碱预处理和直接法提取戊聚糖的比较研究

碱预处理和直接法提取戊聚糖的比较研究

半纤维是植物细胞膜的主要成分之一。不同类型植物纤维原料的半纤维含量和结构有很大差异。一般来说,阔叶木中半纤维素含量为20%～30%,以木聚糖为主。桉木作为阔叶木速生材,是我国南方主要的造纸木材原料之一。因此,戊聚糖的测定对于表征桉木等阔叶木植物原料的半纤维素含量具有实际意义。生物质精炼与制浆相结合是目前国内外的研究热点,半纤维素预提取是其中的主要内容之一,因此有必要对提取液中的戊聚糖含量进行测定并探寻合适的方法来评价其提取效果。在制浆造纸行业,测定原料和纸浆中的戊聚糖均采用Duffau蒸馏法,即将试样与体积分数12%的盐酸共沸,使其中的戊聚糖水解并转化为糠醛,然后采用四溴化法(或二溴化法)测定其中的糠醛含量,再换算成戊聚糖含量(差值计算法,简称差值法)。对植物原料中糖类组分更准确的定量分析方法是色谱法,试样需要预先进行酸水解,然后经色谱分离出单糖并测定其含量,戊聚糖以木糖和阿拉伯糖含量之和表示。上述方法均比较成熟,但样品处理和测定过程都比较复杂,且色谱法使用的糖分析柱价格昂贵,仪器维护成本很高。在食品工业中,Douglas比色法被用来快速测定食品生产废水中的戊聚糖。于建仁等将比色法用于快速测定桉木半纤维素提取液中的戊聚糖含量,确定了其可行性,并对测定条件进行了优化。本研究采用国内南方阔叶木速生材桉木为原料,对木片进行碱预处理和热水预水解。用比色法和四溴化法分别测定提取液和预处理前后木片中的戊聚糖含量,根据不同预提取条件下戊聚糖提取率的计算结果,探讨了两种测定方法之间的关系。1实验1.1原材料实验原料为刚果12号桉改良品种,由广东雷州林业局提供,木片经人工筛选出制浆用合格木片装袋保存。原料化学组分分析结果见表1。1.2碱预处理法木片预处理采用碱预处理和热水预水解两种方式。100℃及低于100℃的预处理在恒温水浴锅中进行,高于100℃的预处理在电热蒸煮锅中进行。预处理反应温度90～180℃,碱浓1%～14%,升温时间0～60min,保温时间30～480min,液比1∶5～1∶10。预处理反应结束后,将提取液与木片分离后用于比色法测定。碱预处理反应后的木片用蒸馏水反复洗涤并浸泡24h,期间经常换水,至浸泡液无色后取出风干;热水预处理反应后的木片用蒸馏水冲洗后风干。1.3碱预处理条件下kp浆木素的提纯用酸析法分离制浆黑液中的木素和碱提取液中的木素类物质。制浆采用硫酸盐法蒸煮,条件为:用碱量20%,硫化度30%,最高温度165℃,升温时间90min,保温时间120min,液比1∶4;碱预处理条件为:碱浓10%,液比1∶10,90℃,2h。向60℃左右的硫酸盐制浆黑液或碱提取液中,边搅拌边加入体积分数30%的H2SO4,调节pH值为3左右,离心分离出沉淀,并用蒸馏水洗涤2～3次,然后在50℃下真空干燥48h。KP浆木素试样经过提纯,用PL表示,提纯步骤参照Lundquist和Kirk的方法;从碱预处理提取液中分离的酸析物试样未经提纯,用UPL表示。然后将PL和UPL溶解于稀碱液中,即可得到两者的碱溶液试样。1.4戊聚糖含量之计算方法原料木片及预处理后的木片分别风干后磨粉,取40～60目的筛分组分进行研究,实验按照国家标准(GB/T2677.9—1994造纸原料戊聚糖的测定方法)进行,采用四溴化法(差值计算法)。根据预处理前后木片的戊聚糖含量之差,可由式(1)求得戊聚糖的提取率,此计算结果比较接近真实的戊聚糖提取率。PD=(S−Y)S×100%ΡD=(S-Y)S×100%(1)式(1)中,PD为戊聚糖的提取率(差值法),%;S为原料木片中的戊聚糖含量(质量分数,20.64%);Y为预处理后木片的戊聚糖含量,%。1.5萃取溶液中戊二醇含量的测定和提取率的计算木片经碱预处理或热水预水解反应后,将提取液与之分离,用比色法测定其中的戊聚糖含量。1.5.1戊聚糖含量测定比色法的原理是利用显色反应试剂中的酸性介质,在高温条件下将待测样品中的戊聚糖水解为戊糖,戊糖脱水后转变为糠醛并与间苯三酚显色,根据分光光度法所测显色后试样在特定波长下的吸光度即可计算出戊糖含量,然后再折算成戊聚糖含量:戊聚糖含量=0.88×戊糖含量具体操作步骤及测定方法参照文献。1.5.2相对提取率pr的测定根据表1中原料木片的戊聚糖含量和比色法测定提取液中戊聚糖含量的结果,得到提取率计算公式(见式(2))。