РЕФЕРАТ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЛИГНИНА
Москва, 2009
Введение
Содержание лигнина в древесине и другом растительном сырье преимущественно определяют прямыми способами. Они основаны на количественном выделении лигнина удалением экстрактивных веществ соответствующей экстракцией и полисахаридов гидролизом концентрированными минеральными кислотами.
С аналитической точки зрения, под лигнином понимают ту часть обессмоленного растительного материала, которая остается в виде нерастворимого остатка после гидролиза полисахаридов холоцеллюлозы или при определении косвенным способом удаляется при выделении холоцеллюлозы. Известно, что концентрированные минеральные кислоты изменяют лигнин химически, вследствие реакций гидролитической деструкции простых эфирных связей и конденсации, но выделенный препарат кислотного лигнина по количеству более или менее соответствует его содержанию в древесине. Это количество удовлетворительно совпадает и с потерей массы обессмоленной древесины при количественном выделении холоцеллюлозы. Поэтому, несмотря на некоторую условность, кислотные методы определения лигнина до сих пор считаются наиболее обоснованными.
Основное требование к методам кислотного гидролиза — полное удаление полисахаридов при минимальном воздействии на лигнин. Точность результатов определения лигнина в значительной мере зависит от условий гидролиза: вида кислоты, ее концентрации, температуры и продолжительности обработки.
Для удаления экстрактивных веществ всегда необходимо предварительное экстрагирование, но любой растворитель вызывает потери лигнина. Чем жестче условия экстрагирования, тем больше потери лигнина.
Выделенный лигнин содержит примеси трех типов: примесь экстрактивных веществ, дающих в условиях кислотного гидролиза нерастворимые осадки; примесь продуктов гумификации
Сахаров — нерастворимых гуминоподобных соединений, образующихся из моносахаридов в жестких условиях кислотного гидролиза; примесь трудногидролизуемых полисахаридов и продуктов неполного гидролиза, адсорбируемых лигнином.
Наилучшими условиями гидролиза считают такие, в которых выделяется максимальное количество лигнина с максимальным содержанием метоксилов. Тогда выделенный лигнин не содержит примесей, ошибочно принимаемых за лигнин, и в то же время при его выделении не было значительных потерь.
Основное распространение в настоящее время получил сернокислотный метод определения лигнина. Солянокислотный метод приводит к меньшей гумификации Сахаров, но работа со сверхконцентрированной 41...42%-ной соляной кислотой менее удобна. Метод с концентрированной фтористоводородной кислотой дает очень мало нерастворимых продуктов, образующихся из углеводов, но требует специального оборудования из фторопласта, стойкого к фтористоводородной кислоте. Предложен ряд методик, в которых используют смеси серной кислоты с другими кислотами, главным образом для анализа технических целлюлоз.
В косвенных методах определения лигнин не выделяют, а его. массовую долю в древесине рассчитывают по разности после определения холоцеллюлозы, определяют лигнин спектрофото-метрическими методами или же рассчитывают по расходу окислителей на его окисление. Последняя группа методов применяется при анализе технических целлюлоз.
При определении по разности массовую долю лигнина,% к абсолютно сухой древесине, рассчитывают по формуле:
Лигнин=100 — экстрактивные вещества — холоцеллюлоза -f-+ остаточный лигнин в холоцеллюлозе.
Ошибки при определении по разности возникают из-за недостаточной точности определения массовой доли остаточного лигнина в холоцеллюлозе. Более точные результаты можно получить при расчете массовой доли полисахаридов по выходу Сахаров при полном гидролизе.
К УФ-спектрофотометрическим относится ацетилбромидный метод определения лигнина. УФ-спектрофотометрию используют также для определения кислоторастворимого лигнина и содержания лигнина в отработанных растворах после варки и отбелки технических целлюлоз. При спектрофотометрических методах для расчета массовой доли лигнина в древесине пользуются его коэффициентами поглощения или градировочными графиками, построенными с использованием препаратов лигнина. Это приводит к ошибкам из-за отсутствия стандартного эталонного препарата и варьирования коэффициентов поглощения у препаратов различного происхождения.
