植物纤维细胞壁的微细结构

,Chapter 1 The Composition and Structure of Wood,53,Tianjin University of Science & Technology,第六节 植物纤维细胞壁的微细结构（,Ultrastructure,）,微细结构、电子显微镜下的结构、超结构。,主要讨论细胞壁的层状结构，细胞壁中微细纤维走向，各主要组成在细胞壁中的分布等。,指原料中超越普通光学显微镜的分辨能力的细节。包括纤维细胞的,层次构成,、,层次的厚度分布,、不同层次,微细纤维的取向,、,微细纤维的精细结构,和纤维细胞壁上,纹孔的微细结构等,。,一、纤维细胞壁的结构,细胞壁由原生质体所分泌的物质形成，分为,胞间层、初生壁,和,次生壁,。,细胞壁上的,纹孔、胞间联丝,等结构以实现细胞之间水分及其他物质的输导和流通。,（二）木材纤维细胞壁的层次结构,胞间层,ML,细胞角区（,CC,）,复合胞间层,CML,初生壁,P,次生壁外层,S,1,次生壁中层,S,2,次生壁内层,S,3,瘤层,/ HT,层,胞间层（中间层，,middle lamella,，,ML,）,:,细胞分裂时在两个新细胞之间形成的一层薄膜。,(,木素、果胶）,初生壁（,primary wall,，,P,层）：,纤维素、半纤维素等物质在胞间层的内侧沉积形成。具有柔软性和可塑性，厚度仅有,0.1,m,。,（纤维素、半纤维素、木素）,次生壁（,secondary wall,，,S,层）：,原生质体所分泌的纤维素等产物在初生壁内侧沉积形成，厚度在,5,10,m,。分为外层（,S,1,）、中层（,S,2,）、内层（,S,3,）,.,次生壁是细胞壁的主体，给植株以刚性和抗风能力。,所有植物细胞都具有,初生壁,，但,并不都具有次生壁,。正常的纤维细胞的细胞壁均是由,P,、,S,1,、,S,2,、,S,3,等层次所构成的。,细胞腔：,细胞壁所包围形成的空腔称为细胞腔。,瘤层（,warty-layer),：部分材种的,S,3,层内表面及纹孔缘内表面上存在瘤层。,纤维细胞壁的微细结构,不同层次微细纤维的取向及其对材质的影响,微细纤维,（,microfibril,）：在电子显微镜图中可见到的未失真最小细纤维。,微细纤维的取向：,是指微细纤维在细胞壁上与纤维的轴向之间的交角（或倾角）。,在纤维细胞壁的不同层次中，微细纤维的取向是不同的。微细纤维的取向是鉴别材种的微细结构特征的重要依据。,微细纤维的取向与纤维及木材的力学性质的关系,微细纤维的取向不同，直接影响纤维及木材原料的力学性质。,倾角大：,抗压性能好，抗拉强度差,倾角小：,抗拉强度好，抗压强度差,三者关系,：细胞壁中，微细纤维、半纤维素、木素以不连续的层状结构绕细胞腔排列,瘤层（,W,Warty layer,）,有些树种，如马尾松、云南松等，在细胞腔的腔壁上有一层瘤状结构层，这个部位纤维素含量较少，木素含量较高，它是独立的结构，与,S,3,层有明显的界限。,臭松管胞内壁的瘤层（弦切面）,1.,瘤层；,2.S,3,层,1,2,HT,层（,Helical Thickening,）,某些针叶材，如花旗松与紫杉的纤维细胞壁在,S,3,层的细胞腔一侧，有螺旋状增厚层,(,节状增厚层,),，称为,HT,层，,HT,层起着细胞壁的附加支撑作用。,微细纤维的精细结构,纤维细胞 微细纤维 原微细纤维,纤维素分子 亚原微细纤维,Thomas:,（一）微细纤维的精细结构,纤维素大分子（约,40,个）有规则地排列聚集成原细纤维（,Elementary fibril,），若干原细纤维组成微细纤维（,Microfibril,），若干微细纤维再组成纤维（,Fiber,）。