植物纤维细胞壁的微细结构

1、第六节第六节 植物纤维细胞壁的微细结构植物纤维细胞壁的微细结构（ultrastructureultrastructure）一、纤维细胞壁的结构一、纤维细胞壁的结构 细胞壁由原生质体所分泌的物质形成，细胞壁由原生质体所分泌的物质形成，分为分为胞间层、初生壁胞间层、初生壁和和次生壁次生壁。 细胞壁上的细胞壁上的纹孔、胞间联丝纹孔、胞间联丝等结构以实等结构以实现细胞之间水分及其他物质的输导和流现细胞之间水分及其他物质的输导和流通。通。（二）木材纤维细胞壁的层次结构（二）木材纤维细胞壁的层次结构 胞间层胞间层 mlml 细胞角区（细胞角区（cccc） 复合胞间层复合胞间层cmlcml 初生壁初生壁 p

2、 p 次生壁外层次生壁外层s s1 1 次生壁中层次生壁中层s s2 2 次生壁内层次生壁内层s s3 3 瘤层瘤层 / ht/ ht层层 胞间层（中间层，胞间层（中间层，middle lamellamiddle lamella，mlml）: : 细胞分裂时在两个新细胞之间形成的一层薄膜。细胞分裂时在两个新细胞之间形成的一层薄膜。( (木素、果胶）木素、果胶） 初生壁（初生壁（primary wallprimary wall，p p层）：层）：纤维素、半纤维纤维素、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，厚度仅有和可塑性，厚度仅有0.

3、10.1m m。 （纤维素、半纤维素、木素）（纤维素、半纤维素、木素） 次生壁（次生壁（secondary wallsecondary wall，s s层）：层）：原生质体所分原生质体所分泌的纤维素等产物在初生壁内侧沉积形成，厚度泌的纤维素等产物在初生壁内侧沉积形成，厚度在在5 51010m m。分为外层（。分为外层（s s1 1）、中层（）、中层（s s2 2）、内层）、内层（s s3 3）. . 次生壁是细胞壁的主体，给植株以刚性和抗次生壁是细胞壁的主体，给植株以刚性和抗风能力。风能力。 所有植物细胞都具有所有植物细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。正常的纤维细

4、胞的细胞壁均是由。正常的纤维细胞的细胞壁均是由p、s1、s2、s3等层次所构成的。等层次所构成的。 细胞腔：细胞腔：细胞壁所包围形成的空腔称为细胞细胞壁所包围形成的空腔称为细胞腔。腔。 瘤层（瘤层（warty-layer)：部分材种的：部分材种的s3层内表面层内表面及纹孔缘内表面上存在瘤层。及纹孔缘内表面上存在瘤层。纤维细胞壁的微细结构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不同层次微细纤维的取向及其对材质的影响 微细纤维微细纤维（microfibrilmicrofibril）：在电子显微镜图中）：在电子显微镜图中可见到的未失真最小细纤维。可见到的未失真最小细纤维。 微细纤维

5、的取向：微细纤维的取向：是指微细纤维在细胞壁上与纤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）。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。结构特征的重要依据。微细纤维的取向与纤维及木材的力微细纤维的取向与纤维及木材的力学性质的关系学性质的关系 微细纤维的取向不同，直接影响纤维及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。木材原料的力学性质。倾角大：倾角大：抗压性能好，抗拉强度差抗压性能好，抗拉强度差倾角小：

6、倾角小：抗拉强度好，抗压强度差抗拉强度好，抗压强度差 三者关系三者关系：细胞壁中，细胞壁中，微细纤维、微细纤维、半纤维素、半纤维素、木素以不连木素以不连续的层状结续的层状结构绕细胞腔构绕细胞腔排列排列瘤层（瘤层（w w warty layer warty layer） 有些树种，如马尾松、云南松等，在细胞腔的腔壁上有有些树种，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，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，与它是独立的结构，与s s3 3层有明显的界限。层有明显的界限。臭松管胞内壁的瘤层（弦切面）臭松管胞内壁的瘤层

7、（弦切面）1.1.瘤层；瘤层；2.s2.s3 3层层12htht层（层（helical thickeninghelical thickening） 某些针叶材，如花旗松与紫杉的纤维细胞壁在某些针叶材，如花旗松与紫杉的纤维细胞壁在s s3 3层的细层的细胞腔一侧，有螺旋状增厚层胞腔一侧，有螺旋状增厚层( (节状增厚层节状增厚层) )，称为，称为htht层，层，htht层层起着细胞壁的附加支撑作用。起着细胞壁的附加支撑作用。微细纤维的精细结构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（一）微细纤维的精细结构纤维素大分子（约纤维素

8、大分子（约4040个）有规则地排列聚集成原细个）有规则地排列聚集成原细纤维（纤维（elementary fibrilelementary fibril），若干原细纤维组成微细纤），若干原细纤维组成微细纤维（维（microfibrilmicrofibril），若干微细纤维再组成纤维），若干微细纤维再组成纤维（fiberfiber）。）。d.fengeld.fengel的微细纤维结构模型的微细纤维结构模型 原细纤维直径为原细纤维直径为3nm(elementary fibril)3nm(elementary fibril) 微纤维丝直径为微纤维丝直径为 12nm (fibril)12nm (fibr

9、il) 微细纤维直径为微细纤维直径为 25nm( microfibril)25nm( microfibril)tappi/march 1970 vol.53,no.3tappi/march 1970 vol.53,no.3纤维素长纤维素长链分子与链分子与微细纤维微细纤维之间的结之间的结构关系构关系纤维的层次结构与打浆的关系纤维的层次结构与打浆的关系 打浆过程：打浆过程： 打浆初期，打浆初期，p层及层及s1层破裂引起纤维表面层破裂引起纤维表面微细纤维化。微细纤维化。 破坏破坏p层及层及s1层，完全打掉或部分打掉，层，完全打掉或部分打掉，使使s2层裸露并使其分丝帚化。层裸露并使其分丝帚化。 横向切

