周 敏 馮文英
(中國(guó)制漿造紙研究院,北京,100102)
半纖維素是造紙植物纖維原料的主要成分之一,聚戊糖是半纖維素中五碳糖組成的聚合物的總稱。一般來說麥草原料的半纖維素以聚木糖為主,測(cè)定聚戊糖含量對(duì)于表征半纖維素含量更具有實(shí)際意義[1]。目前造紙行業(yè)測(cè)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)。
造紙行業(yè)中測(cè)定聚戊糖含量通常采用12%鹽酸水解的方法,即試樣與質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%鹽酸共沸,使試樣中的聚戊糖水解生成戊糖,戊糖進(jìn)一步脫水轉(zhuǎn)化成糠醛,并將蒸餾出的糠醛經(jīng)冷卻收集定容后,采用容量滴定法測(cè)定聚戊糖含量,該方法操作復(fù)雜且時(shí)間長(zhǎng),一次測(cè)定需要3 h左右。
紫外分光光度法測(cè)定聚戊糖,首先采用與容量滴定法相同的方法將聚戊糖轉(zhuǎn)化為糠醛,然后用分光光度法定量測(cè)定蒸餾出來的糠醛含量,然后換算成聚戊糖含量。此過程要繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,且測(cè)定時(shí)要在25℃環(huán)境中靜置1 h,操作同樣復(fù)雜,并沒有減少測(cè)定時(shí)間[2]。
在食品工業(yè)中,間苯三酚分光光度法 (Douglas比色法)被用來快速測(cè)定食品生產(chǎn)過程廢水中的聚戊糖[3-11]。間苯三酚分光光度法操作簡(jiǎn)單、快速。其測(cè)定原理為聚戊糖在含有鹽酸和醋酸的間苯三酚高溫溶液中水解,水解生成的還原糖與間苯三酚發(fā)生縮聚反應(yīng),生成多環(huán)的二芳基甲烷,呈深粉紅色,在553 nm處有最大吸收,一定范圍內(nèi),反應(yīng)液顏色與還原糖量呈正比,可用分光光度法測(cè)定。根據(jù)分光光度法所測(cè)顯色后試樣在特定波長(zhǎng)下的吸光度即可計(jì)算出戊糖含量,然后再折算成聚戊糖含量。
加標(biāo)回收率的測(cè)定是實(shí)驗(yàn)室常用的確定準(zhǔn)確度的方法之一,也是分析人員在樣品測(cè)定時(shí),作為質(zhì)量控制的主要方法。加標(biāo)回收率的大小不僅反映了分析人員的操作技術(shù)水平,更重要的是它反映了分析方法是否適合被測(cè)水體,幫助分析人員及時(shí)地發(fā)現(xiàn)分析中存在的問題,確保分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。加標(biāo)回收率就是在測(cè)定樣品的同時(shí),于一樣品的子樣中加入一定量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定,將其測(cè)定結(jié)果扣除樣品的測(cè)定值,而得到加入標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的回收率。本研究中為了確保間苯三酚分光光度法測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性,進(jìn)行了加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)[12]。
本研究的目的是將食品工業(yè)采用的間苯三酚分光光度法測(cè)定廢水中聚戊糖的方法應(yīng)用到造紙行業(yè),以快速測(cè)定原料中的聚戊糖含量,建立起容量滴定法和間苯三酚分光光度法測(cè)定聚戊糖含量的關(guān)系,為造紙行業(yè)快速測(cè)定原料中聚戊糖的含量提供參考。
1.1 原料、儀器和設(shè)備
麥草秸稈,取自山東某廠,貯存1年,切成3~5 cm的料片,平衡水分備用。
DR-5000分光光度計(jì),美國(guó)哈希公司;萬(wàn)分之一電子天平,梅特勒公司;可控溫電爐。
1.2 試劑
D-木糖標(biāo)準(zhǔn)溶液:木糖干燥至恒質(zhì)量,準(zhǔn)確稱取1.0000 g,用蒸餾水溶解后定容至1000 mL,即為1 mg/mL。采用此方法分別配制濃度為5 g/L的D-木糖、D-葡萄糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖溶液。
