離子色譜在造紙原料碳水化合物分析中的應用

崔 金 龍，李 海 明，2，畢 佳 捷

(1.大連工業(yè)大學 輕工與化學工程學院，遼寧 大連 116034；2.華南理工大學 制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東 廣州 510640)

0 引 言

纖維素和半纖維素是造紙原料的兩大主要組分[1]。纖維素是制漿造紙和人造纖維的主要原料，它是由大量葡萄糖基構成的鏈狀高分子化合物[2－3]。而半纖維素是生物質精練技術的主要研究對象之一，它是由多種單糖構成的不均一聚糖，不同的造紙原料中，其化學結構和單糖組成有較大的不同。因此，確定原料中各種單糖和糖醛酸的含量具有十分重要的意義[4－5]。

目前糖類的測定方法主要有分光光度法[6]、毛細管電 泳 法[7－8]、氣相色譜法[9－10]、高效液相色譜法[11－12]和離子色譜法[13－15]。利用分光光度法測聚戊糖時，需要經(jīng)濃HCl將聚糖轉化戊糖，接著進一步脫水轉化成糠醛后與顯色劑顯色，所測結果為總戊糖含量。常見糖類的紫外吸收較弱，毛細管電泳法必須經(jīng)過衍生后才能使得糖類達到足夠的靈敏度。而由于糖類的揮發(fā)性很差，氣相色譜法也需經(jīng)過衍生化步驟才能分離，操作費時且繁瑣。常規(guī)的液相色譜法一般可選用蒸發(fā)光散射檢測器或示差折光檢測器檢測，雖然無需衍生但檢出限僅達mg／L級。而離子色譜作為液相色譜的分支，近年來由于其優(yōu)異的陰離子交換色譜柱分離技術以及脈沖安培檢測器所具有的優(yōu)勢，而在糖的檢測中得到越來越多的應用[16－17]。此方法操作簡便，無需衍生和復雜樣品前處理即可檢測出絕大多數(shù)單糖和低聚糖，且靈敏度高，通常可檢測到μg／L數(shù)量級。

本文對桉木粉和玉米秸稈粉進行酸水解，采用離子色譜分析水解液中單糖和糖醛酸的成分及含量，并計算了2種原料中綜纖維素和聚戊糖含量。由此建立了用離子色譜測定造紙原料中常見的7種單糖和2種糖醛酸含量的方法。

1 材料與方法

1.1 儀 器

ICS－5000型離子色譜儀，美國戴安公司：ED5000電化學檢測器、Au工作電極、Ag／AgCl參比電極、Ag對電極、Chromeleon 6.80色譜工作站、四元梯度泵。

1.2 試劑與原料

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，質量分數(shù)均大于97.0%，Sigma－Aldrich公司；固體乙酸鈉，質量分數(shù)大于99.9%，AAA－Direct Certified，Dionex 公 司；NaOH 溶液，質量分數(shù)為50%～52%，F(xiàn)luka公司；屈臣氏蒸餾水，廣州屈臣氏食品飲料有限公司。

桉木片由山東華泰紙業(yè)股份有限公司提供。經(jīng)篩選、洗滌風干后磨粉，取40～60目木粉作為原料。玉米秸稈取自遼寧省大連市附近農(nóng)村，經(jīng)風干后除髄、磨粉，取40～60目秸稈粉作為原料。

1.3 標準混合樣及淋洗液的配制

分別取7種標準單糖和2種糖醛酸0.100 0g，溶解后分別定容于100mL容量瓶中，得到1g／L的單糖標準樣。分別取1mL質量濃度為1g／L的單糖標準樣定容至100mL，可得到10mg／L標準混合樣。實驗用水均為屈臣氏蒸餾水。

250mmol／L NaOH淋洗液的配制：在2L塑料淋洗罐中加入1L屈臣氏蒸餾水。用移液管移取質量分數(shù)為50%～52%的NaOH(約19.1mol／L)濃溶液的中層液13.3mL于該淋洗罐水面下。在氮氣保護下，混合均勻。

