功能性半纤维素高效合成及材料运用分析

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1、功能性半纤维素高效合成及材料运用分析第一章绪论1.1生物质资源转化利用的战略意义随着世界石化资源的日渐枯竭和环境的日益恶化，全球面临着经济可持续性发展和环境保护的双重压力，人们已经深刻认识到生物质资源的转化和利用是未来社会可持续发展的重要途径。农林生物质资源是世界上最丰富的生物质资源，也是生物质转化利用的主要对象。据统计，每年产生的各种农林废弃物有15亿吨（秸杆年产量7亿吨、稻草2.3亿吨、小麦秸秆1.2亿吨、其他类秸秆4.2亿吨）；约1.5亿吨的森林采伐、木材加工等废弃物。但目前这些资源没有得到有效利用，甚至大部分农林废弃物被焚烧，造成严重的环境污染。如何有

2、效利用这些生物质资源是缓解我国将来资源与环境压力、促进工业和生态可持续发展的关键问题与迫切任务。农林生物质资源的主要组份是纤维素、半纤维素和木素，三者总含量占细胞壁总量的90%以上。对这些组份进行有目的转化利用可获得现代社会发展和经济生活中有重要意义的新材料、化工原料、高热值燃料、功能食品和药物等。目前，生物质精炼受到欧美等发达国家的极大重视，许多国家，特别是发达国家已将其列为经济和社会发展的重大战略举措。如美国能源部（DOE）和农业部（USDA）不断出台相关政策并提供大量资金支持生物能源和高值生物质基产品制备技术和工艺的研发，同时制订了以农作物为基础的可再生

3、资源利用计划。可以预见，农林生物质在不久的将来将成为能源、化工原料、材料的重要。我国是全球农林生物质资源最丰富的国家之一，但是生物质转化产业才刚刚起步，正处在政策引导扶持期，成长潜力巨大。目前，我国已将生物质资源的开发利用列入国家重点科技攻关计划，21世纪我国将逐渐实现由生物质资源大国向生物质经济强国转变。1.2半纤维素的化学结构及分离、纯化1.2.1半纤维素的化学结构半纤维素是植物细胞壁的主要组分之一，是由非葡萄糖单元组成的一类多糖的总称，约占细胞壁总重的20~35%。半纤维素在参与细胞壁的构建中形成的种类很多，多为支链结构，结构复杂，且化学结构随植物种类不

4、同呈现较大差异。半纤维素中基本的糖单元有D-木糖、L-阿拉伯糖、D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸、D-半乳糖醛酸和少量的L-鼠李糖、L-海藻糖及各种O-甲基化的中性糖。与纤维素相比，半纤维素的化学结构的主要差异表现为不同的糖单元、短的分子链（聚合度为80~200）、大量分子支链、不均一主链组成等。由于结构的多样性，不同类型的半纤维素的溶解性差异比较大。部分支链较多、分子量较小的半纤维素能够溶于热水。几乎所有半纤维素在碱液和DMSO中能够很好溶解。根据化学组成中的主要单糖成分，半纤维素可以分为甘露聚糖、木聚糖、半乳

5、聚糖、木葡聚糖和阿拉伯聚糖。甘露聚糖的主链由甘露糖以1,4-β糖苷键联接而成，包括甘露聚糖、半乳甘露聚糖和葡萄醛酸甘露糖等[4]。该类甘露聚糖具有不同D-吡喃式半乳糖支链（与甘露糖6位连接）[5]。甘露聚糖是针叶木半纤维素的主要成分。木聚糖是由木糖通过1,4-β糖苷键连成的链状分子[6]，具有大量的乙酰基。乙酰基的位置多在木糖的C-3上，少量也在C-4上，部分有4-O-甲基-α-D-葡萄糖醛酸通过1,2-α糖苷键联接到木糖残基上。木聚糖是单子叶植物初生细胞壁中半纤维素的主要组分，在双子叶植物中含量较少。半乳聚糖是由&

6、beta;-1,4糖苷键联接的半乳糖残基组成主链，侧链则是联接在O-6的半乳糖残基。该类半纤维素的主要代表是阿拉伯半乳聚糖。落叶松中存在着丰富的阿拉伯半乳糖，有些植物的半乳糖有葡萄糖醛酸残基。木葡聚糖是由D-吡喃葡萄糖以1,4-β糖苷键相联构成的主链，其O-6上连接着D-吡喃木聚糖侧链[8]。按侧链的分布可将木葡聚糖分成两类：一是两个吡喃木糖单元连着两个吡喃葡萄糖单元（XXGG），另一个则是三个吡喃木聚糖单元连着一个吡喃葡萄糖单元（XXXG）。除此之外，木葡聚糖上还有其它侧链，包括α-L-呋喃阿拉伯糖，这种特征使得木葡聚糖的结构鉴定很富挑

7、战性。木葡聚糖主要存在于双子叶植物中，约占细胞壁干重的20%。阿拉伯聚糖是由α-L-呋喃阿拉伯糖残基在C-5相联构成主链，支链较多，既有联接在O-2或O-3或同时联接在O-2和O-3的呋喃阿拉伯糖侧链，也有阿拉伯寡糖侧链[9]。在初生细胞壁中的阿拉伯聚糖基本上全部由阿拉伯糖组成。阔叶木的半纤维素主要第二章植物细胞壁超微结构分析与半纤维素的分离、结构鉴定黄竹是东南亚、我国云南地区天然分布的竹种，其面积居于我国天然竹林之首位，是我国面积最大、最具代表性的天然热带性大型丛生竹林，目前黄竹资源的加工利用仍处于初级产品利用阶段，资源利用率低、产品附加值低[1

8、35]。因此对其进行系统综合开发利用、