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植物纤维
第一章
1.详述植物纤维原料的主要成分和次要成分是什么？
P5图1-2
答：
植物纤维原料的主要化学成分是纤维素，半纤维素和木质素，次要化学成分成分抽提物和灰分。
2.针叶木、阔叶木和草类原料的化学组成的比较？
化学组成
Weight, % of dry material
针叶木
阔叶木
禾本科
纤维素（Cellulose）
45
45
42
半纤维素（Hemicellulose）
26
34
40
木素（Lignin）
29
21
17
3.试述针叶材和阔叶材有机溶剂抽出物的组成。
针叶木中，松木和柏木的有机溶剂抽出物的含量是比较高的（尤其在心材中），其主要成分为松香酸（RosinAcids）、萜烯类化合物、脂肪酸（FattyAcids）及不皂化物。
（针叶木有机溶剂抽出物主要存在于树脂道和射线薄壁细胞中，心材含量比边材含量高。
）
阔叶木的抽出物主要含游离的已酯化的脂肪酸、中性物、多酚类化合物，不含或只含少量松香酸。
主要存在于木射线和木薄壁细胞中。
4.什么是综纤维素、α-纤维素、β-纤维素、γ-纤维素和工业纤维素？
●综纤维素：
指造纸植物纤维原料除去抽出物和木素后所留下的部分（即纤维素和半纤维素的总称）。
●α-纤维素：
用17.5%NaOH或（24%KOH）溶液在20℃下处理综纤维素或漂白化学浆45min，将其中的非纤维素碳水化合物大部分溶出，留下的纤维素及抗碱的非纤维素碳水化合物，分别称为综纤维素的α-纤维素或化学浆的α-纤维素。
β-纤维素和γ-纤维素：
用漂白化学木浆制备α-纤维素时，处理中所得到溶解部分，用醋酸中和沉淀出来的那部分为β-纤维素，不沉淀部分为γ-纤维素。
β-纤维素包括高度降解的纤维素和半纤维素，γ-纤维素全为半纤维素。
工业半纤维素：
习惯上将β-纤维素和γ-纤维素之和称为工业半纤维素。
5.解释春材和秋材?
并分别说明这两种材质的特点。
答：
每个年轮一般由两层构成，向着形成层的一层是外层，向着髓心的一层是内层。
内层是在形成层每年活动的初期（春季与夏季之间）形成，称之为早材（春材）。
外层是夏天及秋天形成的，称之为晚材（秋材或夏材）。
特点：
（1）早材层：
春、夏季，细胞分裂快，形成层活动迅速，而光合作用较弱，形成的细胞腔大，壁薄，较短，色浅，木质疏松，纤维自身强度较低，但柔软，纤维间结合力好。
（2）晚材层：
秋季，形成层活动慢，而光合作用强，所形成的细胞腔小，壁厚，色深，木质紧密，树脂含量较高，单根纤维挺硬，不易打浆，成纸松厚度高、强度较低。
6.叙述针叶材和阔叶材的生物结构、并指出其含有哪几种细胞及含量百分比？
答：
1.管胞，占针叶木细胞总数的90%-95%
2.木射线细胞，占本才=材体积的5%-10%；
1.木纤维细胞，是阔叶木的主要细胞，大部分阔叶材的纤维细胞含量为60～80%；
2.管胞，阔叶材中的管胞短而少，纹孔为具缘纹孔。
3.薄壁细胞，从小于1％至24％不等
4.木射线细胞，占木材总体积的20%
项目
针叶材
阔叶材
年轮
早材管胞壁薄腔大，晚材管胞壁厚腔小，年轮界线明显
除环孔材和部分半环孔材外，不明显
细胞类型
结构简单，管胞占90～95%，无导管，有少量木射线及薄壁细胞
结构复杂，木纤维含量低（60～80%），有导管、木射线及纵向薄壁细胞，还有少量的管胞
木射线特点
一般为单列，且为同型木射线
