王建慶， 曹佃元, 張 玉

(1. 東華大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201620; 2. 東華大學(xué) 國(guó)家染整工程技術(shù)研究中心, 上海 201620)

乙酰溴法測(cè)定棉籽殼中木質(zhì)素的含量

王建慶1,2， 曹佃元2, 張 玉2

(1. 東華大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201620; 2. 東華大學(xué) 國(guó)家染整工程技術(shù)研究中心, 上海 201620)

利用木質(zhì)素乙?；苌镌?80 nm處具有強(qiáng)烈吸收的特征，建立了一種用紫外分光光度法測(cè)定棉籽殼中木質(zhì)素含量的新方法。研究了木質(zhì)素乙?；磻?yīng)過(guò)程中乙酰溴體積分?jǐn)?shù)、反應(yīng)溫度、時(shí)間和高氯酸質(zhì)量濃度的影響規(guī)律，得到的優(yōu)化反應(yīng)條件為：乙酰溴體積分?jǐn)?shù)30%、反應(yīng)溫度70 ℃、時(shí)間60 min、高氯酸質(zhì)量濃度0.69 mol/L。在此條件下，乙酰溴法測(cè)得的棉籽殼木質(zhì)素含量為19.59%。與Klasson法相比，該測(cè)量方法具有簡(jiǎn)單迅速，重演性和精密度好的優(yōu)點(diǎn)。

棉籽殼； 木質(zhì)素； 乙酰溴； 乙?；磻?yīng)

棉籽殼是印染前處理加工中較難去除的雜質(zhì)之一，其化學(xué)組成是木質(zhì)素、單寧、纖維素、半纖維素以及其他多糖類，還有少量的蛋白質(zhì)、油脂和礦物質(zhì)，以木質(zhì)素為主[1]。研究表明，木質(zhì)素是高度取代的苯丙烷單元以碳碳鍵和醚鍵聯(lián)結(jié)而成的三維網(wǎng)狀天然高分子聚合物，是由松柏醇、芥子醇和對(duì)香豆醇為先體衍生而成的復(fù)雜化合物，存在較多的酚羥基等活性基團(tuán)。棉籽殼具有分層結(jié)構(gòu)，其中木質(zhì)素呈多層形態(tài)分布，與半纖維素共同構(gòu)成纖維素網(wǎng)狀骨架之間的黏合劑和填充劑[2-5]。鮮有有關(guān)棉籽殼木質(zhì)素含量測(cè)定的報(bào)道，研究木質(zhì)素的含量及溶解規(guī)律對(duì)去除棉籽殼有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

測(cè)定木質(zhì)素含量的方法較多，最常用的測(cè)定方法是Klasson法，其基本方法是將樣品置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%的硫酸中，使其中的多糖類物質(zhì)發(fā)生水解溶除，留下的殘?jiān)鼮樗岵蝗苣举|(zhì)素，經(jīng)過(guò)濾除去糖類化合物，對(duì)剩余殘?jiān)M(jìn)行水洗、干燥和稱量得到木質(zhì)素的含量[6]。Klasson法分析時(shí)間長(zhǎng)，耗費(fèi)樣品多，測(cè)定誤差較大，且具有一定局限性[7]。對(duì)于草本植物材料如棉籽殼中的木質(zhì)素而言，其組成、結(jié)構(gòu)、含量及物理化學(xué)性能均不同于木材，因此，探索方便適用的測(cè)定方法對(duì)棉籽殼的研究利用具有重要意義。

乙酰溴法也是測(cè)定木質(zhì)素含量的一種重要方法，具有所需樣品量少，測(cè)定過(guò)程簡(jiǎn)單易行、迅速準(zhǔn)確的特點(diǎn)。其基本原理是將樣品置于乙酰溴-冰醋酸的混合溶液中，木質(zhì)素中的酚羥基發(fā)生乙?；纬傻囊阴；举|(zhì)素溶液在280 nm處有最大紫外吸收峰，通過(guò)測(cè)量該處的紫外吸收值可以定量判斷木質(zhì)素的含量。測(cè)定過(guò)程中加入高氯酸可提高木質(zhì)素乙酰化的速度[8-10]。本文在Klasson法測(cè)定棉籽殼木質(zhì)素含量的基礎(chǔ)上，提出棉籽殼木質(zhì)素含量的乙酰溴法測(cè)定方法，以期對(duì)棉籽殼結(jié)構(gòu)和性能的研究提供方便。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

材料與試劑：棉籽殼(河北詠亮糧油制品有限公司)。木質(zhì)素(Sigma-Alorich Co.Ltd)；木糖(Sigma-Alorich Co.Ltd)；乙酰溴(Sigma-Alorich Co.Ltd)；高氯酸(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；冰醋酸(上海凌峰化學(xué)試劑有限公司)，所用試劑均為分析純。

