Die Chemie der Pflanzenzellwand: Ein Beitrag zur Morphologie, Physik, Chemie und Technologie der Cellulose und ihrer Begleiter PDF
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Ullscre ll<ltiirJieIJe QuPlle rcillstf'r Celllllo:;c, die HaulIlwollp HUd ohell: Halllll\Yolbtrallf'lI ill ]qnte Bild lint-en: IIn<1urgesprulIg('IlC Haulll\yolikapsPl; dallelwll diesel he irll Schnitt, mit, J~alllllwollsalllen (a) sowie BalimWollsalllf'1I mit. dell :lllilaftclldell. kllllstYolI zlIsammellgefaltrtell Sanwnhnnren (b) dpr llaulHwollc" die botanisrh eincn Filigapparat dal'stcllell DIE CHEMIE DER PFLANZENZELLWAND EIN BEITRAG ZUR MORPHOLOGIE PHYSIK· CHEMIE UND TECHNOLOGIE DER CELLULOSE UND IHRER BEGLEITER BEARBEITET VON: E. ADLER· S. ASUNMAA . J. GIERER . O. HARTEL · B. KOlJO (0. KRATKY) . P. W. lANGE · B. LINDBERG· H. MEIER· G. POROD J. SCHURZ· P. SITTE . L. STOCKMAN· E. TREIBER HERAUSGEGEBEN VON ERICH TREIBER ZENTRALLABORATORIUM DER SCHWEDISCHEN CELLULOSEINDUSTRIE STOCKHOLM MIT 249 ABBILDUNGEN IN 336 EINZELDARSTELLUNGEN SPRINGER-VERLAG BERLIN· GOTTINGEN· HEIDELBERG 1957 Aile Rechte, insbesondere das der Ubersetzung in fremde Spraehen, vorbehalten Ohne ausdriickliche Genehmigung des Verlages ist es allch nicht gestattet, dieses Buch oder Teile darallS aufpllOtomeehanischem Wege (Photokopie, }likrokopie) zu vervielfiiltigen © by Springer-Yerlag aRG. Berlin· G0ttingen' TTeiddbcrg 1057 ISBN-13: 978-3-642-92698-3 e-ISBN-13 978-3-642-92697-6 DOl: 10,1007/978-3-642-92697-6 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen,Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt aneh olme besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daD salehe Namen im Sinn der Warenzeichen- und l\Iarkensehutz Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daller von jedermann benutzt werden diirfen DRUCK: BRUHLSCHE UNIVERSITATSDRUCKEREI GIESSEN Vorwort In den letzten Dezennien hat sich mehr und mehr die Erkenntnis durchgesetzt, daB die submikroskopische Struktur, oft die ganze biologische Einheit (Faser zelle), von auBerordentlicher Bedeutung fUr das Verstehen chemischer und techno logischer Eigentiimlichkeiten ist. Eine Cellulosechemie muB daher mehr und mem auch die iibermolekulare und biologische Struktur, an die physikalische und zum groBen Teil auch chemische Eigenschaften hochpolymerer Stoffe gekniipft sind, hervorheben und behandeln. Dariiber hinaus miissen die Eigenheiten wie auch die Rolle der Begleitstoffe der Cellulose - yom chemischen, physikalischen wie auch morphologischen Gesichtspunkt aus - im biologischen Zusammenhan~ betrachtet werden. Dies fUhrt zwangsweise zu einer Chemie, Physik und sub mikroskopischen Morphologie der Pflanzenzellwand. Vorliegende Monographie stellt nun einen Versuch dar, diese Liicke in der Dar stellung verschiedener Cellulosechemien auszufUllen, wie auch die zu kurze und nur auf das Nutzholz ausgerichtete Behandlung in den Lehrbiichern der Holz chemie zu komplettieren. Man kann heute eben nicht mehr allein von einer chemischen Holzforschung sprechen; muB sich doch der