木质素
取自 食品百科全书
[中文]: 木质素
[英文]: lignin
[说明]: 又称木质或木素。存在于植物纤维中的一种芳香族高分子化合物。在植物组织中具有增强细胞壁、粘合纤维的作用。分离出来的木质素是黄褐色无定形粉末。其组成与性质比较复杂并具有极强的活性。不能被动物所消化，在土壤中能转化成腐殖质。含有木质素的纸浆易泛黄，不易漂白。在制浆过程中，机械法主要破坏其粘合作用，化学法用碱液等溶去其大部分，使与纤维素和半纤维素分离。根据纸浆中木质素的含量可分为软浆或硬浆等，前者含有木质素约3%以下，后者达约8%。半化学浆可能含有约15%。机械木浆几乎含有全部。它还用于制备香兰素，也可用途鞣料或胶粘剂等。分离方法有用浓酸溶解植物纤维和用碱提取木质素两种。前者以72%硫酸溶解多糖类化合物（经有机溶剂提取后的试样），使木质素沉淀而出。后者以烧碱溶液在170-180℃高温下处理试料，提取木质素，然后在提取液中加酸酸化而使沉淀分离。
木质素（lignin）,不是碳水化合物，而是苯基丙烷衍生物的单体构成的聚合物。是由四种醇单体（对香豆醇、松柏醇、5-羟基松柏醇、芥子醇）形成的一种复杂酚类聚合物。木质素是构成植物细胞壁的成分之一，具有使细胞相连的作用。
一般而言，针叶树的木质素主要是松柏基丙烷的聚合物；阔叶树的木质素是松柏基丙烷和丁香丙烷的聚合物，而稻类和竹类植物的木质素则是松柏基丙烷、丁香丙烷和对一甲香豆丙烷的聚合体。木质素是植物细胞壁的一种结构成分，特别是在木本植物成熟的木质部中，其含量可达18%～38%，主要分布在纤维、导管和管胞中。蔬菜中则很少见含有。一般存在于豆类、麦麸、可可、巧克力、草莓及山莓的种子部分之中。其最重要的作用就是吸附胆汁的主要成分胆汁酸，并将其排除体外。
木质素呈褐色粉末。 不溶于水，可溶于强碱和亚硫酸盐溶液。根据木质素组成的差异，可分为三类 ,木醇木质素、木醇-芥子醇木质素 、木醇-芥子醇-对羟基苯木质素因单体不同，可将木质素分为3种类型：由紫丁香基丙烷结构单体聚合而成的紫丁香基木质素（syringyl lignin，S-木质素），由愈创木基丙烷结构单体聚合而成的愈创木基木质素（guajacyl lignin，G-木质素）和由对-羟基苯基丙烷结构单体聚合而成的对-羟基苯基木质素（hydroxy-phenyl lignin，H-木质素）；裸子植物主要为愈创木基木质素（G），双子叶植物主要含愈创木基-紫丁香基木质素（G-S），单子叶植物则为愈创木基-紫丁香基-对-羟基苯基木质素（G-S-H）。从植物学观点出发，木质素就是包围于管胞、导管及木纤维等纤维束细胞及厚壁细胞外的物质，并使这些细胞具有特定显色反应（加间苯三酚溶液一滴，待片刻，再加盐酸一滴，即显红色）的物质；从化学观点来看，木质素是由高度取代的苯基丙烷单元随机聚合而成的高分子，它与纤维素、半纤维素一起，形成植物骨架的主要成分，在数量上仅次于纤维素。木质素填充于纤维素构架中增强植物体的机械强度，利于输导组织的水分运输和抵抗不良外界环境的侵袭。 木质素无毒，性能优异，在工业上应用日益广泛。
[来源及用途] 在自然界中 ,木质素的储量仅次于纤维素 ,而且每年都以500 亿吨的速度再生。制浆造纸工业每年要从植物中分离出大约 1.4 亿吨纤维素 ,同时得到 5000万吨左右的木质素副产品,但迄今为止 ,超过95 %的木质素仍以“黑液”直接排入江河或浓缩后烧掉 ,很少得到有效利用。
化石能源的日益枯竭、木质素的丰富储量、木质素科学的飞速发展决定木质素的经济效益的可持续发展性。