儀器：U-2910型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(Hitachi High Technologies Co.)；H.H.S 21-4型電熱恒溫水浴鍋(上海醫(yī)療器械五廠)；FA1004型電子天平(上海精科天平)；101A-2E型電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海實(shí)驗(yàn)儀器廠)。

1.2 木質(zhì)素乙?；磻?yīng)

準(zhǔn)確稱取5.0 mg標(biāo)準(zhǔn)木質(zhì)素，置于25 mL具塞試管中，加入5 mL體積分?jǐn)?shù)為10%～40%乙酰溴的冰醋酸溶液和質(zhì)量濃度為0～0.91 mol/L的高氯酸，蓋好試管塞，在40～90 ℃恒溫水浴下反應(yīng)15～180 min，然后，將反應(yīng)液移入裝有10 mL 2 mol/L氫氧化鈉和10 mL冰醋酸溶液的容量瓶中終止反應(yīng)，充分混勻，用冰醋酸稀釋至50 mL，以冰醋酸為空白溶液，測(cè)定并比較不同反應(yīng)條件下產(chǎn)物在280 nm 處的紫外吸收值。

標(biāo)準(zhǔn)工作曲線：取一定量的木質(zhì)素標(biāo)準(zhǔn)品，配制成質(zhì)量濃度分別為0.008、0.012、0.016、0.020、0.024和0.028 g/L的標(biāo)準(zhǔn)液，按前述條件進(jìn)行乙?；磻?yīng)，測(cè)定溶液在280 nm處的紫外吸收值，得到標(biāo)準(zhǔn)工作曲線如圖1所示。其線性方程為Y=-0.215 04+42.242 86X，線性相關(guān)系數(shù)R=0.996 73，線性范圍為0.008～0.002 8 g/L。

圖1 木質(zhì)素乙?；芤旱淖贤馕諛?biāo)準(zhǔn)工作曲線Fig.1 UV absorption standard work curve of acetylated lignin solution

1.3 棉籽殼木質(zhì)素含量測(cè)定

1.3.1 試樣準(zhǔn)備

將市售棉籽殼研磨粉粹成顆粒細(xì)度為0.245 μm以下的粉末狀，于105 ℃干燥2 h，取出后置于干燥器中冷卻，備用。

1.3.2 Klasson法

參照GB/T 2677.8—1994《造紙?jiān)纤岵蝗苣舅睾康臏y(cè)定》，準(zhǔn)確稱取1 g(稱量精度0.000 1 g)經(jīng)1.3.1處理的棉籽殼試樣，用體積比為2∶1的苯醇混合液進(jìn)行抽提處理，移入100 mL的具塞錐形瓶中，加入15 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%的硫酸，蓋好瓶塞，充分混勻，然后將錐形瓶置于18～20 ℃水浴中，保溫2 h，并不時(shí)搖蕩錐形瓶，到達(dá)規(guī)定時(shí)間后，將該混合液移至容量為1 000 mL的三角燒瓶中，加水至560 mL，使硫酸稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，沸騰條件下回流水解4 h，靜置沉淀，用恒重的砂芯漏斗抽除過(guò)濾，將盛有殘?jiān)嫩釄宸诺胶嫦渲?05 ℃烘至恒重，于干燥器中冷卻至室溫并稱量，得酸不溶木質(zhì)素質(zhì)量，按下式計(jì)算木質(zhì)素含量：

式中：m1為烘干后酸不溶木質(zhì)素質(zhì)量，g；m2為絕干棉籽殼試樣質(zhì)量，g。

1.3.3 乙酰溴-分光光度法

稱取5.0 mg按1.3.1方法制備的棉籽殼，按1.2的步驟進(jìn)行乙?；幚聿y(cè)定乙酰化溶液在280 nm處的紫外吸收值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，計(jì)算棉籽殼中木質(zhì)素的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 棉籽殼乙?；瘲l件的確定

乙酰溴法測(cè)定木質(zhì)素含量的準(zhǔn)確性與乙酰化反應(yīng)的程度密切相關(guān)，因此，通過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)條件使木質(zhì)素充分乙酰化和溶解是十分必要的。影響木質(zhì)素乙酰化的主要因素有乙酰溴濃度、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果表明，加入高氯酸有助于乙?；磻?yīng)。

