半纖維素

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半纖維素(hemicellulose):是由幾種不同類型的單糖構成的異質多聚體,這些糖是五碳糖和六碳糖,包括木糖、阿伯糖、甘露糖半乳糖等。半纖維素木聚糖在木質組織中佔總量的50%,它結合在纖維素微纖維的表面,並且相互連接,這些纖維構成了堅硬的細胞相互連接的網路。

目錄

簡介

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植物細胞壁構成纖維素小纖維間的間質凝膠多糖群中除去果膠質以外的物質,是構成初生壁的主要成分。包括葡萄糖、木糖、甘露糖、阿拉伯糖和半乳糖等,單糖聚合體間分別以共價鍵、氫鍵、醚鍵和酯鍵連接,他們與伸展蛋白、其他結構蛋白、壁酶、纖維素和果膠等構成具有一定硬度和彈性的細胞壁,因而呈現穩定的化學結構。原來是從總纖維素中

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以17.5%NaOH以至24%KOH提取出來的多糖成分的總稱,而沒有相應的特定的化學結構。鹼提取液用醋酸中和沉澱的部分是半纖維素A,上清液乙醇沉澱的部分是半纖維素B。作為重要的多糖除木聚糖、葡聚糖阿拉伯木聚糖葡萄甘露聚糖、阿拉伯半乳聚糖等中性多糖外。  

親水性

半纖維素具有親水性能,這將造成細胞壁的潤脹,可賦予纖維彈性。在紙頁成型過程中有利於纖維構造和纖維間的結合力。因此,半纖維素的加入影響了表面纖維的吸附 ,對紙張強度有影響。紙漿中保留或加入半纖維素有利於打漿,這是因為半纖維素比纖維素更容易水化潤脹,半纖維素吸附到纖維素上,增加了纖維的潤脹和彈性,使纖維精磨而不是被切斷,因此能夠降低打漿能耗,得到理想的紙漿強度。  

組成

總述

半纖維素(hemicellulose):指在植物細胞壁中與纖維素共生、可溶於鹼溶液,遇酸後遠較纖維素易於水解的那部分植物多糖。一種植物往往含有幾種由兩或三種糖基構成的半纖維素,其化學結構各不相同。樹莖、樹枝、樹根和樹皮的半纖維素含量和組成也不同。因此,半纖維素是一類物質的名稱。

構成半纖維素的糖基主要有D-木糖、D-甘露糖、D-葡萄糖、D-半乳糖、L-阿拉伯糖、4-氧甲基-D-葡萄糖醛酸及少量L-鼠李糖、L-岩藻糖等。半纖維素主要分為三類,即聚木糖類、聚葡萄甘露糖類和聚半乳糖葡萄甘露糖類。  

聚木糖類

是以1,4-β-D-吡喃型木糖構成主鏈,以4-氧甲基-吡喃型葡萄糖醛酸為支鏈的多糖,其結構如下:

聚木糖結構

式中Xβ為β-D-吡喃型木糖基;(H3CO)4GA為4-氧甲基-吡喃型葡萄糖醛酸基;闊葉材的A和B都是氧乙醯基;針葉材的A為α-L-呋喃型阿拉伯糖,B為羥基

闊葉材與禾本科草類的半纖維素主要是這類多糖,在禾本科半纖維素的多糖中,往往還含有L-呋喃型阿拉伯糖基作為支鏈連接在聚木糖主鏈上。支鏈多少因植物不同而異。  

聚葡萄甘露糖類

是由 D-吡喃型葡萄糖基和吡喃型甘露糖基以1,4-β型連接成主鏈。另一類聚半乳糖葡萄甘露糖類則還有 D-吡喃型半乳糖基用支鏈的形式以1,6-α型連接到此主鏈上的若干D-吡喃型甘露糖基和D-吡喃型葡萄糖基上,它們的結構如下:

聚葡萄甘露糖結構

式中Gβ為β-D-吡喃型葡萄糖基;Mβ為β-D-吡喃型甘露糖基;闊葉材的A和B都是羥基;針葉材的A為α-D-吡喃型半乳糖基,B為氧乙醯基。

針葉材的半纖維素以聚半乳糖葡萄甘露糖類為主。主鏈上的葡萄糖基與甘露糖基的分子比也因木材種類不同而在1:1到1:2之間變動。大多數木材半纖維素的平均聚合度只有200。  