Cellulosechemiker ebenso mit gewissen botanischen, anatomischen, pflanzenphysiologischen, biologischen, physikalischen und physiko-chemischen Fragen beschiiftigen, wenn er den von der Natur so heterogenen, jedoch nach unfaBbaren GesetzmaBigkeiten so logisch auf gebauten Naturstoff "Holz" kennenlernen, verstehen und in seiner zweckmaBigen technologischen Verwertung vollig beherrschen will. Es ist der Wunsch der Autoren, neben den wissenschaftlichen Tatsachen und Erkenntnissen, die an verschiedensten Pflanzenorganen gemacht wurden, vor nehmlich auch die Ergebnisse herauszustellen, die technische Bedeutung besitzen. Somit solI dieses Buch wissenschaftlichen Instituten mit Lehrtatigkeit, Forschungs laboratorien, wie auch der Industrie sich gleich dienlich erweisen. Es muB jedoch hervorgehoben werden, daB es nicht in der Absicht des Herausgebers lag, eine Cellulose- oder Holzchemie zu schreiben, auch wenn bedauerlicherweise kein modernes, umfassendes, in deutscher Sprache geschriebenes Buch existiert (Nun TINs Buch "Die Chemie des Holzes" in deutscher Dbersetzung [Akademieverlag Berlin 1955] stiitzt sich allzu einseitig auf die russische Literatur) und viele hervorragende angelsachsische Ausgaben durch die rasche Entwicklung dieser Gebiete oft nicht mehr vollig up to date sind. Es muB daher an dieser Stelle auch dem Springer-Verlag - neben der gewissenhaften und vorziiglichen Druckaus stattung - vor allem fUr die rasche Drucklegung gedankt werden, die es ermog lichte, eine, wie wir hoffen, den Wissensstand, wie er zum Zeitpunkt der Druck legung herrschte, weitgehend entsprechende moderne Darstellung vorzulegen. Andererseits muB der Nachteil mit in Kauf genommen werden, daB es auf vielen Gebieten, auf denen die Entwicklung noch zu sehr im Flusse ist, nur moglich war, Tatsachen zu referieren und Arbeitshypothesen gegeniiberzustellen, ohne ein kritisch abgerundetes Bild zu geben. Da der Monographie in ihrer Zielsetzung - neben einer EinfUhrung in die mikroskopische Morphologie (nebst AbriB des Baues der wichtigsten Zellstoff-und VI Vorwort Textilfaserlieferanten} fUr Chemiker und Zellstofftechniker, die Darstellung der Chemie, Physik und submikroskopischen Morphologie der Cellulose und ihrer Be gleiter, gesehen im biologischen Durchdringungssystem, welches die Zellwand dar stellt - kein eigentlicher Vorlaufer vorausgegangen ist, muB sie als ein erster Ver such gewertet werden, das umfangreiche und verstreute Material referierend in einem Buch zusammenzufassen, und es ist so verstandlich, daB sich manche Punkte fUr eine Kritik ergeben werden, insbesondere, was Stoffauswahl und Anordnung betrifft. Gelegentliche Stoffiiberschneidungen - die erfahrungsgemaB haufig in Handbiichern mit unabhangigen Beitragen einer groBeren Anzahl Autoren zu beobachten sind - sind wohl vorgekommen. Da jedoch solche speziellen Teile eines Sachgebietes von recht unterschiedlichen Gesichtspunkten aus behandelt und von verschiedenen Federn geschrieben wurden, kann darin vielfach sogar ein didaktischer Vorteil erblickt werden. Das