1. Предварительная обработка
При количественном определении лигнина кислотным гидролизом из растительного сырья необходимо предварительно удалить из древесины смолы, жиры, воски, неомыляемые вещества подходящими органическими растворителями. Растворитель должен достаточно полно извлекать экстрактивные вещества и при этом не вызывать потерь самого лигнина.
Одним из лучших растворителей для обессмоливания исследуемого сырья считают спиртотолуольную смесь. Применение одного этанола не рекомендуется, так как он извлекает некоторое количество лигнина. Небольшое количество лигнина удаляется и спиртотолуольной смесью. Подобным образом снижает выход лигнина экстрагирование горячей водой. Этиловый эфир практически не действует на лигнин, но иногда он может недостаточно полно удалять экстрактивные вещества.
Предварительное экстрагирование горячей водой рекомендуют для растительного сырья, богатого танинами. Танины — полифенольные вещества, которые могут растворяться в кислоте не полностью, конденсироваться с лигнином, а также образовывать в результате конденсации с сахарами нерастворимый осадок, так называемый псевдо лигнин. Экстрагирование горячей водой проводят после экстрагирования спиртотолуольной смесью. При большой массовой доле в исследуемом растительном сырье конденсированных танинов иногда применяют предварительное экстрагирование этанолом, например древесины дуба, каштана и т. п.
При анализе древесных пород, используемых обычно для варки целлюлозы, экстрагирование этанолом не требуется. При сообщении результатов анализа обязательно следует указать на использование этанольной экстракции. Иногда для удаления конденсированных танинов оказывается необходимой обработка холодным разбавленным водным раствором гидроксида натрия. При этом наблюдаются потери лигнина.
При анализе коры необходимо предварительное извлечение щелочью полифенольных кислот коры. Эти вещества не экстрагируются органическими растворителями и конденсируются с лигнином при кислотной обработке.
Древесина эвкалипта различных видов содержит в значительном количестве особые вещества — кино, родственные конденсированным танинам. Эти вещества не растворимы в органических растворителях, и для их удаления используют горячий разбавленный раствор гидроксида натрия или сульфита натрия.
При кислотном гидролизе из пентоз и гексоз образуются соответственно фурфурол и гидроксиметилфурфурол, которые в условиях определения лигнина могут с ним конденсироваться, приводя к неизбежным ошибкам. Рекомендуемый некоторыми исследователями предварительный гидролиз разбавленной кислотой для удаления пентозанов и гексозанов не дает существенных преимуществ, так как приводит к потере лигнина.
При анализе некоторых видов травянистых растений, сельскохозяйственных отходов, а также развивающейся древесной ткани к ошибкам в определении лигнина могут приводить белки. Большей частью при анализе они переходят в раствор кислоты, но частично образуют нерастворимые продукты конденсации с лигнином. При анализе зрелых растений из результатов определения вычитают поправку на белки, равную массовой доле азота в процентах, умноженной на 6,25. При анализе молодых растений и тканей фактор пересчета становится менее определенным, так как содержание азота в продуктах конденсации фрагментов белков с лигнином отличается от содержания азота в белках исходной древесины. При высокой массовой доле белков в тканях и низкой массовой доле лигнина ошибка становится существенной. В подобных случаях, а также при анализе однолетнего сырья и сельскохозяйственных отходов можно использовать предварительный гидролиз 1%-ной H2
SO4
или HCI1
но такой предгидролиз приводит к потере некоторой части лигнина. Целесообразнее для удаления белков применять предварительную обработку такими протеолитическими ферментами, как пепсин, трипсин и т. п.
Травянистые растения, солома, бамбук и т. п. могут содержать значительные количества диоксида кремния. В таких случаях в результаты анализа обязательно вносят поправку на содержание золы в лигнине. При анализе древесины с малым содержанием минеральных веществ поправку на золу можно не делать. Следует заметить, что некоторые тропические древесные породы могут содержать повышенное количество минеральных веществ.