10、断，纵向分丝帚化。横向切断，纵向分丝帚化。 使纤维发生水化润胀，也叫内部微细纤维使纤维发生水化润胀，也叫内部微细纤维化。化。禾本科纤维的微细结构禾本科纤维的微细结构 稻草、麦草的细胞壁组成较正常稻草、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。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禾本科原料的纤维细胞壁的p p、s1s1层较层较厚。厚。主要化学组分在细胞壁中的分布主要化学组分在细胞壁中的分布 骨架（骨架（frameworkframework）：纤维素）：纤维素 填充物质填充物质(matrix substance)(matrix substance)和粘合物质

11、和粘合物质(encrusting substance) (encrusting substance) ：半纤维素、：半纤维素、木素木素 这三种组分在细胞壁中构成了绕细胞腔排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。列的相互间断的同心层。纤维素的分布纤维素的分布 纤维素在原料纤维细胞壁中的分布具有纤维素在原料纤维细胞壁中的分布具有明显的规律性，明显的规律性，从从p p层到层到s3s3纤维素含量纤维素含量逐步升高，逐步升高，其中其中s2s2、s3s3层中含量最高。层中含量最高。半纤维素的分布半纤维素的分布 所有材种的所有材种的cmlcml半纤维素半纤维素的的浓度最高浓度最高；s s

12、层层浓度最低浓度最低。见表见表1-311-31木素的分布木素的分布研究表明：研究表明： 1 1、不同形态学区域中木素浓度的分布规律是：、不同形态学区域中木素浓度的分布规律是：cccmlscccmls3 3ss1 1ss2 2（见表（见表1 13232） cmlcml层，木素是无定型的；层，木素是无定型的；s s层中木素在微细层中木素在微细纤维周围顺着各层微细纤维的方向排列。纤维周围顺着各层微细纤维的方向排列。 2 2、s s层木素层木素浓度低浓度低，但是由于占的体积分数，但是由于占的体积分数大，所以大，所以木素含量还是木素含量还是s s层最多层最多。 fergus, procter, and

13、goring, 1967sccml木素分布图木素分布图在胞间层木素浓在胞间层木素浓度为度为 70-80%70-80%在细胞壁中木素在细胞壁中木素浓度为浓度为 20-30%20-30%应压木和应拉木应压木和应拉木 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，即在受压材中产生于倾斜树干或枝桠的下

14、侧，即在受压的一侧，称为应压木（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。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（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 应压木化学组成中的木质素含量平均增应压木化学组成中的木质素含量平均增加加9%，纤维素含量平均减少，纤维素含量平均减少10%，半，半乳糖含量平均增加乳糖含量平均增加7.8%。由于应压木。由于应压木的化学成分变化较大，所以它对制浆和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造纸不太适宜

15、，而且影响其产品的收缩和机械性质。和机械性质。应拉木化学组成应拉木化学组成 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，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（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到了

16、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）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

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、禾本科纤维的微细结构四、禾本科纤维的微细结构1. 1. 微细结构有的与木材相似，如麦草、稻草、田青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等，其纤维细胞壁也可以分为mlml、p

18、p、s s1 1、s s2 2、s s3 3。2. 2. 禾本科纤维的禾本科纤维的p p层及层及s s1 1层的厚度占细胞壁厚度的层的厚度占细胞壁厚度的比例较大比例较大。3. s3. s1 1与与s s2 2层之间连接紧密，因此打浆时往往较木材纤维层之间连接紧密，因此打浆时往往较木材纤维难于分丝帚化。难于分丝帚化。4. 4. 部分纤维的次生壁中层（部分纤维的次生壁中层（s s2 2）是多层结构，）是多层结构，5 5层、层、7 7层层或或9 9层。层。5. 5. 宽层的染色较浅，表明木素的浓度较低，窄层的染色宽层的染色较浅，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。较深，表明其

19、中木素的浓度较高。 我国造纸行业的现状和未来我国造纸行业的现状和未来l 中国纸张生产和消费总量均居世界第一位。中国纸张生产和消费总量均居世界第一位。l 2010年，生产总量年，生产总量9270万吨；消费总量万吨；消费总量9173万吨。万吨。l 2015年，预计生产总量年，预计生产总量11600万吨；消费总量万吨；消费总量11470万吨，年增速万吨，年增速4.6%。 （中国造纸工业中国造纸工业“十二五十二五”规划规划）我国的制浆造纸植物纤维原料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我国制浆造纸植物纤维原料的现状 原料不足（见前表）原料不足（见前表） 草类原料丰富，木材原料缺乏

20、草类原料丰富，木材原料缺乏造纸植物纤维原料的未来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%。（中国造纸工业中国造纸工业“十十二五二五”规划规划）改善我国制浆造纸植物纤维原料现状改善我国制浆造纸植物纤维原料现状的途径的途径加速发展造纸用速生材基地加速发展造纸用速生材基地大力发展废纸制浆造纸大力发展废纸制浆造纸

21、合理利用原料合理利用原料扩大竹子等制浆造纸利用率扩大竹子等制浆造纸利用率国外的预测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，20112015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5

22、6%有较大幅度的提高，2025年废纸浆消耗量将达到4亿吨。预计，20112025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。第一章思考题第一章思考题 如何将造纸植物纤维原料进行分类？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。或概念。 比较纤维素与半纤维素的异同。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？比较好？ 如何自综纤维素制备如何