РЕФЕРАТ
ВИЗНАЧЕННЯ Лігнін
Москва, 2009
Введення
Зміст лігніну в деревині і другом рослинному сировина переважно визначають прямими способами. Вони засновані на кількісному виділення лігніну видаленням екстрактивних речовин відповідної вилученням та полісахаридів гідролізом концентрованими мінеральними кислотами.
З аналітичної точки зору, під лігніном розуміють ту частину обессмоленного рослинного матеріалу, яка залишається у вигляді нерозчинного залишку після гідролізу полісахаридів холоцеллюлози або при визначенні непрямим способом видаляється при виділенні холоцеллюлози. Відомо, що концентровані мінеральні кислоти змінюють лігнін хімічно, внаслідок реакцій гідролітичної деструкції простих ефірних зв'язків та конденсації, але виділений препарат кислотного лігніну за кількістю більш-менш відповідає його змісту в деревині. Ця кількість задовільно збігається і з втратою маси обессмоленной деревини при кількісному виділення холоцеллюлози. Тому, незважаючи на деяку умовність, кислотні методи визначення лігніну до цих пір вважаються найбільш обгрунтованими.
Основна вимога до методів кислотного гідролізу - повне видалення полісахаридів при мінімальному впливі на лігнін. Точність результатів визначення лігніну в значній мірі залежить від умов гідролізу: виду кислоти, її концентрації, температури і тривалості обробки.
Для видалення екстрактивних речовин завжди необхідно попереднє екстрагування, але будь-який розчинник викликає втрати лігніну. Чим жорсткіше умови екстрагування, тим більше втрати лігніну.
Виділений лігнін містить домішки трьох типів: домішка екстрактивних речовин, що дають в умовах кислотного гідролізу нерозчинні осади; домішка продуктів гуміфікації
Сахаров - нерозчинних гуміноподобних сполук, що утворюються з моносахаридів в жорстких умовах кислотного гідролізу; домішка трудногідролізуемих полісахаридів і продуктів неповного гідролізу, що адсорбуються лігніном.
Найкращими умовами гідролізу вважають такі, в яких виділяється максимальна кількість лігніну з максимальним вмістом метоксілов. Тоді виділений лігнін не містить домішок, помилково приймаються за лігнін, і в той же час при його виділення не було значних втрат.
Основне поширення в даний час отримав сірчанокислотний метод визначення лігніну. Солянокислотного метод призводить до меншої гуміфікації Сахаров, але робота з сверхконцентрірованной 41 ... 42%-ної соляної кислотою менш зручна. Метод з концентрованою кислотою фтористоводородной дає дуже мало нерозчинних продуктів, що утворюються з вуглеводів, але вимагає спеціального обладнання з фторопласту, стійкого до фтористоводородной кислоті. Запропоновано ряд методик, в яких використовують суміші сірчаної кислоти з іншими кислотами, головним чином для аналізу технічних целюлоз.
У непрямі методи визначення лігнін не виділяють, а його. масову частку в деревині розраховують за різницею після визначення холоцеллюлози, визначають лігнін спектрофото-метричними методами або ж розраховують по витраті окислювачів на його окислення. Остання група методів застосовується при аналізі технічних целюлоз.
При визначенні за різниці масову частку лігніну,% до абсолютно сухої деревини, розраховують за формулою:
Лігнін = 100 - екстрактивні речовини - холоцеллюлоза-f-+ залишковий лігнін в холоцеллюлозе.
Помилки при визначенні по різниці виникають через недостатню точності визначення масової частки залишкового лігніну в холоцеллюлозе. Більш точні результати можна отримати при розрахунку масової частки полісахаридів по виходу Сахаров при повному гідролізі.
До УФ-спектрофотометричним відноситься ацетілбромідний метод визначення лігніну. УФ-спектрофотометрію використовують також для визначення кіслоторастворімого лігніну і змісту лігніну у відпрацьованих розчинах після варіння та відбілювання технічних целюлоз. При спектрофотометричних методах для розрахунку масової частки лігніну в деревині користуються його коефіцієнтами поглинання або градіровочнимі графіками, побудованими з використанням препаратів лігніну. Це призводить до помилок через відсутність стандартного еталонного препарату і варіювання коефіцієнтів поглинання у препаратів різного походження.
1. Попередня обробка
При кількісному визначенні лігніну кислотним гідролізом з рослинної сировини необхідно заздалегідь видалити з деревини смоли, жири, воски, неомильних речовини придатними органічними розчинниками. Розчинник повинен достатньо повно витягувати екстрактивні речовини і при цьому не викликати втрат самого лігніну.
Одним з кращих розчинників для знесмолювання досліджуваного сировини вважають спіртотолуольную суміш. Застосування одного етанолу не рекомендується, так як він витягує деяку кількість лігніну. Невелика кількість лігніну віддаляється і спіртотолуольной сумішшю. Подібним чином знижує вихід лігніну екстрагування гарячою водою. Етиловий ефір практично не діє на лігнін, але іноді він може недостатньо повно видаляти екстрактивні речовини.
Попереднє екстрагування гарячою водою рекомендують для рослинної сировини, багатого танинами. Таніни - поліфенольні речовини, які можуть розчинятися в кислоті не повністю, конденсуватися з лігніном, а також утворювати в результаті конденсації з цукрами нерозчинний осад, так званий псевдо лігнін. Екстрагування гарячою водою проводять після екстрагування спіртотолуольной сумішшю. При великій масовій частці в досліджуваному рослинній сировині конденсованих танінів іноді застосовують попереднє екстрагування етанолом, наприклад деревини дуба, каштана тощо
При аналізі деревних порід, які використовують зазвичай для варіння целюлози, екстрагування етанолом не потрібно. При повідомленні результатів аналізу обов'язково слід вказати на використання етанольних екстракції. Іноді для видалення конденсованих танінів виявляється необхідної обробка холодним розведеним водним розчином гідроксиду натрію. При цьому спостерігаються втрати лігніну.
