Лекция "Компоненты древесины"

Компоненты древесины

Древесина — продукт биологического (растительного) происхождения, представляющий сложный комплекс, как в анатомическом, так и химическом отношении. Вещество древесины — это вещество оболочек клеток (клеточных стенок). Биологическое происхождение этого вещества обуславливает его сложный химический состав, представленный в виде схемы.

Рис. 1. Схема химического состава древесины

Древесина примерно на 99% состоит из органических веществ. Минеральные вещества составляют обычно очень небольшую часть — до 1%. При сжигании древесины и прокаливании остатка при высокой температуре (600...800ºС) образуется зола. Количество золы характеризует содержание минеральных веществ в древесине, но точно не равно ему, поскольку при сжигании и прокаливании компоненты минеральных веществ частично превращаются в оксиды и карбонаты металлов. Элементный состав органической части древесинного вещества у различных древесных пород практические одинаков: 49...50% углерода, 43...44% кислорода, около 6% водорода и 0,1...0,3% азота по отношению к массе абсолютно сухой древесины.

Органические вещества в основном представляют собой высокомолекулярные соединения (полимеры) и лишь сравнительно малую долю составляют низкомолекулярные соединения. Структурные компоненты — это вещества, образующие клеточную стенку, они представлены исключительно высокомолекулярными соединениями.

Экстрактивные вещества — вещества, которые можно извлекать из древесины нейтральными полярными и неполярными растворителями (экстрагировать). Экстрактивные вещества не входят в состав клеточных стенок, а содержатся в полостях клеток или межклеточных каналах (смоляных ходах в древесине хвойных пород), но могут иногда пропитывать клеточную стенку. Несмотря на малую массовую долю в древесине (обычно до 3...4%), экстрактивные вещества чрезвычайно разнообразны (см. главу 14). По методу выделения их подразделяют на три группы: летучие, или эфирные масла (летучие с паром); вещества, растворимые в органических растворителях (смолы); вещества, растворимые в воде (см. рис. 1). Экстрактивные вещества, за исключением водорастворимых полисахаридов и полиуронидов, представляют собой низкомолекулярные соединения (НМС.

Структурные компоненты подразделяют на углеводную и ароматическую части. Углеводная часть, представляющая комплекс полисахаридов, называется холоцеллюлозой. Массовая доля холоцеллюлозы составляет в древесине примерно 70...80%, причем ее содержание в древесине лиственных пород выше по сравнению с хвойными. В состав холоцеллюлозы входят основной компонент древесины — целлюлоза и нецеллюлозные полисахариды — гемицеллюлозы. Древесина хвойных пород содержит меньше гемицеллюлоз, чем древесина лиственных пород. Аналогичное химическое строение имеют вышеупомянутые водорастворимые полисахариды и полиурониды, но они выполняют другие функции и из-за растворимости в воде их относят не к гемицеллюлозами, а к экстрактивным веществам. Необходимо отметить, что условно относимые к водорастворимым экстрактивным веществам пектиновые вещества фактически выполняют структурную функцию.

Целлюлоза — это полисахарид, макромолекула которого построена из повторяющихся звеньев — остатков β-D-глюкопиранозы с общей формулой (С₆Н₁₀О₅)_n. Макромолекулы гемицеллюлоз построены из остатков различных моносахаридов, пентоз и гексоз, а также урововых кислот. Большей частью все нецеллюлозные полисахариды — смешанные полисахариды. В анализе древесины их условно подразделяют на пентозаны (С₅Н₈О₄)_n и гексозаны (С₆Н₁₀О₅)_n. Макромолекулы гемицеллюлоз построены из остатков различных моносахоридов, пентоз и гектоз, а так же уроновых кислот. Большей частью все нецеллюлозные полисахариды — смешанные полисахариды. В анализе древесины их условно подразделяют на пентозаны (С₅Н₈О₄)_n и гексозаны (С₆Н₁₀О₅)_n.

В древесине содержатся следующие пентозаны: ксиланы (глюкуроноксилан в древесине лиственных пород и арабиноглюкуроноксилан в древесине хвойных пород); арабинаны (однородный арабинан, входящий в комплекс пектиновых веществ). Из гексозанов найдены: маннаны (глюкоманнан в древесине лиственных пород, глюкоманнан и галактоглюкоманнан в древесине хвойных пород, различне фруктоманнаны): галактаны (однородный галактан в пектиновых веществах, арабиногалактан); глюканы в нецеллюлозных водорастворимых полисахаридах. D-глюкуроновая кислота, кроме ксиланов, входит в состав камедей в виде полиглюкуроновой кислоты; D-галактуроновая кислота участвует в образовании макромолекул пектиновой кислоты, входящей в состав пектиновых веществ (комплекса, состоящего из трех компонентов — пектиновой кислоты, арабинана, галактана).

Ароматическая часть древесины — лигнин представляет собой смесь ароматических полимеров родственного строения фенольной природы, построенных из мономерных звеньев, называемых фенилпропановыми структурными единицами. Массовая доля лигнина в древесине составляет 20...30%, причем хвойные породы содержат больше лигнина, чем лиственные.

В древесине структурные компоненты тесно связаны между собой связями различного типа. Существуют ковалентные связи (между лигнином и гемицеллюлозами) и силы межмолекулярного взамодействия (между всеми компонентами), что чрезвычайно затрудняет разделение компонентов и выделение их в чистом виде. Разделение компонентов древесины в анализе и при химической переработке растительного сырья основано на использовании их различий по растворимости и химическим свойствам.

Холоцеллюлоза и водорастворимые полисахариды и полиурониды — гидролизуемая часть древесины. При полном гидролизе полисахариды превращаются в моносахариды. После удаления экстрактинвных веществ подходящим растворителем и полного гидролиза углеводной части в остатке получается лигнин. Поэтому в анализе древесины лигнин рассматривают как «негидролизуемый» остаток. В действительности под действием кислоты (катализатора гидролиза) в лигнине подвергаются деструкции простые эфирные связи и сохраняются, а также образуются новые углерод-углеродные связи. Выделенный лигнин лишь по количеству примерно соответствует природному лигнину древесины, а по химическому строению значительно от нее отличается. Лигнин, вследствие его фенольной природы, окисляется легче, чем полисахариды. После удаления экстрактивных веществ и обработки подходящими окислителями в виде волокнистого продукта остается холоцеллюлоза. Удаление лигнина называется делигнификацией.

3