Древесина состав

Древесина — продукт биологического (растительного) происхождения, представляющий сложный комплекс, как в анатомическом, так и химическом отношении и состоит из множества компонентов. Вещество древесины — это вещество оболочек клеток (клеточных стенок). Биологическое происхождение этого вещества обусловливает его сложный химический состав.

Древесина примерно на 99% состоит из органических веществ. Минеральные вещества составляют обычно очень небольшую часть  до 1%. При сжигании древесины и  прокаливании остатка при высокой  температуре (600...800°С) образуется зола. Количество золы характеризует содержание минеральных веществ в древесине, но точно не равно ему, поскольку при сжигании и прокаливании компоненты минеральных веществ частично превращаются в оксиды и карбонаты металлов. Элементный состав органической части древесинного вещества у различных древесных пород практически одинаков: 49...50% углерода, 43...44% кислорода, около 6% водорода и 0,1...0,3% азота по отношению к массе абсолютно сухой древесины.

Органические  вещества в основном представляют собой  высокомолекулярные соединения (полимеры) и лишь сравнительно малую долю составляют низкомолекулярные соединения. Структурные компоненты древесины — это вещества, образующие клеточную стенку, они представлены исключительно высокомолекулярными соединениями.

Экстрактивные компоненты древесины — вещества, которые можно извлекать из древесины нейтральными полярными и неполярными растворителями (экстрагировать). Экстрактивные компоненты древесины не входят в состав клеточных стенок, а содержатся в полостях клеток или межклеточных каналах (смоляных ходах в древесине хвойных пород), но могут иногда пропитывать клеточную стенку. Несмотря на малую массовую долю в древесине (обычно до 3...4%), экстрактивные компоненты чрезвычайно разнообразны. По методу выделения их подразделяют на три группы: летучие, или эфирные масла (летучие с паром); вещества, растворимые в органических растворителях (смолы); вещества, растворимые в воде. Экстрактивные компоненты древесины, за исключением водорастворимых полисахаридов и полиуронидов, представляют собой низкомолекулярные соединения (НМС).

Структурные компоненты древесины подразделяют на углеводную и ароматическую части. Углеводная часть, представляющая комплекс полисахаридов, называется холоцеллюлозой. Массовая доля холоцеллюлозы составляет в древесине примерно 70...80%, причем ее содержание в древесине лиственных пород выше по сравнению с хвойными. В состав холоцеллюлозы входят основной компонент древесины — целлюлоза и нецеллюлозные полисахариды — гемицеллюлозы. Древесина хвойных пород содержит меньше гемицеллюлоз, чем древесина лиственных пород. Аналогичное химическое строение имеют вышеупомянутые водорастворимые полисахариды и полиурониды, но они выполняют другие функции и из-за растворимости в воде их относят не к гемицеллюлозам, а к экстрактивным веществам. Необходимо отметить, что условно относимые к водорастворимым экстрактивным веществам пектиновые вещества фактически выполняют структурную функцию.

Целлюлоза — это полисахарид, макромолекула которого построена из повторяющихся звеньев — остатков глюкопиранозы. Макромолекулы гемицеллюлоз построены из остатков различных моносахаридов, пентоз и гексоз, а также уроновых кислот. Большей частью все нецеллюлозные полисахариды — смешанные полисахариды. В анализе древесины их условно подразделяют на пентозаны, и гексозаны.

В древесине содержатся следующие пентозаны: ксиланы (глюкуро-ноксилан в древесине лиственных пород и арабиноглюкуроноксилан в древесине хвойных пород); арабинаны (однородный арабинан, входящий в комплекс пектиновых веществ). Из гексозанов найдены: маннаны (глюкоманнан в древесине лиственных пород, глюкоманнан и галактоглюкоманнан в древесине хвойных пород, различные фруктоманнаны); галактаны (однородный галактан в пектиновых веществах, арабиногалактан); глюканы в нецеллюлозных водорастворимых полисахаридах. Глюкуроновая кислота, кроме ксиланов, входит в состав камедей в виде полиглюкуроновой кислоты; галактуроновая кислота участвует в образовании макромолекул пектиновой кислоты, входящей в состав пектиновых веществ (комплекса, состоящего из трех компонентов — пектиновой кислоты, арабинана, галактана).

Ароматическая часть древесины — лигнин представляет собой смесь ароматических полимеровродственного строения фенольной природы, построенных из мономерных звеньев, называемых фенилпропановыми структурными единицами. Массовая доля лигнина в древесине составляет 20…30%, причем хвойные породы содержат больше лигнина, чем лиственные.

В древесине структурные компоненты тесно связаны между собой  связями различного типа. Существуют ковалентные связи (между лигнином и гемицеллюлозами) и силы межмолекулярного взаимодействия (между всеми компонентами), что чрезвычайно затрудняет разделение компонентов и выделение их в  чистом виде. Разделение компонентов древесины в анализе и при химической переработке растительного сырья основано на использовании их различий по растворимости и химическим свойствам.

