乙酰溴法測定棉籽殼中木質素的含量

王建慶， 曹佃元, 張 玉

(1. 東華大學 生態(tài)紡織教育部重點實驗室, 上海 201620; 2. 東華大學 國家染整工程技術研究中心, 上海 201620)

乙酰溴法測定棉籽殼中木質素的含量

王建慶1,2， 曹佃元2, 張 玉2

(1. 東華大學 生態(tài)紡織教育部重點實驗室, 上海 201620; 2. 東華大學 國家染整工程技術研究中心, 上海 201620)

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

棉籽殼； 木質素； 乙酰溴； 乙酰化反應

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

測定木質素含量的方法較多，最常用的測定方法是Klasson法，其基本方法是將樣品置于質量分數(shù)為72%的硫酸中，使其中的多糖類物質發(fā)生水解溶除，留下的殘渣為酸不溶木質素，經過濾除去糖類化合物，對剩余殘渣進行水洗、干燥和稱量得到木質素的含量[6]。Klasson法分析時間長，耗費樣品多，測定誤差較大，且具有一定局限性[7]。對于草本植物材料如棉籽殼中的木質素而言，其組成、結構、含量及物理化學性能均不同于木材，因此，探索方便適用的測定方法對棉籽殼的研究利用具有重要意義。

乙酰溴法也是測定木質素含量的一種重要方法，具有所需樣品量少，測定過程簡單易行、迅速準確的特點。其基本原理是將樣品置于乙酰溴-冰醋酸的混合溶液中，木質素中的酚羥基發(fā)生乙?；纬傻囊阴；举|素溶液在280 nm處有最大紫外吸收峰，通過測量該處的紫外吸收值可以定量判斷木質素的含量。測定過程中加入高氯酸可提高木質素乙?；乃俣萚8-10]。本文在Klasson法測定棉籽殼木質素含量的基礎上，提出棉籽殼木質素含量的乙酰溴法測定方法，以期對棉籽殼結構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)。木質素(Sigma-Alorich Co.Ltd)；木糖(Sigma-Alorich Co.Ltd)；乙酰溴(Sigma-Alorich Co.Ltd)；高氯酸(國藥集團化學試劑有限公司)；冰醋酸(上海凌峰化學試劑有限公司)，所用試劑均為分析純。

儀器：U-2910型紫外可見分光光度計(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型電熱鼓風干燥箱(上海實驗儀器廠)。

1.2 木質素乙酰化反應

準確稱取5.0 mg標準木質素，置于25 mL具塞試管中，加入5 mL體積分數(shù)為10%～40%乙酰溴的冰醋酸溶液和質量濃度為0～0.91 mol/L的高氯酸，蓋好試管塞，在40～90 ℃恒溫水浴下反應15～180 min，然后，將反應液移入裝有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，充分混勻，用冰醋酸稀釋至50 mL，以冰醋酸為空白溶液，測定并比較不同反應條件下產物在280 nm 處的紫外吸收值。

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

圖1 木質素乙酰化溶液的紫外吸收標準工作曲線Fig.1 UV absorption standard work curve of acetylated lignin solution

1.3 棉籽殼木質素含量測定

1.3.1 試樣準備

將市售棉籽殼研磨粉粹成顆粒細度為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《造紙原料酸不溶木素含量的測定》，準確稱取1 g(稱量精度0.000 1 g)經1.3.1處理的棉籽殼試樣，用體積比為2∶1的苯醇混合液進行抽提處理，移入100 mL的具塞錐形瓶中，加入15 mL質量分數(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，并不時搖蕩錐形瓶，到達規(guī)定時間后，將該混合液移至容量為1 000 mL的三角燒瓶中，加水至560 mL，使硫酸稀釋至質量分數(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濾，將盛有殘渣的坩堝放到烘箱中105 ℃烘至恒重，于干燥器中冷卻至室溫并稱量，得酸不溶木質素質量，按下式計算木質素含量：

式中：m1為烘干后酸不溶木質素質量，g；m2為絕干棉籽殼試樣質量，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的步驟進行乙酰化處理并測定乙?；芤涸?80 nm處的紫外吸收值，根據(jù)標準工作曲線，計算棉籽殼中木質素的含量。

2 結果與討論

2.1 棉籽殼乙?；瘲l件的確定

乙酰溴法測定木質素含量的準確性與乙?；磻某潭让芮邢嚓P，因此，通過優(yōu)化試驗條件使木質素充分乙?；腿芙馐鞘直匾?。影響木質素乙?；闹饕蛩赜幸阴ｄ鍧舛取⒎磻獪囟群头磻獣r間，試驗結果表明，加入高氯酸有助于乙?；磻?/p>

