卷烟纸常用浆板中纤维素、半纤维素和木质素的测定

郑泉兴，刘秀彩，张国强，李巧灵，黄朝章，谢 卫，许寒春，蓝洪桥，刘 雯，李 斌，邓 楠，张建平*，伊晓东

1. 福建中烟工业有限责任公司技术中心，福建省厦门市集美区滨水路298 号 361021 2. 厦门大学化学系，福建省厦门市思明南路422 号 361005 3. 中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001

卷烟纸浆板是以植物纤维为原料，通过不同加工方法制得的纤维状物质，目前卷烟纸常用浆板是阔叶木纸浆、针叶木纸浆和亚麻纸浆［1-2］。卷烟纸浆板中的植物纤维是一种天然复合物，主要由纤维素、半纤维素和木质素3 种高分子聚合物组成［3-4］。其中，纤维素是由β-1，4-糖苷键连接成的脱水葡萄糖组成的线性聚合物；半纤维素结构比纤维素复杂得多，是由戊糖（木糖和阿拉伯糖）、己糖（葡萄糖、甘露糖和半乳糖）和己糖酸（4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸、D-葡萄糖醛酸和D-半乳糖醛酸）等单元组成的具有分支的杂多糖，木质素是由苯丙烷衍生物单体（如香豆醇、松柏醇和芥子醇）构成的具有高度支链的酚类聚合物［3，5］。由于卷烟纸参与卷烟燃烧，这3 类高分子化合物结构复杂、分子量较大，导致自身燃烧不充分，可能影响焦油和CO 的释放量，因此分析不同卷烟纸浆板中纤维素、半纤维素和木质素的质量分数具有重要意义。

由于植物纤维中纤维素、半纤维素和木质素之间存在复杂的连接关系，完全分离这3 种组分仍是一项具有挑战性的任务。目前，通常采用两种方法进行纤维原料的成分分析：一种是基于酸性和中性洗涤剂的方法分析纤维的组成［6-7］，然而此方法的缺点是操作繁琐，并且不能有效区分纤维尤其是半纤维素的结构组成；另一种是由美国国家可再生能源实验室（NREL）开发的采用两步酸水解系统分析纤维中3 大组分质量分数的方法［8］，该方法先在低温下使用高浓度硫酸将纤维转化为低聚糖，然后在高温下使用稀酸将低聚糖进一步转化为单糖，通过分析单糖确定纤维素和半纤维素的量，并且通过对酸水解液采用UV 检测确定酸溶木质素的质量分数，该方法操作简便，被国际上各研究机构广泛采用［4，9-12］。张红漫等［13］采用NREL 方法测定玉米秸秆纤维原料的纤维素、半纤维素和木质素的质量分数，结果表明，NREL 法与采用国家标准测定的结果基本一致；蔡绍祥等［14］采用NREL 法测定马尾松木材里三大组分的质量分数，并研究了高温水热处理对其质量分数的影响。本研究中参考NREL 的两步酸解法，同时利用微波加热均匀、加热速度快和效率高等优点［15-19］，优化了NREL 的加热方式，缩短了前处理时间；并且参考文献［20］的离子色谱法分析纤维水解单糖和文献［8］UV 法检测酸溶木质素质量分数的方法，将其应用于卷烟纸浆板中纤维素、半纤维素和木质素的测定，以期为卷烟纸浆板的优化选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

卷烟纸植物纤维浆板由杭州华丰纸业有限公司提供，样品信息见表1。其中针叶纤维有8 种浆板，来源主要是云杉、松树、辐射松、黑松和冷杉；阔叶纤维有6 种浆板，来源主要是桉木、桦木、杨木和相思木；亚麻纤维为西班牙亚麻。

表1 植物纤维样品信息Tab.1 Information on plant fiber samples

L-（+）-阿拉伯糖（99%）、D-半乳糖（99%）、D-（+）-木糖（≥99%）、D-甘露糖（99%）、D-纤维二糖（98%）（上海麦克林生化科技有限公司）；葡萄糖（一水）、浓硫酸（98%，AR）（中国医药集团有限公司）；NaOH 溶液（50%，美国Fluka 公司）；实验用水均为经过0.22 μm 滤膜过滤的二次蒸馏水。

