Лигнин является одним из основных компонентов древесины, содержащим больше углерода и меньше кислорода, чем целлюлоза. Он считается инкрустирующим веществом, придающим клеточным стенкам большую прочность. Лигнин — это смесь полимеров родственного строения, в основе которых лежат ароматические вещества, являющиеся у хвойного лигнина в основном производными пирокатехина, а у лиственного лигнина — производными пирокатехина и пирогаллола.
В настоящее время считают, что лигнин связан с целлюлозой древесины не только механически, но и химически. Лигнин в отличие от целлюлозы устойчив к воздействию кислот и не растворяется в них (Шарков, 1955), при действии же щелочей он растворяется. Это свойство лигнина используется с целью получения целлюлозы из древесины путем делигнификации. Лигнин с большим трудом подвергается воздействию ферментов.
Содержание лигнина в процессе одревеснения кормовых растений значительно увеличивается, но не достигает количества его, содержащегося в древесине. Так, И. С. Попов (1944) приводит следующие цифры содержания лигнина в клевере по фазам развития растения (%): фаза кущения — 5,6, начало цветения — 7,5, фаза образования семян — 10,6. Рост содержания лигнина в кормовых растениях сегодня объясняется сложными физиологическими процессами, которые происходят в клетке при одревеснении.
Выделенный из древесины лигнин иногда хорошо растворяется в органических растворителях. Но при всех случаях извлечения лигнина органическими растворителями из клеточных стенок необходимы хотя бы малые количества кислого катализатора (0,1—1%) для разрушения химической связи лигнина с углеводами.
Часть лигнина, очевидно, находится в свободном состоянии, поэтому он может извлекаться в отсутствие катализаторов органическими растворителями: спиртом, диоксаном и др., а другая часть лигнина может быть выделена из растительных тканей лишь при помощи сравнительно жестких реакций, которые в какой-то мере изменяют природу лигнина.
Существует две группы методов выделения лигнина из древесной растительности. В первую группу входят методы, основанные на переводе углеводной части в раствор и получении лигнина в виде нерастворимого остатка. Во вторую группу входят методы, основанные на растворении лигнина с последующим осаждением его из полученного раствора с целью количественного определения. При выделении его из древесины полисахариды — целлюлозу и гемицеллюлозы — подвергают гидролизу до простых сахаров действием минеральных кислот.
При количественном определении лигнина важнейшими методами являются методы с использованием крепких кислот (64—72%-ной серной и 41—42%-ной соляной). В этом случае на измельченные части древесной растительности после экстракции смолистых веществ действуют концентрированными кислотами. В результате этого углеводы гидролизуются и удаляются, а лигнин выделяется в виде негидролизуемого остатка телесного цвета.
К методам второй группы относятся главным образом методы выделения лигнина путем растворения его в спиртах, феноле, диоксане, уксусной, муравьиной и других органических кислотах в присутствии кислых катализаторов.
Совершенных методов количественного определения лигнина пока нет. Мы определяли содержание лигнина в древесной растительности количественно, применяя 72%-ную серную кислоту.
Количественное определение лигнина в растительном сырье имеет очень важное значение. Так, зная содержание лигнина и гемицеллюлоз в растительном материале, можно предсказать возможный выход целлюлозы при варке.
Содержание лигнина в хвое, коре и древесине сучьев ели и пихты, произрастающих на разной высоте над уровнем моря. Подробная характеристика участков, где были отобраны модельные деревья, дана в разделе «Каротин». Пробы отбирали с растущего дерева, с середины кроны (с четырех сторон света) обрубали ветви, от которых отделяли техническую зелень, а сучья перерубали на отрезки длиной 30—50 см. В лаборатории от сучьев отделяли кору, затем сучья измельчали на круглой пиле в опилки, из которых брали фракцию 1X1 и среднюю пробу для анализа.