2. Сернокислотный метод
Впервые гидролиз концентрированной серной кислотой для определения содержания лигнина в древесине предложил Класон, и препарат выделенного лигнина получил название «лигнин Класона». В дальнейшем методика анализа неоднократно модифицировалась.
Гидролиз полисахаридов серной кислотой осуществляют в две стадии. Сначала действуют концентрированной 64..78%-ной серной кислотой при нормальной температуре, а затем смесь лигнина с кислотой разбавляют и кипятят для доведения гидролиза до конца, т. е. для превращения олигосахаридов в моносахариды. Полисахариды могут гидролизоваться уже при массовой доле серной кислоты в растворе около 60%, но для гидролиза необходимо очень длительное время, а при массовой доле кислоты 76...78% уже начинается гумификация Сахаров. Оптимальной считают массовую долю кислоты 72%, как для хвойных, так и для лиственных пород. Для I г древесины обычно используют 15 см3
кислоты. При анализе легких древесных пород, в том числе тропических, рекомендуется на 1 г древесины использовать 20 см кислоты.
Температура и продолжительность обработки взаимосвязаны. Чем выше температура, тем меньше должна быть продолжительность обработки. Температура выше 30°С вообще не рекомендуется из-за получения очень темного труднофильтрующегося осадка лигнина, загрязненного примесями продуктов гумификации Сахаров.
Образующиеся при гидролизе полисахаридов концентрированной кислотой олигосахариды необходимо подвергнуть дополнительному гидролизу до моносахаридов, поскольку олигосахариды могут прочно удерживаться лигнином и не удаляться при промывке водой. Кроме того, довольно значительное количество лигнина, особенно в случае лиственной древесины, растворяется в концентрированной серной кислоте, но осаждается при разбавлении и кипячении.
Для второй ступени гидролиза кислоту чаще всего разбавляют до 3%-ной. Продолжительность кипячения в различных методиках колеблется от 1 до 5 ч. Следует заметить, что продолжительность второй ступени гидролиза также оказывает влияние на выход остатка лигнина. Слишком продолжительный гидролиз разбавленной кислотой приводит к распаду моносахаридов с образованием продуктов, которые могут конденсироваться с лигнином. Для фильтрования лигнина с отсосом используют стеклянные пористые фильтры или же бумажные фильтры для фильтрования без отсоса.
При проведении анализа малоизученного растительного сырья требуются предварительные исследования для установления оптимальных условий — концентрации серной кислоты, продолжительности и температуры первой ступени гидролиза, продолжительности второй ступени, процедуры предварительной обработки с проверкой по приведенному выше критерию.
3. Определение лигнина с 72%-ной серной кислотой в модификации Комарова
Методика анализа. Навеску воздушно-сухих обессмолепных этиловым эфиром или спиртотолуольной смесью опилок массой около 1 г помещают в коническую колбу вместимостью 50 см с притертой пробкой. Влажность обессмоленной древесины определяют в отдельной пробе по обычной методике. К навеске добавляют 15 см3
72%-ной Hi
SO4
и выдерживают в термостате при температуре 24...25°С в течение 2,5 ч при периодическом осторожном помешивании во избежание образования комков. Затем смесь лигнина с кислотой переносят в коническую колбу вместимостью 500 см', смывая лигнин 200 см' дистиллированной воды. При этом можно пользоваться стеклянной палочкой с резиновым наконечником. Разбавленную смесь кипятят с обратным холодильником на электрической плитке в течение I ч. Частицам лигнина дают укрупниться и осесть. Затем лигнин отфильтровывают на стеклянном пористом фильтре, высушенном до постоянной массы. Фильтрование рекомендуется проводить на следующий день. При проведении параллельных и серийных анализов фильтрование следует проводить через строго определенный промежуток времени. Мелкодисперсные лигнины фильтруют через стеклянный фильтр с «нафтал
Начинать фильтрование рекомендуется без отсоса. Сначала на фильтр сливают отстоявшуюся жидкость, а затем начинают переносить осадок. Окончательно переносят осадок лигнина из колбы на фильтр с помощью горячей воды, добавляя ее малыми порциями, при промывке. При замедлении фильтрования подключают водоструйный насос, но при этом не следует отсасывать осадок на фильтре досуха. Необходимо оставлять слой воды перед добавлением каждой новой порции фильтруемой жидкости. После промывки от кислоты отсасывают жидкость полностью.
