木质素是地球上储量最丰富的天然高分子之一，存在于所有维管植物的细胞壁中，其名称源自拉丁语“Lignum”（意为“木材”）。木质素被视为新一代可持续产品的核心原料，研究人员和工业采购方对其品质的关注日益提高。下文将从基础生物学到工业应用，系统介绍木质素的相关知识。
在全球关注塑料污染与碳排放的背景下，木质素作为石化产品的天然替代品，正吸引越来越多的投资与研究。
1. 什么是木质素？
木质素是一类结构复杂的天然酚类生物高分子，占木材干重的15%～30%。它是植物的“骨架”，支撑植物自身重量，并使水分能够从根部高效输送至树冠。此外，木质素还能增强细胞壁、防止水分流失，保护植物免受细菌或真菌侵染。
木质素约占地球有机碳总量的30%，是全球碳循环的重要组成部分。全球现存植物中储存的木质素超过3000亿吨，使其成为地球上最丰富的有机材料之一。
植物细胞壁由木质素和纤维素构成，其中纤维素提供结构支撑，木质素赋予刚性和防水性。这种天然复合结构的效能优于大多数人工复合材料。
2. 木质素从何而来？
木质素存在于维管植物的细胞壁中，包括树木、竹子以及稻麦秸秆、玉米秸秆等农业剩余物。针叶材与阔叶材中木质素的含量和结构截然不同：松树等针叶材的木质素含量为25%～35%，橡树等阔叶材为18%～25%；草本植物等非木本植物的木质素含量最低，仅为15%～20%。
含量与结构的差异直接影响木质素的工业应用。
3. 谁发现了木质素？
1838年，法国化学家安塞姆·佩恩（Anselme Payen）用硝酸和碱液处理木材时，意外发现了两种不同的物质：一种被称为纤维素，另一种则被描述为“包覆物质”。这一发现背后的奥秘，历经一个世纪才被揭开。
1865年，德国植物学家舒尔策（Frank Schulze）将这种包覆物质命名为“木质素”（Lignin），该名称源自拉丁语“Lignum”。20世纪，卡尔·弗罗伊登贝格（Karl Freudenberg）等科学家揭示了木质素复杂的化学结构。从最初发现到完全解析，前后历时100多年。
佩恩的发现是19世纪一项重大的化学突破，不仅为造纸工业奠定了基础，也开启了对植物细胞壁的系统研究，并由此推动了生物燃料和生物材料的发展。
4. 木质素的类型
木质素可按植物来源或提取工艺分类。对采购人员和工程师而言，按提取工艺分类更具实用价值，因为提取工艺决定了木质素的纯度、溶解性和适用范围。
按植物来源分类 |
● 针叶材木质素主要由愈创木基（G）单元构成，阔叶材木质素则由愈创木基（G）和紫丁香基（S）单元构成。 ● 草本植物还额外含有对羟苯基（H）单元。 |
按提取工艺分类 |
● 硫酸盐木质素（Kraft Lignin）最为常见，占全球工业木质素的85%，是造纸工业的副产物。 ● 木质素磺酸钠水溶性高，商业化程度最高，广泛用于染料、农药、电池等行业。 ● 有机溶剂木质素（Organosolv Lignin）纯度最高，适用于碳纤维、医药等高端领域。 ● 碱法木质素（Soda Lignin）以秸秆、甘蔗渣等非木材植物为原料，不含硫，适用于特殊用途。 |
木质素的选择取决于用途。用作染料分散剂、农药分散剂和铅酸电池膨胀剂时，木质素磺酸钠是成熟可靠的选择；用于纳米颗粒药物递送系统或高性能复合材料时，可选用纯度更高的有机溶剂木质素。
5. 木质素的生产
工业木质素是造纸工业的副产物，最常用的生产方法是硫酸盐法（Kraft法）：在高温下用氢氧化钠和硫化钠分解木材，提取出木质素，剩余的纤维素用于造纸。
低共熔溶剂和离子液体萃取等新工艺正在发展，可制得纯度更高的木质素。随着技术日趋成熟，越来越多的木质素产品正从实验室走向市场。
6. 木质素的应用
已商业化的木质素产品应用广泛。木质素磺酸钠是其中用量最大的一类：在纺织染料行业用作分散染料和还原染料的分散剂，在农药行业用作制剂分散剂，在铅酸电池中用作负极膨胀剂。香兰素也是成熟的案例之一，约15%的香兰素提取自木质素。
在农业领域，木质素还可用作土壤改良剂和缓释肥料粘结剂；在碳纤维领域，木质素前驱体有望大幅降低碳纤维成本，实现商业化后将惠及汽车和航空航天产业。
在电子行业，木质素衍生碳材料正被研究用作超级电容器和电池的电极材料，未来有望成为锂电池的可持续替代方案。
7. 木质素对可持续发展的意义
以木质素衍生产品替代部分石油基塑料和化学品，可大幅减少碳排放。
木质素日益受到各国政府重视。欧盟生物经济战略（EU Bioeconomy Strategy）和美国能源部生物能源技术办公室（Bioenergy Technologies Office）均已将木质素列为优先发展材料。随着全球逐步淘汰化石燃料，木质素作为可再生、可生物降解原料的重要性将持续提升。
对普通消费者而言，木质素的发展意味着，未来的包装、汽车零部件乃至药用胶囊都可能来源于木材或农业废弃物，而非石油。部分木质素衍生产品已经上市。
8. 木质素基材料的未来
2023年全球木质素市场规模约为8亿美元，预计2030年将增长至16亿美元，年复合增长率约10%。增长最快的领域包括碳纤维、生物塑料和纳米颗粒药物递送系统。
木质素高端应用的关键在于质量稳定。不同植物来源或提取工艺所得木质素的组成差异较大，因此稳定的原料和受控的生产工艺尤为重要。随着质量控制水平不断提高，木质素正成为生物经济的核心材料之一。
目前最接近大规模商业化的是木质素基碳纤维。美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）已成功利用木质素制备出汽车级碳纤维，福特汽车和通用汽车正在对相关零部件进行测试。若能实现量产，车重最多可减轻10%，燃油经济性也将随之提高。
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