,D.Fengel,的微细纤维结构模型,原细纤维直径为,3nm(Elementary fibril),微纤维丝直径为,12nm (Fibril),微细纤维直径为,25nm( Microfibril),TAPPI/March 1970 Vol.53,No.3,纤维素长链分子与微细纤维之间的结构关系,纤维的层次结构与打浆的关系,打浆过程：,打浆初期，,P,层及,S1,层破裂引起纤维表面微细纤维化。,破坏,P,层及,S1,层，完全打掉或部分打掉，使,S2,层裸露并使其分丝帚化。,横向切断，纵向分丝帚化。,使纤维发生水化润胀，也叫内部微细纤维化。,禾本科纤维的微细结构,稻草、麦草的细胞壁组成较正常,其他原料的纤维细胞壁都具有特殊性。,禾本科原料的纤维细胞壁的,P,、,S1,层较厚。,主要化学组分在细胞壁中的分布,骨架（,Framework,）：纤维素,填充物质,(Matrix substance),和粘合物质,(Encrusting substance),：半纤维素、木素,这三种组分在细胞壁中构成了绕细胞腔排列的相互间断的同心层。,纤维素的分布,纤维素在原料纤维细胞壁中的分布具有明显的规律性，,从,P,层到,S3,纤维素含量逐步升高，,其中,S2,、,S3,层中含量最高。,半纤维素的分布,所有材种的,CML,半纤维素的,浓度最高,；,S,层,浓度最低,。见表,1-31,木素的分布,研究表明：,1,、不同形态学区域中木素浓度的分布规律是：,CCCMLS,3,S,1,S,2,（见表,1,32,）,CML,层，木素是无定型的；,S,层中木素在微细纤维周围顺着各层微细纤维的方向排列。,2,、,S,层木素,浓度低,，但是由于占的体积分数大，所以,木素含量还是,S,层最多,。,Fergus, Procter, and Goring, 1967,S,CC,ML,木素分布图,在胞间层木素浓度为,70-80%,在细胞壁中木素浓度为,20-30%,应压木和应拉木,在树干横断面上如果髓心偏向一侧，且偏心部分的年轮特别宽，它在解剖构造和材性上与正常材都有显著的差异，这部分木材称之为,应力木,，应力木是木材中的一种缺陷。而在针叶树材中产生于倾斜树干或枝桠的下侧，即在受压的一侧，称为应压木（,compression wood,）。而在阔叶树材中产生于倾斜树干或枝桠的上侧，即在受拉的一侧，称为应拉木（,tension wood,）。,应压木化学组成,应压木化学组成中的,木质素,含量平均增加,9%,，,纤维素,含量平均减少,10%,，,半乳糖,含量平均增加,7.8%,。由于应压木的化学成分变化较大，所以它对制浆和造纸不太适宜，而且影响其产品的收缩和机械性质。,应拉木化学组成,在应拉木的化学组成中，,纤维素,和灰分的含量增加，,木质素,和半纤维素的含量减少。制浆实验证明，应拉木化学浆粕的产量高于正常材，（因为其纤维素的相对含量较高）且机械分离比正常材容易。（因为其木质素的相对含量较低，而木质素是一种结壳物质，在细胞壁中起到了水泥的作用）但这些浆粕生产的人造丝的强度低。（这与纤维的长度有关）,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 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、禾本科纤维的微细结构,1.,微细结构有的与木材相似，如麦草、稻草、田青等，其纤维细胞壁也可以分为,ML,、,P,、,S,1,、,S,2,、,S,3,。,2.,禾本科纤维的,P,层及,S,1,层的厚度占细胞壁厚度的比例较大,。,3. S,1,与,S,2,层之间连接紧密，因此打浆时往往较木材纤维难于分丝帚化。