离子色谱在造纸原料碳水化合物分析中的应用

崔 金 龙，李 海 明，2，毕 佳 捷

(1.大连工业大学 轻工与化学工程学院，辽宁 大连 116034；2.华南理工大学 制浆造纸工程国家重点实验室，广东 广州 510640)

0 引 言

纤维素和半纤维素是造纸原料的两大主要组分[1]。纤维素是制浆造纸和人造纤维的主要原料，它是由大量葡萄糖基构成的链状高分子化合物[2－3]。而半纤维素是生物质精练技术的主要研究对象之一，它是由多种单糖构成的不均一聚糖，不同的造纸原料中，其化学结构和单糖组成有较大的不同。因此，确定原料中各种单糖和糖醛酸的含量具有十分重要的意义[4－5]。

目前糖类的测定方法主要有分光光度法[6]、毛细管电 泳 法[7－8]、气相色谱法[9－10]、高效液相色谱法[11－12]和离子色谱法[13－15]。利用分光光度法测聚戊糖时，需要经浓HCl将聚糖转化戊糖，接着进一步脱水转化成糠醛后与显色剂显色，所测结果为总戊糖含量。常见糖类的紫外吸收较弱，毛细管电泳法必须经过衍生后才能使得糖类达到足够的灵敏度。而由于糖类的挥发性很差，气相色谱法也需经过衍生化步骤才能分离，操作费时且繁琐。常规的液相色谱法一般可选用蒸发光散射检测器或示差折光检测器检测，虽然无需衍生但检出限仅达mg／L级。而离子色谱作为液相色谱的分支，近年来由于其优异的阴离子交换色谱柱分离技术以及脉冲安培检测器所具有的优势，而在糖的检测中得到越来越多的应用[16－17]。此方法操作简便，无需衍生和复杂样品前处理即可检测出绝大多数单糖和低聚糖，且灵敏度高，通常可检测到μg／L数量级。

本文对桉木粉和玉米秸秆粉进行酸水解，采用离子色谱分析水解液中单糖和糖醛酸的成分及含量，并计算了2种原料中综纤维素和聚戊糖含量。由此建立了用离子色谱测定造纸原料中常见的7种单糖和2种糖醛酸含量的方法。

1 材料与方法

1.1 仪 器

ICS－5000型离子色谱仪，美国戴安公司：ED5000电化学检测器、Au工作电极、Ag／AgCl参比电极、Ag对电极、Chromeleon 6.80色谱工作站、四元梯度泵。

1.2 试剂与原料

D－木糖、D－甘露糖、D－鼠李糖、D－果糖、D－葡萄糖、L－阿拉伯糖、D－半乳糖、D－半乳糖醛酸、D－葡萄糖醛酸，质量分数均大于97.0%，Sigma－Aldrich公司；固体乙酸钠，质量分数大于99.9%，AAA－Direct Certified，Dionex 公 司；NaOH 溶液，质量分数为50%～52%，Fluka公司；屈臣氏蒸馏水，广州屈臣氏食品饮料有限公司。

桉木片由山东华泰纸业股份有限公司提供。经筛选、洗涤风干后磨粉，取40～60目木粉作为原料。玉米秸秆取自辽宁省大连市附近农村，经风干后除髄、磨粉，取40～60目秸秆粉作为原料。

1.3 标准混合样及淋洗液的配制

分别取7种标准单糖和2种糖醛酸0.100 0g，溶解后分别定容于100mL容量瓶中，得到1g／L的单糖标准样。分别取1mL质量浓度为1g／L的单糖标准样定容至100mL，可得到10mg／L标准混合样。实验用水均为屈臣氏蒸馏水。

250mmol／L NaOH淋洗液的配制：在2L塑料淋洗罐中加入1L屈臣氏蒸馏水。用移液管移取质量分数为50%～52%的NaOH(约19.1mol／L)浓溶液的中层液13.3mL于该淋洗罐水面下。在氮气保护下，混合均匀。

50mmol／L NaOH淋洗液的配制：在2L塑料淋洗罐中加入1L屈臣氏蒸馏水。用移液管移取上述浓溶液的中层液2.6mL于该淋洗罐水面下。在氮气保护下，混合均匀。

1mol／L NaAc淋洗液的配制：称取82.0g固体乙酸钠，用屈臣氏蒸馏水溶解并稀释为1L。为防止淋洗液在实验过程中和实验完毕后吸收空气中的CO2，应在淋洗罐中施加约为20～40kPa的氮气保护。

1.4 造纸原料单糖分析液制备

称取原料0.100 0g左右于150mL锥形瓶中，用移液管加入1.5mL 72%的浓H2SO4于试样中。混合均匀后，将烧杯置于室温条件下(18～20℃)反应2h，每隔5～10min摇晃一次。2h后加入42mL去离子水，放入油浴锅中，121℃下加热水解1h。1h后取出冷却至室温，用砂芯过滤器过滤，稀释至100倍后，用0.45μm微孔水系过滤头过滤。经过这两步酸水解后，原料中的聚糖几乎全部转换成单糖，可用于进样检测。

2 结果与讨论

2.1 离子色谱分离条件

分析柱：CarboPacTMPA20，150mm×3mm；保护柱：CarboPacTMPA20，30mm×3mm；柱温30℃；体积流量0.5mL／min。

ED5000电化学检测器：Au工作电极，Ag／AgCl参比电极，Ag对电极，糖标准四电位波形，见图1。

图1 糖测定的标准四电位波形Fig.1 Standard quadruple potential waveform for saccharides analysis

