Химический состав древесины

Основная часть древесины состоит из клеточных оболочек, химия древесины занимается изучением их химических свойств и состава.
Химический состав древесины в общих чертах следующий:
1) целлюлоза, составляющая основную массу древесины;
2) гемицеллюлозы;
3) лигнин, обеспечивающий одревеснение;
4) пектины;
5) смолы, танниды, жиры, белки, минеральные вещества и пр., обычно в небольшом количестве.
Целлюлоза является основным веществом клеточных оболочек практически всех растений. Оболочки молодых клеток состоят почти из чистой целлюлозы. Формулу целлюлозы (C6H10O5) выводят исходя из предположения об образовании целлюлозы путем полимеризации не всегда одинакового количества молекул ?-глюкозы. Молекулы целлюлозы не всегда одинаковой длины, количество глюкозных единиц в них колеблется от нескольких сотен до нескольких тысяч. Целлюлоза - очень стойкое вещество, гидролиз ее осуществляется только сильными кислотами.
Разрушение целлюлозы энзимами и рентгенометрические измерения доказывают, что целлюлоза не образуется простой полимеризацией ?-глюкозы. Основной составной частью целлюлозы является полисахарид - целлобиоза (изомер мальтозы), образующийся соединением двух молекул ?-глюкозы через кислородный мостик (рис. 2.8).

Длина молекулы целлюлозы зависит от количества и величины составляющих ее частей. Молекула целлобиозы по величине равна 10,25 А. Длина молекулы целлюлозы достигает 1,8 мкм. Объекты такого размера обычно видны в простой микроскоп, но молекула целлюлозы из-за ее малого поперечного размера в простой микроскоп не видна.
Как показали исследования, нормальная целлюлоза присутствует обычно в клеточных оболочках в сопровождении продуктов ее частичного гидролиза и окисления. Это так называемые гидроцеллюлозы и оксицеллюлозы. Гидроцеллюлозы сохраняют волокнистый характер целлюлозы, но их молекулы короче. Оксицеллюлозы дают кислую реакцию и характеризуются большой восстановительной способностью.
Гемицеллюлозы представляют собой смесь различных глицидов. Могут быть определены как нецеллюлозные полисахаридные вещества клеточных оболочек. Легко поддаются гидролизу разбавленными кислотами, превращаясь в гексозы (глюкозу) или пентозы (ксилозу, арабинозу).
Под гемицеллюлозами понимается целый ряд соединений. Холи и Норман разделили гемицеллюлозы на 2 основные группы:
1) Гемицеллюлозы, прочно соединенные с целлюлозой, не отделимые от нее простыми методами, которые аналитически определяются вместе с целлюлозой. Поэтому их авторы называют целлюлозанами (простые пентозаны, ксилан и маннан).
2) Гемицеллюлозы, связанные с целлюлозой свободными связями, определяющиеся отдельно от целлюлозы. Это так называемые свободные гемицеллюлозы, которые, в свою очередь, делятся:
- на простые гемицеллюлозы (арабан, ксилан, маннан, галактан и гексопентозаны);

- на гемицеллюлозы на основе уроновых кислот (чаще глюкоуроновая кислота). Последние образуют цепочки молекул разной длины и в соединении с гексозанами или пентозанами гемицеллюлоз дают полиурониты.

