顶空气相法测定木质素中甲氧基含量

发布时间：2021-07-05所属分类：免费文献浏览：1427次

摘 要： 中国文艺家

《顶空气相法测定木质素中甲氧基含量》论文发表期刊：《中国文艺家》；发表周期：2021年02期

《顶空气相法测定木质素中甲氧基含量》论文作者信息：刘义先生，在读博士研究生；主要从事木质纤维原料高值化利用基础研究。

　　摘要：本研究介绍了一种顶空气相色谱法快速测定木质素甲氧基含量的方法，并以12种木质素模型化合物验证该方法的准确性和可靠性。在密闭的顶空样品瓶中加入木质素样品和0.5 mL.氢碘酸，

　　130℃下反应30 min，随后注入柠檬酸钠溶液中和样品，通过HS-GC测定样品瓶中的碘甲烷含量。结果表明，丙酮抽提后云杉木粉(以Klason木质素计)甲氧基含量为4.6560 mmollg，以滴定法作为对照测定甲氧基含量为4.6028 mmollg，两者RSD值<1%。本方法简便、准确，具有较好的精准度，可用于有效测定木质素及相关物质中甲氧基的含量。

　　关键词：木质素;甲氧基;顶空气相

　　Abstract: A method for rapid determination methoxyl content in lignin by headspace gas chromatography was introduced, and its accuracy and reliability were verified by twelve lignin model compounds. This method included adding lignin sample and 0.5 mL hydroiodic acid intoa closed headspace sample vial, reacting at 130℃ for 30 min, then injecting trisodium citrate dihydrate solution to neutralize the sample and determining the content of iodomethane in the sample vial by HS-GC. The results showed that the methoxyl content of the spruce wood powder extracted with acetone was 4.6560 mmol/g by this method (based on Klason lignin), and the methoxyl content was 4.6028 mmol/g by itration as the control method with the RSD <1%. This method was simple, accurate and had good precision. It could be used to effectively determine the content of methoxyl in lignin and related substances.

　　Key words: lignin; methoxyl group; headspace gas chromatography

　　木质素是植物界中含量仅次于纤维素的天然大分子高聚物"。作为一种来源丰富、可再生的天然高分子聚合物，木质素具有广阔的应用前景，在木材化学、植物生化等相关领域都引起了越来越多的关注。木质素是一种由苯基丙烷结构单元通过醚键和C-C键连接而成的具有三维空间的高聚物"。苯基丙烷结构单元存在3种类型"，即愈创木基型(G)、紫丁香基型(S)和对羟苯基结构单元(H)，其分别在苯环上含有1、2和0个甲氧基。木质素结构中含有许多官能团或功能基，如羧基、羟基、甲氧基和羰基等。甲氧基是木质素结构中的特征官能团，它们在木质素中的含量和分布与木质素的种类及分离方法有关。一般针叶水中甲氧基含量为14%-16%，阔叶木中甲氧基含量为19%-22%，草本类植物中甲氧基含量为14%~15%。木质素中准确的甲氧基含量不仅能够提供木质素的基本结构信息，还可以反映出化学改性过程的结构变化。

　　甲氧基含量的测定方法有化学法(质量法和容量法)与仪器分析法(色谱法、核磁共振法和电化学法等)。测定原理是使试样与氢碘酸(HI)作用，反应生成碘甲烷[，采用不同方法测定生成碘甲烷含量，从而确定甲氧基含量"3。目前应用较为广泛的是化学法中改进的溴化法"，该方法具有准确度较高、操作简便等优点，但需要使用特殊定制的气密性玻璃器皿和较多的有毒化学试剂，且整个流程耗时较久。Goto等人a1使用了碳水化合物和木质素模型化合物研究了木质素甲氧基与碘离子形成碘甲烷的酸催化反应机理;发现碳水化合物的存在会影响甲氧基含量的测定，特别是一些木质素含量低的原料，如纸浆等;另外碳水化合物可能通过充当路易斯碱来干扰碘甲烷的形成速度，还会与HI直接反应生成碘甲烷，影响测定结果。Li等人"以顶空气相法测定木质素中的甲氧基含量，该方法对木质素中甲氧基含量的测定具有良好的测量精度(RSD<