采用四电位脉冲安培检测时，4个不同的电位，分别用于糖的氧化、电极还原清洗、电极氧化清洗和电极表面活化。该电位具有重现性好、灵敏度高的优点，基本上消除了金电极表面凹陷现象和电化学腐蚀[18]。

表1 在25℃水中各单糖和糖醛酸的pKa[19]Tab.1 The pKaof each monosaccharides and uronic acids(in water，25℃)

离子色谱柱根据各单糖和糖醛酸的酸度系数(pKa)将其分离开。酸度系数越小，在分析柱上保留的时间越长。各单糖和糖醛酸的酸度系数如表1所示。由于糖醛酸是糖的衍生物，比相应的单糖多了羧基，其pKa更低，在阴离子柱上的保留时间也越长。7种单糖可以用2mmol／L NaOH等浓度分离20min，2种糖醛酸则必须用至少200mmol／L NaOH 淋洗，洗脱时间长达60min左右。因为NaAc淋洗液的洗脱能力远强于NaOH，所以在20～30min可用50～200mmol／L NaAc和2mmol／L NaOH 梯度淋洗。最终使7种单糖和2种醛酸在30min内得到较好分离。

为保证各化合物保留时间的重现性，每次分离结束后用200mmol／L NaOH 冲洗分离柱10min，以保证冲走分离柱内所保留的检测样。然后需用2mmol／L NaOH平衡柱子10min，整个分离过程50min。淋洗程序如表2所示。

表2 分离各单糖和糖醛酸的梯度淋洗程序Tab.2 Gradient elution conditions for separation of monosaccharides and uronic acid

2.2 标准溶液的分离谱图与方法的重现性和检出限

对7种单糖和2种糖醛酸的标准混合样在优化的分离与测定条件下进行分析，每次进样25μL，色谱分离图如图2所示。在离子色谱检测中，总检测时间为30min，前20min可洗脱7种单糖，20min时基线上升，由于醋酸钠淋洗液的加入，20～30min 2种糖醛酸也被洗脱出来。1号峰为鼠李糖和阿拉伯糖两者完全重合，除鼠李糖和阿拉伯糖外，几种物质可以得到很好分离。此标准混合溶液中，7种单糖和2种糖醛酸的含量均在10mg／L左右，连续6次进样，测得结果如表3所示。分别计算出6次测定值的平均值(X)和变异系数(RSD)。

图2 各单糖和糖醛酸标准混合样的分离谱图Fig.2 Chromatogram for separation of mixed reference monosaccharides and uronic acids sample

变异系数(RSD)越小，重现性越好。如表3所示，各标准糖和糖醛酸检测浓度的RSD为0.73%～1.64%，满足仪器分析变异系数＜3%的要求。以3倍基线噪音峰高计算方法的检出限，各化合物的检出限为2.5～14.9μg／L。这些数据表明本方法用于测定实际造纸原料具有良好的重现性和较高的准确性。

2.3 样品分析结果

实验对处理过的桉木酸水解液和玉米秸秆酸水解液样品分别平行测定2次，并计算了2次测定的平均值，结果如表4所示。桉木水解液中检测出了阿拉伯糖(鼠李糖)、半乳糖、葡萄糖、木糖、甘露糖和葡萄糖醛酸。玉米秸秆水解液中检测出了半乳糖、阿拉伯糖、葡萄糖、木糖、甘露糖以及葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸(因为玉米是禾本科，所以不含鼠李糖)。

表3 各种单糖和糖醛酸的重现性实验Tab.3 Repeatability experiment of monosaccharides and uronic acids

表4 2种原料单糖质量分数(相对于绝干原料)Tab.4 Monosaccharides content of two materials

按表4数据，计算2种原料综纤维和聚戊糖的质量分数[20－21]，公式如下：

综纤维素的质量分数：

聚戊糖的质量分数：

式(1)、(2)中：系数0.6根据参考文献[22]而定，阔叶木中微量的鼠李糖可以和阿拉伯糖合并在一起计算。

根据式(1)、(2)及表4中数据得桉木综纤维素的质量分数为71.33%，聚戊糖的质量分数为19.36%；玉米秸秆综纤维素的质量分数为60.77%，聚戊糖的质量分数为22.41%。用国家标准方法测得桉木综纤维素的质量分数为73.96%，聚戊糖的质量分数为20.13%；玉米秸秆综纤维素的质量分数为62.51%，聚戊糖的质量分数为19.79%。由此可以看出，这2种方法测得的结果相当。离子色谱法在详细测定原料中各单糖含量的同时，还能计算出原料中综纤维素和聚戊糖的含量。而用国家标准方法，样品处理繁琐，且影响因素较多，所测结果为总糖含量，不能确定各单糖的含量，无法满足检测指标日趋细化的要求[6]。

3 结 论

(1)在分析造纸原料各种单糖和糖醛酸组分含量时，酸水解液经过稀释过滤后，采用离子色谱检测，处理步骤简单，结果准确。

(2)在采用醋酸钠和氢氧化钠淋洗液梯度洗脱时，可以使7种单糖及2种糖醛酸得到较好的分离，且糖醛酸与单糖的峰相距较远，易区分。采用离子色谱对混合标准糖进行平行实验，各种组分的稳定性均大于98%。

(3)用离子色谱测定处理过的桉木水解液和玉米秸秆水解液样品。结果表明，在桉木和玉米秸秆中最主要的单糖是葡萄糖，其次是木糖。在桉木中没有检测出果糖和半乳糖醛酸，在玉米秸秆中没有检测出果糖。以测得的结果计算出的综纤维和聚戊糖含量与用国家标准方法测得的结果相当。

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