質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%的鹽酸:量取307 mL濃鹽酸,稀釋至1000 mL,加鹽酸或加水調(diào)整使其ρ20=1.057 g/mL。
溴酸鈉、溴化鈉溶液:稱取2.5 g溴酸鈉和12.0 g溴化鈉溶于1000 mL容量瓶中,并稀釋至刻度。
硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液 [c(Na2S2O3)=0.1 mol/L],碘化鉀 (100 g/L),淀粉指示劑等;
間苯三酚顯色劑:稱取2 g間苯三酚溶于110 mL冰醋酸中,然后加入10 mL無(wú)水乙醇、2 mL濃鹽酸和1 mL 17.5 g/L的D-葡萄糖溶液,混合均勻后靜置待用。
1.3 麥草原料及預(yù)提取半纖維素后麥草物料制備
取風(fēng)干麥草,用磨粉機(jī)粉碎并收集40~60目粉末,平衡水分供容量滴定法測(cè)定用;其中部分40~60目粉末用研缽研磨成200目細(xì)粉,供間苯三酚分光光度法測(cè)定用。
干爆:取絕干麥草500 g,按照溫度設(shè)定飽和蒸汽壓力,向反應(yīng)室內(nèi)通入飽和蒸汽,壓力為1.2 MPa,4 min后放鍋,收集蒸汽爆破后麥草。
濕爆:取絕干麥草500 g,按固液比1∶1的比例加入溫度為60℃的熱水,攪拌均勻并浸泡1 h后,按照溫度設(shè)定飽和蒸汽壓力,向反應(yīng)室內(nèi)通入飽和蒸汽,壓力分別為 0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 MPa,4 min后放鍋,收集蒸汽爆破后麥草,洗凈平衡水分。
堿預(yù)處理:取絕干麥草1 kg,在實(shí)驗(yàn)室15 L電熱回轉(zhuǎn)蒸煮鍋中進(jìn)行半纖維素預(yù)提取。預(yù)提取條件為:液比1∶5、升溫30 min(50℃開始計(jì)時(shí))、最高溫度90℃、保溫時(shí)間1 h、用堿量為0、5%、10%、15%、20%和25%。預(yù)提取完畢后分離提取液和固體物料。
經(jīng)干爆、濕爆和堿預(yù)提取3種方法預(yù)提取半纖維素后的麥草物料采用上述同樣方法備料。
1.4 木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制
取6只比色管分別編號(hào)為0#、1#、2#、3#、4#、5#,在其中分別加入1 mg/mL的木糖標(biāo)準(zhǔn)溶液0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL,用蒸餾水定容到1 mL,然后再在每只比色管中加入10 mL間苯三酚顯色劑,搖勻,在沸水浴中顯色10 min,取出后迅速放入冷水中冷卻,以0#作為參比,于553 nm測(cè)定各種木糖濃度下的吸光度。
木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線為:
y=2.5682x+0.0184,R2=0.9931
其中,y和x分別表示吸光度和木糖溶液濃度(mg/mL)。
1.5 最大吸收波長(zhǎng)的紫外 (UV)檢測(cè)
分別將配制好的D-葡萄糖、D-木糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖作為待測(cè)樣品,用間苯三酚溶液進(jìn)行顯色,反應(yīng)液在300~600 nm進(jìn)行紫外掃描。
1.6 麥草原料中聚戊糖含量測(cè)定
容量滴定法:按GB/T 2677.9—1994的方法進(jìn)行。
間苯三酚分光光度法:稱取1.3中制備的麥草原料1 mg置于比色管中,與10 mL顯色劑混合后靜置,待粉末變?yōu)榧t色后,加入1 mL蒸餾水。放入沸水浴中加熱10 min,保證反應(yīng)完全。同時(shí)用蒸餾水做空白實(shí)驗(yàn),比色方法按1.4的描述進(jìn)行,聚戊糖含量按式 (1)計(jì)算。
式中,C為由木糖標(biāo)準(zhǔn)曲線查得的木糖量,mg;G為測(cè)試樣品的質(zhì)量,mg;0.88為木糖與聚戊糖的換算系數(shù)。
1.7 樣品加標(biāo)回收率測(cè)定方法
取兩份相同的麥草樣品,其中1份加入定量的木糖標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì);兩份同時(shí)按1.6中描述的實(shí)驗(yàn)方法步驟進(jìn)行分析,加標(biāo)樣品所得的結(jié)果減去未加標(biāo)樣品所得的結(jié)果,其差值 (測(cè)得量)與加入標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的理論值 (加標(biāo)量)之比即為樣品加標(biāo)回收率,按式 (2)計(jì)算。