部分为单列，多数为双列甚至多列，有同型射线和异型射线
纤维形态
较粗且长，纹孔明显
又短又细，多数纤维的纹孔不明显
树脂道
部分针叶材中有树脂道
无树脂道或数量很少
纤维排列
横切面中纤维排列规则性强，木材结构较均匀
受导管影响，纤维排列规则性不如针叶材，且不同材种的规则差别甚大
7.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？
8.详述植物纤维细胞壁的微细结构
微细结构（ultrastructure）：
原料中超越普通光学显微镜的分辨能力的细节。
植物细胞的微细结构包括:
纤维、导管、薄壁细胞等的微细结构。
植物纤维细胞的微细结构：
1.纤维细胞壁的层次构成；
S1-次生壁外层；S2-次生壁中层；S3-次生壁内层；M-胞间层；P-初生壁
2.不同层次微细纤维的取向及其对材质的影响；
各层的取向
1.胞间层没有微细纤维；2.初生壁的微细纤维排列是紊乱的；3.次生壁的微细纤维排列；
3.微细纤维的精细结构；
微细纤维是细胞壁骨架物质的最基本结构单位；
葡萄糖→纤维素晶体→纤维素分子链→亚-原微细纤维→原微细纤维→微细纤维→纤维
4.微细纤维与半纤维素、木素的微细结构关系
1.半纤维素填充在原细纤维与微细纤维之间。
木素填充在微细纤维之间与胞间层内。
当细胞壁中的半纤维素和木素被除去以后，在电镜下可以看到原细纤维。
2.微细纤维是细胞壁骨架物质，而半纤维素、木素则是微细纤维间的“填充物质”。
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。
9.纤维素、半纤维素和木素在纤维细胞壁中如何分布？
有何特点？
（一）纤维素的分布
胞间层中不含纤维素
自外至里，纤维素含量逐步升高，次生壁中，特别是S2和S3中，纤维素的含量最高。
（二）半纤维素的分布
所有材种的CML中半纤维素含量都是最高的，次生壁中含量较低，尤其是S2层。
半纤维素的浓度分布也是胞间层及细胞外层最高，次生壁尤其是S2层中最低。
（三）木素的分布
木素浓度的分布规律，依据从大到小排列
CC>CML>P>S3>S1>S2
但是大部分木素还是分布在S2层中
10.纹孔是怎样形成的？
有何生理功能（课件）？
有哪几种类型？
（1）纹孔的形成：
细胞在次生壁增厚时，并非全面均匀地增厚，其中常留有不增厚的部分。
这种不增厚的部分，因为细胞壁比较薄，在显微镜下观察像一些圆形小孔，实际上并不是真正的孔，而是一些薄壁区域，这些薄壁区就是纹孔。
（2）生理功能：
纹孔是相邻细胞间的水分和养分的通道。
（3）类型：
纹孔分为具缘纹孔，半具缘纹孔和单纹孔。
第二章：
木素
1木素的结构单元有哪些类型？
试比较针叶木、阔叶木和禾本科植物的木素结构单元组成的特点。
答：
木素的三种基本结构单元是愈创木基丙烷（G），紫丁香基丙烷（S），和对-羟基苯基丙烷（H）
2常用的木素分离方法有哪些？
什么方法分离得到的木素比较接近原本木素？
答：
第一类：
溶出碳水化合物，保留木素（木素作为残渣），这种方法分离的木素其结构已被破坏发生了变化。
第二类：
直接溶出木素（木素被溶解而分离），木素结构接近原本木素。
这种方法往往不能得到木素量的全部,得率低。
3如何从纸浆中提取木素？
答：
纸浆处理→酶溶液的准备→未漂浆残留木素的提取→残余木素的净化
4测定植物原料的木素含量的方法主要有哪几种？
请分别说明其理由。
答：
1.