При аналізі кори необхідно попереднє витяг лугом поліфенольних кислот кори. Ці речовини не екстрагуються органічними розчинниками і конденсуються з лігніном при кислотної обробці.
Деревина евкаліпта різних видів містить у значній кількості особливі речовини - кіно, родинні конденсованим таніну. Ці речовини не розчиняються в органічних розчинниках, і для їх видалення використовують гарячий розбавлений розчин гідроксиду натрію або сульфіту натрію.
При кислотному гідролізі з пентоз і гексоз утворюються відповідно фурфурол і гідроксиметилфурфуролу, які в умовах визначення лігніну можуть з ним конденсуватися, приводячи до неминучих помилок. Рекомендований деякими дослідниками попередній гідроліз розведеною кислотою для видалення пентозанів і гексозанов не дає істотних переваг, оскільки призводить до втрати лігніну.
При аналізі деяких видів трав'янистих рослин, сільськогосподарських відходів, а також розвивається деревної тканини до помилок у визначенні лігніну можуть приводити білки. Здебільшого при аналізі вони переходять в розчин кислоти, але частково утворюють нерозчинні продукти конденсації з лігніном. При аналізі зрілих рослин з результатів визначення віднімають поправку на білки, рівну масовій частці азоту у відсотках, помноженої на 6,25. При аналізі молодих рослин і тканин фактор перерахунку стає менш певним, так як вміст азоту в продуктах конденсації фрагментів білків з лігніном відрізняється від вмісту азоту в білках вихідної деревини. При високій масовій частці білків у тканинах і низькою масовій частці лігніну помилка стає істотною. У подібних випадках, а також при аналізі однорічного сировини і сільськогосподарських відходів можна використовувати попередній гідроліз 1%-ної H 2 SO 4 або HCI 1 та такий предгідроліз призводить до втрати деякої частини лігніну. Доцільніше для видалення білків застосовувати попередню обробку такими протеолітичними ферментами, як пепсин, трипсин і т. п.
Трав'янисті рослини, солома, бамбук і т. п. можуть містити значні кількості діоксиду кремнію. У таких випадках в результати аналізу обов'язково вносять поправку на вміст золи в лігнін. При аналізі деревини з малим вмістом мінеральних речовин поправку на золу можна не робити. Слід зауважити, що деякі тропічні деревні породи можуть містити підвищену кількість мінеральних речовин.
2. Сірчанокислотний метод
Вперше гідроліз концентрованої сірчаної кислотою для визначення вмісту лігніну в деревині запропонував Класон, і препарат виділеного лігніну отримав назву «лігнін Класон». Надалі методика аналізу неодноразово модифікувалася.
Гідроліз полісахаридів сірчаної кислотою здійснюють у дві стадії. Спочатку діють концентрованої 64 .. 78%-ної сірчаної кислотою при нормальній температурі, а потім суміш лігніну з кислотою розбавляють і кип'ятять для доведення гідролізу до кінця, тобто для перетворення олігосахаридів в моносахариди. Полісахариди можуть гидролизоваться вже при масовій частці сірчаної кислоти в розчині близько 60%, але для гідролізу необхідно дуже тривалий час, а при масовій частці кислоти 76 ... 78% вже починається гуміфікація Сахаров. Оптимальною вважають масову частку кислоти 72%, як для хвойних, так і для листяних порід. Для I г деревини зазвичай використовують 15 см 3 кислоти. При аналізі легких деревних порід, у тому числі тропічних, рекомендується на 1 г деревини використовувати 20 см кислоти.
Температура і тривалість обробки взаємопов'язані. Чим вище температура, тим менше повинна бути тривалість обробки. Температура вище 30 ° С взагалі не рекомендується через отримання дуже темного труднофільтрующегося осаду лігніну, забрудненого домішками продуктів гуміфікації Сахаров.
Утворюються при гідролізі полісахаридів концентрованою кислотою олігосахариди необхідно піддати додатковому гідролізу до моносахаридів, оскільки олігосахариди можуть міцно утримуватися лігніном і не віддалятися при промиванні водою. Крім того, досить значна кількість лігніну, особливо у випадку листяної деревини, розчиняється в концентрованій сірчаній кислоті, але осаджується при розведенні і кип'ятінні.
Для другого ступеня гідролізу кислоту найчастіше розбавляють до 3%-ною. Тривалість кип'ятіння в різних методиках коливається від 1 до 5 ч. Слід зауважити, що тривалість другого ступеня гідролізу також впливає на вихід залишку лігніну. Занадто тривалий гідроліз розбавленою кислотою призводить до розпаду моносахаридів з утворенням продуктів, які можуть конденсуватися з лігніном. Для фільтрування лігніну з відсмоктуванням використовують скляні пористі фільтри або ж паперові фільтри для фільтрування без відсмоктування.
При проведенні аналізу маловивченого рослинної сировини потрібні попередні дослідження для встановлення оптимальних умов - концентрації сірчаної кислоти, тривалості і температури першого ступеня гідролізу, тривалості другого ступеня, процедури попередньої обробки з перевіркою за наведеним вище критерієм.