　　0.69%)和准确度(RSD3.5%)，但引入NaOH去中和过量的HI会有副产物生成。Sumerski等人"建立了一种顶空同位素稀释(HS-ID)GC-MS定量分析木质素中甲氧基和乙氧基的方法，该方法显示出了较好的精密度和准确度，但同位素的使用导致其不能广泛推广进行实验研究。

　　基于上述内容，本研究对顶空气相法进行了改进优化，以期建立一种简便、准确、可用于木质素及相关物质中甲氧基含量的高效测定方法。本实验选用柠檬酸钠作为终止反应剂，它是一种弱酸强碱盐，具有良好的pH调节及缓冲性能;同时还选用涵盖木质素基本结构单元的G型、S型、H型和5-5缩合型等12种木质素模型化合物作为研究对象;使用模型化合物具有结构确定、可模拟木质素中的给定结构单元的优点，而不受真实木质素样品中存在的其他结构的干扰。

　　1实验

　　1.1实验原料和试剂

　　实验使用的12种模型化合物结构式见图1，其中化合物IX、X、X1在实验室合成，其余均购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。云杉木粉，取自实验室。

　　氢碘酸、氨水、铁氰化钾，购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司;柠檬酸三钠、过硫酸钠、氢氧化钠，购于天津市大茂化学试剂厂;硫酸亚铁、盐酸、抗坏血酸、乙酸乙酯、石油醚、丙酮，购于天津市致远化学试剂有限公司;碘甲烷，购于天津市风船化学试剂科技有限公司;硼氢化钠，购于成都金山化学试剂有限公司;无水硫酸钠，购于广州时金华大化学试剂有限公司。

　　1.2实验仪器

　　安捷伦7697A顶空进样器;安捷伦8890气相色系统;Bruker AVANCEII1 HD

　　1.3实验方法

　　1.3.1 HS-GC实验方法

　　根据1i等人"方法，采用HS-GC法测定木质素样品中甲氧基含量，并进行适当的改进。具体操作步骤为：将0.5mL质量分数57%氢碘酸(HI)与10.0-20.0 mg木质素样品(木粉40mg)混合，置于20ml.

　　顶空样品瓶中，用隔片密封;样品瓶置于油浴中，130℃加热30 min;然后冰浴冷却至室温，用注射器将1 mlL 0.75 g/mL柠檬酸钠(Na，CH，0，-2H，0)溶液注射到密封的样品瓶中，中和多余的Hl;立即放入顶空自动采样器进行HS-GC检测。HS条件为：烘箱温50℃，度60，输温度70℃，GC循环时间7min，样品瓶平衡时间15 min，加压时间0.25 min。气相色谱条件为：HP-5毛细管柱(30 mx0.32 mmx0.25 um)30℃保持5 min，高纯氮气(99.999%)载气流量3.8 ml/min.氢气和空气流速分别为40 ml/min和400 mlL/min。检测器温度250℃，分流模式50：1，进样口温度200℃.

　　1.3.2 标准曲线绘制

　　准确称取0-20 mg香草醛，按照1.3.1中的方法分别测定生成的碘甲烷(CH，)峰面积，绘制香草醛物质的量与CH，峰面积的标准曲线。

　　1.3.3定量限[5161按照1.3.1中的方法，将CH1标准品逐步稀释，分别移取10uL.稀释后的溶液和0.5 mlL质量分数57%的H1置于20 mL顶空样品瓶中，用隔片密封。其他条件保持不变，进行HS-GC检测，按信噪比10：1确定定量限。

　　1.3.4重复性测试"

　　准确称取6份相同的香草醛，参照1.3.1中的方法进行平行测定，计算相对标准偏差(relative standard deviation，RSD).

