xì)胞腔排列的相互間斷的同心層。列的相互間斷的同心層。纖維素的分布纖維素的分布 纖維素在原料纖維細(xì)胞壁中的分布具有纖維素在原料纖維細(xì)胞壁中的分布具有明顯的規(guī)律性，明顯的規(guī)律性，從從p p層到層到s3s3纖維素含量纖維素含量逐步升高，逐步升高，其中其中s2s2、s3s3層中含量最高。層中含量最高。半纖維素的分布半纖維素的分布 所有材種的所有材種的cmlcml半纖維素半纖維素的的濃度最高濃度最高；s s

12、層層濃度最低濃度最低。見(jiàn)表見(jiàn)表1-311-31木素的分布木素的分布研究表明：研究表明： 1 1、不同形態(tài)學(xué)區(qū)域中木素濃度的分布規(guī)律是：、不同形態(tài)學(xué)區(qū)域中木素濃度的分布規(guī)律是：cccmlscccmls3 3ss1 1ss2 2（見(jiàn)表（見(jiàn)表1 13232） cmlcml層，木素是無(wú)定型的；層，木素是無(wú)定型的；s s層中木素在微細(xì)層中木素在微細(xì)纖維周圍順著各層微細(xì)纖維的方向排列。纖維周圍順著各層微細(xì)纖維的方向排列。 2 2、s s層木素層木素濃度低濃度低，但是由于占的體積分?jǐn)?shù)，但是由于占的體積分?jǐn)?shù)大，所以大，所以木素含量還是木素含量還是s s層最多層最多。 fergus, procter, and

13、goring, 1967sccml木素分布圖木素分布圖在胞間層木素濃在胞間層木素濃度為度為 70-80%70-80%在細(xì)胞壁中木素在細(xì)胞壁中木素濃度為濃度為 20-30%20-30%應(yīng)壓木和應(yīng)拉木應(yīng)壓木和應(yīng)拉木 在樹(shù)干橫斷面上如果髓心偏向一側(cè)，且偏心部在樹(shù)干橫斷面上如果髓心偏向一側(cè)，且偏心部分的年輪特別寬，它在解剖構(gòu)造和材性上與正分的年輪特別寬，它在解剖構(gòu)造和材性上與正常材都有顯著的差異，這部分木材稱之為應(yīng)力常材都有顯著的差異，這部分木材稱之為應(yīng)力木，應(yīng)力木是木材中的一種缺陷。而在針葉樹(shù)木，應(yīng)力木是木材中的一種缺陷。而在針葉樹(shù)材中產(chǎn)生于傾斜樹(shù)干或枝椏的下側(cè)，即在受壓材中產(chǎn)生于傾斜樹(shù)干或枝椏的下

14、側(cè)，即在受壓的一側(cè)，稱為應(yīng)壓木（的一側(cè)，稱為應(yīng)壓木（compression wood）。而在闊葉樹(shù)材中產(chǎn)生于傾斜樹(shù)干或枝椏的上。而在闊葉樹(shù)材中產(chǎn)生于傾斜樹(shù)干或枝椏的上側(cè)，即在受拉的一側(cè)，稱為應(yīng)拉木（側(cè)，即在受拉的一側(cè)，稱為應(yīng)拉木（tension wood）。）。應(yīng)壓木化學(xué)組成應(yīng)壓木化學(xué)組成 應(yīng)壓木化學(xué)組成中的木質(zhì)素含量平均增應(yīng)壓木化學(xué)組成中的木質(zhì)素含量平均增加加9%，纖維素含量平均減少，纖維素含量平均減少10%，半，半乳糖含量平均增加乳糖含量平均增加7.8%。由于應(yīng)壓木。由于應(yīng)壓木的化學(xué)成分變化較大，所以它對(duì)制漿和的化學(xué)成分變化較大，所以它對(duì)制漿和造紙不太適宜，而且影響其產(chǎn)品的收縮造紙不太適宜

