纤维素的分离和利用
实验室k / 2019-05-10
纤维素和淀粉都属多醣类。它常和半纤维素、木质素共存于植物的细胞中。要提取和利用植物纤维素，往往要把它和半纤维素、木质素分开。
半纤维素在植物界里分布很广，在草杆、玉米芯和木材中，在向日葵、棉籽、稻谷等种子外层的硬壳中含量较多。其组成主要为多缩戊糖（C5H8O4）n和多缩己糖（C6H10O5）n的混合物。半纤维素不溶于水，能溶于稀碱溶液，易被稀酸水解成单糖，故工业上将其中的多缩戊糖水解以制取糠醛；利用其中的多缩己糖水解成己糖，然后再发酵制取酒精。
木质素（又名木素）存在于纤维素分子束间的空隙部分，是纤维素分子之间的胶粘物质。本质素是由C、H、O三种元素组成的芳香烃物质，其结构非常复杂，至今还未背定。不过我们可以利用木质素难溶于酸，却能溶于亚硫酸盐或碱溶液的特点，用浓的无机酸（硫酸或盐酸）处理植物纤维原料，使其中纤维素和半纤维素水解成单糖，而木质素则成为细粒状态残留在水解液里，经分离、提取得到的木质素，以氨化处理后便成为氨化木素，它是一种很好的肥料。这种肥料对多种作物有增产效果，不仅提供作物生长所需要的氮素，而且施入土壤后，通过微生物的作用，被转化成胡敏酸。胡敏酸肥料（胡敏酸常常亦是腐植酸肥料中的一个组成部分，不单可以由木质素氨化处理后制得，它也广泛存在于有机质较多的黑土、腐熟的猪粪，以及草炭（又称泥炭）、褐煤和其他天然有机肥料中，如将草炭用稀碱液处理，便可制得胡敏酸肥料）是当前使用很广泛的一种新型有机肥料，它是土壤腐植质的成分之一，能直接参加作物体内的代谢，调节其氧化还原作用，提高植物根系的呼吸强度，从而促进作物生长发育；此外，还能改变土壤的结构和改良土壤的理化性状。
纤维素是白色物质，在植物体中呈丝状，这种丝状物质是由许多胶束组成，每一胶束又包含约60个纤维素大分子。纤维素在浓酸或生物酶的催化作用下，会发生水解反应，最后得到葡萄糖。这里酸的作用不仅浸透到纤维素分子東间的孔隙中，引起膨胀，同时会使分子链上各小单位—（C6H10O5）—间的结合力削弱，以致使纤维素的大分子断裂：
用纤维素水解生产的葡萄糖也同样可以进一步发酵制取酒精，以节的大量食用淀粉原料。纤维素遇碱，只引起纤维素的膨胀，形成碱化纤维素，而碱化纤维素却仍保持着釬维素原来的结构骨架。
因此，生产上就根据这一原理将含纤维素原料和碱液一起蒸煮（所用碱液是NaOH和Na2SO3的混合液。加入Na2SO3是起缓和作用，防止纤维素破坏，并增加浆液的白度，特别对于木浆，更可有效除去其中木质素）。这时，本质素和半纤维素等就溶解于碱液中，而与纤维素分离之。得到的纤维素浆液，纯度较高，可用来造纸和制造人造纤维。
此外，也可用酸法来分离纤维素，即用亚硫酸盐［Ca（HSO3）2和亚硫酸］处理原料，使其中半纤维素水解成单糖。木质素则与亚硫酸作用，生成可溶性木素磺酸盐，溶解于蒸煮液里，而纤维素不与亚硫酸盐作用，即可被分离之。
分离纤维素后的废液还可利用，其中含有被水解的单糖等，还可用来发醇制取酒精、培养食用醇母或饲料酵母、合成皮革工业用的鞣料或提取多种有机合成原料等。最后得到的废液淤渣，经掺入化肥，加入聚乙烯醇水溶液等后，可以制成长效肥料。
在植物体中，淀粉、纤维素、葡萄糖等碳水化合物是经常发生着相互间的转化。这种转化首先是植物吸收了太阳光后，经过光合作用，发生了能量的交换，把光能转变成化学能，而这些化学能就被储藏在糖、淀粉等有机物质中。例如，当植物的绿叶吸取空气中的CO2后，在光合作用下，和由植物根部吸入的水分发生反应，形成葡萄糖（光合作用除了形成葡萄糖外，在有氮素供应时，也可直接合成氨基酸、蛋白质等有机化合物），同时放出氧气：
生成的葡萄糖一部分储藏起来，一部分就运输到其他部位，或再转化为淀粉和纤维素：
n（C6H12O6） → （C6H10O5）n＋nH2O
另一方面，淀粉在种子或叶子里受着酶的作用时，也能分解为葡萄糖：
（C6H10O5）n＋nH2O → nC6H12O6
在植物体的各个不同发育期中，碳水化合物的生成和蓄积的动态是不同的。例如，在稻谷发芽时，种子中的淀粉迅速分解，因此糖分就迅速增加，通过糖分的生物氧化作用，产生能量，以供给幼苗初期生长的需要。到了成熟期，水稻体其他各部分的淀粉含量不断减少，以可溶性糖的形态向穗部输送，稻穗中的淀粉则迅速蓄积。
这种转化同样在人体中进行着。吃在嘴里的一口米饭，越嚼越甜，这就是有一小部分淀粉被唾液醇水解成麦芽糖的缘故。食物进入胃肠后，又受到胰脏分泌出来的比唾液淀粉醇效力更强的胰液淀粉酶作用，继续水解形成葡葡糖，再通过小肠壁，被吸入血液中，当人体肌肉活动或工作需要能量时，潜藏着化学能的葡葡糖又被氧化，放出热量：
C6H12O6＋6O2 → 6CO2＋6H2O＋686千卡
多余的葡萄糖在肝脏中组合成动物性淀粉——肝糖而储存起来。肝糖是动物体内的储备糖，就象淀粉是植物的储备糖一样，也能被淀粉分解成为糊精、麦芽糖、葡萄糖等，所以当人体需要营养时，肝糖就又再转化为葡萄糖。当然，在肝脏内肝糖的储量是有一定限度的，多余下来的葡萄糖还可在细胞内转化为脂肪。
碳水化合物之间的这种相互转化，正说明了在自然界中，一切物质都在运动，都在不断地变化。物质与物质之间既互相联系，又可相互转化，从一种状态转化为另一种状态。而这种物质间的相互转化又是和运动形式、能量的转化分不开的。我们也正是利用这种转化的可能性来为人类服务。用淀粉、纤维素来制糖、制酒、制醋、发酵饲料……以及其他方面的应用也是建立在这样的理论基础上。在以下各文中，我们可以看到这种转化到底是如何进行的，转化后的产物又有些什么新的特性。
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