ICS-3000 离子色谱仪［配有ASRS-3004 mm型抑制器、直流安培检测器和电导检测器）、Carbo PAC PA 10 色谱柱（2 mm×250 mm，带PA 10 保护柱（2 mm×50 mm）］（美国戴安公司）；0.45 μm 聚醚砜微孔滤膜（美国Agilent 公司）；Milli-Q 超纯水机（美国Millipore 公司）；Lambda 35 紫外-可见光分光光度计（美国PerkinElmer 公司）；BSA2245-CW电子天平（感量0.000 1 g，德国赛多利斯公司）；MARS-6 微波消解仪（美国CEM 公司）；VX-95 灭菌锅（德国Systec 公司）；DWG-9423A 恒温箱（上海精宏实验设备有限公司）；140 mL 耐压玻璃管（上海垒固仪器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 标准溶液的配制

准确称取标准糖样品（阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、甘露糖和纤维二糖）各50 mg（精确至0.1 mg），用蒸馏水溶解，然后转移至50 mL 容量瓶内定容，配制成1 000 mg/L 的标准糖储备液。用移液管分别移取各标准糖储备液10 mL 于100 mL容量瓶中，超纯水定容后配制成100 mg/L 的混合标准溶液，逐级稀释成浓度0.01、0.05、0.10、0.25、0.50 和1.00µg/mL 的标准溶液。

1.2.2 样品处理

将纤维样品粉碎后，放入烘箱内105 ℃烘干2 h，然后趁热转移至干燥器内，自然冷却至室温。按照NREL 两步酸解法［8］的步骤，准确称取0.3 g 干燥后的纤维样品（记纤维干质量m0），加入3 mL 72%硫酸，摇匀，于30 ℃水浴中加热1 h。然后加入84 mL 水，溶液转移至耐压玻璃管（方法1 和2）或耐压聚四氟乙烯消解罐（方法3）中，置于灭菌锅（方法1）或恒温加热箱（方法2）或微波反应器（方法3）中，121 ℃下酸解。采用砂芯漏斗过滤所得酸解溶液样品，滤纸采用已烘干并称量的无灰定量滤纸（质量记为m1）。过滤后，滤纸连同滤渣一起放入陶瓷坩埚（陶瓷坩埚需预先575 ℃煅烧4 h，自然冷却至室温后称量，质量记为m2）；放入烘箱中105 ℃烘干，自然冷却至室温后准确称量（记质量m3）；然后再转移至马弗炉中575 ℃煅烧4 h，自然冷却至室温后记下最后质量m4，用来计算灰分和酸不溶木质素的质量分数。取一部分滤液用UV 法测定酸溶木质素的质量分数，用水将样品溶液稀释至读数在0.7～1.0 范围内。另取一部分滤液稀释后用离子色谱法测定单糖和纤维二糖质量分数。每个样品做两次平行实验。

1.2.3 离子色谱检测

离子色谱检测条件参考文献［20］并进行优化。色谱柱：Carbo PAC PA 10［2 mm×250 mm，带PA 10 保护柱（2 mm×50 mm）］；检测模式：积分脉冲安培检测；工作电极：Au 电极；参比电极：AgCl/Ag；扫描电位采用脉冲电位波形；流速：0.25 mL/min；柱温：28 ℃；进样量：25 μL；淋洗液条件：0～30 min，2 mmol/L NaOH；30～60 min，10～200 mmol/L NaOH，其中低浓度NaOH 洗脱阶段主要用来分离单糖，而高浓度NaOH 洗脱阶段主要用来分离未完全酸解的纤维二糖。

1.2.4 单糖回收率

由于单糖在酸性条件下会进一步水解成糠醛、5-羟甲基糠醛和呋喃醛等，造成单糖损失［8］，因此，每种纤维需要配制与其单糖组成比例相近的糖回收标准溶液，并在同样的反应条件下进行酸解反应，计算单糖的回收率，用来校正纤维酸解后所得的单糖的浓度。

1.2.5 数据处理

分别采用公式（1）～（4）计算糖得率、标准单糖回收率、单糖校正浓度、纤维单糖质量分数［8，13-14］：

式中：i代表各糖，用glu、xyl、ara、gal 和man 分别代表葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖；CICS，i为离子色谱测得的各种糖的浓度；校正系数：五碳糖（木糖和阿拉伯糖）为0.88，六碳糖（葡萄糖、半乳糖和甘露糖）为0.90。

由于大多数无籽草本或木质原料的淀粉质量分数很低，因此通常假定测得的葡萄糖来源于纤维素［9］。用测得的葡萄糖浓度计算纤维素的量，用半乳糖、甘露糖、木糖和阿拉伯糖的浓度计算半纤维素的量［12-14］，计算公式分别为：

木质素包含酸不溶木质素和酸溶木质素。

酸不溶木质素质量分数按公式（7）计算：

酸溶木质素质量分数可根据滤液在紫外-可见分光光度计适当波长处的吸光度按公式（8）计算：

式中：UVabs为样品在适当波长处的平均紫外-可见吸光度；ε为生物质在特定波长的吸收率［木本植物和草本植物均在240 nm，25 L/（g·cm）］［8］；比色皿厚度为1.0 cm。