Buch ist in zwei Teile gegliedert, und zwar in eine EinfUhrung mit besonderer Betonung der botanischen Seite, wahrend der zweite Teil die Chemie, physikalische Chemie und su bmikroskopische Morphologie der Pflanzenzellwand - getrennt nach primaren und sekundaren Pflanzenstoffen - behandelt. Die EinfUhrung wie der Anhang zum Abschnitt iiber die Cellulose - ein allgemeiner GrundriB ihrer Chemie und Physik - sollen die speziellen AusfUhrungen abrunden und dem Buch einen breiteren Anwendungsraum geben. Es bedarf iibrigens wohl keiner Begriin dung dafUr, daB die wesentlichen Untersuchungsmethoden nur kurz und in grund satzlicher Hinsicht beriihrt wurden. Den Fachkollegen danke ich im eigenen Namen sowie den der Mitarbeiter fUr viele Anregungen, fUr zur VerfUgung gestellte Literatur und Originalabbildungen, fiir solche insbesonders Herrn Prof. Dr. K. HESS, Dozent Dr. W. LIESE, Dozent Dr. B. THUNELL und der Cellulosefabrik Attisholz AG (Dr. H. BUCHER). Fiir das fordernde Interesse am Zustandekommen dieses Beitrages zur Holz chemie danke ich ferner dem hiesigen Zentrallaboratorium der Celluloseindustrie, dem Holzforschungsinstitut sowie der schwedischen Zellstoffindustrie. Fiir Mit hilfe bei den Dbersetzungen gebiihrt mein Dank Herrn Dr. J. GIERER. Die Register hat Herr Ing. J. REHNSTROM besorgt. Lidingo, Sommer 1957 ERICH E. TREInER Mitarbeiterverzeichnis ADLER, E. Prof. Dr., Chalmers Technische Hochschule, Goteborg, Schweden ASUNMAA, S. Dr., Schwedisches Holzforschungsinstitut, Stockholm GIERER, J. Dr., Schwedisches Holzforschungsinstitut, Stockholm HARTEL, O. Prof. Dr., Pflanzenphysiologisches Institut der Universitat Graz, Osterreich KOLJO, B. Dr., Schwedisches Holzforschungsinstitut, Stockholm KRATKY, O. Prof. Dr., Institut fUr physikalische Chemie der Universitat Graz, Osterrcich LANGE, P. W·. Doz. Dr., Zentrallaboratorium der Borregaard AG., Sarpsborg, Norwegen LINDBERG, B. Doz. Dr., Konig!. technische Hochschule Stockholm und schwedi sches Holzforschungsinstitut, Stockholm MEIER, H. Dr., Schwedisches Holzforschungsinstitut, Stockholm POROD, G. Doz. Dr., Institut fUr physikalische Chemie der Universitat Graz, Osterreich SCHURZ, J. Dr., Institut fur physikalische Chemie der Universitat Graz, Oster reich SITTE, P. Dr., Elektronenmikroskopisches Laboratorium der Universitat Inns bruck, Osterreich STOCKMAN, 1.. Prof., Konig!. technische Hochschule Stockholm und Zentral laboratorium der schwedischen Celluloseindustrie, Stockholm TREIBER, E. PDoz. Dr., Zentrallaboratorium der schwedischen Celluloseindustrie, Stockholm Inhaltsverzeichnis Erster Teil Einfiihrung Erstes Kapitel Einleitung Bearbeitet von E. TREIBER und L. STOCKMAN Mit 30 Abbildungen § 1. Vorbemerkung. Von E. TREIBER ....... 1 § 2. Bauprinzipien der Faserstoffe . . . . . . . . . 3 § 3. Die chemischen Voraussetzungen fiir die Faserbildung 8 § 4. Die biologische Entstehung der Cellulose 10 1. Einleitung . . . . . .. ... 10 2. Die Bildung der Cellulose. . . . . . 16 a) Altere Anschauungen . . . . . . 19 b) Neuere Anschauungen. . . . . . 