50mmol／L NaOH淋洗液的配制：在2L塑料淋洗罐中加入1L屈臣氏蒸餾水。用移液管移取上述濃溶液的中層液2.6mL于該淋洗罐水面下。在氮氣保護下，混合均勻。

1mol／L NaAc淋洗液的配制：稱取82.0g固體乙酸鈉，用屈臣氏蒸餾水溶解并稀釋為1L。為防止淋洗液在實驗過程中和實驗完畢后吸收空氣中的CO2，應在淋洗罐中施加約為20～40kPa的氮氣保護。

1.4 造紙原料單糖分析液制備

稱取原料0.100 0g左右于150mL錐形瓶中，用移液管加入1.5mL 72%的濃H2SO4于試樣中。混合均勻后，將燒杯置于室溫條件下(18～20℃)反應2h，每隔5～10min搖晃一次。2h后加入42mL去離子水，放入油浴鍋中，121℃下加熱水解1h。1h后取出冷卻至室溫，用砂芯過濾器過濾，稀釋至100倍后，用0.45μm微孔水系過濾頭過濾。經(jīng)過這兩步酸水解后，原料中的聚糖幾乎全部轉換成單糖，可用于進樣檢測。

2 結果與討論

2.1 離子色譜分離條件

分析柱：CarboPacTMPA20，150mm×3mm；保護柱：CarboPacTMPA20，30mm×3mm；柱溫30℃；體積流量0.5mL／min。

ED5000電化學檢測器：Au工作電極，Ag／AgCl參比電極，Ag對電極，糖標準四電位波形，見圖1。

圖1 糖測定的標準四電位波形Fig.1 Standard quadruple potential waveform for saccharides analysis

采用四電位脈沖安培檢測時，4個不同的電位，分別用于糖的氧化、電極還原清洗、電極氧化清洗和電極表面活化。該電位具有重現(xiàn)性好、靈敏度高的優(yōu)點，基本上消除了金電極表面凹陷現(xiàn)象和電化學腐蝕[18]。

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

離子色譜柱根據(jù)各單糖和糖醛酸的酸度系數(shù)(pKa)將其分離開。酸度系數(shù)越小，在分析柱上保留的時間越長。各單糖和糖醛酸的酸度系數(shù)如表1所示。由于糖醛酸是糖的衍生物，比相應的單糖多了羧基，其pKa更低，在陰離子柱上的保留時間也越長。7種單糖可以用2mmol／L NaOH等濃度分離20min，2種糖醛酸則必須用至少200mmol／L NaOH 淋洗，洗脫時間長達60min左右。因為NaAc淋洗液的洗脫能力遠強于NaOH，所以在20～30min可用50～200mmol／L NaAc和2mmol／L NaOH 梯度淋洗。最終使7種單糖和2種醛酸在30min內(nèi)得到較好分離。

為保證各化合物保留時間的重現(xiàn)性，每次分離結束后用200mmol／L NaOH 沖洗分離柱10min，以保證沖走分離柱內(nèi)所保留的檢測樣。然后需用2mmol／L NaOH平衡柱子10min，整個分離過程50min。淋洗程序如表2所示。

表2 分離各單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 標準溶液的分離譜圖與方法的重現(xiàn)性和檢出限

對7種單糖和2種糖醛酸的標準混合樣在優(yōu)化的分離與測定條件下進行分析，每次進樣25μL，色譜分離圖如圖2所示。在離子色譜檢測中，總檢測時間為30min，前20min可洗脫7種單糖，20min時基線上升，由于醋酸鈉淋洗液的加入，20～30min 2種糖醛酸也被洗脫出來。1號峰為鼠李糖和阿拉伯糖兩者完全重合，除鼠李糖和阿拉伯糖外，幾種物質可以得到很好分離。此標準混合溶液中，7種單糖和2種糖醛酸的含量均在10mg／L左右，連續(xù)6次進樣，測得結果如表3所示。分別計算出6次測定值的平均值(X)和變異系數(shù)(RSD)。

