快速测定麦草原料中聚戊糖含量的新方法

2012-01-12冯文英

中国造纸 2012年9期

周敏冯文英

(中国制浆造纸研究院，北京，100102)

半纤维素是造纸植物纤维原料的主要成分之一，聚戊糖是半纤维素中五碳糖组成的聚合物的总称。一般来说麦草原料的半纤维素以聚木糖为主，测定聚戊糖含量对于表征半纤维素含量更具有实际意义［1］。目前造纸行业测定聚戊糖含量的方法有容量滴定法(溴化法)和紫外分光光度法 (比色法)。

造纸行业中测定聚戊糖含量通常采用12%盐酸水解的方法，即试样与质量分数12%盐酸共沸，使试样中的聚戊糖水解生成戊糖，戊糖进一步脱水转化成糠醛，并将蒸馏出的糠醛经冷却收集定容后，采用容量滴定法测定聚戊糖含量，该方法操作复杂且时间长，一次测定需要3 h左右。

紫外分光光度法测定聚戊糖，首先采用与容量滴定法相同的方法将聚戊糖转化为糠醛，然后用分光光度法定量测定蒸馏出来的糠醛含量，然后换算成聚戊糖含量。此过程要绘制标准曲线，且测定时要在25℃环境中静置1 h，操作同样复杂，并没有减少测定时间［2］。

在食品工业中，间苯三酚分光光度法 (Douglas比色法)被用来快速测定食品生产过程废水中的聚戊糖［3-11］。间苯三酚分光光度法操作简单、快速。其测定原理为聚戊糖在含有盐酸和醋酸的间苯三酚高温溶液中水解，水解生成的还原糖与间苯三酚发生缩聚反应，生成多环的二芳基甲烷，呈深粉红色，在553 nm处有最大吸收，一定范围内，反应液颜色与还原糖量呈正比，可用分光光度法测定。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，然后再折算成聚戊糖含量。

加标回收率的测定是实验室常用的确定准确度的方法之一，也是分析人员在样品测定时，作为质量控制的主要方法。加标回收率的大小不仅反映了分析人员的操作技术水平，更重要的是它反映了分析方法是否适合被测水体，帮助分析人员及时地发现分析中存在的问题，确保分析数据准确、可靠。加标回收率就是在测定样品的同时，于一样品的子样中加入一定量的标准物质进行测定，将其测定结果扣除样品的测定值，而得到加入标准物质的回收率。本研究中为了确保间苯三酚分光光度法测定结果的准确性和可靠性，进行了加标回收率实验［12］。

本研究的目的是将食品工业采用的间苯三酚分光光度法测定废水中聚戊糖的方法应用到造纸行业，以快速测定原料中的聚戊糖含量，建立起容量滴定法和间苯三酚分光光度法测定聚戊糖含量的关系，为造纸行业快速测定原料中聚戊糖的含量提供参考。

1 实验

1.1 原料、仪器和设备

麦草秸秆，取自山东某厂，贮存1年，切成3～5 cm的料片，平衡水分备用。

DR-5000分光光度计，美国哈希公司;万分之一电子天平，梅特勒公司;可控温电炉。

1.2 试剂

D-木糖标准溶液:木糖干燥至恒质量，准确称取1.0000 g，用蒸馏水溶解后定容至1000 mL，即为1 mg/mL。采用此方法分别配制浓度为5 g/L的D-木糖、D-葡萄糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖溶液。

质量分数12%的盐酸:量取307 mL浓盐酸，稀释至1000 mL，加盐酸或加水调整使其ρ20=1.057 g/mL。

溴酸钠、溴化钠溶液:称取2.5 g溴酸钠和12.0 g溴化钠溶于1000 mL容量瓶中，并稀释至刻度。

硫代硫酸钠标准溶液［c(Na2S2O3)=0.1 mol/L］，碘化钾 (100 g/L)，淀粉指示剂等;

间苯三酚显色剂:称取2 g间苯三酚溶于110 mL冰醋酸中，然后加入10 mL无水乙醇、2 mL浓盐酸和1 mL 17.5 g/L的D-葡萄糖溶液，混合均匀后静置待用。

1.3 麦草原料及预提取半纤维素后麦草物料制备

取风干麦草，用磨粉机粉碎并收集40～60目粉末，平衡水分供容量滴定法测定用;其中部分40～60目粉末用研钵研磨成200目细粉，供间苯三酚分光光度法测定用。

干爆:取绝干麦草500 g，按照温度设定饱和蒸汽压力，向反应室内通入饱和蒸汽，压力为1.2 MPa，4 min后放锅，收集蒸汽爆破后麦草。

湿爆:取绝干麦草500 g，按固液比1∶1的比例加入温度为60℃的热水，搅拌均匀并浸泡1 h后，按照温度设定饱和蒸汽压力，向反应室内通入饱和蒸汽，压力分别为 0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 MPa，4 min后放锅，收集蒸汽爆破后麦草，洗净平衡水分。