20 § 5. Der EinfluB morphologischer Faktoren auf die Herstellung von Zellstoff und Papier. Von L. STOCKMAN . . . . . . . . . 22 1. Holzart (allgemeine Gesichtspunkte) . . . . . 22 a) Kernholz - Splintholz . . . . . . . . . 24 b) Schnellwiichsigkeit, J ahresringbreite. . . . 25 c) Friihholz, Spatholz (Trockenvolumgewicht). 27 2. Fasereigenschaften. . . . . . . . . . . . . 30 § 6. Der EinfluB morphologischer Faktoren auf den chemischen Umsatz von Kunst seidenzellstoffen. Von E. TREIBER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Zweites Kapitel Die Koblenhydrate (Kurze allgemeine Darstellung) Bearbeitet von E. TREIBER Mit 4 Abbildungen § 7. Zucker und zuckerahnliche Polysaccharide (Oligosaccharide) . 44 § 8. (Zuckerunahnliche) Polysaccharide. . . . . . . . . . . . 47 Drittes Kapitel Mikroskopische Morphologie (nebst einem AbriB des Baues der wichtigsten Faserpflanzen) Bearbeitet von O. HARTEL Mit 49 Abbildungen § 9. Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 § 10. Der cellulare Bau der Pflanze . . . . . . . . . . . 54 § 11. Die wichtigsten Zellformen und ihre Verbande (Gewebe) 56 1. Meristeme . . 56 2. Dauergewebe . 57 3. Die Zellformen 58 x Inhaltsverzeichnis § 12. Aufbau und mikroskopisch sichtbare Strukturen der Zellwand G2 1. Die meristematische Zellwand . G2 2. Intercellularen . . . . . . (If; 3. Die Schichtung der Zellwand flii 4. Streifung. . . . . . . . fl9 ,J. Artifizielle Strukturen . . fl9 fl. Lokale Wandverdickungen 71 7. Tupfel . . . . . . . . . 73 § 13. Chemische Veranderungen der Zellwand. 77 1. Verholzung . . . . . . 77 2. Kork und Kutin. . . . 78 3. Gummi. . . . . . . . 78 4. Anorganische Inkrusten 79 § 14. Optische Eigenschaften der Zellwand 79 1. Lichtabsorption . . . . . . . 79 2. Lichtbrechung. . . . . . . . 79 3. Dichroismus und Difluorescenz 80 4. Doppelbeugung . . . . . . . 80 Ii. Verhalten zu Farbstoffen. . . 81 § 15. Mechanische Eigenschaften der Zellwand 82 1. Zug- und Druckfestigkeit . 82 2. Elastizitat 84 3. Quellung. . . . . 85 4. Harte . . . . . . 87 5. Warmeleitfahigkeit 87 § lfl. Der Aufbau des Stammes und die Bildung des Holzkiirpers 87 1. Der prim are Stamm . . . . . . . . . . . 87 2. Das sekundare Dickenwachstum. . . . . . 90 3. Das Dickenwachstum der Einkeimblattrigen 9ii 4. Die sekundare Rinde . 95 .5. Periderm, Borke. . . . . . . . . . 9fl G. Das Holz. . . . . . . . . . . . . 97 a) Die Langselemente des Holzkiirpers 97 ot) Tracheiden . . . . . . 97 (J) GefaBe . . . . . . . . 98 y) Holz- (Libriform-)fasern. 100 (5) Holzparenchym . 100 b) Markstrahlen. . . . 101 c) Thyllen, Verkernung 104 d) Harzgange. . . . . 105 § 17. Quantitative Holzanatomie lOfl 1. Quantitativer Anteil der Zellarten im Holz lOfl 2. Faserdimensionen . . . . . . . . . . . 108 3. Porenvolumen und Wichte . . . . . . . III § 18. Kurze makroskopische und mikroskopische Charakteristik einiger fur die Cellulose- technik wichtigeren Fasern 112 1. Vorbemerkung . . . . . . 112 2. Nadelhiilzer. . . . . . . . 112 a) Allgemeine Charakteristik 112 b) Spezielle Beschreibungen. 