Результаты определений, полученные по содержанию лигнина в хвое, коре и древесине сучьев ели европейской, произрастающей на различной высоте над уровнем моря, показывают, что содержание лигнина в хвое с увеличением высоты произрастания дерева над уровнем моря уменьшается. Например, у ели, произрастающей на высоте 700 м над уровнем моря, лигнина в хвое содержится 26,9%, у ели, растущей на высоте 900 м, — 26,1%, на высоте 1050 м — 25,5%, а на высоте 1360 м — 25,3%.
По содержанию лигнина в коре и древесине сучьев ели наблюдается такая же закономерность: чем выше произрастает дерево над уровнем моря, тем меньше содержится лигнина в коре и древесине сучьев. Так, у деревьев, растущих на высоте 700 м над уровнем моря, лигнина в коре сучьев 34,8% и на высоте 1360 м — 32,1%. В древесине сучьев соответственно 32,2 и 30,8%. Больше всего лигнина содержится в коре сучьев и меньше всего в хвое. Такая же зависимость наблюдается и у пихты белой. Например, содержание лигнина в хвое у пихты, произрастающей на высоте 530 м над уровнем моря, 25,4%, а на высоте 940 м — 23,3%, на высоте 940 м — 28,3%. В древесине сучьев соответственно 30,2 и 26,6%. С увеличением высоты произрастания пихты над уровнем моря количество лигнина уменьшается. Наибольшее количество лигнина у пихты также содержится в коре сучьев, а наименьшее — в хвое.
Содержание лигнина находится в пределах: у ели — в хвое 25,3—26,9%, в коре сучьев 32,1—34,8%, в древесине сучьев 30,8—32,2%, у пихты — в хвое 23,3—25,4%, в коре сучьев 28,3—32,2% и в древесине сучьев 26,6—30,2%.
Содержание лигнина в разновозрастной хвое ели, пихты и кедровой сосны. Содержание лигнина в разновозрастной хвое определяли у модельных деревьев ели, отобранных в Ворохтянском лесокомбинате на четырех участках, расположенных на высоте 1360, 1050, 900 и 700 м над уровнем моря. Модельные деревья пихты были отобраны в Ворохтянском, Солотвинском и Выгодском лесокомбинатах на высоте 940, 720, 530 м над уровнем моря. Модельные деревья кедра выбирали в Солотвинском лесокомбинате на высоте 1460, 1330 и 1100 м над уровнем моря (украинские Карпаты). Всего было отобрано 30 модельных деревьев, из них 12 — ели, 9 — пихты, 9 — кедра.
На основании полученных результатов анализов можно отметить, что чем у ели европейской старше хвоя, тем больше содержится в ней лигнина. Такая зависимость наблюдается у всех исследуемых пород для всех четырех высот произрастания. Например, в среднем (длячетырех высот) воднолетней хвое лигнина содержится 24,3%, двухлетней — 25,5, в трехлетней — 26,6 и в четырехлетней — 27,2%.
У пихты белой в среднем (для трех высот произрастания) лигнина содержится в однолетней хвое 22,83%, в двухлетней — 24,06% и в трехлетней — 25,9%. У кедровой сосны в среднем (для трех высот) лигнина содержится в однолетней хвое 23,6%, в двухлетней — 23,7, в трехлетней — 24,8 и в четырехлетней — 26,2%.
Содержание лигнина в различных частях дерева. Изменение содержания лигнина в древесине и коре ствола от основания к вершине и содержание лигнина в древесине и коре сучьев мы изучали у ели европейской, пихты белой, кедра карпатского, бука, дуба скального и черешчатого, произрастающих в украинских Карпатах.
Отбор проб на анализ описан в разделе эфирорастворимых веществ.
Содержание лигнина у исследуемых нами лиственных пород в древесине и коре ствола возрастает от основания к вершине. Например, в древесине у основания ствола дуба скального лигнина содержится 20,1%, у дуба черешчатого 19,6 и у бука — 22%, а в древесине вершины у дуба скального его 22,6%, у дуба черешчатого 21,9 и у бука 23,8%. В коре у основания ствола у дуба скального лигнина содержится 21,5%, у дуба черешчатого 20,2 и у бука 22,9%, а в коре с вершины ствола его у дуба скального 23,6%, у дуба черешчатого 22 и у бука 24,068%.
