植物纖維細胞壁的微細結構

1、第六節(jié)第六節(jié) 植物纖維細胞壁的微細結構植物纖維細胞壁的微細結構（ultrastructureultrastructure）一、纖維細胞壁的結構一、纖維細胞壁的結構 細胞壁由原生質體所分泌的物質形成，細胞壁由原生質體所分泌的物質形成，分為分為胞間層、初生壁胞間層、初生壁和和次生壁次生壁。 細胞壁上的細胞壁上的紋孔、胞間聯(lián)絲紋孔、胞間聯(lián)絲等結構以實等結構以實現(xiàn)細胞之間水分及其他物質的輸導和流現(xiàn)細胞之間水分及其他物質的輸導和流通。通。（二）木材纖維細胞壁的層次結構（二）木材纖維細胞壁的層次結構 胞間層胞間層 mlml 細胞角區(qū)（細胞角區(qū)（cccc） 復合胞間層復合胞間層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 次生壁內層次生壁內層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）: : 細胞分裂時在兩個新細胞之間形成的一層薄膜。細胞分裂時在兩個新細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、半纖維素等物質在胞間層的內側沉積形成。具有柔軟性素等物質在胞間層的內側沉積形成。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）：原生質體所分原生質體所分泌的纖維素等產(chǎn)物在初生壁內側沉積形成，厚度泌的纖維素等產(chǎn)物在初生壁內側沉積形成，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）、內層）、內層（s s3 3）. . 次生壁是細胞壁的主體，給植株以剛性和抗次生壁是細胞壁的主體，給植株以剛性和抗風能力。風能力。 所有植物細胞都具有所有植物細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

4、胞的細胞壁均是由。正常的纖維細胞的細胞壁均是由p、s1、s2、s3等層次所構成的。等層次所構成的。 細胞腔：細胞腔：細胞壁所包圍形成的空腔稱為細胞細胞壁所包圍形成的空腔稱為細胞腔。腔。 瘤層（瘤層（warty-layer)：部分材種的：部分材種的s3層內表面層內表面及紋孔緣內表面上存在瘤層。及紋孔緣內表面上存在瘤層。纖維細胞壁的微細結構纖維細胞壁的微細結構不同層次微細纖維的取向及其對材質的影響不同層次微細纖維的取向及其對材質的影響 微細纖維微細纖維（microfibrilmicrofibril）：在電子顯微鏡圖中）：在電子顯微鏡圖中可見到的未失真最小細纖維?？梢姷降奈词д孀钚〖毨w維。 微細纖維

5、的取向：微細纖維的取向：是指微細纖維在細胞壁上與纖是指微細纖維在細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）。 在纖維細胞壁的不同層次中，微細纖維的取在纖維細胞壁的不同層次中，微細纖維的取向是不同的。微細纖維的取向是鑒別材種的微細向是不同的。微細纖維的取向是鑒別材種的微細結構特征的重要依據(jù)。結構特征的重要依據(jù)。微細纖維的取向與纖維及木材的力微細纖維的取向與纖維及木材的力學性質的關系學性質的關系 微細纖維的取向不同，直接影響纖維及微細纖維的取向不同，直接影響纖維及木材原料的力學性質。木材原料的力學性質。傾角大：傾角大：抗壓性能好，抗拉強度差抗壓性能好，抗拉強度差傾角?。?/p>

6、傾角小：抗拉強度好，抗壓強度差抗拉強度好，抗壓強度差 三者關系三者關系：細胞壁中，細胞壁中，微細纖維、微細纖維、半纖維素、半纖維素、木素以不連木素以不連續(xù)的層狀結續(xù)的層狀結構繞細胞腔構繞細胞腔排列排列瘤層（瘤層（w w warty layer warty layer） 有些樹種，如馬尾松、云南松等，在細胞腔的腔壁上有有些樹種，如馬尾松、云南松等，在細胞腔的腔壁上有一層瘤狀結構層，這個部位纖維素含量較少，木素含量較高，一層瘤狀結構層，這個部位纖維素含量較少，木素含量較高，它是獨立的結構，與它是獨立的結構，與s s3 3層有明顯的界限。層有明顯的界限。臭松管胞內壁的瘤層（弦切面）臭松管胞內壁的瘤層