5如何测定溶液中的木素含量？
答：
1.强酸或酶水解除去碳水化合物，使木素作为不溶物而分离出来（沉淀木素）；2.使木素溶解（溶解木素）后用分光法测定；3.用氧化剂分解木素并根据氧化剂消耗量来推测木素的含量；
6木素的三大功能基分别是什么？
并简述各自的特点
答：
木素的三大功能基是甲氧基（-OCH3），羟基（-OH）和羰基（-CO）。
7木素结构单元间的联接键有哪几种类型？
并说明其比例及化学稳定性。
答：
1.木素结构单元间的联接键是醚键联接键和碳-碳键联接键。
2.碳－碳键——30%～40%；醚键——60％～70％：
碳-碳键、二芳醚键比较稳定，α-芳基醚、β-芳基醚及α-烷基醚有较大的活性，易发生化学反应而断裂
8解释缩合型联接的概念并说明化学法制浆时木素在什么情况下会发生缩合反应？
。
答：
缩合型：
苯环的2，3，5，6位和另一结构单元之间的C-C联接。
9试述光谱技术和色谱技术在木素化学研究领域中的应用。
答：
1.紫外吸收光谱主要测定木素的芳香族化合物；
2.红外吸收光谱研究木素的结构及变化，确定木素中存在的各种功能基及各种化学键；是一种定性研究；
3.氢质子核磁共振光谱可以了解化合物的氢原子的状态，测出酚羟基和全羟基的量；碳核磁共振可以了解化合物的碳原子的状态，并对木素基本结构单元比例、木素中功能基团以及结构单元间主要连接形式进行定量测定。
10用英文解释LCC。
答：
LCC；木素-碳水化合物复合体英文简称
11试述碱法蒸煮和酸法蒸煮中的亲核试剂类型，并比较它们的亲核性?
答：
氢氧化钠法蒸煮液：
OH-
硫酸盐法蒸煮液：
OH-，SH-，S2-
碱性亚硫酸盐蒸煮液：
SO32-
酸性亚硫酸盐蒸煮液：
HSO3-，SO32-
S2->SH-（SO32-）>HSO3->OH-
12试述烧碱法蒸煮中木素的反应类型。
答：
1.酚型α-芳基醚结构基团的反应；2.酚型α-烷基醚结构基团的反应；3.β-芳基醚结构基团的反应；4.甲基芳基醚结构的反应；5.添加蒽醌时的反应
13硫酸盐法蒸煮脱木素反应有什么特点？
答：
1.通过木素大分子中酚型α-芳基醚键的断裂，酚型α-烷基醚键的断裂，非酚型结构基团在α-原子上连有OH-基时的β-芳基醚键的断裂和苯环上芳基甲基醚键的断裂，导致新的酚羟基的生成；
2.β-芳基醚键的断裂主要是S2-和SH-在α-碳原子上的亲核进攻形成苯甲硫基结构，导致β-芳基醚键断裂；
3.HS-进攻木素芳香环中甲氧基的碳原子生成甲硫醇，在苯环上导出酚羟基；甲硫醇的阴离子与第二个甲氧基反应，生成二甲基硫醚。
14酸性亚硫酸盐法制浆与碱法制浆脱木素有什么不同？
15试述次氯酸盐、二氧化氯、过氧化氢和氧与木素发生哪些反应？
并简述作为漂剂各自的特点。
●次氯酸盐与木素的反应
酚型结构单元首先在苯环上发生亲电取代反应，生成氯化木素；在次氯酸盐作用下，脱去甲基，形成邻苯二酚，继而被氧化成邻苯醌；在碱性介质中氯醌转变成羟醌，并进一步被次氯酸盐所氧化，最终芳香环破裂，生成低分子的羧酸和二氧化碳。
这种氧化降解作用，使木素大分子的α-芳基醚或β-芳基醚断开，并导致在结构单元相连接的位置形成新的酚羟基，从而能再重复上述反应。
●二氧化氯与木素的反应
木素直接被氧化成邻-苯醌和对-苯醌的反应，使芳香环氧化裂开生成己二烯二酸（粘康酸）衍生物的反应；苯核上脱甲基并游离出新的酚羟基的反应以及氯的取代反应；苯核和侧链进一步氧化碎解能生成草酸、氯乙酸、反丁烯二酸等。
二氧化氯作为一种漂剂，能够选择性对木素进行降解。
●过氧化氢与木素的反应
