堿預處理和直接法提取戊聚糖的比較研究

堿預處理和直接法提取戊聚糖的比較研究

半纖維是植物細胞膜的主要成分之一。不同類型植物纖維原料的半纖維含量和結(jié)構(gòu)有很大差異。一般來說,闊葉木中半纖維素含量為20%～30%,以木聚糖為主。桉木作為闊葉木速生材,是我國南方主要的造紙木材原料之一。因此,戊聚糖的測定對于表征桉木等闊葉木植物原料的半纖維素含量具有實際意義。生物質(zhì)精煉與制漿相結(jié)合是目前國內(nèi)外的研究熱點,半纖維素預提取是其中的主要內(nèi)容之一,因此有必要對提取液中的戊聚糖含量進行測定并探尋合適的方法來評價其提取效果。在制漿造紙行業(yè),測定原料和紙漿中的戊聚糖均采用Duffau蒸餾法,即將試樣與體積分數(shù)12%的鹽酸共沸,使其中的戊聚糖水解并轉(zhuǎn)化為糠醛,然后采用四溴化法(或二溴化法)測定其中的糠醛含量,再換算成戊聚糖含量(差值計算法,簡稱差值法)。對植物原料中糖類組分更準確的定量分析方法是色譜法,試樣需要預先進行酸水解,然后經(jīng)色譜分離出單糖并測定其含量,戊聚糖以木糖和阿拉伯糖含量之和表示。上述方法均比較成熟,但樣品處理和測定過程都比較復雜,且色譜法使用的糖分析柱價格昂貴,儀器維護成本很高。在食品工業(yè)中,Douglas比色法被用來快速測定食品生產(chǎn)廢水中的戊聚糖。于建仁等將比色法用于快速測定桉木半纖維素提取液中的戊聚糖含量,確定了其可行性,并對測定條件進行了優(yōu)化。本研究采用國內(nèi)南方闊葉木速生材桉木為原料,對木片進行堿預處理和熱水預水解。用比色法和四溴化法分別測定提取液和預處理前后木片中的戊聚糖含量,根據(jù)不同預提取條件下戊聚糖提取率的計算結(jié)果,探討了兩種測定方法之間的關(guān)系。1實驗1.1原材料實驗原料為剛果12號桉改良品種,由廣東雷州林業(yè)局提供,木片經(jīng)人工篩選出制漿用合格木片裝袋保存。原料化學組分分析結(jié)果見表1。1.2堿預處理法木片預處理采用堿預處理和熱水預水解兩種方式。100℃及低于100℃的預處理在恒溫水浴鍋中進行,高于100℃的預處理在電熱蒸煮鍋中進行。預處理反應溫度90～180℃,堿濃1%～14%,升溫時間0～60min,保溫時間30～480min,液比1∶5～1∶10。預處理反應結(jié)束后,將提取液與木片分離后用于比色法測定。堿預處理反應后的木片用蒸餾水反復洗滌并浸泡24h,期間經(jīng)常換水,至浸泡液無色后取出風干;熱水預處理反應后的木片用蒸餾水沖洗后風干。1.3堿預處理條件下kp漿木素的提純用酸析法分離制漿黑液中的木素和堿提取液中的木素類物質(zhì)。制漿采用硫酸鹽法蒸煮,條件為:用堿量20%,硫化度30%,最高溫度165℃,升溫時間90min,保溫時間120min,液比1∶4;堿預處理條件為:堿濃10%,液比1∶10,90℃,2h。向60℃左右的硫酸鹽制漿黑液或堿提取液中,邊攪拌邊加入體積分數(shù)30%的H2SO4,調(diào)節(jié)pH值為3左右,離心分離出沉淀,并用蒸餾水洗滌2～3次,然后在50℃下真空干燥48h。KP漿木素試樣經(jīng)過提純,用PL表示,提純步驟參照Lundquist和Kirk的方法;從堿預處理提取液中分離的酸析物試樣未經(jīng)提純,用UPL表示。然后將PL和UPL溶解于稀堿液中,即可得到兩者的堿溶液試樣。