2.1.1 乙酰溴體積分?jǐn)?shù)的影響

乙酰溴在冰醋酸介質(zhì)中的體積分?jǐn)?shù)對(duì)木質(zhì)素的乙?；磻?yīng)有很大影響。圖2示出乙酰溴體積分?jǐn)?shù)對(duì)木質(zhì)素乙酰化反應(yīng)的影響。當(dāng)冰醋酸介質(zhì)中乙酰溴的體積分?jǐn)?shù)在30%以下時(shí)，隨著乙酰溴體積分?jǐn)?shù)的增加，木質(zhì)素的乙?；潭戎饾u增大，超過(guò)30%后，試樣的紫外吸收值不再發(fā)生變化。說(shuō)明乙酰溴體積分?jǐn)?shù)為30%是乙?；淖罴阎?。

注：反應(yīng)溫度70 ℃，時(shí)間30 min，高氯酸濃度0.47 mol/L。圖2 乙酰溴體積分?jǐn)?shù)對(duì)木質(zhì)素乙?；磻?yīng)的影響Fig.2 Effect of acetyl bromide volume fraction on lignin acetylation

2.1.2 反應(yīng)溫度的影響

圖3示出反應(yīng)溫度對(duì)木質(zhì)素乙酰化的影響。由圖可知，在70 ℃以下時(shí)，溫度升高有利于反應(yīng)的進(jìn)行，當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到 70 ℃，試樣的紫外吸收值接近最大值，超過(guò)80 ℃后，試樣的紫外吸收出現(xiàn)下降，其原因可能是因?yàn)榉磻?yīng)體系的溫度接近或超出乙酰溴的沸點(diǎn)，造成乙酰溴組分的揮發(fā)從而影響木質(zhì)素乙酰化反應(yīng)所致。所以，反應(yīng)溫度控制在70 ℃為宜。

注：乙酰溴體積分?jǐn)?shù)30%，時(shí)間30 min，高氯酸0.47 mol/L。圖3 溫度對(duì)木質(zhì)素乙酰化反應(yīng)的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on lignin acetylation

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間的影響

圖4示出反應(yīng)時(shí)間對(duì)木質(zhì)素乙?；磻?yīng)的影響。在反應(yīng)溫度為70 ℃、反應(yīng)時(shí)間為60～180 min時(shí)，木質(zhì)素乙?；a(chǎn)物的紫外吸收比較穩(wěn)定，但超過(guò)180 min后，其紫外吸收值隨著時(shí)間的延長(zhǎng)急劇增大。有研究表明，提高溫度可能使木聚糖的降解加速，從而對(duì)測(cè)定帶來(lái)干擾[11]。因此，在反應(yīng)溫度為70 ℃的條件下，反應(yīng)時(shí)間選用60 min比較合適。

注：乙酰溴體積分?jǐn)?shù)30%，溫度70 ℃，高氯酸濃度0.47 mol/L。圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)木質(zhì)素乙?；磻?yīng)的影響Fig.4 Effect of reaction time on lignin acetylation

2.1.4 高氯酸對(duì)木質(zhì)素乙?；磻?yīng)的影響

高氯酸是較強(qiáng)的含氯氧化劑，可使木質(zhì)素發(fā)生氧化降解，在酸性條件下還可使木質(zhì)素發(fā)生氯化，促進(jìn)木質(zhì)素溶解從而加速乙?；磻?yīng)。

圖5示出木質(zhì)素乙?；a(chǎn)物的紫外吸收情況。由圖可知，反應(yīng)體系加入高氯酸后，反應(yīng)產(chǎn)物的紫外吸收明顯增強(qiáng)，表明高氯酸有助于木質(zhì)素的乙?；磻?yīng)。圖6進(jìn)一步證明了高氯酸濃度對(duì)反應(yīng)的影響。木質(zhì)素乙酰化產(chǎn)物的紫外吸收值隨高氯酸濃度增大而增加，高氯酸濃度為0.69 mol/L時(shí)，紫外吸收值為最大，對(duì)木質(zhì)素乙酰化的增效作用達(dá)到最大，繼續(xù)增加高氯酸的濃度，溶液紫外吸收值無(wú)顯著變化。因此，高氯酸濃度以0.69 mol/L為宜。

注：乙酰溴體積分?jǐn)?shù)30%，溫度70 ℃，時(shí)間30 min。圖5 木質(zhì)素乙?；芤旱奈涨€Fig.5 UV absorption of acetylated lignin solution

注：乙酰溴體積分?jǐn)?shù)30%，溫度70 ℃，時(shí)間30 min。圖6 高氯酸濃度對(duì)木質(zhì)素乙?；磻?yīng)的影響Fig.6 Effect of perchloric acid concentration on lignin acetylation

木質(zhì)素乙?；a(chǎn)物穩(wěn)定性的試驗(yàn)結(jié)果表明，在室溫條件下，反應(yīng)結(jié)束后的木質(zhì)素乙?；苌锶芤航?jīng)6 000 s后，仍可保持穩(wěn)定的紫外吸收性能，如圖7所示，證明反應(yīng)產(chǎn)物的穩(wěn)定性足以滿足測(cè)定要求。

