Атлас

Химический состав древесины

Если высушить кусок дерева и разобрать его на части, почти всё окажется тремя полимерами: целлюлозой, гемицеллюлозами и лигнином. Остаток это смолы, жиры, дубильные вещества и немного минералов.

Древесина умеренного пояса содержит 65-75% полисахаридов и 18-35% лигнина; экстрактивные вещества обычно составляют несколько процентов, зольные доли процента. Соотношение компонентов зависит от породы, части ствола и условий роста.

Как древесину разбирают на фракции в лаборатории. Цифры: % от массы абсолютно сухой древесины (Sjöström 1993).

Три полимера и всё остальное

Целлюлоза даёт прочность, лигнин жёсткость, гемицеллюлозы связывают одно с другим. Вместе они составляют больше 90% сухой древесины. Остальное это вещества, которые можно вымыть растворителем, и зола.

Высокомолекулярные компоненты клеточной стенки (целлюлоза, гемицеллюлозы, лигнин) образуют её каркас и матрицу. Низкомолекулярные компоненты делят на органические экстрактивные вещества (терпены и смоляные кислоты, жиры и воски, фенольные соединения) и неорганические, которые остаются после сжигания в виде золы.

Хвойные и лиственные

У хвойных больше лигнина и другой набор гемицеллюлоз: много маннанов. У лиственных лигнина меньше, зато больше ксилана. Целлюлозы примерно поровну.

По данным Шёстрёма сосна обыкновенная содержит 40,0% целлюлозы, 16,0% глюкоманнана, 8,9% глюкуроноксилана и 27,7% лигнина; берёза повислая 41,0% целлюлозы, 2,3% глюкоманнана, 27,5% глюкуроноксилана и 22,0% лигнина. Лигнин хвойных гваяцильный, лиственных гваяцил-сирингильный; ксиланы лиственных сильно ацетилированы.

Элементы

На уровне атомов древесина удивительно одинакова у всех пород: половина углерод, почти половина кислород и немного водорода. Азота и минералов совсем мало.

Элементный состав древесины: около 50% C, 6% H и 44% O; азота обычно лишь десятые доли процента. Зольность древесины умеренного пояса обычно 0,2-0,5% и почти всегда меньше 1%; главные зольные элементы кальций, калий и магний. В коре зольность и доля экстрактивных веществ заметно выше, чем в древесине.

Как делают анализ

Состав определяют по шагам. Сначала растворителем вымывают смолы и жиры. Потом крепкой кислотой растворяют углеводы, и остаётся лигнин. Отдельно мягким окислителем удаляют лигнин, и остаются все углеводы вместе.

Измельчённую древесину экстрагируют органическими растворителями (например, ацетоном или смесью этанола с толуолом). Лигнин Классона определяют как остаток после обработки 72%-ной серной кислотой и кипячения в разбавленной кислоте. Холоцеллюлозу (сумму полисахаридов) получают делигнификацией хлоритом натрия в кислой среде. Альфа-целлюлоза это часть холоцеллюлозы, не растворимая в 17,5%-ном NaOH. Состав полисахаридов находят по моносахаридам после полного гидролиза, методом хроматографии.

Почему состав меняется

Даже в одном дереве химия разная: в ядре больше смол, в креневой древесине больше лигнина, в коре больше золы. Поэтому цифры в таблицах всегда средние.

Состав зависит от зоны ствола (заболонь и ядро различаются содержанием экстрактивных веществ), от возраста древесины (ювенильная и зрелая), от реактивной древесины (креневая богаче лигнином, тяговая целлюлозой) и от условий роста. Для сравнения пород нужны данные, полученные одним методом.

Главное в цифрах

полисахариды
65-75%
лигнин
18-35%
сосна: лигнин
27,7%
берёза: ксилан
27,5%
углерод
около 50%
зола
обычно 0,2-0,5%

Источники главы

  1. Sjöström E. Wood Chemistry: Fundamentals and Applications. 2nd ed. San Diego: Academic Press, 1993.
  2. Pettersen R.C. The chemical composition of wood. In: Rowell R.M. (ed.) The Chemistry of Solid Wood. Advances in Chemistry Series 207. Washington, DC: American Chemical Society, 1984, pp. 57-126.
  3. Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров: учебник. 2-е изд. СПб.: Лань, 2010.
  4. Fengel D., Wegener G. Wood: Chemistry, Ultrastructure, Reactions. Berlin; New York: De Gruyter, 1984.