快速測定麥草原料中聚戊糖含量的新方法

周 敏 馮文英

(中國制漿造紙研究院，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，測定聚戊糖含量對于表征半纖維素含量更具有實際意義［1］。目前造紙行業測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)。

造紙行業中測定聚戊糖含量通常采用12%鹽酸水解的方法，即試樣與質量分數12%鹽酸共沸，使試樣中的聚戊糖水解生成戊糖，戊糖進一步脫水轉化成糠醛，并將蒸餾出的糠醛經冷卻收集定容后，采用容量滴定法測定聚戊糖含量，該方法操作復雜且時間長，一次測定需要3 h左右。

紫外分光光度法測定聚戊糖，首先采用與容量滴定法相同的方法將聚戊糖轉化為糠醛，然后用分光光度法定量測定蒸餾出來的糠醛含量，然后換算成聚戊糖含量。此過程要繪制標準曲線，且測定時要在25℃環境中靜置1 h，操作同樣復雜，并沒有減少測定時間［2］。

在食品工業中，間苯三酚分光光度法 (Douglas比色法)被用來快速測定食品生產過程廢水中的聚戊糖［3-11］。間苯三酚分光光度法操作簡單、快速。其測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生縮聚反應，生成多環的二芳基甲烷，呈深粉紅色，在553 nm處有最大吸收，一定范圍內，反應液顏色與還原糖量呈正比，可用分光光度法測定。根據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，然后再折算成聚戊糖含量。

加標回收率的測定是實驗室常用的確定準確度的方法之一，也是分析人員在樣品測定時，作為質量控制的主要方法。加標回收率的大小不僅反映了分析人員的操作技術水平，更重要的是它反映了分析方法是否適合被測水體，幫助分析人員及時地發現分析中存在的問題，確保分析數據準確、可靠。加標回收率就是在測定樣品的同時，于一樣品的子樣中加入一定量的標準物質進行測定，將其測定結果扣除樣品的測定值，而得到加入標準物質的回收率。本研究中為了確保間苯三酚分光光度法測定結果的準確性和可靠性，進行了加標回收率實驗［12］。

本研究的目的是將食品工業采用的間苯三酚分光光度法測定廢水中聚戊糖的方法應用到造紙行業，以快速測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定聚戊糖含量的關系，為造紙行業快速測定原料中聚戊糖的含量提供參考。

1 實驗

1.1 原料、儀器和設備

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，美國哈希公司;萬分之一電子天平，梅特勒公司;可控溫電爐。

1.2 試劑

D-木糖標準溶液:木糖干燥至恒質量，準確稱取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。

質量分數12%的鹽酸:量取307 mL濃鹽酸，稀釋至1000 mL，加鹽酸或加水調整使其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。

硫代硫酸鈉標準溶液 ［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 麥草原料及預提取半纖維素后麥草物料制備

取風干麥草，用磨粉機粉碎并收集40～60目粉末，平衡水分供容量滴定法測定用;其中部分40～60目粉末用研缽研磨成200目細粉，供間苯三酚分光光度法測定用。

干爆:取絕干麥草500 g，按照溫度設定飽和蒸汽壓力，向反應室內通入飽和蒸汽，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，按照溫度設定飽和蒸汽壓力，向反應室內通入飽和蒸汽，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。

堿預處理:取絕干麥草1 kg，在實驗室15 L電熱回轉蒸煮鍋中進行半纖維素預提取。預提取條件為:液比1∶5、升溫30 min(50℃開始計時)、最高溫度90℃、保溫時間1 h、用堿量為0、5%、10%、15%、20%和25%。預提取完畢后分離提取液和固體物料。

經干爆、濕爆和堿預提取3種方法預提取半纖維素后的麥草物料采用上述同樣方法備料。

1.4 木糖標準曲線繪制

取6只比色管分別編號為0#、1#、2#、3#、4#、5#，在其中分別加入1 mg/mL的木糖標準溶液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測定各種木糖濃度下的吸光度。

木糖標準曲線為:

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 最大吸收波長的紫外 (UV)檢測

分別將配制好的D-葡萄糖、D-木糖、D-甘露糖、L-阿拉伯糖作為待測樣品，用間苯三酚溶液進行顯色，反應液在300～600 nm進行紫外掃描。

1.6 麥草原料中聚戊糖含量測定

容量滴定法:按GB/T 2677.9—1994的方法進行。

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，待粉末變為紅色后，加入1 mL蒸餾水。放入沸水浴中加熱10 min，保證反應完全。同時用蒸餾水做空白實驗，比色方法按1.4的描述進行，聚戊糖含量按式 (1)計算。

式中，C為由木糖標準曲線查得的木糖量，mg;G為測試樣品的質量，mg;0.88為木糖與聚戊糖的換算系數。

1.7 樣品加標回收率測定方法

取兩份相同的麥草樣品，其中1份加入定量的木糖標準物質;兩份同時按1.6中描述的實驗方法步驟進行分析，加標樣品所得的結果減去未加標樣品所得的結果，其差值 (測得量)與加入標準物質的理論值 (加標量)之比即為樣品加標回收率，按式 (2)計算。