2 结果与讨论

2.1 植物纤维水解产物分析

植物纤维酸解所得单糖主要是葡萄糖、木糖和甘露糖，以及少量的阿拉伯糖和半乳糖；其中，葡萄糖主要来源于纤维素的水解，木糖、甘露糖等其他单糖主要来源于半纤维素的水解；纤维水解过程会产生中间产物纤维二糖，可用来判定纤维水解是否彻底［8］。参考文献［20］建立了离子色谱分析阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、甘露糖和纤维二糖的方法，图1 是6 种糖的色谱分离图，结果表明：在既定色谱条件下，标准混合溶液（1 μg/mL）和实际纤维样品酸解液中6 种目标物可以实现基线分离，且峰形对称，无干扰峰。

图1 植物纤维酸水解单糖和纤维二糖的离子色谱图Fig.1 Ion chromatogram of monosaccharide and cellobiose of plant fibers produced by acidic hydrolysis

另外，分别配制了浓度梯度为0.01、0.05、0.10、0.25、0.50 和1.00 µg/mL 的各糖标准品混合溶液，在相同条件下分别进样，以糖的浓度为横坐标，相应的峰面积为纵坐标，得到相应的线性方程以及相关系数，并且根据3 倍信噪比（S/N=3）计算仪器检出限。其线性关系和检出限见表2，可知，各种糖在浓度0.01～1.00µg/mL 范围内具有非常好的线性关系，相关系数最小值为0.999 3。单糖的检出限中最小的为阿拉伯糖和甘露糖（0.002 2 mg/L），最大的为葡萄糖（0.004 6 mg/L）。

2.2 加热方式对酸解反应时间的影响

以纤维酸解的单糖和纤维二糖的得率为指标，考察不同加热方式对酸解反应时间的影响。

2.2.1 传统加热方式

NREL 采用灭菌锅加热方式进行纤维酸处理反应；由于反应结束后的降温过程（降至80 ℃）需要至少1.5 h，实际的酸解反应时间很难确定，因此采用烘箱加热替代NREL 方法中的灭菌锅加热方式，考察加热时间对酸解反应的影响。

表2 方法的线性关系、相关系数和检测限Tab.2 Linear relationships，correlation coefficients and detection limits of this method

图2 加热时间对针叶纤维酸解产物单糖和纤维二糖得率的影响Fig.2 Effects of heating time on yields of monosaccharide and cellobiose in acidic hydrolysis products of coniferous wood fibers

图2 列出了烘箱加热方式下加热时间对针叶纤维（1#）酸解单糖、纤维二糖得率的影响。可知加热（酸解反应）时间对针叶纤维单糖、纤维二糖得率的影响非常大：①当加热时间为15 min 时，葡萄糖平均得率为8.2%，木糖和甘露糖的平均得率分别为2.5%和1.0%，纤维二糖得率只有2.0%，说明普通加热15 min 过程中，只有一部分纤维酸解成纤维二糖和单糖，大部分还以多糖形式存在。②随加热时间延长，纤维二糖和单糖的得率增加，当加热时间为60 min 时，纤维二糖的得率最大，而葡萄糖、木糖和甘露糖的得率分别为26.3%、6.5%和2.7%。③当加热时间进一步延长时，纤维二糖的得率快速下降，加热120 min 时，纤维二糖平均得率降至0.2%，同时葡萄糖、木糖和甘露糖的得率分别上升至86.8%、7.5%和5.3%；说明在烘箱加热条件下，纤维需反应120 min 左右才能水解彻底。④与其他单糖相比，葡萄糖得率受加热时间影响更明显，当加热时间从60 min 增加到90 min 和120 min 时，其平均得率从26.3%分别增加至77.8%和86.8%，比其他单糖所需时间更长，这是由于纤维素结晶度高、抗水解性强，而其他单糖来源于具有无定形结构的半纤维素，与纤维素相比更容易水解［21］。