木素与过氧化氢的反应，过氧化氢主要消耗在醌型结构的氧化、木素酚型结构的苯环及含有羰基和具有α，β烯醛结构的侧链的氧化上；结果使得侧链断开并导致芳香环氧化破裂，形成一系列的二元羧酸和芳香酸；同时，苯核上还发生脱甲基反应。
●氧与木素的反应
氧与木素发生自偶氧化反应形成过氧化氢负离子（HOO-），HOO-作为亲核试剂，加成到羰基和共轭羰基结构上，形成环结构，糠酸衍生物以及醌式结构，从而改变木素结构；木素苯氧自由基在具有亲电性的羟基自由基（HO·）和分子氧自由基（·O-O·）的进攻下，导致木素侧链断裂脱除、苯环开环、羟基化和脱甲基等反应。
16叙述木素的结构单元在酸、碱介质中基本变化规律？
答：
碱性介质中
1.酚型结构单元（Ⅰ）
酚羟基极易离子化以酚阴离子的形式（Ⅱ）存在，诱导效应，使得对位侧链上的α-碳原子上的醚键极易断裂，形成亚甲基醌结构（Ⅲ）；
2.非酚型的木素结构单元不能形成亚甲基醌结构；
酸性介质中
1具有苯甲基醚结构的酚型和非酚型结构单元（I）在酸性条件下变成—盐形式的醚基团（Ⅱ），然后α-醚键断裂，形成正碳离子（Ⅲ）；
2.正碳离子亦呈4种形式存在。
总结
木素结构单元中的酚型结构在碱性介质中形成亚甲基醌结构；
在酸性介质中，无论是酚型结构还是非酚型结构均可形成正碳离子结构。
第3章纤维素
（1）简述纤维素的化学结构特点？
答：
1.纤维素的最基本结构单元是D-吡喃葡萄糖基；
2.纤维素大分子的葡萄糖基间的连接是β-苷键连接；
3.纤维素大分子每个基环均具有3个醇羟基；（C2醇羟基，C3醇羟基和C6醇羟基）
4.纤维素大分子的两个末端基性质不同；（还原性末端基和非还原性末端基）
（2）纤维素生物合成的母体是什么？
答：
纤维素是由UDP-D-葡萄糖（尿苷二磷酸酯葡萄糖）合成的。
（3）纤维素常用的统计平均分子量包括哪些？
其中我国测定纤维素聚合度的标准方法是什么？
常用的纤维素溶剂是什么？
答：
数均分子量Mn，质均分子量Mw，粘均分子量Mŋ粘度法铜氨溶液或铜乙二胺溶液
（4）试述凝胶渗透色谱法对纤维素进行分级的原理？
答：
分离机理——体积排除理论
1.在色谱柱中，装填的多孔性填料的表面和内部有着各种各样大小不同的空洞和通道。
2.由于浓度的差别，聚合物分子在溶剂的推动下都力图向填料内部空洞渗透。
在前进的过程中同时向四周扩散。
3.较小的分子除了能进入较大的空洞外，还能进入较小的孔；较大的分子只能进入较大的孔，而比最大孔还要大的分子就只能停留在填料之间的空隙中。
4.随着洗涤过程的进行，最大的聚合物分子从载体间的粒间首先流出，依次流出的是尺寸较大的分子，然后是尺寸较小的分子，这样就达到了大小不同的分子分离的目的。
5.小分子可以通过各个空隙，其有效途径最长，最迟被洗出来。
分子量越小，其淋出体积越大，并计算淋出液浓度，再测定分子量。
需要用已知分子量的样品与淋出体积的峰值作图制出标准曲线。
（5）纤维素大分子的构型和构象分别是什么？
天然纤维素中所有的-CH2OH的构象是什么？
答：
1.纤维素由葡萄糖基环构成，构型属ß–D构型；D－葡萄糖基的构象为椅式构象；2.-CH2OH的构象是tg构象：
表示对C5-O5为反式t，对C5-C4为旁式g；
（6）叙述纤维素的超分子结构？
答：
纤维素的聚集态，即所谓纤维素的超分子结构，由结晶区和无定形区交错结合的体系，从结晶区到无定形区是逐步过渡的，无明显界限，一个纤维素分子链可以经过若干结晶区和无定形区。
（7）写出纤维素结晶度和可及度的概念？
答：
结晶度：
指纤维素构成的结晶区占纤维素整体的百分数，反映纤维素聚集时形成结晶的程度。