2 結果與討論

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，將這些單糖的標準溶液與間苯三酚進行顯色反應后，在紫外光譜中進行了300～600 nm掃描，結果見圖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附近也有一個比較寬的吸收峰，而六碳糖在500～600 nm區域內均無吸收峰。其中D-木糖和L-阿拉伯糖在553 nm處均有最大吸收峰，但是鑒于周衛星等人［13］對小麥稈水解液各種單糖的分析發現，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定聚戊糖含量。

間苯三酚分光光度法測定樣品中聚戊糖含量的實驗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間，本實驗首先對這3個因素進行了優化。

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，顯色時間20 min，實驗結果見圖2所示。從圖2可知，隨著樣品用量增加，測得聚戊糖含量減小，說明樣品用量增加時，部分聚戊糖沒有降解為單糖，導致測定結果偏低。當麥草樣品用量為0.5～1.0 mg時，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 麥草樣品用量對聚戊糖含量測定結果的影響

2.2 顯色時間

當麥草樣品用量1.0 mg，顯色劑用量10 mL，變化顯色時間為5～30 min時，實驗結果見圖3所示。由圖3可見，當顯色時間為10 min時，聚戊糖含量最高，顯色時間為5 min時，由于大部分聚戊糖還沒有完全水解，所以測定結果偏低。顯色時間超過10 min時，聚戊糖含量又逐漸降低，可能是由于該顯色反應穩定性較差，延長顯色時間會導致吸光度降低，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行比色分析。

圖3 顯色時間對聚戊糖含量測定結果的影響

2.3 顯色劑用量

當麥草樣品用量1.0 mg和顯色時間10 min時，改變顯色劑用量為6～11 mL，實驗結果見圖4所示。由圖4可見，隨著顯色劑用量的增加，聚戊糖含量的測定值提高。當顯色劑用量增加到9～11 mL時，測定結果變化不大。此外，鑒于在繪制標準曲線時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 顯色劑用量對聚戊糖含量測定結果的影響

2.4 優化條件下麥草樣品聚戊糖含量的測定

優化條件:麥草樣品用量1.0 mg，顯色時間10 min，顯色劑用量10 mL。在此條件下對麥草樣品聚戊糖含量進行5次測定，測定結果分別為 20.05%、21.27%、22.46%、22.74%、20.89%，平均值為21.48%，相對標準偏差RSD為5.19%。

為了確定此方法的實際應用效果，實驗中還采用容量滴定法 (GB/T 2677.9—1994)對麥草聚戊糖含量進行了3次測定，聚戊糖含量測定結果分別為24.70%、24.94%、24.73%，平均值為24.79%。

對實驗結果進行比較發現，間苯三酚分光光度法測定麥草原料中聚戊糖含量數值均小于容量滴定法測定的數值，原因是在麥草樣品中有一部分非水溶性聚戊糖，在酸性環境中仍不能水解為單糖，導致間苯三酚分光光度法測定結果數值偏低。非水溶性聚戊糖含量越多，測定結果數值越低［14］。此外，間苯三酚分光光度測定法給定的木糖與聚戊糖的關系中，木糖與聚戊糖的換算系數0.88，不能準確表征兩者之間的關系，也會導致結果有偏差。

2.5 加標回收率測定

加標回收率在一定程度上能夠反映實驗過程對實驗結果的影響，加標回收率實驗結果見表1。

表1 加標回收率的測定結果

表2 間苯三酚分光光度法與容量滴定法測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定聚戊糖含量的關系

從表1可見，本實驗加標回收率范圍為93.20%～102.85%，說明采用間苯三酚分光光度法測定麥草原料聚戊糖含量這個實驗過程對實驗結果影響不大。

2.6 建立間苯三酚分光光度法和容量滴定法測定麥草原料聚戊糖含量的關系

分別采用間苯三酚分光光度法和容量滴定法對預提取半纖維素后的麥草樣品進行了聚戊糖測定，實驗結果見表2和圖5所示。

對于不同預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測定其聚戊糖含量，可以建立某種關系。從圖5可以看出，兩者之間呈現較好的線性關系，關系方程為y=1.1348x+1.3884，R2=0.9729。式中y為容量滴定法的測定結果，x為間苯三酚分光光度法的測定結果。

從表2和圖5不難發現，間苯三酚分光光度法測定結果較容量滴定法測定結果數值偏低，與麥草原料測定結果一致，原因類似。主要是因為麥草原料中含有非水溶性聚戊糖，而且隨著預處理程度加深，非水溶性聚戊糖相對含量逐漸增加，所得間苯三酚分光光度法測定結果與容量滴定法測定結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定結果較容量滴定法測定結果偏低，但是根據建立的相關關系式可以快速估算出容量滴定法測定的近似結果。

3 結論

3.1 采用間苯三酚分光光度法對麥草原料聚戊糖含量測定的條件進行了優化，優化條件為:麥草樣品用量1.0 mg，顯色時間10 min，顯色劑用量10 mL。間苯三酚分光光度法在最佳測定條件下測定麥草樣品聚戊糖含量平均為21.48%。容量滴定法測得的麥草聚戊糖含量平均為24.79%。間苯三酚分光光度法測定結果較容量滴定法測定結果稍低。

3.2 通過容量滴定法和間苯三酚分光光度法對預提取半纖維素后的麥草樣品進行了聚戊糖含量測定，比較兩種方法的測定結果，建立了相關關系，關系方程為y=1.1348x+1.3884，R2=0.9729。根據建立的相關關系式可以快速估算出容量滴定法測定的近似結果。

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