崔金龍 郭懷澤 李海明 周景輝 韓 穎 畢佳捷 王 安

(大連工業(yè)大學(xué)，遼寧大連，116034)

熱水預(yù)水解是生物質(zhì)精煉的重要手段之一［1-2］。在生物質(zhì)的熱水預(yù)水解過(guò)程中，酸性物質(zhì)的生成是生物質(zhì)利用平臺(tái)建設(shè)的重要研究對(duì)象之一，如何快捷地對(duì)這些酸性物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，具有重要意義。

桉木中的半纖維素主要是聚木糖，同時(shí)還有少量的聚葡萄糖甘露糖，其中聚木糖類(lèi)主要是聚O-乙?；?(4-O-甲基葡萄糖醛酸)木糖［3］。在熱水預(yù)水解過(guò)程中，含乙酰基支鏈的聚木糖脫乙?；梢宜幔?］;所生成的乙酸在加速半纖維素水解和纖維素部分降解的同時(shí)，也加速了水解產(chǎn)物的進(jìn)一步降解。其中的主要水解產(chǎn)物木糖和葡萄糖通過(guò)脫水反應(yīng)分別降解生成5-羥甲基糠醛和糠醛［5-6］，5-羥甲基糠醛進(jìn)一步熱分解生成乙酰丙酸和甲酸［7］，而糠醛也可進(jìn)一步分解產(chǎn)生甲酸［8］，具體的降解過(guò)程如圖1所示。綜上所述，桉木熱水預(yù)水解液中的有機(jī)酸主要是甲酸、乙酸和乙酰丙酸。

圖1 桉木熱水預(yù)水解過(guò)程中的主要降解過(guò)程

有機(jī)酸的測(cè)定方法主要有傳統(tǒng)化學(xué)法［9］、高效液相色譜法［10］、氣相色譜法［11-12］和離子色譜法［13］等。傳統(tǒng)化學(xué)法只能測(cè)得酸總含量，不能測(cè)出具體每種酸的含量。高效液相色譜法分析有機(jī)酸的過(guò)程中，以保留時(shí)間作為定性依據(jù)，但是該法中有機(jī)酸保留時(shí)間受溫度和pH值等條件影響較大，重現(xiàn)性較差，易導(dǎo)致定性不準(zhǔn)［14］;而氣相色譜法受易揮發(fā)雜質(zhì)干擾。離子色譜法采用陰離子交換機(jī)理進(jìn)行分析，樣品中其他非離子組分干擾較小;利用抑制電導(dǎo)進(jìn)行檢測(cè)，背景電導(dǎo)率很低，可以提高測(cè)定靈敏度，操作簡(jiǎn)單，無(wú)須繁瑣的預(yù)處理或柱后處理，可以快速、高效地對(duì)多種常見(jiàn)有機(jī)酸和無(wú)機(jī)陰離子進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)和分離［14］，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥［15］、食品［16］、環(huán)境［17］、輕工［18］等領(lǐng)域中有機(jī)酸的檢測(cè)。

隋小玉等人［13］采用離子色譜法直接分析葡萄糖水解液中的有機(jī)酸，為乙酰丙酸的測(cè)定提供一種新方法，但是這種方法主要考慮乙酰丙酸和甲酸的分離測(cè)定，沒(méi)有涉及乙酸和乙酰丙酸的分離。從結(jié)構(gòu)角度考慮，如果方法選擇不當(dāng)，乙酸和乙酰丙酸有可能出現(xiàn)難以分離的現(xiàn)象，因此探究離子色譜法是否適于甲酸、乙酸和乙酰丙酸的同時(shí)測(cè)定很有必要。本研究建立了一種以NaOH溶液作為淋洗液，采用離子色譜法分析并分離桉木熱水預(yù)水解液中乙酸、甲酸和乙酰丙酸的方法。建立的方法分析結(jié)果準(zhǔn)確、重復(fù)性好、簡(jiǎn)便快速，為生物質(zhì)熱水預(yù)水解液中有機(jī)酸的測(cè)定提供了一種方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與材料