3. Визначення лігніну з 72%-ної сірчаної кислотою в модифікації Комарова
Методика аналізу. Наважку повітряно-сухих обессмолепних етиловим ефіром або спіртотолуольной сумішшю тирси масою близько 1 г поміщають в конічну колбу місткістю 50 см з притертою пробкою. Вологість обессмоленной деревини визначають в окремій пробі за звичайною методикою. До навішуванні додають 15 см 3 72%-ної H i SO 4 і витримують у термостаті при температурі 24 ... 25 ° С протягом 2,5 год при періодичному обережному помішуванні, щоб уникнути утворення грудок. Потім суміш лігніну з кислотою переносять в конічну колбу місткістю 500 см ', Змиваючи лігнін 200 см 'Дистильованої води. При цьому можна користуватися скляною паличкою з гумовим наконечником. Розведену суміш кип'ятять із зворотним холодильником на електричній плитці протягом I ч. Частинкам лігніну дають укрупнитися і осісти. Потім лігнін фільтрують на скляному пористому фільтрі, висушеному до постійної маси. Фільтрування рекомендується проводити наступного дня. При проведенні паралельних і серійних аналізів фільтрування слід проводити через суворо певний проміжок часу. Дрібнодисперсні лігніни фільтрують через скляний фільтр з «нафталінової подушкою». Водно-спиртову суспензію нафталіну наливають у скляний фільтр, відсмоктують і промивають холодною водою з відсмоктуванням, після чого фільтрують лігнін.
Починати фільтрування рекомендується без відсмоктування. Спочатку на фільтр зливають відстояну рідину, а потім починають переносити осад. Остаточно переносять осад лігніну з колби на фільтр за допомогою гарячої води, додаючи її малими порціями, при промиванні. При уповільненні фільтрування підключають водоструминні насос, але при цьому не слід відсмоктувати осад на фільтрі насухо. Необхідно залишати шар води перед додаванням кожної нової порції фільтрованої рідини. Після промивання від кислоти відсмоктують рідина повністю.
Для встановлення кінця промивання краплю рідини, що стікає з фільтра, наносять на фільтрувальний папір і додають краплю індикатора. Якщо останній не змінює кольору, промивку вважають закінченою.
При використанні нафталінової подушки сушку в шафі для вологих речовин продовжують до зникнення шару нафталіну і лише після цього переносять фільтр з лігніном в шафу для сухих речовин.
Масову частку лігніну,% до абсолютно сухої вихідної деревині, розраховують за формулою
де mi - маса фільтра з лігніном, г; т - маса порожнього фільтра, г; g - маса абсолютно сухої наважки обессмоленной деревини, м; К, - коефіцієнт екстрагування органічним розчинником.
Різниця між результатами двох паралельних визначень не повинна перевищувати 0,5%.
Приготування нафталінової подушки. Розчиняють 25 г н ^ фтало 1на в 500 см а етанолу при нагріванні на водяній бані. У цьому випадку масову частку лігніну,% до абсолютно сухої вихідної деревині, розраховують з урахуванням коефіцієнта лужної обробки
де g '- маса абсолютно сухої наважки деревини, обробленої послідовно органічним розчинником і лугом, г; К-.ш - загальний коефіцієнт екстрагування.
2. При необхідності внесення поправки на вміст золи лігнін обзолюють. Для цього після зважування скляного фільтра з лігніном лігнін розпушують тонкою голкою і обережно пересипають в прожарений до постійної маси тигель. Скляний фільтр знову зважують. Масу перенесеного в тигель лігніну визначають за різницею першого і другого зважувань. Озолення лігніну ведуть за методикою озоления деревини і розраховують масову частку золи в лігніну у відсотках. Для розрахунку вмісту беззольної лігніну масову частку лігніну у відсотках, розраховану за однією з двох вищенаведених формул, множать на коефіцієнт обеззоливания K 2 = / 100, де А - масова частка золи в лігніну,%.
4. Визначення лігніну з 72%-ної сірчаної кислотою в модифікації ВНПОБумпром
Методика аналізу. Наважку повітряно-сухих обессмоленних етиловим ефіром тирси масою близько 1 г поміщають в конічну колбу місткістю 250 см 3 з притертою пробкою. Вологість обессмоленной деревини визначають в окремій пробі. У колбу додають 15 см 3 72%-ної H 2 SO 4 і витримують у термостаті при 24 ... 25 ° С протягом 2,5 год, періодично перемішуючи вміст колби щоб уникнути утворення грудок. Потім до суміші лігніну з кислотою доливають 200 см 3 дистильованої води, приєднують колбу до зворотного холодильника і кип'ятять на плитці протягом 2 ч.
Фільтрування лігніну проводять на наступний день, щоб частини його досить укрупнилися. Розчин з осадом лігніну фільтрують через складені разом два врівноважених на аналітичних вагах паперових фільтра. Осад лігніну і фільтри ретельно промивають гарячою водою з промивалки до повного видалення кислоти.
Фільтри з лігніном сушать у сушильній шафі при температурі ° С до постійної маси і зважують верхній фільтр з лігніном, поміщаючи нижній фільтр на чашку аналітичних ваг з важками.
Масову частку лігніну,% до абсолютно сухої вихідної деревині, розраховують за формулою
де т - маса лігніну, г; g - маса абсолютно сухої наважки обессмоленной деревини, м; К, - коефіцієнт екстрагування органічним розчинником.
Різниця між результатами двох паралельних визначень не повинна перевищувати 0,5%.
5. Визначення кіслоторастворімого лігніну і загального змісту лігніну
При обробці деревини концентрованої сірчаної кислотою частина лігніну, особливо значна у разі деревини листяних порід, переходить в розчин. При аналізі деревини хвойних порід у 72%-ної H 2 SO 4 розчиняється 2 ... 3% загальної кількості лігніну, а при аналізі деревини листяних порід - від 25 до 60%. Після розведення реакційної суміші та кип'ятіння велика частина розчиненого лігніну осідає у вигляді кіслотонерастворімого лігніну, а в фільтраті залишається кіслоторастворімий лігнін. Кількість кіслоторастворімого лігніну залежить від концентрації кислоти на першій стадії гідролізу та тривалості обробки. При збільшенні концентрації та зменшення часу обробки кількість кіслоторастворімого лігніну збільшується. Зазвичай деревина хвойних порід дає близько 3% кіслоторастворімого лігніну від загальної кількості, деревина листяних порід - до 15 ... 17%, тканини однодольних рослин по виходу кіслоторастворімого лігніну займають проміжне положення. У препаратах целюлози, холоцеллюлози, а також у технічних целюлоза масова частка кіслоторастворімого лігніну в порівнянні з вихідною деревиною зростає, тому що під дією делігніфіцірующіх реагентів додатково утворюється кіслоторастворімий лігнін.