木质素成本较低，木质素及其衍生物具有多种功能性，可作为环氧树脂、橡胶及热塑性塑料等的添加剂，可作为高分子原料可作为分散剂、吸附剂/解吸剂、石油回收助剂、沥青乳化剂，木质素对人类可持续发展最为重大贡献就在于提供稳定、持续的有机物质来源，其应用前景十分广阔。研究木质素性能和结构的关系，利用木质素制造可降解、可再生的聚合物。木质素的物化性能和加工性能、工艺成为目前木质素研究的障碍。
Kim JW 等研究了煤与造纸黑液的共液化，他们认为木质素的热解形成苯氧自由基，以及其它反应性自由基在低温下对于煤基有很重要的热解作用。这些自由基是高效的活性中间体，能够使得煤中的亚甲基断裂从而促进煤的解聚。
Ak ash BA 等研究了煤与木质素共液化动力学。采用伊利诺斯州烟煤与腐蚀性的木质素混合物，反应在初始氢压 1.1 MPa、375°C、四氢萘作溶剂下完成的。煤和木质素混合物液化产品与单独用煤液化得到的产物相比，含较少苯不溶物。排阻色谱研究表明，煤和木质素混合物液化产品平均分子量比用单煤或单木质素液化得到的产品的分子量要低。试验数据表明，在加入木质素后煤的转化率提高了22%，通过研究分析得到了描述化学反应的数学模型。他们对液体产品循环的影响也进行了研究。初步试验表明，随着产品循环的增加，煤总的分解率是减小的。
以上的研究表明，当煤与木质素共液化时，煤的液化温度可降低。而且不同研究者得到的实验结果都表明，与煤单独液化相比，煤与生物质共液化所得到的液化产品质量得到改善，液相产物中低分子量的戊烷可溶物有了增加。产生这些结果的原因可能是木质素的热解形成苯氧自由基，以及其它反应性自由基在低温下对于煤基有很重要的热解作用。当使用含有苯酚类基团的溶剂进行液化时，煤的转化率也有显著增加，虽然国内外对生物质与煤的共液化取得了一定的进展，但还有许多不够深入，以后应着力研究煤与木质素共液化工艺条件，改性生物质与煤液化试验研究、木质素与煤共液化动力学、木质素与煤催化剂的专用高效催化剂方面的研究。
木质素是纤维素工业的主要副产物 ，造纸工业主要利用植物中的纤维素，因此在制浆造纸过程中必须通过强酸和强碱将纤维素和木质素分开，这就是木质素的来源。木质素分为两类：含硫的和不含硫的。
含硫木质素已实现商业化，包括木质磺化盐（全世界年产80万吨）和牛皮纸木质素（年产10万吨以下）。
由于缺乏合适的工业处理方法，不含硫木质素还未实现商业化。不含硫木质素主要由中小纸浆厂生产，使用稻草、亚麻和大麻作原料。全世界约有5000家这样的工厂，1981年至1995年全球非木纸浆年产量增幅约为每年6.5％，而木纸浆厂的增幅为2%。全世界造纸业年产7000万吨木质素。这些木质素或用作燃料，或被排放，这会污染环境。
通过分离木质素，不仅可以消除环境污染，而且可创造可观的收益。可使用沉淀法，从浆状液体中提取无毒、纯度高且具有独特性能的木质素。
1. 传统木质素：
木质磺化盐替代品市场。木质磺化盐的生产改进空间不大，而牛皮纸木质素由于含硫，使其应用前景大打折扣。而该木质素纯度高，不含硫，性价比较高，可与纯度和价格更高的木质素，如人造萘磺化盐竞争，可在混凝土添加剂、生物产品粘合剂和可再生木材应用领域替代纯化木质磺化盐，还可用于染料和农业化学的分散剂、粘合剂、鞣剂等。
2.替代不可再生材料：
迫于环保压力，对可再生产品的需求很大，尤其是在欧洲。由于该木质素不含硫，不会造成环境污染。因此，木质素可作为酚醛树脂，环氧树脂和聚亚安酯等热固聚合物的成分，不仅可以替代，还能增强稳定性和硬度。主要用作粘合剂、密封剂、热固树脂化合物等。不仅跨国公司需求量很大，小企业也有很多需求，因为他们都想降低成本。酚醛树脂领域较易介入，据估计，可替代20％。由于石油等石化产品价格居高不下，该领域前景看好，预计短期内将有快速增长。
3.特殊应用：