麥草中通常含有4種單糖,分別為葡萄糖、木糖、甘露糖和阿拉伯糖,將這些單糖的標(biāo)準(zhǔn)溶液與間苯三酚進(jìn)行顯色反應(yīng)后,在紫外光譜中進(jìn)行了300~600 nm掃描,結(jié)果見圖1。
圖1 各種單糖與間苯三酚顯色后的紫外光譜圖
由圖1可知,所有單糖在300~600 nm之間均有最大吸收峰,五碳糖除了在553 nm處有最大吸收峰外,在410 nm附近也有一個(gè)比較寬的吸收峰,而六碳糖在500~600 nm區(qū)域內(nèi)均無(wú)吸收峰。其中D-木糖和L-阿拉伯糖在553 nm處均有最大吸收峰,但是鑒于周衛(wèi)星等人[13]對(duì)小麥稈水解液各種單糖的分析發(fā)現(xiàn),木糖和阿拉伯糖含量的比例接近10∶1.22,所以可視為所得聚戊糖大部分是木糖。因此可以用間苯三酚分光光度法來測(cè)定聚戊糖含量。
間苯三酚分光光度法測(cè)定樣品中聚戊糖含量的實(shí)驗(yàn)中涉及到的影響因素主要有:樣品用量、顯色劑用量及顯色時(shí)間,本實(shí)驗(yàn)首先對(duì)這3個(gè)因素進(jìn)行了優(yōu)化。
2.1 麥草樣品用量
選取麥草樣品用量0.5~5.0 mg,顯色劑用量10 mL,顯色時(shí)間20 min,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2所示。從圖2可知,隨著樣品用量增加,測(cè)得聚戊糖含量減小,說明樣品用量增加時(shí),部分聚戊糖沒有降解為單糖,導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果偏低。當(dāng)麥草樣品用量為0.5~1.0 mg時(shí),聚戊糖含量相差不大,所以選取1.0 mg的麥草樣品用量較為合適。
圖2 麥草樣品用量對(duì)聚戊糖含量測(cè)定結(jié)果的影響
2.2 顯色時(shí)間
當(dāng)麥草樣品用量1.0 mg,顯色劑用量10 mL,變化顯色時(shí)間為5~30 min時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3所示。由圖3可見,當(dāng)顯色時(shí)間為10 min時(shí),聚戊糖含量最高,顯色時(shí)間為5 min時(shí),由于大部分聚戊糖還沒有完全水解,所以測(cè)定結(jié)果偏低。顯色時(shí)間超過10 min時(shí),聚戊糖含量又逐漸降低,可能是由于該顯色反應(yīng)穩(wěn)定性較差,延長(zhǎng)顯色時(shí)間會(huì)導(dǎo)致吸光度降低,因此在顯色完成后要立即浸在流水中冷卻,一邊冷卻一邊搖蕩比色管,使其溫度快速降至室溫后迅速進(jìn)行比色分析。
圖3 顯色時(shí)間對(duì)聚戊糖含量測(cè)定結(jié)果的影響
2.3 顯色劑用量
當(dāng)麥草樣品用量1.0 mg和顯色時(shí)間10 min時(shí),改變顯色劑用量為6~11 mL,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4所示。由圖4可見,隨著顯色劑用量的增加,聚戊糖含量的測(cè)定值提高。當(dāng)顯色劑用量增加到9~11 mL時(shí),測(cè)定結(jié)果變化不大。此外,鑒于在繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)采用的顯色劑用量為10 mL,為了減小誤差,宜選用10 mL顯色劑。
圖4 顯色劑用量對(duì)聚戊糖含量測(cè)定結(jié)果的影響
2.4 優(yōu)化條件下麥草樣品聚戊糖含量的測(cè)定
優(yōu)化條件:麥草樣品用量1.0 mg,顯色時(shí)間10 min,顯色劑用量10 mL。在此條件下對(duì)麥草樣品聚戊糖含量進(jìn)行5次測(cè)定,測(cè)定結(jié)果分別為 20.05%、21.27%、22.46%、22.74%、20.89%,平均值為21.48%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD為5.19%。
為了確定此方法的實(shí)際應(yīng)用效果,實(shí)驗(yàn)中還采用容量滴定法 (GB/T 2677.9—1994)對(duì)麥草聚戊糖含量進(jìn)行了3次測(cè)定,聚戊糖含量測(cè)定結(jié)果分別為24.70%、24.94%、24.73%,平均值為24.79%。