由于该公式中利用了两种不同方法的测定结果,计算结果与式(1)的计算结果之间存在差异,故用“相对提取率”表示。PR=L×C×n×10−6×0.88SΡR=L×C×n×10-6×0.88S(2)式(2)中:PR为戊聚糖相对提取率(比色法,下同),%;L为预处理所用液比,即反应溶液体积与绝干木片质量之比;C为由测定的吸光度(A)和标准曲线所得的木糖质量浓度;n为显色反应前提取液的稀释倍数;S为原料木片的戊聚糖含量(质量分数,20.64%);0.88为戊糖与戊聚糖的换算系数。2半纤维素预提取效果的比色法检测由于测定木片中戊聚糖含量的实验操作比较费时,而用比色法测定提取液中的戊聚糖比较简便快捷,因此研究中分析了这两种方法之间的关系,以探讨是否可采用快速的比色法测定结果来表征半纤维素的预提取效果。在不同条件下对木片进行碱预处理和热水预水解,用上述两种方法分别测定木片和提取液的戊聚糖含量,再由式(1)和式(2)分别求得戊聚糖的提取率,根据计算得到的两组数据建立两者之间的相关关系。2.1差值法与比色法测定pd的关系碱预处理实验采用不同碱浓在90℃下反应不同时间,使获得的各戊聚糖提取率存在一定差异(戊聚糖提取率PD范围为3.7%～47.8%),根据式(1)和式(2)计算得到的结果见图1(a)。由图中数据点的趋势初步推测,差值法与比色法(即PD与PR)之间的测定结果近似对数关系,为了进一步确定两者之间的关系,对PD求自然对数,并与PR进行相关拟合,结果见图1(b)。图1(b)显示,比色法测定结果与差值法所测结果的自然对数之间呈现较好的线性关系,关系方程为:y=4.6682lnx-5.5536(R2=0.9901)(3)式(3)中,y表示比色法测定结果,x表示差值法测定结果。因此,在本实验的碱预处理的戊聚糖提取率范围内,可以根据此关系方程和比色法的快速测定结果求得戊聚糖的真实提取率,这与差值法相比可以大大简化实验操作,提高工作效率。2.2计算当式的2.1%65.1%在不同温度和反应时间下进行热水预水解反应,使各条件下的戊聚糖提取率存在一定差异(戊聚糖提取率PD范围为2.1%～75.1%),由式(1)和式(2)计算得到的结果见图2。图2显示,对于热水预水解的试样,两种方法所测结果之间呈现较好的线性关系,关系方程为:y=0.5612x-1.2086(R2=0.9872)(4)式(4)中,y表示比色法测定结果,x表示差值法测定结果。2.3预处理前后木片中戊聚糖含量测定的结果上述实验结果表明,对于碱预处理和热水预水解两种预处理方式,两种方法所测戊聚糖提取率之间的关系不一致。对碱预处理,比色法测定结果与差值法测定结果的自然对数之间呈线性关系,而对热水预处理,两者之间直接具有较好的线性关系。推测其原因,一方面可能与碱预处理后的木片试样在测定戊聚糖含量前的洗涤浸泡有关。在碱预处理过程中,木片中的戊聚糖和碱性降解生成的低聚糖会部分溶出到提取液中,但仍有一部分戊聚糖与碱液一起残留在木片中,在后来的浸泡洗涤过程被逐渐扩散溶解出来,因此造成预处理后木片中戊聚糖含量的测定结果偏低,从而使预处理前后木片中戊聚糖含量的差值相对偏高,戊聚糖提取率也相对偏高,并且偏离的程度随戊聚糖溶出量的增加而增大。另一方面,由于显色反应需要酸性环境,对碱提取液进行比色法测定前需要先用酸中和,其中的部分木素及木素-碳水化合物复合体(LCC)必然会通过酸析沉淀出来,从而引起提取液中糖的损失,可能会导致比色法测定结果偏低,这可以用图3的光谱结果来加以验证。图3中经提纯的桉木硫酸盐木素试样(PL)经过显色反应后,在553nm处并无吸收,这说明木素不会对测定结果产生干扰;而碱预处理提取液的酸析物试样(UPL)经显色反应后,其光谱在553nm处有特征吸收,可推测这是LCC中的戊糖类物质引起的吸收。因此,在用比色法测提取液中的戊聚糖含量时,这部分物质没有被测到,从而使碱提取液中的戊聚糖含量测定结果相对偏低,并且这种偏离的程度也是随着提取液中戊聚糖浓度的增加而增大。对碱预处理试样来说,尽管用两种方法所测结果之间呈非线性关系,但利用本研究得出的式(3),可由快速的比色法测定结果来推算碱预处理后木片中的戊聚糖含量仍是可行的。3增注前后测定结果3.1桉木片经碱预处理和热水预水解,对预处理前后的木片和提取液中的戊聚糖含量分别采用四溴化法(差值法)和比色法进行测定,结果表明,两种测定方法的测定结果在增减趋势上表现出一致性。3.2对碱预处理试样,比色法测定结果与差值法测定结果