圖7 木質(zhì)素乙酰衍生物溶液的穩(wěn)定性Fig.7 Stability of acetylated lignin solution

綜上所述，木質(zhì)素含量測(cè)定的優(yōu)化條件為：乙酰溴體積分?jǐn)?shù)30%，反應(yīng)溫度70 ℃，反應(yīng)時(shí)間60 min，高氯酸0.69 mol/L。

2.2 乙酰溴法與Klasson法的比較

根據(jù)得到的最佳處理?xiàng)l件對(duì)棉籽殼進(jìn)行乙?；幚?，測(cè)定結(jié)果與Klasson法的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 乙酰溴法與Klasson法測(cè)定結(jié)果的比較Tab.1 Comparison of determination results between Klasson method and acetyl bromide method %

比較表1數(shù)據(jù)可知，乙酰溴法測(cè)得棉籽殼中木質(zhì)素含量低于Klasson法，這與文獻(xiàn)[7]報(bào)道的對(duì)木材中木質(zhì)素含量的測(cè)定結(jié)果有較大的差異，產(chǎn)生差異的原因可能在于木材與棉籽殼的結(jié)構(gòu)和組成不同有關(guān)。Klasson法更適用于純度較高的木質(zhì)纖維中木質(zhì)素的測(cè)定，相對(duì)于結(jié)構(gòu)和組成復(fù)雜得多的棉籽殼而言，其復(fù)雜的分層結(jié)構(gòu)和組成，可能阻礙棉籽殼中多糖類物質(zhì)的徹底降解，導(dǎo)致酸性降解后的殘留產(chǎn)物不僅限于木質(zhì)素一種成分，從而導(dǎo)致該方法的測(cè)定結(jié)果大于棉籽殼中木質(zhì)素實(shí)際值的情況。

乙酰溴法與木質(zhì)素中的酚羥基間存在定量的反應(yīng)關(guān)系，加入高氯酸可以促進(jìn)棉籽殼的溶解，有利于乙酰化反應(yīng)的順利進(jìn)行，因而乙酰溴法測(cè)定所得木質(zhì)素含量數(shù)據(jù)更為可靠。該方法采用紫外分光光度法測(cè)定，過(guò)程簡(jiǎn)單、快速，與以質(zhì)量為依據(jù)的Klasson法相比，其重演性和精確度高，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)偏差低,因而可靠性更高。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)木質(zhì)素乙?；膬?yōu)化反應(yīng)條件為：乙酰溴體積分?jǐn)?shù)30%，反應(yīng)溫度70 ℃，反應(yīng)時(shí)間60 min，加入高氯酸有利于乙?；磻?yīng)，加入濃度以0.69 mol/L為宜。為避免體系中多糖類物質(zhì)的干擾，應(yīng)嚴(yán)格控制反應(yīng)條件。

2)用乙酰溴法測(cè)得棉籽殼中木質(zhì)素的含量為19.59%。本文方法具有簡(jiǎn)便、快速、重演性和精密度高，樣品耗費(fèi)量少等優(yōu)點(diǎn)。

鑒于目前尚無(wú)棉籽殼中木質(zhì)素檢測(cè)方法的現(xiàn)狀，本文提出的方法旨在探索乙酰溴法測(cè)定的可行性，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，許多工作尚待深入進(jìn)行。

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Acetyl bromide test method for determining amount of lignin in cottonseed coat

WANG Jianqing1,2, CAO Dianyuan2, ZHANG Yu2

(1.KeyLaboratoryofScience&TechnologyofEco-Textile,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.NationalEngineeringResearchCenterforDyeing&FinishingofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

A new method to determine the amount of lignin in cottonseed coat was established with ultraviolet spectrophotometry, which is based on the strong absorption characteristic of the acetylate derivatives of lignin at 280 nm. The influence of acetyl bromide volume fraction, reaction temperature and time, and perchloric acid mass concentration on lignin acetylation reaction was investigated. And the optimized process conditions were obtained as follows: acetyl bromide volume fraction 30%, reaction temperature 70 ℃, reaction time 60 min, and perchloric acid mass concentration 0.69 mol/L. Compared with Klasson method, the acetyl bromide test method has such advantages as simpliness, rapidness, good reproducibility and precision.

cottonseed coat; lignin; acetyl bromide; acetylation reaction

0253- 9721(2013)09- 0012- 05

2012-10-09

2013-03-06

國(guó)家十二五科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAE07B08)

王建慶(1956—)，男，研究員。主要研究紡織品新型染整技術(shù)。E-mail:jqwang@dhu.edu.cn。

TS 192.1

A