15、，而且影響其產(chǎn)品的收縮和機(jī)械性質(zhì)。和機(jī)械性質(zhì)。應(yīng)拉木化學(xué)組成應(yīng)拉木化學(xué)組成 在應(yīng)拉木的化學(xué)組成中，纖維素和灰分的含量在應(yīng)拉木的化學(xué)組成中，纖維素和灰分的含量增加，木質(zhì)素和半纖維素的含量減少。制漿實(shí)增加，木質(zhì)素和半纖維素的含量減少。制漿實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)拉木化學(xué)漿粕的產(chǎn)量高于正常材，驗(yàn)證明，應(yīng)拉木化學(xué)漿粕的產(chǎn)量高于正常材，（因?yàn)槠淅w維素的相對(duì)含量較高）且機(jī)械分離（因?yàn)槠淅w維素的相對(duì)含量較高）且機(jī)械分離比正常材容易。（因?yàn)槠淠举|(zhì)素的相對(duì)含量較比正常材容易。（因?yàn)槠淠举|(zhì)素的相對(duì)含量較低，而木質(zhì)素是一種結(jié)殼物質(zhì)，在細(xì)胞壁中起低，而木質(zhì)素是一種結(jié)殼物質(zhì)，在細(xì)胞壁中起到了水泥的作用）但這些漿粕生產(chǎn)的人造絲的到了

16、水泥的作用）但這些漿粕生產(chǎn)的人造絲的強(qiáng)度低。（這與纖維的長(zhǎng)度有關(guān)）強(qiáng)度低。（這與纖維的長(zhǎng)度有關(guān)）severe compression wood on a cross-section surface of a leaning softwood stem in scots pine (pinus sylvestris) (photo by hannu kalaja).average chemical composition of normal and reaction woods from scots pine (pinus sylvestris). figures are given as a

17、percentage of the wood dry solids.figure 12. average chemical composition of normal and tension woods from silver birch (betula pendula). figures are given as a percentage of the wood dry solids.四、禾本科纖維的微細(xì)結(jié)構(gòu)四、禾本科纖維的微細(xì)結(jié)構(gòu)1. 1. 微細(xì)結(jié)構(gòu)有的與木材相似，如麥草、稻草、田青微細(xì)結(jié)構(gòu)有的與木材相似，如麥草、稻草、田青等，其纖維細(xì)胞壁也可以分為等，其纖維細(xì)胞壁也可以分為mlml、p

18、p、s s1 1、s s2 2、s s3 3。2. 2. 禾本科纖維的禾本科纖維的p p層及層及s s1 1層的厚度占細(xì)胞壁厚度的層的厚度占細(xì)胞壁厚度的比例較大比例較大。3. s3. s1 1與與s s2 2層之間連接緊密，因此打漿時(shí)往往較木材纖維層之間連接緊密，因此打漿時(shí)往往較木材纖維難于分絲帚化。難于分絲帚化。4. 4. 部分纖維的次生壁中層（部分纖維的次生壁中層（s s2 2）是多層結(jié)構(gòu)，）是多層結(jié)構(gòu)，5 5層、層、7 7層層或或9 9層。層。5. 5. 寬層的染色較淺，表明木素的濃度較低，窄層的染色寬層的染色較淺，表明木素的濃度較低，窄層的染色較深，表明其中木素的濃度較高。較深，表明其

19、中木素的濃度較高。 我國(guó)造紙行業(yè)的現(xiàn)狀和未來(lái)我國(guó)造紙行業(yè)的現(xiàn)狀和未來(lái)l 中國(guó)紙張生產(chǎn)和消費(fèi)總量均居世界第一位。中國(guó)紙張生產(chǎn)和消費(fèi)總量均居世界第一位。l 2010年，生產(chǎn)總量年，生產(chǎn)總量9270萬(wàn)噸；消費(fèi)總量萬(wàn)噸；消費(fèi)總量9173萬(wàn)噸。萬(wàn)噸。l 2015年，預(yù)計(jì)生產(chǎn)總量年，預(yù)計(jì)生產(chǎn)總量11600萬(wàn)噸；消費(fèi)總量萬(wàn)噸；消費(fèi)總量11470萬(wàn)噸，年增速萬(wàn)噸，年增速4.6%。 （中國(guó)造紙工業(yè)中國(guó)造紙工業(yè)“十二五十二五”規(guī)劃規(guī)劃）我國(guó)的制漿造紙植物纖維原料我國(guó)的制漿造紙植物纖維原料 我國(guó)制漿造紙植物纖維原料的現(xiàn)狀我國(guó)制漿造紙植物纖維原料的現(xiàn)狀 原料不足（見(jiàn)前表）原料不足（見(jiàn)前表） 草類原料豐富，木材原料缺乏