　　1.4 3种模型化合物的合成及'H，"CNMR表征

　　1.4.1 双香草醛(X)的合成1称取2.0g香草醛溶于200 mL.蒸馏水中，加热搅拌使其充分溶解;加入0.15 g七水合硫酸亚铁(Fe-S0.7H0)和1.6 g过硫酸钠(Na，S，0)继续搅拌，反应5min后停止加热，生成的沉淀物待冷却至室温后用洗净的G5砂芯坩埚进行过滤，保留全部沉淀物。

　　将上述沉淀物用25 mL3 mol/L NaOH溶液溶解，再向溶解液里加入15 mL 6 mol/L HCI溶液进行第二次沉淀;过滤沉淀，用100 mL热水分多次洗涤沉淀，洗净后放入真空干燥箱中直至干燥为止。所得双香草醛的合成见化学方程式(1)。

　　产磁共结显示为：'H NMR(500 MHz，DMSO，5)：9.81(s，H)，7.44(s，H，，H)，3.94(s，OCH);"C NMR(500 MHz，DMSO，8)：191.64(s，C)，150.88(s，C)，148.62(s，C)，128.66(s，C)，128.24(s，C)，125.04(s，C)，109.62(s，C)，56.51(OCH)

　　1.4.2双香草醇(X)的合成

　　称取6.0 g双香草醛溶于100 mL.0.5 mol/L NaOH中 (冰浴)，缓慢加入 3.6 g 硼氢化钠。室温下搅拌30 min，用 HCl 酸化调至 pH 值=7;反应结束后过滤收集沉淀，产品在真空80℃下干燥过夜。所得双香草醇 (X) 得率为 90%。合成双香草醇 (X) 的化学方程式见式(2)

　　产物核磁共振结果显示为：'H NMR(500 MHz，DMSO，8)：6.88(s，H)，6.67(s，H)，4.41(d，H)，3.81(s，OCH);"C NMR(500 MHz，DMSO，8)：147.94(s，C)，142.78(s，C)，133.08(s，C)，126.14(s，C)，121.83(s，C)，109.68(s，C)，63.54(s，C).56.25(s，OCH)。

　　1.4.3 双高香草酸(XI)的合成

　　称取3.0g4羟基-3-甲氧基苯乙酸(高香草酸)溶于30 mlL蒸馏水和5mL浓氨水中，再缓慢加入6.0 g铁氰化钾，搅拌均匀。5min后加入1.0g抗坏血酸(L-Ascorbic acid)，用HCl酸化调至pH值=7;随后用乙酸乙酯萃取，萃取液用无水硫酸钠干燥后，旋转蒸发至干燥。再用石油醚-乙酸乙酯进行重结晶。所得双高香草酸的合成见化学方程式(3)。

　　产物核磁共振结果显示为：'H NMR(500 MHz，DMSO，8)：6.83(s，Ho)，6.60(s，H)，3.46(d，Ha)，3.80(s，OCH);"C NMR(500 MHz，DMSO，8)：147.93(s，C)，142.83(s，C)，126.11(s，C).125.39(s.C)，124.25(s，C)，112.26(s，C)，56.34(s，OCH)。

　　2结果与讨论

　　2.1 香草醛物质的量与CH，1峰面积标准曲线与仪器

　　定量限图2为香草物质的量与CH，1峰面积标准曲线。如图2所示，香草醛物质的量与CH，峰面积线性关系良好，通过计算得到标准曲线方程为y=94755xt143.7，R'-0.9995(其中x为木质素模型物香草醛物质的量，mmol，y为CH，1峰面积)。通过逐步稀释碘甲烷标准溶液，使之信噪比接近10：100定量限测定结果表明，在本方法中定量限为1.52u(信噪比为10.2：1)

　　2.2香草醛样品重复性测试

　　图3为香草醛样品重复性测试色谱图。由图3可知，在空白样品测试中未出现CH，峰，说明仪器稳定，实验中所使用试剂等不会引人系统误差。且6组平行样中(V1-V6)出峰时间(即保留时间)一致，峰面积接近(结果见表1)，重复性良好，峰面积RSD为1.70%。

　　2.3 12种模型物中甲氧基含量的测定

　　表2为12种模型物中的甲氧基含量。从表2可以看出，模型物IX、模型物X甲氧基含量测定值低于理论值，可能的原因是2种模型物在HI中溶解性不好，不能与之充分反应，导致最终测定值偏小;其次，5-5结构在木质素中含量较少，尤其是双香草醛含量更少，可认为对测定结果影响不大。其他10种模型物中甲氧基含量测定值与理论值相比的RSD<3%，说明改进的顶空气相测定木质素甲氧基含量的方法准确、可靠。