1.4戊聚糖含量之計算方法原料木片及預處理后的木片分別風干后磨粉,取40～60目的篩分組分進行研究,實驗按照國家標準(GB/T2677.9—1994造紙原料戊聚糖的測定方法)進行,采用四溴化法(差值計算法)。根據(jù)預處理前后木片的戊聚糖含量之差,可由式(1)求得戊聚糖的提取率,此計算結(jié)果比較接近真實的戊聚糖提取率。PD=(S?Y)S×100%ΡD=(S-Y)S×100%(1)式(1)中,PD為戊聚糖的提取率(差值法),%;S為原料木片中的戊聚糖含量(質(zhì)量分數(shù),20.64%);Y為預處理后木片的戊聚糖含量,%。1.5萃取溶液中戊二醇含量的測定和提取率的計算木片經(jīng)堿預處理或熱水預水解反應后,將提取液與之分離,用比色法測定其中的戊聚糖含量。1.5.1戊聚糖含量測定比色法的原理是利用顯色反應試劑中的酸性介質(zhì),在高溫條件下將待測樣品中的戊聚糖水解為戊糖,戊糖脫水后轉(zhuǎn)變?yōu)榭啡┎⑴c間苯三酚顯色,根據(jù)分光光度法所測顯色后試樣在特定波長下的吸光度即可計算出戊糖含量,然后再折算成戊聚糖含量:戊聚糖含量=0.88×戊糖含量具體操作步驟及測定方法參照文獻。1.5.2相對提取率pr的測定根據(jù)表1中原料木片的戊聚糖含量和比色法測定提取液中戊聚糖含量的結(jié)果,得到提取率計算公式(見式(2))。由于該公式中利用了兩種不同方法的測定結(jié)果,計算結(jié)果與式(1)的計算結(jié)果之間存在差異,故用“相對提取率”表示。PR=L×C×n×10?6×0.88SΡR=L×C×n×10-6×0.88S(2)式(2)中:PR為戊聚糖相對提取率(比色法,下同),%;L為預處理所用液比,即反應溶液體積與絕干木片質(zhì)量之比;C為由測定的吸光度(A)和標準曲線所得的木糖質(zhì)量濃度;n為顯色反應前提取液的稀釋倍數(shù);S為原料木片的戊聚糖含量(質(zhì)量分數(shù),20.64%);0.88為戊糖與戊聚糖的換算系數(shù)。2半纖維素預提取效果的比色法檢測由于測定木片中戊聚糖含量的實驗操作比較費時,而用比色法測定提取液中的戊聚糖比較簡便快捷,因此研究中分析了這兩種方法之間的關(guān)系,以探討是否可采用快速的比色法測定結(jié)果來表征半纖維素的預提取效果。在不同條件下對木片進行堿預處理和熱水預水解,用上述兩種方法分別測定木片和提取液的戊聚糖含量,再由式(1)和式(2)分別求得戊聚糖的提取率,根據(jù)計算得到的兩組數(shù)據(jù)建立兩者之間的相關(guān)關(guān)系。2.1差值法與比色法測定pd的關(guān)系堿預處理實驗采用不同堿濃在90℃下反應不同時間,使獲得的各戊聚糖提取率存在一定差異(戊聚糖提取率PD范圍為3.7%～47.8%),根據(jù)式(1)和式(2)計算得到的結(jié)果見圖1(a)。由圖中數(shù)據(jù)點的趨勢初步推測,差值法與比色法(即PD與PR)之間的測定結(jié)果近似對數(shù)關(guān)系,為了進一步確定兩者之間的關(guān)系,對PD求自然對數(shù),并與PR進行相關(guān)擬合,結(jié)果見圖1(b)。圖1(b)顯示,比色法測定結(jié)果與差值法所測結(jié)果的自然對數(shù)之間呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系,關(guān)系方程為:y=4.6682lnx-5.5536(R2=0.9901)(3)式(3)中,y表示比色法測定結(jié)果,x表示差值法測定結(jié)果。