Содержание лигнина в коре и древесине сучьев дуба скального, дуба черешчатого и бука наибольшее у сучьев из нижней части кроны. Например, лигнина в древесине сучьев из нижней части кроны у дуба скального 23,5%, у дуба черешчатого 23,4 и у бука 24,7%, а в древесине сучьев из верхней части кроны у дуба скального 22,8%, у дуба черешчатого 22,5 и у бука 24%. В коре сучьев из нижней части кроны у дуба скального лигнина содержится 23,9%, у дуба черешчатого 24,2 и у бука 25,7%, из верхней части кроны: у дуба скального — 23,2%, дуба черешчатого — 23 и у бука 24,4%.
В среднем содержание лигнина (%) в древесине ствола дуба скального находится в пределах 20,1—22,6, дуба черешчатого 20—22, бука 22—24; в коре ствола дуба скального 22—24, дуба черешчатого 20—22 и бука 23—24; в древесине сучьев бука скального 23—24%, дуба черешчатого 22,5—23,4 и бука 24—25; в коре сучьев дуба скального 23—24, дуба черешчатого 23—24 и бука 24—26; в листьях дуба скального 22,4, дуба черешчатого 21,1, бука 20,2. У ели европейской, пихты белой и сосны кедровой наблюдается такая же закономерность: минимальное количество лигнина содержится в древесине и коре у основания ствола, а максимальное — в древесине и коре вершины ствола.
Например, лигнина в древесине у основания ствола ели европейской содержится 22,6%, пихты — 24 и кедра — 26%, а в древесине вершины ствола соответственно 24,7, 26 и 27%.
В коре основания ствола ели содержится 24% лигнина, пихты 24 и кедра — 27%; в коре вершины ствола соответственно 25,3, 26 и 29%. Наибольшее количество лигнина в древесине сучьев из нижней части кроны, а наименьшее — из верхней.
Так, в древесине сучьев из нижней части кроны ели 25,5% лигнина, пихты 26,6 и кедра 28%, из верхней части кроны соответственно 25, 26 и 27%.
В коре сучьев максимальное количество лигнина у пихты (27%), ели (26%) и кедра (29%) приходится на кору сучьев из средней части кроны, минимальное — у пихты (25%) и ели (26%) у сучьев из нижней части кроны, а у кедра (28%) у сучьев из верхней части кроны.
В среднем в древесине ствола ели содержится 23—25% лигнина, пихты 24—26% и кедра 26—27%; в коре ствола соответственно 24—25, 24—26 и 26—29%; в древесине сучьев 25—26,6, 26—27 и 27—28%, в коре сучьев — 24—26, 25—27 и 28—29%. В хвое у ели европейской содержится 26% лигнина, у пихты — 23 и у кедровой сосны — 23%.
У лиственных пород (дуба скального, дуба черешчатого и бука) в среднем лигнина в древесине ствола содержится: 19,6—23,8%, в коре ствола 20,2—24%, в древесине сучьев 22,5—24,7%, в коре сучьев 23,0—25,6%, в листьях 20,2—22,4%.
Среднее содержание лигнина в хвойных породах (ель, кедр, пихта) в древесине ствола равно 22,0—27,2%, в коре ствола 24,3—28,8, в древесине сучьев 24,9—28,0, в коре сучьев 24,0—29,0 и в хвое 23,0—25,6%.
Как у лиственных, так и у хвойных исследуемых нами пород больше всего лигнина содержится в коре сучьев и меньше всего — в древесине ствола. Полученные результаты частично подтверждаются исследованиями, проведенными ранее.
Содержание лигнина в коре, хвое и древесине сучьев ели и пихты в различное время года. Лигнина в хвое, коре и древесине сучьев больше всего весной и меньше — зимой. Так, весной в хвое ели его 27,2%, а зимой 25. Среднегодовое содержание лигнина у ели европейской в хвое равно 26,3%, в коре сучьев 34,2 и в древесине сучьев 31,3%. Больше всего его содержится в коре сучьев и меньше всего в хвое.