標(biāo)準(zhǔn)乙酸 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)49% ～51%)、標(biāo)準(zhǔn)甲酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)49% ～51%)、標(biāo)準(zhǔn)乙酰丙酸 (純度超過(guò)98%)，均為Sigma-Aldrich公司提供;NaOH溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)50% ～52%，F(xiàn)luka公司提供;蒸餾水。

桉木片由山東華泰紙業(yè)股份有限公司提供。經(jīng)篩選、洗滌風(fēng)干后磨粉，取40～60目桉木粉作為原料。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

ICS-5000型離子色譜儀，美國(guó)戴安公司;四元梯度泵，Chromeleon 6.80色譜工作站;IonPacTMAS11-HC(250 mm×4 mm)陰離子分析柱，IonPacTMAS11-HC(50 mm×4 mm)陰離子保護(hù)柱;ASRSTM300(4 mm)電解自再生陰離子電化學(xué)抑制器;電導(dǎo)檢測(cè)器。

智能油浴鍋，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司。0.22 μm微孔水系過(guò)濾頭，上海興亞凈化材料廠。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

準(zhǔn)確稱(chēng)取2.0 g(精確到0.0001 g，下同)標(biāo)準(zhǔn)乙酸、2.0 g標(biāo)準(zhǔn)甲酸和1.0 g標(biāo)準(zhǔn)乙酰丙酸，分別置于100 mL容量瓶中，用去離子水定容，均配成10.0 g/L的單一標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液。

分別取1 mL配制好的單一標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液定容至100 mL，得到濃度均為100.0 mg/L的乙酸、甲酸和乙酰丙酸標(biāo)準(zhǔn)母液。

將配制好的單一標(biāo)準(zhǔn)母液分別稀釋成0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、10.0和15.0 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

分別取1 mL配制好的標(biāo)準(zhǔn)乙酸和甲酸母液、0.5 mL標(biāo)準(zhǔn)乙酰丙酸母液，混合后定容至100 mL，可得到含有1.0 mg/L乙酸和甲酸、0.5 mg/L乙酰丙酸的標(biāo)準(zhǔn)混合酸。

1.4 桉木的熱水預(yù)水解

稱(chēng)取8 g絕干桉木粉于智能油浴鍋的小罐中，按照液比 1∶6補(bǔ)充去離子水，分別在溫度 150℃、170℃、190℃、210℃和230℃下反應(yīng)1 h，從40℃升溫至所需的預(yù)處理溫度開(kāi)始計(jì)時(shí)。反應(yīng)結(jié)束后，用涼水迅速?zèng)_涼小罐，取出預(yù)水解液及水解后的木粉，過(guò)濾得到預(yù)水解液。稀釋一定的倍數(shù)，用0.22 μm微孔水系過(guò)濾頭過(guò)濾后，進(jìn)行離子色譜分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 離子色譜分離條件

本實(shí)驗(yàn)采用NaOH溶液作為淋洗液，用蒸餾水(E1)、250 mmol/L NaOH(E2)和50 mmol/L NaOH(E3)調(diào)節(jié)濃度;柱溫30℃;抑制器電流為99 mA;檢測(cè)器溫度35℃;流速1.0 mL/min;進(jìn)樣量25 μL，所采用的梯度洗脫程序見(jiàn)表1。從表1可以看出，0～15.0 min為有機(jī)酸的測(cè)定階段，22.1～28.0 min為平衡系統(tǒng)階段，這兩個(gè)階段均利用2.0 mmol/L的NaOH溶液等梯度淋洗;15.1～22.0 min為柱子清洗階段，此階段利用40.0 mmol/L的NaOH溶液沖洗。

表1 淋洗液梯度洗脫程序

混合酸標(biāo)準(zhǔn)溶液離子色譜圖如圖2所示。從圖2中可以看出，甲酸、乙酸和乙酰丙酸的峰形比較尖銳，且得到了有效分離。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)混合酸溶液離子色譜圖

