木質素

木質素（英語：Lignin）是一種廣泛存在於植物體中的無定形的、分子結構中含有氧代苯丙醇或其衍生物結構單元的芳香性高聚物。

植物的木質部（一種負責運水和礦物質的構造）含有大量木質素，使木質部維持極高的硬度以承拓整株植物的重量。

基本介紹

• 中文名：木質素
• 外文名：Lignin
• 本質：芳香性高聚物
• 含有部位：植物的木質部
• 成鍵：醚鍵和碳碳鍵
• 地位：是世界上第二位最豐富的有機物

基本概念

木質素是三種苯丙烷單元通過醚鍵和碳碳鍵相互連線形成的具有三維網狀結構的生物高分子，存在於木質組織中，主要作用是通過形成交織網來硬化細胞壁，為次生壁主要成分。木質素主要位於纖維素纖維之間， 起抗壓作用。在木本植物中，木質素占25%，是世界上第二位最豐富的有機物（纖維素是第一位）。由於自然界中木質素與纖維素、半纖維素等往往相互連線，形成木質素-碳水化合物複合體（Lignin-Carbohydrate Complex），故目前沒有辦法分離得到結構完全不受破壞的原本木質素。

木質素

單體結構

木質素是由三種醇單體（對香豆醇、松柏醇、芥子醇）形成的一種複雜酚類聚合物。

木質素單體的分子結構

木質素是構成植物細胞壁的成分之一，具有使細胞相連的作用。木質素是一種含許多負電集團的多環高分子有機物，對土壤中的高價金屬離子有較強的親和力。

因單體不同，可將木質素分為3種類型：由紫丁香基丙烷結構單體聚合而成的紫丁香基木質素（syringyl lignin，S-木質素），由愈創木基丙烷結構單體聚合而成的愈創木基木質素（guaiacyl lignin，G-木質素）和由對-羥基苯基丙烷結構單體聚合而成的對-羥基苯基木質素（para-hydroxy-phenyl lignin，H-木質素）；裸子植物主要為愈創木基木質素（G），雙子葉植物主要含愈創木基-紫丁香基木質素（G-S），單子葉植物則為愈創木基-紫丁香基-對-羥基苯基木質素（G-S-H）。從植物學觀點出發，木質素就是包圍於管胞、導管及木纖維等纖維束細胞及厚壁細胞外的物質，並使這些細胞具有特定顯色反應（加間苯三酚溶液一滴，待片刻，再加鹽酸一滴，即顯紅色）的物質；從化學觀點來看，木質素是由高度取代的苯基丙烷單元隨機聚合而成的高分子，它與纖維素、半纖維素一起，形成植物骨架的主要成分，在數量上僅次於纖維素。木質素填充於纖維素構架中增強植物體的機械強度，利於輸導組織的水分運輸和抵抗不良外界環境的侵襲。

木質素在木材等硬組織中含量較多，蔬菜中則很少見含有。一般存在於豆類、麥麩、可可、草莓及山莓的種子部分之中。其最重要的作用就是吸附膽汁的主要成分膽汁酸，並將其排除體外。

另外，雖然其詳細情況尚不得而知，但木質素的構造與多酚非常相似，故此，木質素與多酚應該有密切的關係。總之，二者對於身體都有很好的作用。

持續發展

隨著人類對環境污染和資源危機等問題的認識不斷深入，天然高分子所具有的可再生、可降解等性質日益受到重視。

Kim JW 等研究了煤與造紙黑液的共液化，他們認為木質素的熱解形成苯氧自由基，以及其它反應性自由基在低溫下對於煤基有很重要的熱解作用。這些自由基是高效的活性中間體，能夠使得煤中的亞甲基斷裂從而促進煤的解聚。

Akash BA 等研究了煤與木質素共液化動力學。採用伊利諾斯州煙煤與腐蝕性的木質素混合物，反應在初始氫壓 1.1 MPa、375℃、四氫萘作溶劑下完成的。煤和木質素混合物液化產品與單獨用煤液化得到的產物相比，含較少苯不溶物。排阻色譜研究表明，煤和木質素混合物液化產品平均分子量比用單煤或單木質素液化得到的產品的分子量要低。試驗數據表明，在加入木質素後煤的轉化率提高了22%，通過研究分析得到了描述化學反應的數學模型。他們對液體產品循環的影響也進行了研究。初步試驗表明，隨著產品循環的增加，煤總的分解率是減小的。

以上的研究表明，當煤與木質素共液化時，煤的液化溫度可降低。而且不同研究者得到的實驗結果都表明，與煤單獨液化相比，煤與生物質共液化所得到的液化產品質量得到改善，液相產物中低分子量的戊烷可溶物有了增加。產生這些結果的原因可能是木質素的熱解形成苯氧自由基，以及其它反應性自由基在低溫下對於煤基有很重要的熱解作用。當使用含有苯酚類基團的溶劑進行液化時，煤的轉化率也有顯著增加，雖然國內外對生物質與煤的共液化取得了一定的進展，但還有許多不夠深入，以後應著力研究煤與木質素共液化工藝條件，改性生物質與煤液化試驗研究、木質素與煤共液化動力學、木質素與煤催化劑的專用高效催化劑方面的研究。