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胞壁在某些針葉材，如花旗松與紫杉的纖維細胞壁在s s3 3層的細層的細胞腔一側，有螺旋狀增厚層胞腔一側，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層層起著細胞壁的附加支撐作用。起著細胞壁的附加支撐作用。微細纖維的精細結構微細纖維的精細結構纖維細胞 微細纖維 原微細纖維 纖維素分子 亞原微細纖維thomas:（一）微細纖維的精細結構（一）微細纖維的精細結構纖維素大分子（約纖維素

8、大分子（約4040個）有規(guī)則地排列聚集成原細個）有規(guī)則地排列聚集成原細纖維（纖維（elementary fibrilelementary fibril），若干原細纖維組成微細纖），若干原細纖維組成微細纖維（維（microfibrilmicrofibril），若干微細纖維再組成纖維），若干微細纖維再組成纖維（fiberfiber）。）。d.fengeld.fengel的微細纖維結構模型的微細纖維結構模型 原細纖維直徑為原細纖維直徑為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) 微細纖維直徑為微細纖維直徑為 25nm( microfibril)25nm( microfibril)tappi/march 1970 vol.53,no.3tappi/march 1970 vol.53,no.3纖維素長纖維素長鏈分子與鏈分子與微細纖維微細纖維之間的結之間的結構關系構關系纖維的層次結構與打漿的關系纖維的層次結構與打漿的關系 打漿過程：打漿過程： 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纖維化。微細纖維化。 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)生水化潤脹，也叫內部微細纖維使纖維發(fā)生水化潤脹，也叫內部微細纖維化。化。禾本科纖維的微細結構禾本科纖維的微細結構 稻草、麥草的細胞壁組成較正常稻草、麥草的細胞壁組成較正常 其他原料的纖維細胞壁都具有特殊性。其他原料的纖維細胞壁都具有特殊性。 禾本科原料的纖維細胞壁的禾本科原料的纖維細胞壁的p p、s1s1層較層較厚。厚。主要化學組分在細胞壁中的分布主要化學組分在細胞壁中的分布 骨架（骨架（frameworkframework）：纖維素）：纖維素 填充物質填充物質(matrix substance)(matrix substance)和粘合物質

11、和粘合物質(encrusting substance) (encrusting substance) ：半纖維素、：半纖維素、木素木素 這三種組分在細胞壁中構成了繞細胞腔排這三種組分在細胞壁中構成了繞細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胞壁中的分布具有纖維素在原料纖維細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。見表見表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)學區(qū)域中木素濃度的分布規(guī)律是：、不同形態(tài)學區(qū)域中木素濃度的分布規(guī)律是：cccmlscccmls3 3ss1 1ss2 2（見表（見表1 13232） cmlcml層，木素是無定型的；層，木素是無定型的；s s層中木素在微細層中木素在微細纖維周圍順著各層微細纖維的方向排列。纖維周圍順著各層微細纖維的方向排列。 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數(shù)，但是由于占的體積分數(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%在細胞壁中木素在細胞壁中木素濃度為濃度為 20-30%20-30%應壓木和應拉木應壓木和應拉木 在樹干橫斷面上如果髓心偏向一側，且偏心部在樹干橫斷面上如果髓心偏向一側，且偏心部分的年輪特別寬，它在解剖構造和材性上與正分的年輪特別寬，它在解剖構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力常材都有顯著的差異，這部分木材稱之為應力木，應力木是木材中的一種缺陷。而在針葉樹木，應力木是木材中的一種缺陷。而在針葉樹材中產(chǎn)生于傾斜樹干或枝椏的下側，即在受壓材中產(chǎn)生于傾斜樹干或枝椏的下

