木质素

木质素
                木质素
  木质素(Lignin)木质素又称木质或木素。是构成植物细胞壁的成分之一,具有使细胞相连的作用。木质素是一种含许多负电集团的多环高分子有机物。木质素完全取材于植物,无任何化学添加剂。对环境无任何副作用。在植物组织中具有增强细胞壁及黏合纤维的作用。其组成与性质比较复杂,并具有极强的活性。不能被动物所消化,在土壤中能转化成腐殖质。如果简单定义木质素的话,可以认为木质素是对羟基肉桂醇类的酶脱氢聚合物。它含有一定量的甲氧基,并有某些特性反应。
  1838年,法国化学家和植物学家A.Payen用硝酸和碱交替处理木材,并用酒精和乙醚洗涤,在分离出纤维素的同时得到了一种比纤维素含碳量更高的化合物,也就是最初级的木质素。1857年,F.Schulze仔细分离出这种化合物,并称之为"lignin"。Lignin是从木材的拉丁文"lignum"衍生而来,中文译为“木质素”,也叫“木素”。

木质素简介

  木质素是存在于植物纤维中的一种芳香族高分子化合物。在植物组织中具有增强细胞壁、粘合纤维的作用。分离出来的木质素是黄褐色无定形粉末。其组成与性质比较复杂并具有极强的活性。不能被动物所消化,在土壤中能转化成腐殖质。含有木质素的纸浆易泛黄,不易漂白。在制浆过程中,机械法主要破坏其粘合作用,化学法用碱液等溶去其大部分,使与纤维素和半纤维素分离。根据纸浆中木质素的含量可分为软浆或硬浆等,前者含有木质素约3%以下,后者达约8%。半化学浆可能含有约15%。机械木浆几乎含有全部。它还用于制备香兰素,也可用途鞣料或胶粘剂等。分离方法有用浓酸溶解植物纤维和用碱提取木质素两种。前者以72%硫酸溶解多糖类化合物(经有机溶剂提取后的试样),使木质素沉淀而出。后者以烧碱溶液在170-180℃高温下处理试料,提取木质素,然后在提取液中加酸酸化而使沉淀分离。
  木质素(lignin),不是碳水化合物,而是苯基丙烷衍生物的单体构成的聚合物。是由四种醇单体(对香豆醇、松柏醇、5-羟基松柏醇、芥子醇)形成的一种复杂酚类聚合物。木质素是构成植物细胞壁的成分之一,具有使细胞相连的作用。
  一般而言,针叶树的木质素主要是松柏基丙烷的聚合物;阔叶树的木质素是松柏基丙烷和丁香丙烷的聚合物,而稻类和竹类植物的木质素则是松柏基丙烷、丁香丙烷和对一甲香豆丙烷的聚合体。木质素是植物细胞壁的一种结构成分,特别是在木本植物成熟的木质部中,其含量可达18%~38%,主要分布在纤维、导管和管胞中。蔬菜中则很少见含有。一般存在于豆类、麦麸、可可、巧克力草莓及山莓的种子部分之中。其最重要的作用就是吸附胆汁的主要成分胆汁酸,并将其排除体外。
  木质素呈褐色粉末。 不溶于水,可溶于强碱和亚硫酸盐溶液。木质素无毒,性能优异,在工业上应用日益广泛。

木质素分类

  根据木质素组成的差异,可分为三类,木醇木质素、木醇-芥子醇木质素 、木醇-芥子醇-对羟基苯木质素。因单体不同,可将木质素分为3种类型:由紫丁香基丙烷结构单体聚合而成的紫丁香基木质素(syringyl lignin,S-木质素),由愈创木基丙烷结构单体聚合而成的愈创木基木质素(guajacyl lignin,G-木质素)和由对-羟基苯基丙烷结构单体聚合而成的对-羟基苯基木质素(hydroxy-phenyl lignin,H-木质素);裸子植物主要为愈创木基木质素(G),双子叶植物主要含愈创木基-紫丁香基木质素(G-S),单子叶植物则为愈创木基-紫丁香基-对-羟基苯基木质素(G-S-H)。从植物学观点出发,木质素就是包围于管胞、导管及木纤维等纤维束细胞及厚壁细胞外的物质,并使这些细胞具有特定显色反应(加间苯三酚溶液一滴,待片刻,再加盐酸一滴,即显红色)的物质;从化学观点来看,木质素是由高度取代的苯基丙烷单元随机聚合而成的高分子,它与纤维素、半纤维素一起,形成植物骨架的主要成分,在数量上仅次于纤维素。木质素填充于纤维素构架中增强植物体的机械强度,利于输导组织的水分运输和抵抗不良外界环境的侵袭。

木质素的来源

  在自然界中,木质素的储量仅次于纤维素,而且每年都以500 亿吨的速度再生。制浆造纸工业每年要从植物中分离出大约 1.4 亿吨纤维素,同时得到 5000万吨左右的木质素副产品,但迄今为止,超过95 %的木质素仍以“黑液”直接排入江河或浓缩后烧掉 ,很少得到有效利用。