Для отримання точних даних про зміст лігніну і деревині і другом рослинній сировині необхідно враховувати утворюється при кислотному гідролізі кіслоторастворімий лігнін і розраховувати загальний вміст лігніну.
Кількість кіслоторастворімого лігніну в розчині визначають за допомогою УФ-спектрофотометрії, використовуючи три методи
де D 280 і D 2 i 5 - оптичні щільності фільтратів лігніну при довжинах хвиль відповідно 280 і 215 нм і товщині поглинаючого УФ-випромінювання шару, що дорівнює 1 см ; 0,68 і 0,15 - коефіцієнти поглинання продуктів розпаду моносахаридів, дм 3 - • г ^ '-см -1, 18 та 70-коефіцієнти поглинання лігніну, дм 3 · г ~ 1 · см -'; з м і C l - концентрації продуктів розпаду моносахаридів і кіслоторастворімого лігніну в фільтраті, м / дм 3.
При спільному рішенні рівнянь виходить такий вираз для концентрації кіслоторастворімого лігніну, г / дм 3,
При використанні максимуму при 280 нм з фільтрату
необхідно видаляти фурфурол, що поглинає УФ-промені при тій же довжині хвилі. Один із способів заснований на відновленні фурфуролу борогідридом натрію в лужному середовищі. Утворений спирт вже не поглинає УФ-променів в області 280 нм:
Реакція відновлення протікає дуже швидко, практично миттєво.
У більш простому, але менш точному методі видаляють фурфурол додатковим кип'ятінням реакційної суміші у відкритій склянці при підтримці постійного об'єму рідини додаванням гарячої води.
Концентрацію кіслоторастворімого лігніну в розчині розраховують за градіровочним графіками або питомою коефіцієнтам поглинання, обчисленими на основі градіровочних графіків. При відсутності еталонного препарату лігніну і неможливості внаслідок цього побудувати градіровочний графік для наближеного розрахунку можна скористатися наведеними в літературі. Для побудови градіровочного графіка використовують розчин еталонного препарату лігніну в суміші ацетілбромід-оцтова кислота. В умовах аналізу розпаду вуглеводів практично не відбувається і УФ-поглинання отриманого розчину зумовлена лише лігніном.
6. Визначення кіслоторастворімого лігніну УФ-спектрофотометричним методом при довжині хвилі 280 нм
Методика аналізу. Наважку повітряно-сухих обессмоленних етиловим ефіром або спіртотолуольной сумішшю тирси масою близько 1 г поміщають в конічну колбу місткістю 50 см 3 з притертою пробкою. Вологість обессмоленной деревини визначають в окремій пробі за звичайною методикою. Додають до навішування 15 см 3 72%-ної H 2 SO 4 і витримують у термостаті при температурі 24 ... 25 ° С протягом 2,5 год Вміст колби періодично обережно помішують щоб уникнути утворення грудок. Потім суміш лігніну з кислотою переносять в стакан місткістю 1 дм 3, вимиваючи лігнін з колби гарячої дистильованої водою в кількості 560 см 3. Кип'ятять лігнін з розбавленою кислотою у відкритій склянці на плитці протягом 5 год, підтримуючи приблизно постійний рівень рідини періодичним додаванням гарячої дистильованої води. Залишають склянку на 24 год для укрупнення і осідання частинок лігніну.
Після цього розчин з осадом лігніну фільтрують через два врівноважених на аналітичних вагах і вкладених один в іншій паперових фільтра на скляній конусоподібної воронці. Краї фільтра повинні бути нижче краю воронки. Фільтрат збирають у мірну колбу місткістю 1 дм 3. Лігнін і фільтри відмивають гарячої дистильованої водою і приєднують промивні води до фільтрату у мірній колбі. Продовжують промивання гарячою водою до повного видалення кислоти. Ці промивні води відкидають.
Фільтри з лігніном сушать у сушильній шафі при температурі ° С до постійної маси. Остаточно зважують верхній фільтр з лігніном, поміщаючи нижній фільтр на чашку аналітичних ваг з важками.
Масову частку кіслотонерастворімого лігніну L kh,% до абсолютно сухої вихідної деревині, розраховують за формулою, наведеною вище.
Для визначення кіслоторастворімого лігніну фільтрат з першою порцією промивних вод у мірній колбі доводять дистильованою водою до об'єму 1 дм '. Для фотометрірованія піпеткою відбирають проби розчину 5 ... 20 см 3, в залежності від концентрації лігніну, і розбавляють у мірній колбі дистильованою водою до 50 см 3. Обсяг проби, відібраної на фотометрирование, підбирають таким чином, щоб вимірювана оптична щільність знаходилася в межах 0,3 ... 0,7. При малій концентрації лігніну розчин не розбавляють. Потім вимірюють на УФ-спектрофотометрі оптичну щільність отриманого розчину в кюветі з товщиною шару розчину 1 см при довжині хвилі 280 нм для хвойного лігніну і 278 нм для листяного лігніну і однодольних рослин. Концентрацію кіслоторастворімого лігніну в розведеному фільтраті, м / дм 3, знаходять по із клавіатури графіками, побудованим за оптичної щільності розчинів відповідних препаратів діоксанлігніна. На рис. 2.15. наведені приклади градуювальних графіків для лігніном різного походження.
Масову частку кіслоторастворімого лігніну,% до абсолютно сухої вихідної деревині, розраховують за формулою
де с - концентрація кіслоторастворімого лігніну в розведеному фільтраті, м / дм 3; н - обсяг проби фільтрату, взятий на фотометрирование, см 3, для нерозбавленого розчину н = = 50 см 3; g - маса абсолютно сухої наважки обессмоленной деревини, м; K 3 - коефіцієнт екстрагування органічним розчинником.