113 3. Laubhiilzer . . . . . . . . 119 a) Allgemeine Charakteristik 119 b) Spezielle Beschreibungen 120 4. Technisch verwertbare Fasern auBerhalb des Holzkiirpers . 125 a) Allgemeines . . . . . . 12ii b) Spezielle Beschreibungen. . 127 ot) Samenhaare. . . . . . 127 (J) Bastfasern (Weichfasern) 129 y) Baste. . . . . . . . . 133 (5) Hartfasern der Monocotyledonen . 133 5. I:lonstige Faserstoffe . . . . . . . . . 138 Inhaltsverzeiohnis XI Zweiter Teil Chemie nnd snbmikroskopiscbe Morphologie der Pflanzenzellwand Viertes Kapitel Die primiiren Pflanzenstoffe Bearbeitet von S. ASUNMAA, P. W. LANGE, B. LINDBERG, H. MEIER und E. TREIBER Mit 103 Abbildungen § 19. Die Cellulose. Von E. TREIBER. . . . . 139 1. MolekiilgroBe . . . . . . . . . . . 142 2. Polydispersitat . . . . . . . . . . 143 3. Abweiohungen von der idealen Formel 146 4. Die Kristallstruktur der Cellulose . . 151 a) Krafte, die die Gitterstruktur zusammenhalten . 152 b) Die Gitterstruktur der Cellulose . . . . . . . 156 c) Polymorphe Celluloseformen - Hydratcellulose 157 (X) Hydratoellulose . . . . . . . . . . . . . 157 (J) Der iibermolekulare Aufbau der Hydratcellulose 158 d) Weitere Gittertypen. 161 5. Das Cellulosemicell. . . . . . . . . . . . . . . . 161 6. Kristallinitatsgrad. . . . . . . . . . . . . . . . 166 § 20. Der iibermolekulare Aufbau der Cellulose und die Textur der Zellwande. Von E. TREIBER (mit Beitriigen von S. ASUNMAA und H. MEIER) 167 1. Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . 167 a) Wachstumstexturen. . . . . . . . . . . 169 b) Bau der Mikrofibrille . . . . . . . . . . 170 (X) Existenz und Dimension der Mikrofibrille 171 (J) Feinbau der Mikrofibrille . . . . . . . . . 174 2. Die Struktur der Faserzellwand (Bau der Faserzelle) 178 3. Die Mittellamelle. Von S. ASUNMAA 181 a) Definition und Dimensionen . . 181 b) Chemisohe Zusammensetzung. . 182 c) Submikroskopische Morphologie 183 d) Feinstruktur der Mittellamelle . . . . 183 4. Aufbau der Einzelfaser. Von E. TREIBER. 187 a) ZellgroBe und Form. . . . . . . . . . 187 b) Chemisch-mikroskopische Beobaohtungen (Dislocations, Striations, Lamellie- rung der eigentlichen Sekundarwand, Querelemente) 188 c) Weitere Diskontinuitaten der Faserstruktur 194 d) Spaltsysteme. . . . . . . . . . . . . 196 5. Existenz und Bau der Sekundiirfibrille (Fila) 197 6. Die Primarwand. . . . . . . . . . 199 Das Waohstum der Primiirwand . 204 7. Die Sekundarwand. . . . . . . . . 205 a) Untersuohungsmethoden 205 b) Bau .9-er Sekundarwand (allgemein) 206 c) Die Ubergangslamelle . . . . . . . . 207 d) Feinbau der eigentlichen Sekundiirwand (Zentralschicht) . 208 e) Algenzellwande. . . . . . . 212 8. Die Tertiiirwand. Von H. MEIER 213 a) Begriff. . . 213 b) Vorkommen 214 c) Ontogenese 214 d) Morphologie 215 e) Chemismus. . .. 219 f) Resistenz gegeniiber versohiedenen AufsohluBverfahren bei Fiohtentracheiden 220 § 21. Hemicellulosen. Von E. TREIBER 224 1. Uberblick iiber die Hemisubstanzen 227 a) Vorbemerkung 227 b) Isolierung . 227 0) Loslichkeit . 231 d) Einteilung . 232 XII Inhaltsverzeichnis 2. Vorkommen und Bauprinzip . 