Холоцеллюлоза и водорастворимые полисахариды и полиурониды гидролизуемая часть древесины. При полном гидролизе полисахариды превращаются в моносахариды. После удаления экстрактивных веществ подходящим растворителем и полного гидролиза углеводной части в остатке получается лигнин. Поэтому в анализе древесины лигнин рассматривают как «негидролизуемый» остаток. В действительности под действием кислоты (катализатора гидролиза) в лигнине подвергаются деструкции простые эфирные связи и сохраняются, а также образуются новые углерод-углеродные связи. Выделенный лигнин лишь по количеству примерно соответствует природному лигнину древесины, а по химическому строению значительно от него отличается. Лигнин, вследствие его фенольной природы, окисляется легче, чем полисахариды. После удаления экстрактивных веществ и обработки подходящими окислителями в виде волокнистого продукта остается холоцеллюлоза. Удаление лигнина называют делигнификацией.

Для разделения полисахаридов используют их различия в растворимости и  гидролизуемости. Водорастворимые нецеллюлозные полисахариды не растворимы в спирте (этаноле), но извлекаются горячей водой. Гемицеллюлозы не растворимы в спирте и воде, но в отличие от целлюлозы они растворяются в водных растворах щелочей (например, в 18%-м водном растворе гидроксида натрия). Для получения целлюлозы из холоцеллюлозы удаляют щелочью гемицеллюлозы. Препарат целлюлозы, не растворимый в щелочи, называют альфацеллюлозой. Целлюлозу в лабораторных условиях можно выделить непосредственно из древесины обработкой смесью азотной кислоты и этанола при кипячении. Спирт удаляет экстрактивные вещества, лигнин нитруется и окисляется азотной кислотой, а нецеллюлозные полисахариды гидролизуются.

Все эти принципы выделения компонентов  в чистом виде используются в химическом анализе древесины прямыми методами, а некоторые из них также и  в промышленных способах делигнификации. В производстве технических целлюлоз используют сульфитные и щелочные способы делигнификации растительного сырья (так называемая варка целлюлозы), а также делигнификацию действием окислителей для отбелки технических целлюлоз и в окислительных способах варки целлюлозы, что будет рассматриваться в соответствующих.

В косвенных методах анализа содержание компонентов можно рассчитывать по разности либо использовать характерные  реакции с количественным определением получаемых производных. Так, при анализе  полисахаридов обычно используют реакцию  гидролиза полисахаридов до соответствующих  моносахаридов с их анализом.

По  скорости гидролитической деструкции в водных растворах минеральных  кислот полисахариды подразделяют на легко- и трудногидролизуемые. Различная гидролизуемость обусловлена, главным образом, различиями в надмолекулярной структуре.

В составе холоцеллюлозы к трудногидролизуемым полисахаридам относятся целлюлоза, как кристаллический полимер, и небольшая часть гемицеллюлоз, закристаллизованных совместно с целлюлозой и называемых целлюлозанами. К легкогидролизуемым полисахаридам относятся гемицеллюлозы, как аморфные полимеры, и небольшая часть целлюлозы (аморфная часть). В древесине в целом к легкогидролизуемым полисахаридам относятся также все водорастворимые нецеллюлозные полисахариды и полиурониды.

Подробные сведения о строении и свойствах компонентов древесины излагаются далее в соответствующих рубриках.

Химический состав древесины разных пород разнообразен. Хвойные породы содержат больше лигнина (28...32%), но меньше гемицеллюлоз (21...26%), чем лиственные породы умеренной климатической зоны (соответственно 17...23% и 22...33%, а иногда выше). При всем этом хвойные породы содержат больше гексозанов и меньше пентозанов, чем лиственные. Содержание целлюлозы в древесине хвойных и лиственных пород содержится приблизительно в одинаковых пределах (массовая доля от 30 до 55%). Следует отметить, что тропические лиственные породы по химическому составу такие же как и хвойные породы. Содержание целлюлозы в древесине тропических пород колеблется в более широком промежутке. В отличие от лиственных пород умеренной климатической зоны среди тропических пород встречаются такие, древесина которых содержит значительные количества веществ, экстрагируемых органическими растворителями, а также водорастворимых веществ. По составу экстрактивные вещества тропических пород значительно разнороднее, чем у древесных пород умеренного климата.

Химический состав древесины распространенных хвойных и лиственных пород приведен в таблице.

Нужно отметить, что химический состав древесины одной и той же породы (ботанического вида) не является строго постоянным и меняется в зависимости и от других факторов: географического района обитания, условий произрастания, возраста дерева, а иногда и времени рубки. Даже в стволе одного и того же дерева могут наблюдаться заметные различия в содержании отдельных компонентов как по высоте ствола, так и по его диаметру. Древесина корней и веток различается по составу от древесины ствола. По высоте ствола различия в химическом составе древесины невелики и наблюдаются, основным образом, в отношении гемицеллюлоз. Содержание гемицеллюлоз несколько выше в вершинной и комлевой частях по сравнению со средней частью ствола. Различия в составе древесины по диаметру ствола связаны в основном с образованием ядровой древесины. В отношении влияния возраста деревьев на состав древесины имеющиеся в литературе данные достаточно противоречивы. Влияние географической зоны произрастания дерева данной породы на химический состав древесины в целом невелико. Отмечаемые колебания средних данных (в пределах полтора-два процента) не превышают колебаний в значениях массовых долей отдельных компонентов (которые иногда достигают тре четырех процентов) между отдельными деревьями внутри каждого типа леса. Наиболее существенное влияние на химический состав древесины могут оказывать индивидуальные условия их произрастания.