У разі застосування додаткової лужної обробки деревини замість коефіцієнта K 3 в розрахунках використовують
загальний коефіцієнт екстрагування Л ', щ - при необхідності проводять зоління лігніну і в розрахунок вносять поправку на золу.
Загальний вміст лігніну дорівнюватиме сумі кіслотонерастворімого L kh і кіслоторастворімого L кр лігніном
Побудова градіровочних графіків. В якості еталонного препарату лігніну використовують діоксанлігнін, виділений з відповідного рослинного джерела. Готують 10 розчинів еталонного діоксанлнгніна в діоксан-воді з концентрацією від 0,01 до 0,1 г / дм 3 і вимірюють їх оптичні
щільності при відповідній довжині хвилі. За отриманими даними на міліметровому папері будують графік, відкладаючи по осі абсцис концентрації розчину лігніну, а по осі ординат значення оптичної щільності. При відсутності еталонного препарату для розрахунку можна використовувати питомі коефіцієнти поглинання лігніном.
Відновлення фурфуролу борогідридом натрію. З розведеного фільтрату у мірній колбі відбирають піпеткою в мірну колбу на 50 см 3 проби розчину 5 ... 20 см 3, як зазначено вище, додають розчин гідроксиду натрію до лужної реакції, 5 см 3 розчину борогідридом натрію 0,05 моль / дм 3 ) і добре перемішують. Розчин після відновлення підкисляють розчином сірчаної кислоти концентрацією 0,1 моль / дм 3 до рН 6, доводять до мітки дистильованою водою і вимірюють оптичну щільність, як зазначено вище, з подальшим розрахунком за градіровочним графіками або питомою коефіцієнтам поглинання.
ВИЗНАЧЕННЯ Лігнін
Москва, 2009
Введення
Зміст лігніну в деревині і другом рослинному сировина переважно визначають прямими способами. Вони засновані на кількісному виділення лігніну видаленням екстрактивних речовин відповідної вилученням та полісахаридів гідролізом концентрованими мінеральними кислотами.
З аналітичної точки зору, під лігніном розуміють ту частину обессмоленного рослинного матеріалу, яка залишається у вигляді нерозчинного залишку після гідролізу полісахаридів холоцеллюлози або при визначенні непрямим способом видаляється при виділенні холоцеллюлози. Відомо, що концентровані мінеральні кислоти змінюють лігнін хімічно, внаслідок реакцій гідролітичної деструкції простих ефірних зв'язків та конденсації, але виділений препарат кислотного лігніну за кількістю більш-менш відповідає його змісту в деревині. Ця кількість задовільно збігається і з втратою маси обессмоленной деревини при кількісному виділення холоцеллюлози. Тому, незважаючи на деяку умовність, кислотні методи визначення лігніну до цих пір вважаються найбільш обгрунтованими.
Основна вимога до методів кислотного гідролізу - повне видалення полісахаридів при мінімальному впливі на лігнін. Точність результатів визначення лігніну в значній мірі залежить від умов гідролізу: виду кислоти, її концентрації, температури і тривалості обробки.
Для видалення екстрактивних речовин завжди необхідно попереднє екстрагування, але будь-який розчинник викликає втрати лігніну. Чим жорсткіше умови екстрагування, тим більше втрати лігніну.
Виділений лігнін містить домішки трьох типів: домішка екстрактивних речовин, що дають в умовах кислотного гідролізу нерозчинні осади; домішка продуктів гуміфікації
Сахаров - нерозчинних гуміноподобних сполук, що утворюються з моносахаридів в жорстких умовах кислотного гідролізу; домішка трудногідролізуемих полісахаридів і продуктів неповного гідролізу, що адсорбуються лігніном.
Найкращими умовами гідролізу вважають такі, в яких виділяється максимальна кількість лігніну з максимальним вмістом метоксілов. Тоді виділений лігнін не містить домішок, помилково приймаються за лігнін, і в той же час при його виділення не було значних втрат.
Основне поширення в даний час отримав сірчанокислотний метод визначення лігніну. Солянокислотного метод призводить до меншої гуміфікації Сахаров, але робота з сверхконцентрірованной 41 ... 42%-ної соляної кислотою менш зручна. Метод з концентрованою кислотою фтористоводородной дає дуже мало нерозчинних продуктів, що утворюються з вуглеводів, але вимагає спеціального обладнання з фторопласту, стійкого до фтористоводородной кислоті. Запропоновано ряд методик, в яких використовують суміші сірчаної кислоти з іншими кислотами, головним чином для аналізу технічних целюлоз.
У непрямі методи визначення лігнін не виділяють, а його. масову частку в деревині розраховують за різницею після визначення холоцеллюлози, визначають лігнін спектрофото-метричними методами або ж розраховують по витраті окислювачів на його окислення. Остання група методів застосовується при аналізі технічних целюлоз.
При визначенні за різниці масову частку лігніну,% до абсолютно сухої деревини, розраховують за формулою:
Лігнін = 100 - екстрактивні речовини - холоцеллюлоза-f-+ залишковий лігнін в холоцеллюлозе.
Помилки при визначенні по різниці виникають через недостатню точності визначення масової частки залишкового лігніну в холоцеллюлозе. Більш точні результати можна отримати при розрахунку масової частки полісахаридів по виходу Сахаров при повному гідролізі.
До УФ-спектрофотометричним відноситься ацетілбромідний метод визначення лігніну. УФ-спектрофотометрію використовують також для визначення кіслоторастворімого лігніну і змісту лігніну у відпрацьованих розчинах після варіння та відбілювання технічних целюлоз. При спектрофотометричних методах для розрахунку масової частки лігніну в деревині користуються його коефіцієнтами поглинання або градіровочнимі графіками, побудованими з використанням препаратів лігніну. Це призводить до помилок через відсутність стандартного еталонного препарату і варіювання коефіцієнтів поглинання у препаратів різного походження.