對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),間苯三酚分光光度法測(cè)定麥草原料中聚戊糖含量數(shù)值均小于容量滴定法測(cè)定的數(shù)值,原因是在麥草樣品中有一部分非水溶性聚戊糖,在酸性環(huán)境中仍不能水解為單糖,導(dǎo)致間苯三酚分光光度法測(cè)定結(jié)果數(shù)值偏低。非水溶性聚戊糖含量越多,測(cè)定結(jié)果數(shù)值越低[14]。此外,間苯三酚分光光度測(cè)定法給定的木糖與聚戊糖的關(guān)系中,木糖與聚戊糖的換算系數(shù)0.88,不能準(zhǔn)確表征兩者之間的關(guān)系,也會(huì)導(dǎo)致結(jié)果有偏差。
2.5 加標(biāo)回收率測(cè)定
加標(biāo)回收率在一定程度上能夠反映實(shí)驗(yàn)過程對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。
表1 加標(biāo)回收率的測(cè)定結(jié)果
表2 間苯三酚分光光度法與容量滴定法測(cè)定麥草樣品聚戊糖含量 %
圖5 間苯三酚分光光度法與容量滴定法測(cè)定聚戊糖含量的關(guān)系
從表1可見,本實(shí)驗(yàn)加標(biāo)回收率范圍為93.20%~102.85%,說明采用間苯三酚分光光度法測(cè)定麥草原料聚戊糖含量這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不大。
2.6 建立間苯三酚分光光度法和容量滴定法測(cè)定麥草原料聚戊糖含量的關(guān)系
分別采用間苯三酚分光光度法和容量滴定法對(duì)預(yù)提取半纖維素后的麥草樣品進(jìn)行了聚戊糖測(cè)定,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2和圖5所示。
對(duì)于不同預(yù)提取半纖維素后的麥草樣品,采用間苯三酚分光光度法和容量滴定法同時(shí)測(cè)定其聚戊糖含量,可以建立某種關(guān)系。從圖5可以看出,兩者之間呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系,關(guān)系方程為y=1.1348x+1.3884,R2=0.9729。式中y為容量滴定法的測(cè)定結(jié)果,x為間苯三酚分光光度法的測(cè)定結(jié)果。
從表2和圖5不難發(fā)現(xiàn),間苯三酚分光光度法測(cè)定結(jié)果較容量滴定法測(cè)定結(jié)果數(shù)值偏低,與麥草原料測(cè)定結(jié)果一致,原因類似。主要是因?yàn)辂湶菰现泻蟹撬苄跃畚焯?,而且隨著預(yù)處理程度加深,非水溶性聚戊糖相對(duì)含量逐漸增加,所得間苯三酚分光光度法測(cè)定結(jié)果與容量滴定法測(cè)定結(jié)果的差值也逐漸增大,濕爆壓力由0.6 MPa增加到1.6 MPa,差值也從1.59%增加到3.52%。堿預(yù)提取半纖維素過程中,隨著用堿量增加,差值也有不同程度的增加。
雖然間苯三酚分光光度法測(cè)定結(jié)果較容量滴定法測(cè)定結(jié)果偏低,但是根據(jù)建立的相關(guān)關(guān)系式可以快速估算出容量滴定法測(cè)定的近似結(jié)果。
3.1 采用間苯三酚分光光度法對(duì)麥草原料聚戊糖含量測(cè)定的條件進(jìn)行了優(yōu)化,優(yōu)化條件為:麥草樣品用量1.0 mg,顯色時(shí)間10 min,顯色劑用量10 mL。間苯三酚分光光度法在最佳測(cè)定條件下測(cè)定麥草樣品聚戊糖含量平均為21.48%。容量滴定法測(cè)得的麥草聚戊糖含量平均為24.79%。間苯三酚分光光度法測(cè)定結(jié)果較容量滴定法測(cè)定結(jié)果稍低。
3.2 通過容量滴定法和間苯三酚分光光度法對(duì)預(yù)提取半纖維素后的麥草樣品進(jìn)行了聚戊糖含量測(cè)定,比較兩種方法的測(cè)定結(jié)果,建立了相關(guān)關(guān)系,關(guān)系方程為y=1.1348x+1.3884,R2=0.9729。根據(jù)建立的相關(guān)關(guān)系式可以快速估算出容量滴定法測(cè)定的近似結(jié)果。
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