2.2 線性關(guān)系和檢出限

根據(jù)乙酸、甲酸和乙酰丙酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度和色譜峰的面積，求線性回歸方程，按式 (1)計(jì)算出其相應(yīng)的檢出限，取各酸不同濃度下檢出限的最大值作為該酸的檢出限。各化合物的線性回歸方程、檢出限見(jiàn)表2。由表2可知，乙酸、甲酸和乙酰丙酸標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度和色譜峰面積具有較好的線性相關(guān)性，檢出限分別為12.5 μg/L、6.3 μg/L、18.8 μg/L，相關(guān)系數(shù)(r2)為0.9999、0.9997、0.9990。

式中，Cmin為最小檢出限;CS為樣品濃度;Hn為噪音峰高;H為樣品峰高。

表2 線性關(guān)系和檢出限

2.3 重現(xiàn)性

為了考察該方法的重現(xiàn)性，以含有1.0 mg/L乙酸、1.0 mg/L甲酸和0.5 mg/L乙酰丙酸的混合酸標(biāo)準(zhǔn)樣，連續(xù)6次進(jìn)樣，測(cè)得結(jié)果如表3所示。分別計(jì)算出6次測(cè)定值的平均值 (X)和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差 (RSD)。

表3 混合酸標(biāo)準(zhǔn)樣的重現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)

RSD越小，表明重現(xiàn)性越好。如表3所示，各標(biāo)準(zhǔn)酸檢測(cè)濃度的RSD在0.82%～1.96%之間，滿足儀器分析RSD＜3%的要求。這表明本方法用于測(cè)定桉木粉熱水預(yù)水解液中有機(jī)酸的組成和含量具有良好的重現(xiàn)性。

2.4 樣品加標(biāo)回收率

為了考察該方法的準(zhǔn)確度，在190℃下的樣品稀釋液中添加3種已知濃度的有機(jī)酸標(biāo)準(zhǔn)品，按照式(2)測(cè)定其回收率，結(jié)果見(jiàn)表4。

式中，c1為測(cè)得濃度，mg/L;c2為樣品稀釋液濃度，mg/L;c3為加入的標(biāo)準(zhǔn)酸濃度，mg/L。

由表4可以看出，這3種有機(jī)酸的測(cè)定均具有良好的準(zhǔn)確性，也說(shuō)明該方法系統(tǒng)誤差較小。

表4 190℃下樣品稀釋液加標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.5 樣品測(cè)定

根據(jù)上述有機(jī)酸測(cè)定方法，對(duì)溫度150℃、170℃、190℃、210℃和230℃下制備的熱水預(yù)水解液中的有機(jī)酸進(jìn)行了測(cè)定，以掌握熱水預(yù)水解過(guò)程中有機(jī)酸的生成規(guī)律和糖類(lèi)的降解程度，測(cè)定數(shù)據(jù)如表5所示。210℃下測(cè)得的樣品離子色譜圖如圖3所示。

表5 不同預(yù)水解溫度下熱水預(yù)水解液中有機(jī)酸含量

圖3 210℃下的樣品離子色譜圖

由圖3可知，離子色譜法可以有效分離桉木粉熱水預(yù)水解液樣品中的乙酸、甲酸和乙酰丙酸，表明這種方法適合于桉木粉水解液中有機(jī)酸的測(cè)定。由表5可知，在其他條件不變的情況下，隨著預(yù)水解溫度的升高，乙酸、甲酸和乙酰丙酸的濃度都呈上升趨勢(shì)。在150℃下，甲酸和乙酰丙酸未檢出，可見(jiàn)木糖和葡萄糖都沒(méi)有發(fā)生酸降解反應(yīng);而隨著預(yù)水解溫度的升高，甲酸和乙酰丙酸含量的增加表明了木糖和葡萄糖降解生成酸的反應(yīng)有所加強(qiáng)。

3 結(jié)論

以2.0 mmol/L NaOH等梯度淋洗15 min，采用離子色譜法可有效分離并定量檢測(cè)桉木熱水預(yù)水解液中有機(jī)酸，包括其中的乙酸、甲酸和乙酰丙酸。該方法前處理簡(jiǎn)單快速，檢測(cè)靈敏度高，受樣品中其他非離子組分干擾較小，重現(xiàn)性和加標(biāo)回收率均符合儀器分析要求，適合于生物質(zhì)水解液中有機(jī)酸的測(cè)定。

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