14、側，即在受壓的一側，稱為應壓木（的一側，稱為應壓木（compression wood）。而在闊葉樹材中產(chǎn)生于傾斜樹干或枝椏的上。而在闊葉樹材中產(chǎn)生于傾斜樹干或枝椏的上側，即在受拉的一側，稱為應拉木（側，即在受拉的一側，稱為應拉木（tension wood）。）。應壓木化學組成應壓木化學組成 應壓木化學組成中的木質素含量平均增應壓木化學組成中的木質素含量平均增加加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%。由于應壓木。由于應壓木的化學成分變化較大，所以它對制漿和的化學成分變化較大，所以它對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)品的收縮和機械性質。和機械性質。應拉木化學組成應拉木化學組成 在應拉木的化學組成中，纖維素和灰分的含量在應拉木的化學組成中，纖維素和灰分的含量增加，木質素和半纖維素的含量減少。制漿實增加，木質素和半纖維素的含量減少。制漿實驗證明，應拉木化學漿粕的產(chǎn)量高于正常材，驗證明，應拉木化學漿粕的產(chǎn)量高于正常材，（因為其纖維素的相對含量較高）且機械分離（因為其纖維素的相對含量較高）且機械分離比正常材容易。（因為其木質素的相對含量較比正常材容易。（因為其木質素的相對含量較低，而木質素是一種結殼物質，在細胞壁中起低，而木質素是一種結殼物質，在細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)的人造絲的強度低。（這與纖維的長度有關）強度低。（這與纖維的長度有關）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、禾本科纖維的微細結構四、禾本科纖維的微細結構1. 1. 微細結構有的與木材相似，如麥草、稻草、田青微細結構有的與木材相似，如麥草、稻草、田青等，其纖維細胞壁也可以分為等，其纖維細胞壁也可以分為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層的厚度占細胞壁厚度的層的厚度占細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，因此打漿時往往較木材纖維層之間連接緊密，因此打漿時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）是多層結構，）是多層結構，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。 我國造紙行業(yè)的現(xiàn)狀和未來我國造紙行業(yè)的現(xiàn)狀和未來l 中國紙張生產(chǎn)和消費總量均居世界第一位。中國紙張生產(chǎn)和消費總量均居世界第一位。l 2010年，生產(chǎn)總量年，生產(chǎn)總量9270萬噸；消費總量萬噸；消費總量9173萬噸。萬噸。l 2015年，預計生產(chǎn)總量年，預計生產(chǎn)總量11600萬噸；消費總量萬噸；消費總量11470萬噸，年增速萬噸，年增速4.6%。 （中國造紙工業(yè)中國造紙工業(yè)“十二五十二五”規(guī)劃規(guī)劃）我國的制漿造紙植物纖維原料我國的制漿造紙植物纖維原料 我國制漿造紙植物纖維原料的現(xiàn)狀我國制漿造紙植物纖維原料的現(xiàn)狀 原料不足（見前表）原料不足（見前表） 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造紙植物纖維原料的未來 原料結構持續(xù)改善。加快形成符合我國國情的以廢紙纖維、木纖維為主，合理利用非木纖維的造紙原料結構。2015年木漿、非木漿、廢紙漿比重由2010年22.0%、15.3%、62 .7 %調整為24.3 %、11.7 %、64.0 %。國內廢紙漿比重由38.0%提高到41.0%，國產(chǎn)木漿比重由8.4%提高到10.3%。（中國造紙工業(yè)中國造紙工業(yè)“十十二五二五”規(guī)劃規(guī)劃）改善我國制漿造紙植物纖維原料現(xiàn)狀改善我國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大竹子等制漿造紙利用率擴大竹子等制漿造紙利用率國外的預測國外的預測美國銳思林紙產(chǎn)品咨詢公司（risi）預測：全球木漿市場：“不管是現(xiàn)在或者是將來，中國市場的造紙產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將有利地促進全球木漿的消耗量。預計，20112015年間，中國的木漿進口量將保持年均8.9%的增長率。在未來的15年內，廢紙漿在全球纖維原料中所占的比例將進一步提高。一方面，因為環(huán)境方面的壓力，政府將進一步鼓勵公司使用二次纖維；另一方面，脫墨及廢紙制漿過程相關技術的進一步發(fā)展也使廢紙制漿的質量進一步提高，上述兩方面都將促進廢紙漿消費量的提高。預計，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到4億噸。預計，20112025年，廢紙漿消耗量將以年均4%的增速增長。未來15年里廢紙漿市場的增長將主要來源于發(fā)展中國家的促進作用，而中國市場的促進作用是決定性的。因為中國本國廢紙漿市場難以滿足需求，因此廢紙漿消費市場的明顯增長必然會帶來進口市場的擴張。中國將繼續(xù)保持廢紙漿進口第一，預計到2025年，中國廢紙漿進口量將達到4500萬噸，將比2010年的進口量提高3000萬噸。第一章思考題第一章思考題 如何將造紙植物纖維原料進行分類？如何將造紙植物纖維原料進行分類？ 造紙植物纖維原料中、主要化學組成是什么？寫出定義造紙植物纖維原料中、主要化學組成是什么？寫出定義或概念。或概念。 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。 寫出綜纖維素的定義及四種制備方法、并指出哪種方法寫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