可及度：
反应试剂抵达纤维素羟基的难易程度，是纤维素化学反应的一个重要因素。
（8）简述纤维素的细纤维结构？
答：
原细纤维通过氢键结合组成微细纤维，同周围的半纤维素和木素（存在LCC）一起组成细胞壁的细纤维。
（9）写出纤维素结晶区和无定形区内羟基的特点以及羟基对制浆造纸的影响？
答：
1.纤维素结晶区所有羟基均形成氢键，因此结晶区分子间的结合力强，即氢键结合力强，水分子不易进入，形成永久结合点；纤维素无定形区只有部分羟基形成氢键，另一部分羟基呈游离状，结合力较弱，氢键始终处于结合→破裂→再结合的过程中，水分子进入无定形区与纤维素形成氢键水桥，产生润胀作用，形成暂时结合点。
（10）纤维素吸湿和解吸的概念，并写出纤维素吸湿的特点？
答：
吸湿：
纤维素自大气中吸取水或蒸汽。
解吸：
因大气中降低了蒸气分压而自纤维素放出水或者蒸汽。
特点：
1.随着相对蒸气压的增加，纤维素吸附的水量迅速增加，吸湿后纤维发生润胀，但不改变其结晶结构，X射线衍射图不发生变化。
2.吸湿只发生在无定形区，而不在结晶区。
3.纤维素的吸附等温曲线呈现“S”形。
（11）棉纤维素的吸着等温曲线为什么呈现S型？
解释原因？
答：
1.相对湿度60%以下，水分子吸附在原来的游离羟基和由于氢键破坏新游离出来的羟基上；2.相对湿度在60%以上，纤维进一步润涨，出现更多的吸附中心；
3.高相对湿度，由于发生多层吸附，吸水量迅速增加。
（12）什么是“滞后现象”？
并解释为什么会出现此现象？
答：
滞后现象：
同一种纤维素，在同一温度和同一相对湿度下，吸湿时的吸着水量低于解吸时的吸着水量的现象。
现象原因：
1.干燥的纤维素在吸湿过程其无定形区的氢键不断打开，纤维素分子间的氢键被纤维素分子和水分子间的氢键所代替，虽然形成了新的氢键，但纤维素分子间的部分氢键仍然存在，即新游离出来的羟基较少；
2.解吸过程，润湿了的纤维素纤维脱水收缩，无定形区纤维素分子间的氢键重新形成，但由于受到内部阻力的抵抗，被吸着的水不易挥发，也即纤维素与水分子间的氢键不能全部可逆地打开，故解吸时吸着的水较多，产生滞后现象。
（13）写出结合水和游离水的概念？
答：
结合水：
进入了纤维素无定形区与纤维素的羟基形成氢键结合的水；游离水：
纤维素物料吸湿达到饱和点后，水分子继续进入纤维的细胞腔和各孔隙中，形成的多层吸附水或毛细管水。
（14）详述纤维素纤维的润胀及其特点？
答：
润胀：
固体吸收润胀剂后，其体积变大但不失其表观均匀性，分子间的内聚力减小，固体变软的现象。
纤维素纤维的润胀分为：
有限润胀和无限润胀。
有限润胀：
纤维素吸收润胀剂的量有一定的限度，其润胀的程度也有限度。
无限润胀：
润涨剂可以进到纤维素的无定形区和结晶区发生润涨，但并不形成新的润胀化合物，对于进入无定形区和结晶区的润胀剂的量并无限制。
无限润胀就是溶解，形成溶液。
（15）详述纤维素的扩散双电层理论及其对制浆造纸的影响？
答：
1.由于纤维素表面上糖醛酸基及极性羟基的存在，使得纤维在水中其表面带负电。
2.纤维在水中吸引外围的正电子，越靠近纤维表面正电子浓度越小，直至为零。
3.吸附层：
纤维表面带负电荷的厚度a以及外围吸附的一、二层正电荷的厚度b合称为吸附层。
4.扩散层：
从吸附层界面向外至电荷浓度为零距离为d的一层。
5.吸附层与扩散层组成扩散双电层。
（16）纤维素酸水解分为哪两类？
答：
均相酸（浓酸）水解和多相酸（稀酸）水解。
（17）纤维素碱性降解包括的反应类型？
并分别写出它们的定义和特点？
