纖維素的分離和利用
實(shí)驗(yàn)室k / 2019-05-10
纖維素和淀粉都屬多醣類。它常和半纖維素、木質(zhì)素共存于植物的細(xì)胞中。要提取和利用植物纖維素，往往要把它和半纖維素、木質(zhì)素分開(kāi)。
半纖維素在植物界里分布很廣，在草桿、玉米芯和木材中，在向日葵、棉籽、稻谷等種子外層的硬殼中含量較多。其組成主要為多縮戊糖（C5H8O4）n和多縮己糖（C6H10O5）n的混合物。半纖維素不溶于水，能溶于稀堿溶液，易被稀酸水解成單糖，故工業(yè)上將其中的多縮戊糖水解以制取糠醛；利用其中的多縮己糖水解成己糖，然后再發(fā)酵制取酒精。
木質(zhì)素（又名木素）存在于纖維素分子束間的空隙部分，是纖維素分子之間的膠粘物質(zhì)。本質(zhì)素是由C、H、O三種元素組成的芳香烴物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，至今還未背定。不過(guò)我們可以利用木質(zhì)素難溶于酸，卻能溶于亞硫酸鹽或堿溶液的特點(diǎn)，用濃的無(wú)機(jī)酸（硫酸或鹽酸）處理植物纖維原料，使其中纖維素和半纖維素水解成單糖，而木質(zhì)素則成為細(xì)粒狀態(tài)殘留在水解液里，經(jīng)分離、提取得到的木質(zhì)素，以氨化處理后便成為氨化木素，它是一種很好的肥料。這種肥料對(duì)多種作物有增產(chǎn)效果，不僅提供作物生長(zhǎng)所需要的氮素，而且施入土壤后，通過(guò)微生物的作用，被轉(zhuǎn)化成胡敏酸。胡敏酸肥料（胡敏酸常常亦是腐植酸肥料中的一個(gè)組成部分，不單可以由木質(zhì)素氨化處理后制得，它也廣泛存在于有機(jī)質(zhì)較多的黑土、腐熟的豬糞，以及草炭（又稱泥炭）、褐煤和其他天然有機(jī)肥料中，如將草炭用稀堿液處理，便可制得胡敏酸肥料）是當(dāng)前使用很廣泛的一種新型有機(jī)肥料，它是土壤腐植質(zhì)的成分之一，能直接參加作物體內(nèi)的代謝，調(diào)節(jié)其氧化還原作用，提高植物根系的呼吸強(qiáng)度，從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育；此外，還能改變土壤的結(jié)構(gòu)和改良土壤的理化性狀。
纖維素是白色物質(zhì)，在植物體中呈絲狀，這種絲狀物質(zhì)是由許多膠束組成，每一膠束又包含約60個(gè)纖維素大分子。纖維素在濃酸或生物酶的催化作用下，會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，最后得到葡萄糖。這里酸的作用不僅浸透到纖維素分子?xùn)|間的孔隙中，引起膨脹，同時(shí)會(huì)使分子鏈上各小單位—（C6H10O5）—間的結(jié)合力削弱，以致使纖維素的大分子斷裂：
用纖維素水解生產(chǎn)的葡萄糖也同樣可以進(jìn)一步發(fā)酵制取酒精，以節(jié)的大量食用淀粉原料。纖維素遇堿，只引起纖維素的膨脹，形成堿化纖維素，而堿化纖維素卻仍保持著釬維素原來(lái)的結(jié)構(gòu)骨架。
因此，生產(chǎn)上就根據(jù)這一原理將含纖維素原料和堿液一起蒸煮（所用堿液是NaOH和Na2SO3的混合液。加入Na2SO3是起緩和作用，防止纖維素破壞，并增加漿液的白度，特別對(duì)于木漿，更可有效除去其中木質(zhì)素）。這時(shí)，本質(zhì)素和半纖維素等就溶解于堿液中，而與纖維素分離之。得到的纖維素漿液，純度較高，可用來(lái)造紙和制造人造纖維。
此外，也可用酸法來(lái)分離纖維素，即用亞硫酸鹽［Ca（HSO3）2和亞硫酸］處理原料，使其中半纖維素水解成單糖。木質(zhì)素則與亞硫酸作用，生成可溶性木素磺酸鹽，溶解于蒸煮液里，而纖維素不與亞硫酸鹽作用，即可被分離之。
分離纖維素后的廢液還可利用，其中含有被水解的單糖等，還可用來(lái)發(fā)醇制取酒精、培養(yǎng)食用醇母或飼料酵母、合成皮革工業(yè)用的鞣料或提取多種有機(jī)合成原料等。最后得到的廢液淤渣，經(jīng)摻入化肥，加入聚乙烯醇水溶液等后，可以制成長(zhǎng)效肥料。