Для установления конца промывки каплю жидкости, стекающем с фильтра, наносят на фильтровальную бумагу и добавляют каплю индикатора. Если последний не меняет цвета, промывку считают законченной.
При использовании нафталиновой подушки сушку в шкафу для влажных веществ продолжают до исчезновения слоя нафталина и только после этого переносят фильтр с лигнином в шкаф для сухих веществ.
Массовую долю лигнина, % к абсолютно сухой исходной древесине, рассчитывают по формуле
где mi— масса фильтра с лигнином, г; т — масса пустого фильтра, г; g— масса абсолютно сухой навески обессмоленной древесины, г; К, — коэффициент экстрагирования органическим растворителем.
Разность между результатами двух параллельных определений не должна превышать 0,5%.
Приготовление нафталиновой подушки. Растворяют 25 г н^фтал 1на в 500 сма
этанола при нагревании на водяной бане. В этом случае массовую долю лигнина, % к абсолютно сухой исходной древесине, рассчитывают с учетом коэффициента щелочной обработки
где g' — масса абсолютно сухой навески древесины, обработанной последовательно органическим растворителем и щелочью, г; К-.ш — общий коэффициент экстрагирования.
2. При необходимости внесения поправки на содержание золы лигнин озоляют. Для этого после взвешивания стеклянного фильтра с лигнином лигнин разрыхляют тонкой иглой и осторожно пересыпают в прокаленный до постоянной массы тигель. Стеклянный фильтр снова взвешивают. Массу перенесенного в тигель лигнина определяют по разности первого и второго взвешиваний. Озоление лигнина ведут по методике озоления древесины и рассчитывают массовую долю золы в лигнине в процентах. Для расчета содержания беззольного лигнина массовую долю лигнина в процентах, рассчитанную по одной из двух вышеприведенных формул, умножают на коэффициент обеззоливания K2
= /100, где А — массовая доля золы в лигнине,%.
4. Определение лигнина с 72%-ной серной кислотой в модификации ВНПОБумпром
Методика анализа. Навеску воздушно-сухих обессмоленных этиловым эфиром опилок массой около 1 г помещают в коническую колбу вместимостью 250 см3
с притертой пробкой. Влажность обессмоленной древесины определяют в отдельной пробе. В колбу добавляют 15 см3
72%-ной H2
SO4
и выдерживают в термостате при 24...25°С в течение 2,5 ч, периодически перемешивая содержимое колбы во избежание образования комков. Затем к смеси лигнина с кислотой приливают 200 см3
дистиллированной воды, присоединяют колбу к обратному холодильнику и кипятят на плитке в течение 2 ч.
Фильтрование лигнина проводят на следующий день, чтобы частицы его достаточно укрупнились. Раствор с осадком лигнина фильтруют через сложенные вместе два уравновешенных на аналитических весах бумажных фильтра. Осадок лигнина и фильтры тщательно промывают горячей водой из промывалки до полного удаления кислоты.
Фильтры с лигнином сушат в сушильном шкафу при температуре °С до постоянной массы и взвешивают верхний фильтр с лигнином, помещая нижний фильтр на чашку аналитических весов с разновесами.
Массовую долю лигнина,% к абсолютно сухой исходной древесине, рассчитывают по формуле
где т — масса лигнина, г; g— масса абсолютно сухой навески обессмоленной древесины, г; К, — коэффициент экстрагирования органическим растворителем.
Разность между результатами двух параллельных определений не должна превышать 0,5%.