235 a) Hexosane ....... . 236 b) Pentosane . . . . . . . . 239 c) Zusammengesetzte Polyosen 241 d) fl· und y.Cellulose. . . . . 243 3. Physikalisch-chemische Untersuchungsergebnisse an Hemicellulosen 245 a) MolekiilgroBe. . . . . . 245 b) Molekiilgestalt . . . . . 247 c) Chemische Umsetzungen . 247 d) Ubermolekulare Struktur 248 § 22. Die Polysaccharide der Algen. Von B. LINDBERG. 250 § 23. Pektine. Von E. TREIBER .......... . 252 § 24. Pflanzengummi und Schleime. Von E. TREIBER . 252 § 25. Besondere Zellwandstoffe - Chitin. Von E. TREIBER 257 § 26. Verteilung der Zellwandkomponenten in der Zellwand. Von P. W. LANGE. 259 1. Problemstellung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 2. Einblick in die MeBmethodik. ~omenklatur. . . . . . . . 259 3. Verteilung des Lignins in den Zellwanden ........ 260 4. Verteilung der ~ohlenhydrate (Cellulose und Hemicellulose) . 264 a) Allgemeiner Uberblick. . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 b) Vergleich der relativen Substanzverteilung in warm- und kaltalkalibehandel- ten Fasern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 c) Detaillierte Aussagen aus den relativen Verteilungskurven . . . . . . . . 270 IX) EinfluB einer Kaltalkalibehandlung, verglichen mit einer Warmalkali behandlung an Fichtenholocellulose. . . . . . . . . . . . . . . . . 270 fl) Hydrolytische Behandlung, verglichen mit einer Alkalibehandlung von Fasern einer Holocellulose. . . . . . . . . . . . . . . . 270 y) Kurze Vorhydrolyse, gefolgt von einer Kaltalkalibehandlung. 270 d) "Absolute" Verteilungskurven . . . . . . . . . . . . . 271 5. Massenverteilung in Zellwanden schwedischer Fichte und Birke . . 274 6. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 7. Zukiinftige Entwicklungsmoglichkeiten und Anhang (Interferenzmikroskopie) 278 Anhang ............................. , 279 Fiinftes Kapitel Anhang (zu § 19 und 20) (Allgemeines zur Chemie und Physik der Cellulose) Bearbeitet von (0. KRATKY), B. LINDBERG, G. POROD, J. SCHURZ und E. TREIBER Mit 31 Abbildungen § 27. Die Reaktionsweise der Cellulose. Von G. POROD, J. SCHURZ und E. TREIBER 281 § 28. Die Reaktivitat der festen Cellulose yom Standpunkt der Phasenregel. Von J. SCHURZ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 § 29. Die Reaktivitat der Cellulose, mathematisch formuliert. Von J. SCHURZ und G. POROD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 § 30. Zur Beurteilung von Kunstseidenzellstoffen. Von E. TREIBER 291 a) Laugeloslichkeit 293 b) Resthemi, Restpentosan 294 c) Polydispersitat . . . 295 d) Polymerisationsgrad. 297 e) Homogenitat. . . . 298 f) Garnrohton . . . . 299 g) Filtrierbarkeit . . . . 299 h) Alkalisierungsverhalten 299 j) Spinnversuch. . . _. . 299 § 31. Die oxydativen und hydrolytischen Veranderungen der Cellulose. Von B. LINDBERG 300 1. Oxydation niedermolekularer Kohlenhydrate . . . . . . . . . 301 2. Analysenmethoden fiir Oxycellulosen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
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