2.1.1 乙酰溴體積分數(shù)的影響

乙酰溴在冰醋酸介質中的體積分數(shù)對木質素的乙?；磻泻艽笥绊憽D2示出乙酰溴體積分數(shù)對木質素乙?；磻挠绊?。當冰醋酸介質中乙酰溴的體積分數(shù)在30%以下時，隨著乙酰溴體積分數(shù)的增加，木質素的乙酰化程度逐漸增大，超過30%后，試樣的紫外吸收值不再發(fā)生變化。說明乙酰溴體積分數(shù)為30%是乙?；淖罴阎?。

注：反應溫度70 ℃，時間30 min，高氯酸濃度0.47 mol/L。圖2 乙酰溴體積分數(shù)對木質素乙?；磻挠绊慒ig.2 Effect of acetyl bromide volume fraction on lignin acetylation

2.1.2 反應溫度的影響

圖3示出反應溫度對木質素乙?；挠绊?。由圖可知，在70 ℃以下時，溫度升高有利于反應的進行，當反應溫度達到 70 ℃，試樣的紫外吸收值接近最大值，超過80 ℃后，試樣的紫外吸收出現(xiàn)下降，其原因可能是因為反應體系的溫度接近或超出乙酰溴的沸點，造成乙酰溴組分的揮發(fā)從而影響木質素乙?；磻隆Ｋ?，反應溫度控制在70 ℃為宜。

注：乙酰溴體積分數(shù)30%，時間30 min，高氯酸0.47 mol/L。圖3 溫度對木質素乙酰化反應的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on lignin acetylation

2.1.3 反應時間的影響

圖4示出反應時間對木質素乙?；磻挠绊憽Ｔ诜磻獪囟葹?0 ℃、反應時間為60～180 min時，木質素乙?；a物的紫外吸收比較穩(wěn)定，但超過180 min后，其紫外吸收值隨著時間的延長急劇增大。有研究表明，提高溫度可能使木聚糖的降解加速，從而對測定帶來干擾[11]。因此，在反應溫度為70 ℃的條件下，反應時間選用60 min比較合適。

注：乙酰溴體積分數(shù)30%，溫度70 ℃，高氯酸濃度0.47 mol/L。圖4 反應時間對木質素乙?；磻挠绊慒ig.4 Effect of reaction time on lignin acetylation

2.1.4 高氯酸對木質素乙酰化反應的影響

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

圖5示出木質素乙?；a物的紫外吸收情況。由圖可知，反應體系加入高氯酸后，反應產物的紫外吸收明顯增強，表明高氯酸有助于木質素的乙?；磻?。圖6進一步證明了高氯酸濃度對反應的影響。木質素乙?；a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，紫外吸收值為最大，對木質素乙酰化的增效作用達到最大，繼續(xù)增加高氯酸的濃度，溶液紫外吸收值無顯著變化。因此，高氯酸濃度以0.69 mol/L為宜。

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

注：乙酰溴體積分數(shù)30%，溫度70 ℃，時間30 min。圖6 高氯酸濃度對木質素乙?；磻挠绊慒ig.6 Effect of perchloric acid concentration on lignin acetylation

木質素乙?；a物穩(wěn)定性的試驗結果表明，在室溫條件下，反應結束后的木質素乙酰化衍生物溶液經6 000 s后，仍可保持穩(wěn)定的紫外吸收性能，如圖7所示，證明反應產物的穩(wěn)定性足以滿足測定要求。

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

綜上所述，木質素含量測定的優(yōu)化條件為：乙酰溴體積分數(shù)30%，反應溫度70 ℃，反應時間60 min，高氯酸0.69 mol/L。

2.2 乙酰溴法與Klasson法的比較

根據(jù)得到的最佳處理條件對棉籽殼進行乙?；幚?，測定結果與Klasson法的數(shù)據(jù)見表1。

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

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

乙酰溴法與木質素中的酚羥基間存在定量的反應關系，加入高氯酸可以促進棉籽殼的溶解，有利于乙酰化反應的順利進行，因而乙酰溴法測定所得木質素含量數(shù)據(jù)更為可靠。該方法采用紫外分光光度法測定，過程簡單、快速，與以質量為依據(jù)的Klasson法相比，其重演性和精確度高，測量標準相對偏差低,因而可靠性更高。

3 結 語

1)木質素乙?；膬?yōu)化反應條件為：乙酰溴體積分數(shù)30%，反應溫度70 ℃，反應時間60 min，加入高氯酸有利于乙?；磻?，加入濃度以0.69 mol/L為宜。為避免體系中多糖類物質的干擾，應嚴格控制反應條件。

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

鑒于目前尚無棉籽殼中木質素檢測方法的現(xiàn)狀，本文提出的方法旨在探索乙酰溴法測定的可行性，對于實際應用來說，許多工作尚待深入進行。

FZXB

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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

國家十二五科技支撐計劃項目(2011BAE07B08)

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

TS 192.1

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