5. Определение кислоторастворимого лигнина и общего содержания лигнина
При обработке древесины концентрированной серной кислотой часть лигнина, особенно значительная в случае древесины лиственных пород, переходит в раствор. При анализе древесины хвойных пород в 72%-ной H2
SO4
растворяется 2...3% общего количества лигнина, а при анализе древесины лиственных пород — от 25 до 60%. После разбавления реакционной смеси и кипячения большая часть растворенного лигнина осаждается в виде кислотонерастворимого лигнина, а в фильтрате остается кислоторастворимый лигнин. Количество кислоторастворимого лигнина зависит от концентрации кислоты на первой стадии гидролиза и продолжительности обработки. При увеличении концентрации и уменьшении времени обработки количество кислоторастворимого лигнина увеличивается. Обычно древесина хвойных пород дает около 3% кислоторастворимого лигнина от общего количества, древесина лиственных пород — до 15...17%, ткани однодольных растений по выходу кислоторастворимого лигнина занимают промежуточное положение. В препаратах целлюлозы, холоцеллюлозы, а также в технических целлюлозах массовая доля кислоторастворимого лигнина по сравнению с исходной древесиной возрастает, так как под действием делигнифицирующих реагентов дополнительно образуется кислоторастворимый лигнин.
Для получения точных данных о содержании лигнина и древесине и другом растительном сырье необходимо учитывать образующийся при кислотном гидролизе кислоторастворимый лигнин и рассчитывать общее содержание лигнина.
Количество кислоторастворимого лигнина в растворе определяют с помощью УФ-спектрофотометрии, используя три метода
где D280
и D2
i5
— оптические плотности фильтратов лигнина при длинах волн соответственно 280 и 215 нм и толщине поглощающего УФ-излучение слоя, равной 1 см; 0,68 и 0,15 — коэффициенты поглощения продуктов распада моносахаридов, дм3
-• г^'-см-1
; 18 и 70—коэффициенты поглощения лигнина, дм3
· г~ 1
· см-
'; см
и Cl
— концентрации продуктов распада моносахаридов и кислоторастворимого лигнина в фильтрате, г/дм3
.
При совместном решении уравнений получается следующее выражение для концентрации кислоторастворимого лигнина, г/дм3
,
При использовании максимума при 280 нм из фильтрата
необходимо удалять фурфурол, поглощающий УФ-лучи при той же длине волны. Один из способов основан на восстановлении фурфурола борогидридом натрия в щелочной среде. Образующийся спирт уже не поглощает УФ-лучей в области 280 нм:
Реакция восстановления протекает очень быстро, практически мгновенно.
В более простом, но менее точном методе удаляют фурфурол дополнительным кипячением реакционной смеси в открытом стакане при поддержании постоянного объема жидкости добавлением горячей воды.
Концентрацию кислоторастворимого лигнина в растворе рассчитывают по градировочным графикам или удельным коэффициентам поглощения, вычисленным на основе градировочных графиков. При отсутствии эталонного препарата лигнина и невозможности вследствие этого построить градировочный график для приближенного расчета можно воспользоваться приведенными в литературе. Для построения градировочного графика используют раствор эталонного препарата лигнина в смеси ацетилбромид-уксусная кислота. В условиях анализа распада углеводов практически не происходит и УФ-поглощение полученного раствора обусловлено только лигнином.
6. Определение кислоторастворимого лигнина УФ-спектрофотометрическим методом при длине волны 280 нм
Методика анализа. Навеску воздушно-сухих обессмоленных этиловым эфиром или спиртотолуольной смесью опилок массой около 1 г помещают в коническую колбу вместимостью 50 см3
с притертой пробкой. Влажность обессмоленной древесины определяют в отдельной пробе по обычной методике. Добавляют к навеске 15 см3
72%-ной H2
SO4
и выдерживают в термостате при температуре 24...25°С в течение 2,5 ч. Содержимое колбы периодически осторожно помешивают во избежание образования комков. Затем смесь лигнина с кислотой переносят в стакан вместимостью 1 дм3
, вымывая лигнин из колбы горячей дистиллированной водой в количестве 560 см3
. Кипятят лигнин с разбавленной кислотой в открытом стакане на плитке в течение 5 ч, поддерживая примерно постоянный уровень жидкости периодическим добавлением горячей дистиллированной воды. Оставляют стакан на 24 ч для укрупнения и оседания частиц лигнина.