1. Попередня обробка
При кількісному визначенні лігніну кислотним гідролізом з рослинної сировини необхідно заздалегідь видалити з деревини смоли, жири, воски, неомильних речовини придатними органічними розчинниками. Розчинник повинен достатньо повно витягувати екстрактивні речовини і при цьому не викликати втрат самого лігніну.
Одним з кращих розчинників для знесмолювання досліджуваного сировини вважають спіртотолуольную суміш. Застосування одного етанолу не рекомендується, так як він витягує деяку кількість лігніну. Невелика кількість лігніну віддаляється і спіртотолуольной сумішшю. Подібним чином знижує вихід лігніну екстрагування гарячою водою. Етиловий ефір практично не діє на лігнін, але іноді він може недостатньо повно видаляти екстрактивні речовини.
Попереднє екстрагування гарячою водою рекомендують для рослинної сировини, багатого танинами. Таніни - поліфенольні речовини, які можуть розчинятися в кислоті не повністю, конденсуватися з лігніном, а також утворювати в результаті конденсації з цукрами нерозчинний осад, так званий псевдо лігнін. Екстрагування гарячою водою проводять після екстрагування спіртотолуольной сумішшю. При великій масовій частці в досліджуваному рослинній сировині конденсованих танінів іноді застосовують попереднє екстрагування етанолом, наприклад деревини дуба, каштана тощо
При аналізі деревних порід, які використовують зазвичай для варіння целюлози, екстрагування етанолом не потрібно. При повідомленні результатів аналізу обов'язково слід вказати на використання етанольних екстракції. Іноді для видалення конденсованих танінів виявляється необхідної обробка холодним розведеним водним розчином гідроксиду натрію. При цьому спостерігаються втрати лігніну.
При аналізі кори необхідно попереднє витяг лугом поліфенольних кислот кори. Ці речовини не екстрагуються органічними розчинниками і конденсуються з лігніном при кислотної обробці.
Деревина евкаліпта різних видів містить у значній кількості особливі речовини - кіно, родинні конденсованим таніну. Ці речовини не розчиняються в органічних розчинниках, і для їх видалення використовують гарячий розбавлений розчин гідроксиду натрію або сульфіту натрію.
При кислотному гідролізі з пентоз і гексоз утворюються відповідно фурфурол і гідроксиметилфурфуролу, які в умовах визначення лігніну можуть з ним конденсуватися, приводячи до неминучих помилок. Рекомендований деякими дослідниками попередній гідроліз розведеною кислотою для видалення пентозанів і гексозанов не дає істотних переваг, оскільки призводить до втрати лігніну.
При аналізі деяких видів трав'янистих рослин, сільськогосподарських відходів, а також розвивається деревної тканини до помилок у визначенні лігніну можуть приводити білки. Здебільшого при аналізі вони переходять в розчин кислоти, але частково утворюють нерозчинні продукти конденсації з лігніном. При аналізі зрілих рослин з результатів визначення віднімають поправку на білки, рівну масовій частці азоту у відсотках, помноженої на 6,25. При аналізі молодих рослин і тканин фактор перерахунку стає менш певним, так як вміст азоту в продуктах конденсації фрагментів білків з лігніном відрізняється від вмісту азоту в білках вихідної деревини. При високій масовій частці білків у тканинах і низькою масовій частці лігніну помилка стає істотною. У подібних випадках, а також при аналізі однорічного сировини і сільськогосподарських відходів можна використовувати попередній гідроліз 1%-ної H 2 SO 4 або HCI 1 та такий предгідроліз призводить до втрати деякої частини лігніну. Доцільніше для видалення білків застосовувати попередню обробку такими протеолітичними ферментами, як пепсин, трипсин і т. п.
Трав'янисті рослини, солома, бамбук і т. п. можуть містити значні кількості діоксиду кремнію. У таких випадках в результати аналізу обов'язково вносять поправку на вміст золи в лігнін. При аналізі деревини з малим вмістом мінеральних речовин поправку на золу можна не робити. Слід зауважити, що деякі тропічні деревні породи можуть містити підвищену кількість мінеральних речовин.
2. Сірчанокислотний метод
Вперше гідроліз концентрованої сірчаної кислотою для визначення вмісту лігніну в деревині запропонував Класон, і препарат виділеного лігніну отримав назву «лігнін Класон». Надалі методика аналізу неодноразово модифікувалася.
Гідроліз полісахаридів сірчаної кислотою здійснюють у дві стадії. Спочатку діють концентрованої 64 .. 78%-ної сірчаної кислотою при нормальній температурі, а потім суміш лігніну з кислотою розбавляють і кип'ятять для доведення гідролізу до кінця, тобто для перетворення олігосахаридів в моносахариди. Полісахариди можуть гидролизоваться вже при масовій частці сірчаної кислоти в розчині близько 60%, але для гідролізу необхідно дуже тривалий час, а при масовій частці кислоти 76 ... 78% вже починається гуміфікація Сахаров. Оптимальною вважають масову частку кислоти 72%, як для хвойних, так і для листяних порід. Для I г деревини зазвичай використовують 15 см 3 кислоти. При аналізі легких деревних порід, у тому числі тропічних, рекомендується на
Температура і тривалість обробки взаємопов'язані. Чим вище температура, тим менше повинна бути тривалість обробки. Температура вище 30 ° С взагалі не рекомендується через отримання дуже темного труднофільтрующегося осаду лігніну, забрудненого домішками продуктів гуміфікації Сахаров.