展覽會

國際碳纖維會議7月25日~26日在美國紐約州水牛城舉辦，會議由哈勃公司（Haper International）主辦，美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）協辦。有來自20多個國家的170多位企業代表與學者參會。會議提出採用可再生原料生產低成本、高產量碳纖維是今後發展趨勢。

2014中國國際木質素產業及套用展覽會於2014年5月15日-17日在上海世博展覽館召開。

性質

日本的八浜羲和曾對木質素下過這樣的定義：木質素是在酸作用下難以水解的相對分子質量較高的物質，主要存在於木質化植物的細胞中，強化植物組織。其化學結構是苯丙烷類結構單元組成的複雜化合物，共有三種基本結構（非縮合型結構），即愈創木基結構、紫丁香基結構和對羥苯基結構。

分子結構

同時含有多種活性官能團，如羥基、羰基、羧基、甲基及側鏈結構。其中羥基在木質素中存在較多，以醇羥基和酚羥基兩種形式存在，而酚羥基的多少又直接影響到木質素的物理和化學性質，如能反映出木質素的醚化和縮合程度，同時也能衡量木質素的溶解性能和反應能力；在木質素的側鏈上，有對羥基安息香酸、香草酸、紫丁香酸、對羥基肉桂酸、阿魏酸等酯型結構存在，這些酯型結構存在於側鏈的α位或γ位。在側鏈α位除了酯型結構外，還有醚型連線，或作為聯苯型結構的碳-碳聯結。同酚羥基一樣，木質素的側鏈結構也直接關係到它的化學反應性。

基本結構

由於木質素的分子結構中存在著芳香基、酚羥基、醇羥基、碳基共扼雙鍵等活性基團，因此可以進行氧化、還原、水解、醇解、酸解甲氧基、羧基、光解、酞化、磺化、烷基化、鹵化、硝化、縮聚或接枝共聚等許多化學反應。其中，又以氧化、酞化、磺化、縮聚和接枝共聚等反應性能在研究木質素的套用中顯示著尤為重要的作用，同時也是擴大其套用的重要途徑。在此過程中，磺化反應又是木質素套用的基礎和前提，到目前為止，木質素的套用大都以木質素磺酸鹽的形式加以利用。在亞硫酸鹽法生產紙漿的工藝中，正是由於亞硫酸鹽溶液與木粉中的原本木質素髮生了磺化反應，引進了磺酸基，增加了親水性，而後這種木質素磺酸鹽在酸性蒸煮液中進一步發生水解反應，使與木質素結合著的半纖維素髮生解聚，從而使木質素磺酸鹽溶出，實現了木質素、纖維素與半纖維素的分離，得到了紙漿，同時也使木質素的套用成為了可能。

套用

利用木質素作為橡膠補強劑的方法，屬木質素在橡膠工業中套用的技術領域。其要點是在濃縮的造紙廢液中加進甲醛製成木質素甲醛樹脂，再按比例加入硫磺、氧化鋅、硬脂酸、硫化劑、硫化促進劑、硫化活化劑與橡膠在一定溫度下進行硫化。本發明可使橡膠中填充大量木質素仍不需加軟化劑，這既節省大量橡膠，又可獲得優良性質的硫化膠，同時硫化中不會塵土飛揚污染環境，又使造紙廢液變害為利，有著很大的社會和經濟效益。

木鈉的主要用處

利用其粘結性、分散性、螯合性廣泛套用各個行業，以改善其物理化學性能，節省成本，提高效率。

1 增強劑

在耐火材料、陶瓷製品生產中起到減水、增塑、絮凝等作用，亦可用於鑄造業，作為輔助粘結劑，粘結力大且解崩性好。

2 礦粉粘結劑

冶煉業將礦粉與之混合製成礦粉球，乾燥後入窯，提高冶煉回收率，也可用作選礦劑。

3 用作混凝土減水劑

摻加量在0.2%-0.3%時，可減少混凝土攪拌時用水量10%-12%，降低水灰比，節約水泥10%左右，改善混凝土和易性、流動性及抗滲透性，提高混凝土強度和密實性，具有早強效應，縮短凝結時間，提高抗壓強度，同時減少混凝土坍落度損失。

4 防垢劑和緩蝕劑

用於工業容器和管道中，起到防垢和緩蝕的作用，提高視窗和管道的使用壽命。

5 水煤漿分散劑

用於火力發電廠等使用水煤漿的企業，作為分散劑，提高對煤的分散能力，增加燃煤的發熱率和利用率，大大降低粉煤灰中的含煤量，同時減少搭橋和結塊，提高爐體壽命。

6 其他

本產品可用作三次採油的化學劑、油田鑽井泥漿稀釋劑，及用於封井。另外，還可用於瀝青乳化劑、飼料粘結劑、精煉助劑等，還廣泛用於農藥加工、型煤製作、鞣革的填料、炭黑造粒及土壤、沙丘、粉傑的控制等。

相關文獻

木質素

蔣挺大編著

生物高分子（第一卷）

[芬] M. 霍夫里特, [德] A. 斯泰因比歇爾主編

郭聖榮主譯

植物纖維化學

楊淑蕙主編