20、草類原料豐富，木材原料缺乏造紙植物纖維原料的未來(lái)造紙植物纖維原料的未來(lái) 原料結(jié)構(gòu)持續(xù)改善。加快形成符合我國(guó)國(guó)情的以廢紙纖維、木纖維為主，合理利用非木纖維的造紙?jiān)辖Y(jié)構(gòu)。2015年木漿、非木漿、廢紙漿比重由2010年22.0%、15.3%、62 .7 %調(diào)整為24.3 %、11.7 %、64.0 %。國(guó)內(nèi)廢紙漿比重由38.0%提高到41.0%，國(guó)產(chǎn)木漿比重由8.4%提高到10.3%。（中國(guó)造紙工業(yè)中國(guó)造紙工業(yè)“十十二五二五”規(guī)劃規(guī)劃）改善我國(guó)制漿造紙植物纖維原料現(xiàn)狀改善我國(guó)制漿造紙植物纖維原料現(xiàn)狀的途徑的途徑加速發(fā)展造紙用速生材基地加速發(fā)展造紙用速生材基地大力發(fā)展廢紙制漿造紙大力發(fā)展廢紙制漿造紙

21、合理利用原料合理利用原料擴(kuò)大竹子等制漿造紙利用率擴(kuò)大竹子等制漿造紙利用率國(guó)外的預(yù)測(cè)國(guó)外的預(yù)測(cè)美國(guó)銳思林紙產(chǎn)品咨詢公司（risi）預(yù)測(cè)：全球木漿市場(chǎng)：“不管是現(xiàn)在或者是將來(lái)，中國(guó)市場(chǎng)的造紙產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將有利地促進(jìn)全球木漿的消耗量。預(yù)計(jì)，20112015年間，中國(guó)的木漿進(jìn)口量將保持年均8.9%的增長(zhǎng)率。在未來(lái)的15年內(nèi)，廢紙漿在全球纖維原料中所占的比例將進(jìn)一步提高。一方面，因?yàn)榄h(huán)境方面的壓力，政府將進(jìn)一步鼓勵(lì)公司使用二次纖維；另一方面，脫墨及廢紙制漿過(guò)程相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展也使廢紙制漿的質(zhì)量進(jìn)一步提高，上述兩方面都將促進(jìn)廢紙漿消費(fèi)量的提高。預(yù)計(jì)，到2025年，廢紙漿在原料配比中占到65%，比目前的5

22、6%有較大幅度的提高，2025年廢紙漿消耗量將達(dá)到4億噸。預(yù)計(jì)，20112025年，廢紙漿消耗量將以年均4%的增速增長(zhǎng)。未來(lái)15年里廢紙漿市場(chǎng)的增長(zhǎng)將主要來(lái)源于發(fā)展中國(guó)家的促進(jìn)作用，而中國(guó)市場(chǎng)的促進(jìn)作用是決定性的。因?yàn)橹袊?guó)本國(guó)廢紙漿市場(chǎng)難以滿足需求，因此廢紙漿消費(fèi)市場(chǎng)的明顯增長(zhǎng)必然會(huì)帶來(lái)進(jìn)口市場(chǎng)的擴(kuò)張。中國(guó)將繼續(xù)保持廢紙漿進(jìn)口第一，預(yù)計(jì)到2025年，中國(guó)廢紙漿進(jìn)口量將達(dá)到4500萬(wàn)噸，將比2010年的進(jìn)口量提高3000萬(wàn)噸。第一章思考題第一章思考題 如何將造紙植物纖維原料進(jìn)行分類？如何將造紙植物纖維原料進(jìn)行分類？ 造紙植物纖維原料中、主要化學(xué)組成是什么？寫(xiě)出定義造紙植物纖維原料中、主要化學(xué)組成是什么？寫(xiě)出定義或概念?；蚋拍?。 比較纖維素與半纖維素的異同。比較纖維素與半纖維素的異同。 寫(xiě)出綜纖維素的定義及四種制備方法、并指出哪種方法寫(xiě)出綜纖維素的定義及四種制備方法、并指出哪種方法比較好？比較好？ 如何自綜纖維素制備如何