Утворюються при гідролізі полісахаридів концентрованою кислотою олігосахариди необхідно піддати додатковому гідролізу до моносахаридів, оскільки олігосахариди можуть міцно утримуватися лігніном і не віддалятися при промиванні водою. Крім того, досить значна кількість лігніну, особливо у випадку листяної деревини, розчиняється в концентрованій сірчаній кислоті, але осаджується при розведенні і кип'ятінні.
Для другого ступеня гідролізу кислоту найчастіше розбавляють до 3%-ною. Тривалість кип'ятіння в різних методиках коливається від 1 до 5 ч. Слід зауважити, що тривалість другого ступеня гідролізу також впливає на вихід залишку лігніну. Занадто тривалий гідроліз розбавленою кислотою призводить до розпаду моносахаридів з утворенням продуктів, які можуть конденсуватися з лігніном. Для фільтрування лігніну з відсмоктуванням використовують скляні пористі фільтри або ж паперові фільтри для фільтрування без відсмоктування.
При проведенні аналізу маловивченого рослинної сировини потрібні попередні дослідження для встановлення оптимальних умов - концентрації сірчаної кислоти, тривалості і температури першого ступеня гідролізу, тривалості другого ступеня, процедури попередньої обробки з перевіркою за наведеним вище критерієм.
3. Визначення лігніну з 72%-ної сірчаної кислотою в модифікації Комарова
Методика аналізу. Наважку повітряно-сухих обессмолепних етиловим ефіром або спіртотолуольной сумішшю тирси масою близько
Починати фільтрування рекомендується без відсмоктування. Спочатку на фільтр зливають відстояну рідину, а потім починають переносити осад. Остаточно переносять осад лігніну з колби на фільтр за допомогою гарячої води, додаючи її малими порціями, при промиванні. При уповільненні фільтрування підключають водоструминні насос, але при цьому не слід відсмоктувати осад на фільтрі насухо. Необхідно залишати шар води перед додаванням кожної нової порції фільтрованої рідини. Після промивання від кислоти відсмоктують рідина повністю.
Для встановлення кінця промивання краплю рідини, що стікає з фільтра, наносять на фільтрувальний папір і додають краплю індикатора. Якщо останній не змінює кольору, промивку вважають закінченою.
При використанні нафталінової подушки сушку в шафі для вологих речовин продовжують до зникнення шару нафталіну і лише після цього переносять фільтр з лігніном в шафу для сухих речовин.
Масову частку лігніну,% до абсолютно сухої вихідної деревині, розраховують за формулою
де mi - маса фільтра з лігніном, г; т - маса порожнього фільтра, г; g - маса абсолютно сухої наважки обессмоленной деревини, м; К, - коефіцієнт екстрагування органічним розчинником.
Різниця між результатами двох паралельних визначень не повинна перевищувати 0,5%.
Приготування нафталінової подушки. Розчиняють
де g '- маса абсолютно сухої наважки деревини, обробленої послідовно органічним розчинником і лугом, г; К-.ш - загальний коефіцієнт екстрагування.
2. При необхідності внесення поправки на вміст золи лігнін обзолюють. Для цього після зважування скляного фільтра з лігніном лігнін розпушують тонкою голкою і обережно пересипають в прожарений до постійної маси тигель. Скляний фільтр знову зважують. Масу перенесеного в тигель лігніну визначають за різницею першого і другого зважувань. Озолення лігніну ведуть за методикою озоления деревини і розраховують масову частку золи в лігніну у відсотках. Для розрахунку вмісту беззольної лігніну масову частку лігніну у відсотках, розраховану за однією з двох вищенаведених формул, множать на коефіцієнт обеззоливания K 2 = / 100, де А - масова частка золи в лігніну,%.
4. Визначення лігніну з 72%-ної сірчаної кислотою в модифікації ВНПОБумпром
Методика аналізу. Наважку повітряно-сухих обессмоленних етиловим ефіром тирси масою близько
Фільтрування лігніну проводять на наступний день, щоб частини його досить укрупнилися. Розчин з осадом лігніну фільтрують через складені разом два врівноважених на аналітичних вагах паперових фільтра. Осад лігніну і фільтри ретельно промивають гарячою водою з промивалки до повного видалення кислоти.
Фільтри з лігніном сушать у сушильній шафі при температурі ° С до постійної маси і зважують верхній фільтр з лігніном, поміщаючи нижній фільтр на чашку аналітичних ваг з важками.
Масову частку лігніну,% до абсолютно сухої вихідної деревині, розраховують за формулою
де т - маса лігніну, г; g - маса абсолютно сухої наважки обессмоленной деревини, м; К, - коефіцієнт екстрагування органічним розчинником.
Різниця між результатами двох паралельних визначень не повинна перевищувати 0,5%.
5. Визначення кіслоторастворімого лігніну і загального змісту лігніну
При обробці деревини концентрованої сірчаної кислотою частина лігніну, особливо значна у разі деревини листяних порід, переходить в розчин. При аналізі деревини хвойних порід у 72%-ної H 2 SO 4 розчиняється 2 ... 3% загальної кількості лігніну, а при аналізі деревини листяних порід - від 25 до 60%. Після розведення реакційної суміші та кип'ятіння велика частина розчиненого лігніну осідає у вигляді кіслотонерастворімого лігніну, а в фільтраті залишається кіслоторастворімий лігнін. Кількість кіслоторастворімого лігніну залежить від концентрації кислоти на першій стадії гідролізу та тривалості обробки. При збільшенні концентрації та зменшення часу обробки кількість кіслоторастворімого лігніну збільшується. Зазвичай деревина хвойних порід дає близько 3% кіслоторастворімого лігніну від загальної кількості, деревина листяних порід - до 15 ... 17%, тканини однодольних рослин по виходу кіслоторастворімого лігніну займають проміжне положення. У препаратах целюлози, холоцеллюлози, а також у технічних целюлоза масова частка кіслоторастворімого лігніну в порівнянні з вихідною деревиною зростає, тому що під дією делігніфіцірующіх реагентів додатково утворюється кіслоторастворімий лігнін.