答：
1.碱性降解反应包括碱性水解和剥皮反应。
剥皮反应：
指在碱性条件下，纤维素具有还原性的末端基一个个掉下来使纤维素大分子逐步降解的过程。
特点；1.在剥皮反应发生的同时也发生着终止反应。
2.剥皮反应速度要大于终止反应。
3.剥皮反应脱下的单糖基最终转化为异变糖酸。
4.终止反应最终使分子链的末端基转化为稳定的偏变糖酸结构。
（18）纤维素的氧化降解包括哪几种类型？
答：
1.伯羟基氧化2.还原性末端基氧化。
（19）写出纤维素酯化和醚化反应中取代度和酯化度及醚化度的概念？
答：
取代度（D）：
纤维素酯化反应中，每个葡萄糖基中被酯化的羟基的数目。
酯化度（γ）：
酯化反应中，每100个葡萄糖基中起反应的羟基的数目。
醚化度（γ）：
每100个葡萄糖基中被醚化的羟基数目。
第四章
（1）给出半纤维素的概念。
答：
指植物纤维原料中除纤维素以外的全部碳水化合物（少量的果胶质和淀粉除外），即非纤维素的碳水化合物。
（2）组成半纤维素的单糖有哪些？
答：
葡萄糖基、木糖基、甘露糖基、半乳糖基、阿拉伯糖基等
（3）叙述半纤维素的命名法。
答：
第一种：
列出各种糖基，将含量少的支链糖基排前面，含量多的排后面，主链糖基列于最后，若主链糖基多于一种，则将含量多的主链糖基放在最后，词首加“聚”字。
第二种：
只写出主链上的糖基而不写出枝链的糖基，在主链糖基前冠以“聚”字。
（4）解释半纤维素的分枝度的意义。
答：
1.表示半纤维素分子结构中枝链的多少；2.枝链多则分枝度高；3.同一溶剂在相同条件下处理同一类半纤维素，分枝度高的半纤维素的溶解度较大。
（5）总结针叶材半纤维素的结构。
答：
1.聚半乳糖葡萄糖甘露糖（60%-70%）；2.聚阿拉伯糖4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖（7%-12%）它不含乙酰基；3.聚阿拉伯糖半乳糖；
（6）总结阔叶材半纤维素的结构。
答：
1.聚O-乙酰基-4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖（20%-25%）；2.聚葡萄糖甘露糖（3%-5%）；3.聚鼠李糖半乳糖醛酸木糖；4.聚木糖葡萄糖；5.木糖基被部分乙酰化；
（7）总结草类半纤维素的结构。
答：
1聚阿拉伯糖葡萄糖醛酸木糖；2聚阿拉伯糖4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖；
（8）（8）比较针叶材，阔叶材和草类半纤维素的结构。
半纤维素结构
针叶材
聚聚甘露糖，聚木糖（无乙酰基）
阔叶材
聚木糖（部分乙酰化）
草（禾）类
聚木糖
（9）叙述半纤维素酸性水解。
答：
1.与纤维素酸性水解类似，半纤维素的苷键在酸性介质中会裂开，使半纤维素发生降解。
2.由于半纤维素与纤维素结构上的不同，半纤维素各糖苷键的水解速度有差异。
（10）叙述半纤维素的碱性水解。
答：
在碱性条件（170℃，5％NaOH）下，半纤维素的苷键部分断裂，产生新的还原性末端基。
（11）叙述半纤维素的酶降解。
答：
半纤维素的复杂结构决定了其酶降解需要多种酶的协同作用。
聚木糖酶的酶组分
1.内切1,4-β-D聚木糖酶：
随机断裂聚糖骨架，产生木寡糖，降低了聚合度。
2.外切酶β-木糖苷酶：
将木寡糖和木二糖分解为木糖。
3.糖苷酶：
水解木糖基与枝链糖基之间的糖苷键。
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