После этого раствор с осадком лигнина фильтруют через два уравновешенных на аналитических весах и вложенных один в другой бумажных фильтра на стеклянной конусообразной воронке. Края фильтра должны быть ниже края воронки. Фильтрат собирают в мерную колбу вместимостью 1 дм3
. Лигнин и фильтры отмывают горячей дистиллированной водой и присоединяют промывные воды к фильтрату в мерной колбе. Продолжают промывку горячей водой до полного удаления кислоты. Эти промывные воды отбрасывают.
Фильтры с лигнином сушат в сушильном шкафу при температуре °С до постоянной массы. Окончательно взвешивают верхний фильтр с лигнином, помещая нижний фильтр на чашку аналитических весов с разновесом.
Массовую долю кислотонерастворимого лигнина Lkh
,%к абсолютно сухой исходной древесине, рассчитывают по формуле, приведенной выше.
Для определения кислоторастворимого лигнина фильтрат с первой порцией промывных вод в мерной колбе доводят дистиллированной водой до объема 1 дм'. Для фотометрирования пипеткой отбирают пробы раствора 5...20 см3
, в зависимости от концентрации лигнина, и разбавляют в мерной колбе дистиллированной водой до 50 см3
. Объем пробы, отбираемой на фотометрирование, подбирают таким образом, чтобы измеряемая оптическая плотность находилась в пределах 0,3...0,7. При малой концентрации лигнина раствор не разбавляют. Затем измеряют на УФ-спектрофотометре оптическую плотность полученного раствора в кювете с толщиной слоя раствора 1 см при длине волны 280 нм для хвойного лигнина и 278 нм для лиственного лигнина и однодольных растений. Концентрацию кислоторастворимого лигнина в разбавленном фильтрате, г/дм3
, находят по градуировочным графикам, построенным по оптической плотности растворов соответствующих препаратов диоксанлигнина. На рис. 2.15. приведены примеры градуировочных графиков для лигнинов различного происхождения.
Массовую долю кислоторастворимого лигнина,% к абсолютно сухой исходной древесине, рассчитывают по формуле
где с — концентрация кислоторастворимого лигнина в разбавленном фильтрате, г/дм3
;н— объем пробы фильтрата, взятый на фотометрирование, см3
, для неразбавленного растворан = = 50 см3
; g— масса абсолютно сухой навески обессмоленной древесины, г; K3
— коэффициент экстрагирования органическим растворителем.
В случае применения дополнительной щелочной обработки древесины вместо коэффициента K3
в расчетах используют
общий коэффициент экстрагирования Л',щ
- при необходимости проводят золение лигнина и в расчет вносят поправку на золу.
Общее содержание лигнина будет равно сумме кислотонерастворимого Lkh
и кислоторастворимого Lкр
лигнинов
Построение градировочных графиков. В качестве эталонного препарата лигнина используют диоксанлигнин, выделенный из соответствующего растительного источника. Готовят 10 растворов эталонного диоксанлнгнина в диоксан-воде с концентрацией от 0,01 до 0,1 г/дм3
и измеряют их оптические
плотности при соответствующей длине волны. По полученным данным на миллиметровой бумаге строят график, откладывая по оси абсцисс концентрации раствора лигнина, а по оси ординат значения оптической плотности. При отсутствии эталонного препарата для расчета можно использовать удельные коэффициенты поглощения лигнинов.
Восстановление фурфурола борогидридом натрия. Из разбавленного фильтрата в мерной колбе отбирают пипеткой в мерную колбу на 50 см3
пробы раствора 5...20 см3
, как указано выше, добавляют раствор гидроксида натрия до щелочной реакции, 5 см3
раствора борогидрида натрия 0,05 моль/дм3
) и хорошо перемешивают. Раствор после восстановления подкисляют раствором серной кислоты концентрацией 0,1 моль/дм3
до рН 6, доводят до метки дистиллированной водой и измеряют оптическую плотность, как указано выше, с последующим расчетом по градировочным графикам или удельным коэффициентам поглощения.