Для отримання точних даних про зміст лігніну і деревині і другом рослинній сировині необхідно враховувати утворюється при кислотному гідролізі кіслоторастворімий лігнін і розраховувати загальний вміст лігніну.
Кількість кіслоторастворімого лігніну в розчині визначають за допомогою УФ-спектрофотометрії, використовуючи три методи
де D 280 і D 2 i 5 - оптичні щільності фільтратів лігніну при довжинах хвиль відповідно 280 і 215 нм і товщині поглинаючого УФ-випромінювання шару, що дорівнює
При спільному рішенні рівнянь виходить такий вираз для концентрації кіслоторастворімого лігніну, г / дм 3,
При використанні максимуму при 280 нм з фільтрату
необхідно видаляти фурфурол, що поглинає УФ-промені при тій же довжині хвилі. Один із способів заснований на відновленні фурфуролу борогідридом натрію в лужному середовищі. Утворений спирт вже не поглинає УФ-променів в області 280 нм:
Реакція відновлення протікає дуже швидко, практично миттєво.
У більш простому, але менш точному методі видаляють фурфурол додатковим кип'ятінням реакційної суміші у відкритій склянці при підтримці постійного об'єму рідини додаванням гарячої води.
Концентрацію кіслоторастворімого лігніну в розчині розраховують за градіровочним графіками або питомою коефіцієнтам поглинання, обчисленими на основі градіровочних графіків. При відсутності еталонного препарату лігніну і неможливості внаслідок цього побудувати градіровочний графік для наближеного розрахунку можна скористатися наведеними в літературі. Для побудови градіровочного графіка використовують розчин еталонного препарату лігніну в суміші ацетілбромід-оцтова кислота. В умовах аналізу розпаду вуглеводів практично не відбувається і УФ-поглинання отриманого розчину зумовлена лише лігніном.
6. Визначення кіслоторастворімого лігніну УФ-спектрофотометричним методом при довжині хвилі 280 нм
Методика аналізу. Наважку повітряно-сухих обессмоленних етиловим ефіром або спіртотолуольной сумішшю тирси масою близько
Після цього розчин з осадом лігніну фільтрують через два врівноважених на аналітичних вагах і вкладених один в іншій паперових фільтра на скляній конусоподібної воронці. Краї фільтра повинні бути нижче краю воронки. Фільтрат збирають у мірну колбу місткістю 1 дм 3. Лігнін і фільтри відмивають гарячої дистильованої водою і приєднують промивні води до фільтрату у мірній колбі. Продовжують промивання гарячою водою до повного видалення кислоти. Ці промивні води відкидають.
Фільтри з лігніном сушать у сушильній шафі при температурі ° С до постійної маси. Остаточно зважують верхній фільтр з лігніном, поміщаючи нижній фільтр на чашку аналітичних ваг з важками.
Масову частку кіслотонерастворімого лігніну L kh,% до абсолютно сухої вихідної деревині, розраховують за формулою, наведеною вище.
Для визначення кіслоторастворімого лігніну фільтрат з першою порцією промивних вод у мірній колбі доводять дистильованою водою до об'єму 1 дм '. Для фотометрірованія піпеткою відбирають проби розчину 5 ... 20 см 3, в залежності від концентрації лігніну, і розбавляють у мірній колбі дистильованою водою до 50 см 3. Обсяг проби, відібраної на фотометрирование, підбирають таким чином, щоб вимірювана оптична щільність знаходилася в межах 0,3 ... 0,7. При малій концентрації лігніну розчин не розбавляють. Потім вимірюють на УФ-спектрофотометрі оптичну щільність отриманого розчину в кюветі з товщиною шару розчину
Масову частку кіслоторастворімого лігніну,% до абсолютно сухої вихідної деревині, розраховують за формулою
де с - концентрація кіслоторастворімого лігніну в розведеному фільтраті, м / дм 3; н - обсяг проби фільтрату, взятий на фотометрирование, см 3, для нерозбавленого розчину н = = 50 см 3; g - маса абсолютно сухої наважки обессмоленной деревини, м; K 3 - коефіцієнт екстрагування органічним розчинником.
У разі застосування додаткової лужної обробки деревини замість коефіцієнта K 3 в розрахунках використовують
загальний коефіцієнт екстрагування Л ', щ - при необхідності проводять зоління лігніну і в розрахунок вносять поправку на золу.
Загальний вміст лігніну дорівнюватиме сумі кіслотонерастворімого L kh і кіслоторастворімого L кр лігніном
Побудова градіровочних графіків. В якості еталонного препарату лігніну використовують діоксанлігнін, виділений з відповідного рослинного джерела. Готують 10 розчинів еталонного діоксанлнгніна в діоксан-воді з концентрацією від 0,01 до 0,1 г / дм 3 і вимірюють їх оптичні
щільності при відповідній довжині хвилі. За отриманими даними на міліметровому папері будують графік, відкладаючи по осі абсцис концентрації розчину лігніну, а по осі ординат значення оптичної щільності. При відсутності еталонного препарату для розрахунку можна використовувати питомі коефіцієнти поглинання лігніном.
Відновлення фурфуролу борогідридом натрію. З розведеного фільтрату у мірній колбі відбирають піпеткою в мірну колбу на 50 см 3 проби розчину 5 ... 20 см 3, як зазначено вище, додають розчин гідроксиду натрію до лужної реакції, 5 см 3 розчину борогідридом натрію 0,05 моль / дм 3 ) і добре перемішують. Розчин після відновлення підкисляють розчином сірчаної кислоти концентрацією 0,1 моль / дм 3 до рН 6, доводять до мітки дистильованою водою і вимірюють оптичну щільність, як зазначено вище, з подальшим розрахунком за градіровочним графіками або питомою коефіцієнтам поглинання.