由于木质素具有生物活性，抗氧化性，生物降解周期长，疏水及一些机械性能，可用于畜牧营养、肥料、专业化学品、化妆品、造纸化学品、润滑剂、特种涂料等领域的抗氧化剂和抗菌剂。这将会产生具有极高附加值的全新产品。 据估计，本领域木质素每吨价格将高于1000美元。由于处于早期研发阶段，无法准确估算产量和产值，大约在每年37.5万吨左右。
4. 木质素能完全降解为酚油，并可进一步加工为生物塑料，化学品和生物燃料。
2008年有报道，中国科学院西双版纳热带植物园生物质能源小组研究员方真与日本东北大学、加拿大萨斯喀彻温大学的科研人员通过合作发现：当加入苯酚后木质素能完全溶解于高压热水，这大大促进木质素水解为酚油，而苯酚的加入可防止水解后的酚油重新聚合。在他们发表的研究论文中，阐明了木质素在高压热水中在均相和非均相条件下降解反应的路径和机理。根据此反应路径，木质素是由酚类组成的聚合物，长期以来，它被认为是最稳定的，最难被生物和热转化方法降解。而它往往是纤维酒精和造纸厂的废物，对于木质素的循环和利用的研究在生产实践上具有重要意义。 此项研究已经发表在美国生物质能源协会和英国生物质和生物燃料协会的刊物Bioresource Technology (Volume 99, Issue 9, June 2008, Pages 3424-3430)上。
5. 新型固沙剂的有效成分主要是工业木质素
南京林业大学开发出禾草纤维低污染制浆技术，将制浆废液中含有较高活性基团的工业木质素进行适当化学改性，制备出可降解植被用固沙材料，又称固沙剂。这种新型固沙剂的有效成分主要是工业木质素，有机质含量超过８０％，并含有可促进植物生长的植物生长调节剂及一定比例的氮、磷和其它微量元素。
在实验中发现，喷洒过木质素固沙剂后的地方，很快就可形成０.５——１ＣＭ厚的沙结皮，当有自然降水时，这些沙结皮逐渐下渗增厚，并可长时间维持，厚度最大可达３——５ＣＭ。沙结皮可以有效地防止风蚀，同时起到吸湿和减少土壤水分蒸发的作用。在有降水发生时，固沙剂形成的沙结皮“软化”，自然降水可迅速渗透到沙层中，供植物种子吸收利用；天晴以后经太阳照射，“软化”的固沙剂又重新形成“沙结皮”。如此反复多次，有效地使“沙结皮”维持较好的表面强度。在此期间，沙生植物种籽有充分的水分和时间发芽、生根、成长。一旦植被形成，流动沙丘就可进入"自我恢复"的良性循环阶段，植物凋落物增加，沙丘表面小环境改变，各种地衣、真菌、孢子类植物得以繁殖、生长，也吸引了小动物前来“安家落户”，从而形成“生物沙结皮”，最后达到固定、绿化沙丘，改善生态环境的目的。
中国科学院应用生态研究所专家从２００１年起在宁夏平罗县、青铜峡市等地进行了一定规模的木质素固沙实验，将“新固沙剂”和“植被固沙”相结合，积累了宝贵的经验，收到了良好效果。木质素固沙剂施用的最佳地区是各种风成流动或半流动沙丘，特别是那些由于“沙进人退”而新形成的毗邻农田、居民点、交通干线的沙漠边缘地带。
6.白腐真菌酶系具有独特的降解机理,对包括木质素、多环芳烃、氯代芳烃、染料、炸药、农药等多种难降解有机污染物有很强的降解能力。白腐真菌酶来自白蚁。大白蚁亚科的高等白蚁可以在巢内建立菌圃用以培养真菌，该类白蚁因此被称为培养真菌的白蚁。由于培养真菌的白蚁与所培养的真菌间具有特殊的共生关系，因此许多研究者对它们进行了大量研究。
注：白蚁是一种重要的社会生物，在自然界物质循环和矿化过程中，扮演着重要的角色，它们可以把木质纤维素类物质降解成为简单的物质。根据系统发育规律，白蚁可以分为两个亚群：低等白蚁和高等白蚁。低等白蚁的体内有大量的共生鞭毛虫可以帮助它高效地降解木质纤维素，高等白蚁体内没有鞭毛虫等原生动物，而有一个结构精细的肠道，并且可以分割为多个区域。