因此,在本實驗的堿預處理的戊聚糖提取率范圍內(nèi),可以根據(jù)此關(guān)系方程和比色法的快速測定結(jié)果求得戊聚糖的真實提取率,這與差值法相比可以大大簡化實驗操作,提高工作效率。2.2計算當式的2.1%65.1%在不同溫度和反應時間下進行熱水預水解反應,使各條件下的戊聚糖提取率存在一定差異(戊聚糖提取率PD范圍為2.1%～75.1%),由式(1)和式(2)計算得到的結(jié)果見圖2。圖2顯示,對于熱水預水解的試樣,兩種方法所測結(jié)果之間呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系,關(guān)系方程為:y=0.5612x-1.2086(R2=0.9872)(4)式(4)中,y表示比色法測定結(jié)果,x表示差值法測定結(jié)果。2.3預處理前后木片中戊聚糖含量測定的結(jié)果上述實驗結(jié)果表明,對于堿預處理和熱水預水解兩種預處理方式,兩種方法所測戊聚糖提取率之間的關(guān)系不一致。對堿預處理,比色法測定結(jié)果與差值法測定結(jié)果的自然對數(shù)之間呈線性關(guān)系,而對熱水預處理,兩者之間直接具有較好的線性關(guān)系。推測其原因,一方面可能與堿預處理后的木片試樣在測定戊聚糖含量前的洗滌浸泡有關(guān)。在堿預處理過程中,木片中的戊聚糖和堿性降解生成的低聚糖會部分溶出到提取液中,但仍有一部分戊聚糖與堿液一起殘留在木片中,在后來的浸泡洗滌過程被逐漸擴散溶解出來,因此造成預處理后木片中戊聚糖含量的測定結(jié)果偏低,從而使預處理前后木片中戊聚糖含量的差值相對偏高,戊聚糖提取率也相對偏高,并且偏離的程度隨戊聚糖溶出量的增加而增大。另一方面,由于顯色反應需要酸性環(huán)境,對堿提取液進行比色法測定前需要先用酸中和,其中的部分木素及木素-碳水化合物復合體(LCC)必然會通過酸析沉淀出來,從而引起提取液中糖的損失,可能會導致比色法測定結(jié)果偏低,這可以用圖3的光譜結(jié)果來加以驗證。圖3中經(jīng)提純的桉木硫酸鹽木素試樣(PL)經(jīng)過顯色反應后,在553nm處并無吸收,這說明木素不會對測定結(jié)果產(chǎn)生干擾;而堿預處理提取液的酸析物試樣(UPL)經(jīng)顯色反應后,其光譜在553nm處有特征吸收,可推測這是LCC中的戊糖類物質(zhì)引起的吸收。因此,在用比色法測提取液中的戊聚糖含量時,這部分物質(zhì)沒有被測到,從而使堿提取液中的戊聚糖含量測定結(jié)果相對偏低,并且這種偏離的程度也是隨著提取液中戊聚糖濃度的增加而增大。對堿預處理試樣來說,盡管用兩種方法所測結(jié)果之間呈非線性關(guān)系,但利用本研究得出的式(3),可由快速的比色法測定結(jié)果來推算堿預處理后木片中的戊聚糖含量仍是可行的。3增注前后測定結(jié)果3.1桉木片經(jīng)堿預處理和熱水預水解,對預處理前后的木片和提取液中的戊聚糖含量分別采用四溴化法(差值法)和比色法進行測定,結(jié)果表明,兩種測定方法的測定結(jié)果在增減趨勢上表現(xiàn)出一致性。3.2對堿預處理試樣,比色法測定結(jié)果與差值法測定結(jié)果