木质素的分解

  木质素是植物体的重要组分,含量仅次于纤维素和半纤维素。一般占植物干重的 15%~20% ,木材的木质素含量可高达 30% 左右。在植物细胞壁中,木质素与纤维素紧密结合,其含量对纤维素的生物分解有很大影响。木质素含量达 20%~30% 时,纤维素的分解速度明显减慢,至 40% 时,由于木质素屏蔽了纤维素,使微生物不能直接与其接触,而难于被分解。
  木质素的化学结构十分复杂,至今尚未完全清楚。紫外光谱分析证明,木质素是芳香族化合物的多聚体,其基本结构单元是苯丙烷( C6-C8 )型的结构,以醚键( -C-O-C- )和( C-C )键结合成大分子聚合物,分子量可达 1 万至几万 Da 。
  木质素的分解速度相当缓慢。研究表明,将玉米秸杆施入土壤后,其中的可溶性有机质、纤维素和半纤维素可被逐渐分解, 6 个月后总干重下降 2/3 ,但木质素仅下降 1/3 。木质素的分解在 0~150 天内,木质素不断减少,而 150~300 天期间,木质素减少有限,但其中的甲氧基( -OCH 3 )数量明显下降,羟基( -OH )数量直线上升。这表明在分解后期,虽然木质素在量上变化不大,但其分子结构仍在改变。在厌氧条件下,木质素的分解速度更慢,然而其甲氧基( -OCH 3 )的消失却更快。
  担子菌是分解木质素能力最强的微生物类群,其中多孔菌( Polyporus abietinus )和多孔菌( Polyporus subacoda )能以木质素作为唯一碳源。在森林的枯枝败叶中,担子菌是木质素的主要分解者(表1 )。腐蚀木材时,担子菌不仅分解木质素,也同时分解纤维素和半纤维素等物质。可分为褐腐和白腐两种类型。褐腐是指这类真菌主要降解木材中的纤维素和半纤维素组分,较少侵蚀木质素而使残留物呈褐色的腐烂。相反,白腐则是指担子菌主要侵蚀木材中的木质素,较少降解纤维素而使残留物呈白色的腐烂。
            表1:真菌对胶皮糖香树木质素的分解
  
  除担子菌外,某些其他真菌也能分解木质素,如乳酸镰刀菌( Fusarium lactis )、雪腐镰刀菌( Fusarium nirale )、木素木霉( Trichoderma ligorum ),以及交链孢霉、曲霉、青霉中的一些种。
  毫无疑问,木质素不仅能被真菌降解,也能被细菌降解。活跃的好氧性木质素分解细菌有假单胞菌属、节杆菌属 ( Arthrobacter ) 、小球菌属 ( Micrococcus ) 以及黄单胞菌属 ( Xanthomonas ) 中的一些菌株。
  木质素分解的生化途径尚不清楚。用纯木质素作基质时,培养液中可检出多种简单的芳香族化合物,常见的有香草酸、对 - 羟基苯甲酸、对 - 羟基肉桂酸、阿魏酸、 4- 羟基 -3- 甲氧基苯丙酮酸、香草醛、愈创木酚、甘油等。

木质素的用途和使用方法

  木质素可用于道路的土壤稳定剂,木质素是植物细胞壁的主要组成部分。纸浆中根据所含木质素量可化学浆约15%,机械木浆几乎含有全部。它还用于制备香兰素和二甲基亚砜,也可用作鞣料或胶黏剂等。用浓酸溶解植物纤维和用碱提取木质素。前者以72%硫酸溶解,经有机溶剂提取后,使木质素沉淀而了。后者以烧碱溶液在170~180℃高温下处理试料,提取木质素,在提取液中加酸酸化而沉淀分离。化学品或合成树脂反应可得相应的木质素树脂。
  木质素的主要用途:
  用作混凝土减水剂:掺水泥重量的0.2-0.3%,可以减少用水量10-15%以上,改善混凝土和易性,提高工程质量。夏季使用,可抑制坍落度损失,一般都与高效减水剂复配使用。
  用作选矿浮选剂和冶炼矿粉粘结剂,冶炼业用木质素磺酸钙与矿粉混合,制成矿粉球,干燥后放入窑中,可提高冶炼回收率。
  耐火材料:制造耐火材料砖瓦时,使用木质素磺酸钙做分散剂和粘合剂,能改善操作性能,并有减水、增强、防止龟裂等良好效果。
  陶瓷:用于陶瓷制品可以降低碳含量增加生坯强度,减少塑性粘土用量,泥浆流动性好,提高成品率70-90%,烧结速度由70分钟减少为40分钟。
  木质素磺酸钠是阴离子表面活性剂,棕黄色粉末。主要用于分散染料和还原染料的分散和填充,具有良好的分散性、耐热稳定性和高温分散性,助磨效果良好,对纤维沾污轻,对偶染料还原性小。
木质素磺酸钠
  木质素磺酸钠
  其他用途包括:
  沥青乳化剂
  水泥生产的助磨剂
  锅炉上作为除垢剂、循环水质稳定剂
  可用作地质、油田、巩固井壁及石油开采堵水剂,油田三次采油助流剂
  可湿性农药填充剂和乳化分散剂
  防沙、固沙剂
  用于电镀电解,能使镀层均匀,无树状花纹
  制革工业上作为鞣革助剂
  型煤粘结剂,水煤浆添加剂(分散与填充)
  长效缓释氮肥剂,高效缓释复合肥改良添加剂
  用于铅酸蓄电池和碱性蓄电池阴极防缩剂,提高电池低温急放电和使用寿命
  化石能源的日益枯竭、木质素的丰富储量、木质素科学的飞速发展决定木质素的经济效益的可持续发展性。木质素成本较低,木质素及其衍生物具有多种功能性,可作为分散剂、吸附剂/解吸剂、石油回收助剂、沥青乳化剂,木质素对人类可持续发展最为重大贡献就在于提供稳定、持续的有机物质来源,其应用前景十分广阔。