碱预处理:取绝干麦草1 kg，在实验室15 L电热回转蒸煮锅中进行半纤维素预提取。预提取条件为:液比1∶5、升温30 min(50℃开始计时)、最高温度90℃、保温时间1 h、用碱量为0、5%、10%、15%、20%和25%。预提取完毕后分离提取液和固体物料。

经干爆、湿爆和碱预提取3种方法预提取半纤维素后的麦草物料采用上述同样方法备料。

1.4 木糖标准曲线绘制

取6只比色管分别编号为0#、1#、2#、3#、4#、5#，在其中分别加入1 mg/mL的木糖标准溶液0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL，用蒸馏水定容到1 mL，然后再在每只比色管中加入10 mL间苯三酚显色剂，摇匀，在沸水浴中显色10 min，取出后迅速放入冷水中冷却，以0#作为参比，于553 nm测定各种木糖浓度下的吸光度。

木糖标准曲线为:

y=2.5682x+0.0184，R2=0.9931

其中，y和x分别表示吸光度和木糖溶液浓度(mg/mL)。

1.5 最大吸收波长的紫外 (UV)检测

分别将配制好的D-葡萄糖、D-木糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖作为待测样品，用间苯三酚溶液进行显色，反应液在300～600 nm进行紫外扫描。

1.6 麦草原料中聚戊糖含量测定

容量滴定法:按GB/T 2677.9—1994的方法进行。

间苯三酚分光光度法:称取1.3中制备的麦草原料1 mg置于比色管中，与10 mL显色剂混合后静置，待粉末变为红色后，加入1 mL蒸馏水。放入沸水浴中加热10 min，保证反应完全。同时用蒸馏水做空白实验，比色方法按1.4的描述进行，聚戊糖含量按式 (1)计算。

式中，C为由木糖标准曲线查得的木糖量，mg;G为测试样品的质量，mg;0.88为木糖与聚戊糖的换算系数。

1.7 样品加标回收率测定方法

取两份相同的麦草样品，其中1份加入定量的木糖标准物质;两份同时按1.6中描述的实验方法步骤进行分析，加标样品所得的结果减去未加标样品所得的结果，其差值 (测得量)与加入标准物质的理论值 (加标量)之比即为样品加标回收率，按式 (2)计算。

2 结果与讨论

麦草中通常含有4种单糖，分别为葡萄糖、木糖、甘露糖和阿拉伯糖，将这些单糖的标准溶液与间苯三酚进行显色反应后，在紫外光谱中进行了300～600 nm扫描，结果见图1。

图1 各种单糖与间苯三酚显色后的紫外光谱图

由图1可知，所有单糖在300～600 nm之间均有最大吸收峰，五碳糖除了在553 nm处有最大吸收峰外，在410 nm附近也有一个比较宽的吸收峰，而六碳糖在500～600 nm区域内均无吸收峰。其中D-木糖和L-阿拉伯糖在553 nm处均有最大吸收峰，但是鉴于周卫星等人［13］对小麦秆水解液各种单糖的分析发现，木糖和阿拉伯糖含量的比例接近10∶1.22，所以可视为所得聚戊糖大部分是木糖。因此可以用间苯三酚分光光度法来测定聚戊糖含量。

间苯三酚分光光度法测定样品中聚戊糖含量的实验中涉及到的影响因素主要有:样品用量、显色剂用量及显色时间，本实验首先对这3个因素进行了优化。

2.1 麦草样品用量

选取麦草样品用量0.5～5.0 mg，显色剂用量10 mL，显色时间20 min，实验结果见图2所示。从图2可知，随着样品用量增加，测得聚戊糖含量减小，说明样品用量增加时，部分聚戊糖没有降解为单糖，导致测定结果偏低。当麦草样品用量为0.5～1.0 mg时，聚戊糖含量相差不大，所以选取1.0 mg的麦草样品用量较为合适。

图2 麦草样品用量对聚戊糖含量测定结果的影响

2.2 显色时间

当麦草样品用量1.0 mg，显色剂用量10 mL，变化显色时间为5～30 min时，实验结果见图3所示。由图3可见，当显色时间为10 min时，聚戊糖含量最高，显色时间为5 min时，由于大部分聚戊糖还没有完全水解，所以测定结果偏低。显色时间超过10 min时，聚戊糖含量又逐渐降低，可能是由于该显色反应稳定性较差，延长显色时间会导致吸光度降低，因此在显色完成后要立即浸在流水中冷却，一边冷却一边摇荡比色管，使其温度快速降至室温后迅速进行比色分析。