圖2 各單糖和糖醛酸標準混合樣的分離譜圖Fig.2 Chromatogram for separation of mixed reference monosaccharides and uronic acids sample

變異系數(shù)(RSD)越小，重現(xiàn)性越好。如表3所示，各標準糖和糖醛酸檢測濃度的RSD為0.73%～1.64%，滿足儀器分析變異系數(shù)＜3%的要求。以3倍基線噪音峰高計算方法的檢出限，各化合物的檢出限為2.5～14.9μg／L。這些數(shù)據(jù)表明本方法用于測定實際造紙原料具有良好的重現(xiàn)性和較高的準確性。

2.3 樣品分析結果

實驗對處理過的桉木酸水解液和玉米秸稈酸水解液樣品分別平行測定2次，并計算了2次測定的平均值，結果如表4所示。桉木水解液中檢測出了阿拉伯糖(鼠李糖)、半乳糖、葡萄糖、木糖、甘露糖和葡萄糖醛酸。玉米秸稈水解液中檢測出了半乳糖、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(因為玉米是禾本科，所以不含鼠李糖)。

表3 各種單糖和糖醛酸的重現(xiàn)性實驗Tab.3 Repeatability experiment of monosaccharides and uronic acids

表4 2種原料單糖質量分數(shù)(相對于絕干原料)Tab.4 Monosaccharides content of two materials

按表4數(shù)據(jù)，計算2種原料綜纖維和聚戊糖的質量分數(shù)[20－21]，公式如下：

綜纖維素的質量分數(shù)：

聚戊糖的質量分數(shù)：

式(1)、(2)中：系數(shù)0.6根據(jù)參考文獻[22]而定，闊葉木中微量的鼠李糖可以和阿拉伯糖合并在一起計算。

根據(jù)式(1)、(2)及表4中數(shù)據(jù)得桉木綜纖維素的質量分數(shù)為71.33%，聚戊糖的質量分數(shù)為19.36%；玉米秸稈綜纖維素的質量分數(shù)為60.77%，聚戊糖的質量分數(shù)為22.41%。用國家標準方法測得桉木綜纖維素的質量分數(shù)為73.96%，聚戊糖的質量分數(shù)為20.13%；玉米秸稈綜纖維素的質量分數(shù)為62.51%，聚戊糖的質量分數(shù)為19.79%。由此可以看出，這2種方法測得的結果相當。離子色譜法在詳細測定原料中各單糖含量的同時，還能計算出原料中綜纖維素和聚戊糖的含量。而用國家標準方法，樣品處理繁瑣，且影響因素較多，所測結果為總糖含量，不能確定各單糖的含量，無法滿足檢測指標日趨細化的要求[6]。

3 結 論

(1)在分析造紙原料各種單糖和糖醛酸組分含量時，酸水解液經(jīng)過稀釋過濾后，采用離子色譜檢測，處理步驟簡單，結果準確。

(2)在采用醋酸鈉和氫氧化鈉淋洗液梯度洗脫時，可以使7種單糖及2種糖醛酸得到較好的分離，且糖醛酸與單糖的峰相距較遠，易區(qū)分。采用離子色譜對混合標準糖進行平行實驗，各種組分的穩(wěn)定性均大于98%。

(3)用離子色譜測定處理過的桉木水解液和玉米秸稈水解液樣品。結果表明，在桉木和玉米秸稈中最主要的單糖是葡萄糖，其次是木糖。在桉木中沒有檢測出果糖和半乳糖醛酸，在玉米秸稈中沒有檢測出果糖。以測得的結果計算出的綜纖維和聚戊糖含量與用國家標準方法測得的結果相當。

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