在植物體中，淀粉、纖維素、葡萄糖等碳水化合物是經(jīng)常發(fā)生著相互間的轉(zhuǎn)化。這種轉(zhuǎn)化首先是植物吸收了太陽(yáng)光后，經(jīng)過(guò)光合作用，發(fā)生了能量的交換，把光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，而這些化學(xué)能就被儲(chǔ)藏在糖、淀粉等有機(jī)物質(zhì)中。例如，當(dāng)植物的綠葉吸取空氣中的CO2后，在光合作用下，和由植物根部吸入的水分發(fā)生反應(yīng)，形成葡萄糖（光合作用除了形成葡萄糖外，在有氮素供應(yīng)時(shí)，也可直接合成氨基酸、蛋白質(zhì)等有機(jī)化合物），同時(shí)放出氧氣：
生成的葡萄糖一部分儲(chǔ)藏起來(lái)，一部分就運(yùn)輸?shù)狡渌课唬蛟俎D(zhuǎn)化為淀粉和纖維素：
n（C6H12O6） → （C6H10O5）n＋nH2O
另一方面，淀粉在種子或葉子里受著酶的作用時(shí)，也能分解為葡萄糖：
（C6H10O5）n＋nH2O → nC6H12O6
在植物體的各個(gè)不同發(fā)育期中，碳水化合物的生成和蓄積的動(dòng)態(tài)是不同的。例如，在稻谷發(fā)芽時(shí)，種子中的淀粉迅速分解，因此糖分就迅速增加，通過(guò)糖分的生物氧化作用，產(chǎn)生能量，以供給幼苗初期生長(zhǎng)的需要。到了成熟期，水稻體其他各部分的淀粉含量不斷減少，以可溶性糖的形態(tài)向穗部輸送，稻穗中的淀粉則迅速蓄積。
這種轉(zhuǎn)化同樣在人體中進(jìn)行著。吃在嘴里的一口米飯，越嚼越甜，這就是有一小部分淀粉被唾液醇水解成麥芽糖的緣故。食物進(jìn)入胃腸后，又受到胰臟分泌出來(lái)的比唾液淀粉醇效力更強(qiáng)的胰液淀粉酶作用，繼續(xù)水解形成葡葡糖，再通過(guò)小腸壁，被吸入血液中，當(dāng)人體肌肉活動(dòng)或工作需要能量時(shí)，潛藏著化學(xué)能的葡葡糖又被氧化，放出熱量：
C6H12O6＋6O2 → 6CO2＋6H2O＋686千卡
多余的葡萄糖在肝臟中組合成動(dòng)物性淀粉——肝糖而儲(chǔ)存起來(lái)。肝糖是動(dòng)物體內(nèi)的儲(chǔ)備糖，就象淀粉是植物的儲(chǔ)備糖一樣，也能被淀粉分解成為糊精、麥芽糖、葡萄糖等，所以當(dāng)人體需要營(yíng)養(yǎng)時(shí)，肝糖就又再轉(zhuǎn)化為葡萄糖。當(dāng)然，在肝臟內(nèi)肝糖的儲(chǔ)量是有一定限度的，多余下來(lái)的葡萄糖還可在細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為脂肪。
碳水化合物之間的這種相互轉(zhuǎn)化，正說(shuō)明了在自然界中，一切物質(zhì)都在運(yùn)動(dòng)，都在不斷地變化。物質(zhì)與物質(zhì)之間既互相聯(lián)系，又可相互轉(zhuǎn)化，從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種狀態(tài)。而這種物質(zhì)間的相互轉(zhuǎn)化又是和運(yùn)動(dòng)形式、能量的轉(zhuǎn)化分不開(kāi)的。我們也正是利用這種轉(zhuǎn)化的可能性來(lái)為人類服務(wù)。用淀粉、纖維素來(lái)制糖、制酒、制醋、發(fā)酵飼料……以及其他方面的應(yīng)用也是建立在這樣的理論基礎(chǔ)上。在以下各文中，我們可以看到這種轉(zhuǎn)化到底是如何進(jìn)行的，轉(zhuǎn)化后的產(chǎn)物又有些什么新的特性。
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