У пихты видна такая же зависимость: максимум лигнина в хвое, коре и древесине сучьев приходится на весну, а минимум бывает зимой, когда его в хвое 25,1%, в коре сучьев 31,8 и в древесине сучьев 30%. Среднегодовое содержание лигнина у пихты в хвое равно 26,7%, в коре сучьев 32,9 и в древесине сучьев 30,1%. Меньше всего лигнина содержится у пихты в хвое, больше всего — древесине сучьев.
Содержание лигнина в годичных слоях осенней и весенней древесины ели изменяется в зависимости от сторон света и времени года отложения слоя. Так, весенняя древесина содержит лигнина от 25,2 до 29,6%, осенняя древесина — от 22,3 до 34%. Кроме того, указывается, что максимум содержания лигнина в одних частях дерева образуется за счет уменьшения содержания лигнина в других его частях.
Содержание лигнина в различных частях дерева-тонкомера. Мы исследовали деревья ели, пихты, сосны, бука и березы диаметром от 2 до 10 см, произрастающих на территории лесокомбината «Осмолода» (украинские Карпаты).
Для каждой ступени толщины было взято по три модельных дерева. Деревья спиливали, от них отделяли сучья, техническую зелень и кору со стволиков. Установлено, что в. среднем содержание лигнина (%): у березы в листьях 19,7, в коре ствола 24,6 и в древесине ствола 22,1; у бука в листьях 20,3, в коре 23,6 и в древесине ствола 22,5; у дуба в листьях 19,3, в коре 22,1 и в древесине 21. Содержание лигнина с увеличением диаметра от 2 до 10 см изменяется незначительно. Например, у березы диаметром 2 см в листьях содержится 19,5% лигнина, в коре ствола 24 и в древесине стволика 21,13, у березы диаметром 10 см соответственно 20,1, 25 и 23% у бука диаметром 2 см в листьях 19,55, в коре ствола 23,21 и в древесине ствола 22,16%, у бука диаметром 10 см соответственно — 21,13, 24,2 и 23%; у дуба диаметром 2 см в листьях 18,8 в коре ствола 21,91 и в древесине ствола 19,98%; у дуба диаметром 10 см соответственно 20,0, 22,6 и 21,8%.
В среднем для березы, дуба и бука диаметром от 2 до 10 см у корневой шейки в листьях содержится лигнина от 19,13 до 21,13%, в коре ствола от 21,91 до 25,01% и в древесине ствола от 19,90 до 23%. Наибольшее количество лигнина содержится в коре и наименьшее — в листьях.
Для хвойных пород получены такие данные (%) в среднем у деревьев диаметром от 2 до 10 см: у ели в хвое содержится 23,36 лигнина, в коре 24,52 и в древесине — 23,88, у пихты в хвое 22, в коре ствола 24,34 и в древесине ствола 23,7 и у сосны в хвое 24,2, в коре 26,6 и в древесине ствола 25,8.
С увеличением диаметра от 2 до 10 см содержание лигнина в исследуемых нами частях дерева увеличиватся незначительно. Например, у ели диаметром 2 см лигнина содержится (%): в хвое 22,3, в коре стволика 24,01 и в древесине стволика 23,01%, а у ели диаметром 10 см в хвое 24, в коре ствола — 25,07 и в древесине ствола — 24,85; у пихты диаметром 2 см — в хвое 24,32, в коре ствола 24,13 и в древесине ствола 23,21, а у пихты диаметром 10 см соответственно 22,6, 24,6 и 24,11; у сосны диаметром 2 см — в хвое 23,31%, в коре ствола 26,21 и в древесине ствола 25,25, у сосны диаметром 10 см — в хвое 24,98, в коре ствола 27,17 и в древесине ствола 26,39.
Для хвойных пород (ель, пихта, сосна) диаметром от 2 до 10 см в среднем в хвое содержится от 21,32 до 24,98% лигнина, в коре ствола от 24,08 до 27,17% и в древесине ствола от 23,01 до 26,39%. Наибольшее количество лигнина содержится в коре ствола, а наименьшее — в хвое.