木质素和木质纤维素的区别(极具挑战的可持续替代资源——木质纤维素)

Posted 2023-05-29

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木质素和木质纤维素的区别(极具挑战的可持续替代资源——木质纤维素)

21世纪最重要的挑战之一是用更可持续的替代品替代化石资源。可行的替代品至少应该是可再生的，二氧化碳中性的，广泛可用的，并且不应该与粮食生产竞争。木质纤维素的不可食用植物生物质是满足这些基本标准的少数资源之一。与石油相反，木质纤维素是一种高氧化，固体和非均相物质。它主要由三种高功能生物聚合物组成，即纤维素，半纤维素和木质素，形成一种耐（生物）化学转化的复合材料，这种现象通常被称为生物质抗降解屏障。

木质纤维素是植物的主要结构成分，是迄今为止最丰富的生物质类型。它是一种主要由纤维素（40-60%），半纤维素（10-40%）和木质素（15-30%）组成的复合材料;并且可以在木本植物（例如松树，杨树，桦树）和草本植物（例如柳枝稷，芒草，玉米秸秆）中找到。

纤维素

纤维素部分完全由葡萄糖单元组成，葡萄糖单元通过b-1，4-糖苷键以线性方式连接。所得聚合物链的聚合度可高达10 000个单位。这些链通过氢键和范德华力相互作用，最终产生刚性的半结晶纤维素纤维。由于这些强大的相互作用力，纤维素纤维不溶于大多数常规溶剂，包括水。

半纤维素

半纤维素是木质纤维素生物质中的第二碳水化合物，其代表含有五糖（例如木糖，阿拉伯糖）和己糖（例如半乳糖，葡萄糖，甘露糖）的支链碳水化合物聚合物。糖醛酸（例如葡萄糖醛酸）和乙酰部分通常以侧链基团的形式存在。半纤维素的化学成分可以有很大差异，这取决于生物质的植物来源。聚合度通常较低，在50-300单位的范围内。与纤维素不同，半纤维素是一种无定形生物聚合物，因此更容易溶解，并且更容易受到化学侵蚀。总碳水化合物部分通常被称为全纤维素，包括纤维素，半纤维素以及其他（次要）碳水化合物生物聚合物，如果胶。果胶只占草中碳水化合物的一小部分，但对生物质顽固性有显著贡献。

木质素

木质素是木质纤维素生物质的第三部分也是最复杂的成分。木质素被定义为一种不规则的、含氧的对丙基苯酚聚合物，由植物细胞壁中单木质素的自由基聚合形成，因此被称为超分子自组装混沌。它为植物细胞壁提供刚性，并抵抗微生物攻击，从而有助于生物量的顽拗性。木质素生物合成由苯丙素途径启动，这是一个多酶生化网络，其中苯丙氨酸（和草中的酪氨酸）转化为主要木质素构建块：对香豆醇、松柏醇和芥子醇。

这些构建块或单信号醇在酚核上的甲氧基数量不同，通常缩写为H（对羟基苯基）、G（愈创木酰）和S（丁香基）。木质素中酚核的相对分布在不同的植物种类之间有很大差异。一般来说，软木木质素（例如松树，云杉）仅包含G单元，而硬木木质素（例如桦木，杨树，桉树）由G和S单元组成。来自草本生物质的木质素含有所有三个单位，尽管H含量通常较低（<5%）。除了主要构建块之外，木质素还可以掺入大量其他（酚类）化合物，例如羟基肉桂酸酯（对香豆酸盐，阿魏酸盐等），对羟基苯甲酸酯，三辛，乙酸盐和其他来自不完全单木质醇生物合成产物。