图3 显色时间对聚戊糖含量测定结果的影响

2.3 显色剂用量

当麦草样品用量1.0 mg和显色时间10 min时，改变显色剂用量为6～11 mL，实验结果见图4所示。由图4可见，随着显色剂用量的增加，聚戊糖含量的测定值提高。当显色剂用量增加到9～11 mL时，测定结果变化不大。此外，鉴于在绘制标准曲线时采用的显色剂用量为10 mL，为了减小误差，宜选用10 mL显色剂。

图4 显色剂用量对聚戊糖含量测定结果的影响

2.4 优化条件下麦草样品聚戊糖含量的测定

优化条件:麦草样品用量1.0 mg，显色时间10 min，显色剂用量10 mL。在此条件下对麦草样品聚戊糖含量进行5次测定，测定结果分别为 20.05%、21.27%、22.46%、22.74%、20.89%，平均值为21.48%，相对标准偏差RSD为5.19%。

为了确定此方法的实际应用效果，实验中还采用容量滴定法 (GB/T 2677.9—1994)对麦草聚戊糖含量进行了3次测定，聚戊糖含量测定结果分别为24.70%、24.94%、24.73%，平均值为24.79%。

对实验结果进行比较发现，间苯三酚分光光度法测定麦草原料中聚戊糖含量数值均小于容量滴定法测定的数值，原因是在麦草样品中有一部分非水溶性聚戊糖，在酸性环境中仍不能水解为单糖，导致间苯三酚分光光度法测定结果数值偏低。非水溶性聚戊糖含量越多，测定结果数值越低［14］。此外，间苯三酚分光光度测定法给定的木糖与聚戊糖的关系中，木糖与聚戊糖的换算系数0.88，不能准确表征两者之间的关系，也会导致结果有偏差。

2.5 加标回收率测定

加标回收率在一定程度上能够反映实验过程对实验结果的影响，加标回收率实验结果见表1。

表1 加标回收率的测定结果

表2 间苯三酚分光光度法与容量滴定法测定麦草样品聚戊糖含量 %

图5 间苯三酚分光光度法与容量滴定法测定聚戊糖含量的关系

从表1可见，本实验加标回收率范围为93.20%～102.85%，说明采用间苯三酚分光光度法测定麦草原料聚戊糖含量这个实验过程对实验结果影响不大。

2.6 建立间苯三酚分光光度法和容量滴定法测定麦草原料聚戊糖含量的关系

分别采用间苯三酚分光光度法和容量滴定法对预提取半纤维素后的麦草样品进行了聚戊糖测定，实验结果见表2和图5所示。

对于不同预提取半纤维素后的麦草样品，采用间苯三酚分光光度法和容量滴定法同时测定其聚戊糖含量，可以建立某种关系。从图5可以看出，两者之间呈现较好的线性关系，关系方程为y=1.1348x+1.3884，R2=0.9729。式中y为容量滴定法的测定结果，x为间苯三酚分光光度法的测定结果。

从表2和图5不难发现，间苯三酚分光光度法测定结果较容量滴定法测定结果数值偏低，与麦草原料测定结果一致，原因类似。主要是因为麦草原料中含有非水溶性聚戊糖，而且随着预处理程度加深，非水溶性聚戊糖相对含量逐渐增加，所得间苯三酚分光光度法测定结果与容量滴定法测定结果的差值也逐渐增大，湿爆压力由0.6 MPa增加到1.6 MPa，差值也从1.59%增加到3.52%。碱预提取半纤维素过程中，随着用碱量增加，差值也有不同程度的增加。

虽然间苯三酚分光光度法测定结果较容量滴定法测定结果偏低，但是根据建立的相关关系式可以快速估算出容量滴定法测定的近似结果。

3 结论

3.1 采用间苯三酚分光光度法对麦草原料聚戊糖含量测定的条件进行了优化，优化条件为:麦草样品用量1.0 mg，显色时间10 min，显色剂用量10 mL。间苯三酚分光光度法在最佳测定条件下测定麦草样品聚戊糖含量平均为21.48%。容量滴定法测得的麦草聚戊糖含量平均为24.79%。间苯三酚分光光度法测定结果较容量滴定法测定结果稍低。

3.2 通过容量滴定法和间苯三酚分光光度法对预提取半纤维素后的麦草样品进行了聚戊糖含量测定，比较两种方法的测定结果，建立了相关关系，关系方程为y=1.1348x+1.3884，R2=0.9729。根据建立的相关关系式可以快速估算出容量滴定法测定的近似结果。

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