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 H2SO4 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.