2.2.2 微波加热方式

微波加热具有加热均匀、加热速度快和效率高等优点，在烟草行业通常将微波消解作为检测原料微量元素的前处理［22-25］。本研究中采用微波加热进行纤维酸解反应：第一步浓酸酸解过程与烘箱加热方式一样，不同的是加入84 mL 水后，将溶液转移至耐压聚四氟乙烯消解罐中，置于微波反应器（60 W）内121 ℃下进行第二步稀酸酸解反应。不同微波加热时间对针叶纤维酸解产物单糖和纤维二糖得率的影响结果见图3。可知：①当微波加热反应时间为15 min 时，葡萄糖、木糖和甘露糖的平均得率分别为80.7%、7.3%和5.7%，远高于相同时间下烘箱加热得到的结果；而且随微波反应时间增加，3 种单糖的平均得率基本不变。②纤维二糖的得率随微波加热时间延长而减少，当微波加热15 min 时，纤维二糖的平均得率为2.3%，说明纤维水解不够完全；当微波加热30 min 时，纤维水解程度提高，纤维二糖的平均得率降至0.2%；当微波加热45 min 和60 min 时，纤维几乎完全水解，纤维二糖的平均得率仅为0.02%和0.01%。这是由于在高频电磁场作用下，微波能促进分子运动和相互碰撞从而产生热量，并在分子与分子碰撞过程中将能量传递给周围其他分子。与传统加热方式相比，微波加热更直接、高效［26-27］，因此能够缩短反应时间，大幅度提高酸解反应速率（断链能力），使单糖的产率明显提高。因此后续实验均采用微波水解60 min 的前处理条件。

2.2.3 不同加热方式对酸解后单糖结果的影响

采用配对T检验方法分析了灭菌锅加热-烘箱加热、灭菌锅加热-微波加热2 组对比实验纤维酸解后单糖质量分数的差异，结果见表3。可以看出：①配对T检验表明：2 组对比实验结果无显著性差异（P＞0.05）。②从实验组1 的结果可知，采用烘箱加热和灭菌锅加热，纤维酸水解的5 种单糖质量分数无差异，说明在纤维酸解处理过程中采用烘箱加热可以替代灭菌锅加热方式。③采用微波加热方式，可在较短时间内实现植物纤维的酸解反应，且酸解单糖质量分数与NREL 方法的测试质量分数无显著差异。

图3 微波加热时间对针叶纤维酸解产物单糖和纤维二糖得率的影响Fig.3 Effects of microwave heating time on yields of monosaccharide and cellobiose in acidic hydrolysis products of coniferous wood fibers

表3 不同加热方式对针叶纤维酸解后单糖结果的影响Tab.3 Effects of different heating methods on monosaccharide results after acidic hydrolysis of coniferous fibers

2.3 卷烟纸常用浆板中纤维素、半纤维素和木质素的分析

采用微波辅助酸解-离子色谱法分析了15 种卷烟纸常用浆板的水解单糖浓度，通过相关公式计算得到纤维浆板的纤维素、半纤维素、酸溶木质素和酸不溶木质素的质量分数，结果列于表4。可以看出：①针叶纤维浆板的纤维素、半纤维素和木质素质量分数分别为76.29%～79.45%、13.88%～15.78%和4.00%～5.18%；阔叶纤维浆板的纤维素、半纤维素和木质素的质量分数分别为72.63%～77.14%、15.25%～18.81%和4.19%～6.30%；亚麻纤维的纤维素、半纤维素和木质素的质量分数分别为92.35%、3.74%和2.74%。②从样品类型上分析，总体上纤维素质量分数亚麻＞针叶＞阔叶，半纤维素和木质素质量分数均为阔叶＞针叶＞亚麻。③从化合物种类分析，在卷烟纸浆板中的质量分数为纤维素＞半纤维素＞木质素，其中木质素是由苯丙烷衍生物单体构成的一种具有高度支链的酚类聚合物，其结构复杂、分子量大，在卷烟燃烧过程中容易引起燃烧不充分，增加烟气焦油和CO 释放量，因此烟草行业常用的外加纤维通常经过漂白或者脱木素处理［2，28］。从表4 可以看出，各纤维浆板均含有少量的酸溶木质素以及微量的酸不溶木质素。

表4 卷烟纸常用浆板中的纤维素、半纤维素和木质素质量分数Tab.4 Contents of cellulose，hemicellulose and lignin in common cigarette paper pulps （%）

3 结论

①建立微波辅助酸解-离子色谱法测定了15种卷烟纸常用浆板的纤维素、半纤维素和木质素的质量分数。②卷烟纸常用浆板中纤维素质量分数最高，半纤维素质量分数次之，木质素最低；总体上浆板中纤维素质量分数为亚麻＞针叶＞阔叶，半纤维素和木质素质量分数均为阔叶＞针叶＞亚麻。③本方法操作简便，同比NREL 方法，前处理时间可缩短50%，能更快得到纤维的纤维素、半纤维素和木质素质量分数，可为卷烟纸企业纤维浆板的选择或考察纤维的木质素脱除状况提供评价手段。