,4.,部分纤维的次生壁中层（,S,2,）是多层结构，,5,层、,7,层或,9,层。,5.,宽层的染色较浅，表明木素的浓度较低，窄层的染色较深，表明其中木素的浓度较高。,我国造纸行业的现状和未来,中国纸张生产和消费总量均居世界第一位。,2010,年，生产总量,9270,万吨；消费总量,9173,万吨。,2015,年，预计生产总量,11600,万吨；消费总量,11470,万吨，年增速,4.6%,。,（,中国造纸工业“十二五”规划,）,我国的制浆造纸植物纤维原料,我国制浆造纸植物纤维原料的现状,原料不足（见前表）,草类原料丰富，木材原料缺乏,造纸植物纤维原料的未来,原料结构持续改善。加快形成符合我国国情的以废纸纤维、木纤维为主，合理利用非木纤维的造纸原料结构。,2015,年木浆、非木浆、废纸浆比重由,2010,年,22.0%,、,15.3%,、,62 .7 %,调整为,24.3 %,、,11.7 %,、,64.0 %,。国内废纸浆比重由,38.0%,提高到,41.0%,，国产木浆比重由,8.4%,提高到,10.3%,。,（,中国造纸工业“十二五”规划,）,改善我国制浆造纸植物纤维原料现状的途径,加速发展造纸用速生材基地,大力发展废纸制浆造纸,合理利用原料,扩大竹子等制浆造纸利用率,国外的预测,美国锐思林纸产品咨询公司,（,RISI,）预测：,全球木浆市场：“,不管是现在或者是将来，中国市场的造纸产业的发展将有利地促进全球木浆的消耗量。预计，,2011,2015,年间，中国的木浆进口量将保持年均,8.9%,的增长率。,在未来的,15,年内，废纸浆在全球纤维原料中所占的比例将进一步提高。一方面，因为环境方面的压力，政府将进一步鼓励公司使用二次纤维；另一方面，脱墨及废纸制浆过程相关技术的进一步发展也使废纸制浆的质量进一步提高，上述两方面都将促进废纸浆消费量的提高。预计，到,2025,年，废纸浆在原料配比中占到,65%,，比目前的,56%,有较大幅度的提高，,2025,年废纸浆消耗量将达到,4,亿吨。预计，,2011,2025,年，废纸浆消耗量将以年均,4%,的增速增长。,未来,15,年里废纸浆市场的增长将主要来源于发展中国家的促进作用，而中国市场的促进作用是,决定性的,。,因为,中国,本国废纸浆市场难以满足需求，因此废纸浆消费市场的明显增长必然会带来进口市场的扩张。中国将继续保持废纸浆进口第一，预计到,2025,年，中国废纸浆进口量将达到,4500,万吨，将比,2010,年的进口量提高,3000,万吨,。,第一章思考题,如何将造纸植物纤维原料进行分类？,造纸植物纤维原料中、主要化学组成是什么？写出定义或概念。,比较纤维素与半纤维素的异同。,写出综纤维素的定义及四种制备方法、并指出哪种方法比较好？,如何自综纤维素制备,-,纤维素？并指出其化学组成。,如何自漂白化学浆制备,-,纤维素、,-,纤维素、,-,纤维素？并指出各自的化学组成。,如何制备硝酸乙醇纤维素？,写出有机溶剂抽出物的定义、并指出常用的有机溶剂有哪些？,写出针叶材、阔叶材各自主要的的有机溶剂抽出物及存在的位置？,写出植物纤维的定义。,试述死亡细胞壁的构造。,叙述木材的粗视结构。,植物细胞壁上纹孔的功能及种类？,如何将木材植物细胞进行分类？,叙述针叶材的生物结构、并指出其含有哪几种细胞及含量百分比？,叙述阔叶材的生物结构、并指出其含有哪几种细胞及含量百分比？,叙述草类原料的生物结构、并指出其含有哪几种细胞及含量百分比？,从细胞形态的角度分析、哪种植物纤维原料为造纸的优质原料？,解释下列名词概念并写出数学表达式：长宽比、壁腔比、纤维数量平均长、,纤维质量平均,长、纤维长度分布频率。,叙述纤维形态学指标与纸张性能之间的关系。,