複合體

半纖維素與纖維素間無化學鍵合,相互間有氫鍵和范德瓦耳斯力存在。

半纖維素與木素之間可能以苯甲基醚的形式連接起來,形成木素-碳水化合物的複合體,例如:

碳水化合物的複合體

  

來源

半纖維素廣泛存在於植物中,針葉材含15%~20%,闊葉材和禾本科草類含15%~35%,但其分布因植物種屬、成熟程度、早晚材、細胞類型及其形態學部位的不同而有很大差異。例如針葉材的主要半纖維素是聚半乳糖葡萄甘露糖類,而闊葉材和禾本科草類的卻是聚木糖類;針、闊葉材的射線細胞比管胞細胞和纖維細胞含較多的聚木糖類;在針葉材細胞次生壁的中層,聚木糖類含量最低,在次生壁外和內層卻較高,而聚半乳糖葡萄甘露糖類的分布則恰恰相反。

任何植物原料的化學製漿工業處理中,在脫木素的同時半纖維素也會發生酸性水解或鹼性水解、剝皮反應和氧化反應等,雖然蒸煮溶出的半纖維素又可再沉積吸附於紙漿上,但仍將損失一定數量,而殘留的半纖維素對紙漿的性質影響很大,它可增進紙漿的抗拉強度、彈性模數和透明度等,但對撕裂強度無影響。在制纖維素衍生物用漿時則須盡量除去半纖維素。  

應用

半纖維素的工業利用正在開發,製漿廢液可制酵母,酵母又可抽提出10%的核糖核酸,再衍生為肌苷單磷酸酯和鳥苷單磷酸酯,可用作調味劑抗癌劑抗病毒劑等。林產化學品法是先用有機酸使纖維原料預水解,水解殘渣仍可製漿,質量可與未預水解的漿相媲美,而從水解液可分離出戊糖己糖組分,所得木糖經處理後製成木糖醇,可作增甜劑、增塑劑、表面活性劑;木糖酸可作膠粘劑;聚木糖硫酸酯可作抗凝血劑

高能酒精

半纖維素糖類發酵酒精是利用生物技術,由可再生的植物纖維原料製取酒精,一直是國際關注的研究熱點. 本項目以玉米棒芯為原料,經稀酸水解將半纖維轉化為戊糖,進一步發酵為酒精。其總體水平為中國首創,國際先進。此項技術的中試成功將對中國酒精工業的發展起到積極的推動作用,對於解決人類將面臨的能源危機、糧食緊缺及環境污染等問題均具有重大的意義。  

對捲煙影響

半纖維素是木漿的主要成分之一,與均由1,4-β糖苷鍵連接的葡萄糖組成的纖維素不同,半纖維素由各種碳水化合物以及戊糖和已糖組成。此外,單糖之間的連接方式也有很大的不同。

本研究的目的是探討各種木漿中的半纖維素含量的差異,以及這些差異對木漿和捲煙紙熱性質的影響。為了測定木漿中的半纖維素含量,將半纖維素用18%的NaOH溶液提取,然後調pH至7.0使之沉澱。分離後,通過在100~200℃範圍內進行熱提取試驗並在300~700℃的範圍內進行裂解實驗,對從各種木漿得到的半纖維素的熱性質進行了分析研究。

為了分析碳水化合物組成,將半纖維素用三氟乙酸水解。用離子交換層析進行糖分析,用脈衝電流法檢測。

這些試驗結果表明:不同的木漿之間有顯著差異。就半纖維素來講,木漿可以分為三類:長纖維素木漿、短纖維素木漿和一年生植物木漿。木漿中半纖維素的含量和成分都有差別,這些差別決定了木漿的熱性質以及捲煙紙的熱性質。  

提取方法

從植物纖維中提取半纖維素的方法,其步驟是:將植物纖維、鹼、水混合後放入帶有攪拌裝置和加熱系統的反應釜中,將反應釜溫度升至35℃~85℃,同時在300rpm~2000rpm的轉速條件下,攪拌10s~10min,以常規方法過濾或離心,得到的濾液或上清液即為半纖維素的提取液;向半纖維素的提取液中加入其2~3倍體積量的80%~95%的乙醇,使可溶性半纖維素沉澱,常規過濾,收集產物並乾燥,得半纖維素。本發明的方法反應物的濃度比水提取法要求的反應物濃度高,提取中不要求使用大量的水,明顯降低了提取成本。

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