Из вышеприведенного видно, что понятие гемицеллюлозы охватывает большую группу соединений и что гемицеллюлозы являются смесью зачастую очень разнородных веществ, близких, скорее, по выполняемым функциям. Так, Шульце относил гемицеллюлозы, с одной стороны, к веществам, принимающим участие в строении клеточной оболочки (строительные гемицеллюлозы) и, с другой стороны, к запасным веществам, отложенным в клеточной оболочке, которые могут снова вступить в клеточный обмен веществ (запасные гемицеллюлозы).
Лигнин - обобщающее название для веществ, пропитывающих целлюлозные клеточные оболочки и вызывающие их одревеснение. Лигнин, выделенный любым способом, отличается по строению и свойствам от отложенного в клеточной оболочке. Даже лигнин, освобожденный энзимами грибов и других микроорганизмов, разлагающих только целлюлозу клеточных оболочек, не идентичен нативному. Как отмечал Кюршнер: «Перед нами имеется редкий случай в химии вообще, так как мы должны говорить о веществе, которое нигде в природе не встречается в чистом или неизмененном виде».
Лигнин сопутствует целлюлозе и никогда не встречается вне целлюлозной клеточной оболочки. Опыты Фройденберга показали, что из 29% лигнина клеточных оболочек еловой древесины 24% находится в первичной оболочке, оставшиеся равномерно распределены по всей клеточной оболочке в виде экстрактивного лигнина, не сформировавшегося в настоящий «структурный» лигнин.
Для нативного лигнина и для выделенных лигнинов характерно содержание метоксильных групп -OCH3, количество которых увеличивается в процессе одревеснения. Колебания составляют от 14 до 23%. Предполагается, что лигнин в растении синтезируется из глюцинов -гексоз и пентоз.
Лигнин является аморфным веществом. Будучи отделенным от целлюлозы в клеточной оболочке, он имеет коричневую или буро-черную окраску. Этим объясняется коричневое окрашивание древесины в результате разложения целлюлозы и освобождения лигнина при бурой гнили, вызванной целлюлозоразрушающими грибами.
Пектиновые вещества образуют центральный клеящий слой, общий для двух соседних клеточных оболочек. Это целая группа веществ, близких по составу, которые разделяются следующим образом:
1) пектиновая кислота;
2) пектаты (соли пектиновой кислоты):
- растворимые в воде (Na- или К-пектаты),
- нерастворимые в воде (Ca- или Mg-пектаты);
3) сложные эфиры пектиновой кислоты:
- растворимые в воде (пектин),
- нерастворимые в воде (пектоза).
В самых молодых тканях встречается главным образом пектоза, называемая иногда пропектином, который с последующим развитием ткани переходит в пектин и затем в старых тканях - в пектиновую кислоту и ее соли. В древесине главным образом встречаются соли пектиновой кислоты, особенно кальциевые и магниевые.
С химической точки зрения пектины состоят из галактуроновой кислоты, образующей длинные цепи полигалактуроновых кислот, зачастую метилированных; им сопутствуют постоянные количества l-арабинозы и d-галактозы. В качестве основной составной части пектина приводится сложный эфир пектиновой кислоты - диметилизопропил.
Пектиновые вещества составляют относительно небольшую часть клеточных оболочек по массе, но в определенной степени влияют на их набухание.
Остальные компоненты находятся в клеточной оболочке в виде инкрустирующих или пропитывающих ее веществ. Количество их меняется в зависимости от древесной породы и ее местообитания. Это прежде всего смолы, гумми, танниды, жировые вещества, белки, неорганические соли (главным образом калиевые, натриевые и кремниевые) и ряд других веществ, содержащихся в древесине в очень малых количествах, но тем не менее непосредственно влияющих на рост грибов и зачастую обусловливающих скорость разложения древесины. Эти вещества отлагаются в клеточной оболочке в то время, когда клетка содержит еще живую протоплазму, или чаще после отмирания клетки, когда ее содержимое остается заключенным в пространстве, ограниченном клеточной оболочкой.
Кюршнер отмечал: «Совершенное аналитическое изолирование отдельных составных веществ древесины невозможно, так как они взаимно переплетаются друг с другом и, может быть, соединены даже химически, так что при изоляции этих веществ, с одной стороны, часть их не выделяется и, с другой стороны, они увлекают за собой частицы других веществ и при этом возникают химические и главным образом количественные изменения». Все аналитические методы являются более или менее условными. Разными методами определяются, как правило, различные количества отдельных составных частей древесины. Следует критически относиться к данным о содержании целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, приводимым в разных работах. Особенно при определении целлюлозы - вместе с ней всегда определяется некоторая часть гемицеллюлоз.
В общем можно сказать, что содержание основных веществ в древесине отечественных пород таково;
- целлюлозы - от 45 до 55%;
- гемицеллюлоз в древесине хвойных меньше, чем лиственных (еловая древесина содержит около 24% гемицеллюлоз, из которых приходится на пентозаны, остальное - на гексозаны; для буковой древесины содержание гемицеллюлоз приблизительно равно 33%, гексозаны составляют 1/3, остальное - пентозаны);
- лигнина хвойные породы, как правило, содержат больше, чем лиственные (ель содержит около 28% лигнина, бук - 22%, береза - 19%).