　　图4为模型物阿魏酸乙酯的顶空气相色谱图。由图4可以看出，模型物VIl(阿魏酸乙酯)与H1反应不仅生成CHI，还会有大量副产物碘乙烷(CH，1)生成，因此以CH，I作为内标测定甲氧基含量可能存在一定的误差。综上，本研究采用外标法计算木质素中甲氧基含量比较合理。

　　2.4丙酮抽提云杉木粉的甲氧基含量测定

　　准确称取40 mg 40-60目云杉木粉(水分10.06%，Klason木质素含量为27.91%)丙酮抽提28 h，之后操作与1.3.1中的方法相同。同时以滴定法的结果作对

　　照，具体测定结果见图5从图5可知，通过本方法测定丙酮抽提后云杉木粉(以Klason木质素计)的甲氧基含量为4.6560mmollg，同时使用滴定法测定的甲氧基含量为4.6028mmollg，与本方法测定值的RSD<1%。表明本方法对于直接测定植物纤维原料木质素中甲氧基含量也是合理的。

　　3结论

　　本研究通过向木质素中注入柠檬酸钠溶液来中和过量的氢碘酸(HI)，然后使用顶空气相色谱间接测定12种木质素模型物甲氧基含量。

　　3.1 选用12种木质素模型化合物和丙酮抽提后云杉木粉验证改进后测定方法的准确性和可靠性。结果表明，模型物Ix、模型物 中甲氧基含量测定值低于理论值，因其在木质素结构中所占比例较低，不影响最终测定结果;其他10种模型物中甲氧基含量测定值与理论值的RSD<3%。

　　3.2丙酮抽提后云杉木粉(以Klason木质素计)甲氧基含量为4.6560 mmolg，以滴定法作为对照测定的甲氧基含量为4.6028 mmol/g，两者RSD<1%。因此，改进后的顶空气相色谱法准确、可靠，可以实现快速测定原料中甲氧基含量。

　　参考文献

　　[1]Park S Y，Kim J，Youn H J，et al.Fractionation of lignin macromolecules by sequential organic solvents systems and their characterization for further valuable applications[J].Intemational Journal of Biological Macromolecules，2018，106：793-802.

　　[2]Aminzadeh S，Lauberts M，Dobele G，et al.Membrane filtration of kraft lignin：Structural charactristics and antioxidant activity of the low-molecular-weight fraction[J].Industrial Crops and Products，2018，112：200-209.

　　[3]Meng X，Crestini C，Ben H，et al.Determination of hydroxyl groups in biorefinery resources via quantitative(PNMR)-P-31-N-spectroscopy[J].NATURE PROTOCOLS，2019，14(9)：2627-2647

　　[4]李新平，陈中豪，蓝桉CTMP过氧化氢漂白难点分析[J].中国造报，2007，22(2)：26-30.

　　LI X P，CHEN Z H.Difficulies in CTMP Hydrogen Peroxide Bleaching of Eucalyptus Globulus[J].Transactions of China Pulp and Paper，2007，22(2)：26-30.

　　[5]Schulyser W，Renders T，Van den Bosch S，et al.Chemicals from lignin：an interplay of lignocellulose fractionation，depolymerisation，and upgrading[J].Chemical Society Reviews，2018，47(3)：852-908.

　　[6]陈方，陈嘉翔，桉木木素结构特性[J].中国造纸学报，1994，9：80-86.

　　CHEN F，CHEN J X.Structure Characteristics of Eucaly ptus Lignin[J].Transactions of China Pulp and Paper，1994，9：80-86.

　　[7]石淑兰，何福望，制浆造纸分析与检测[M].北京：中国轻工业出版社，2010：74-77.

　　SHI SL，HE F W.Analysis and detection of pulping and papermaking[M].Beijing：China Light Industry Press，2010：74-77.

　　[8]Sumerskii I，Zweckmair T，Hettegger H，et al.A fast track for the accurate determination of methoxyl and ethoxyl groups in lignin[J].RSC Advances，2017，7(37)：22974-22982.

　　[9]Jin Z，Akiyama T，Chung B Y，et al.Changes in lignin content of leaf litters during mulching[J].Phytochemistry，2003，64(5)：1023-1031.

　　[10] Goto H, Koda K, Tong G, et al. Interference of Carbohydrates in the Determination of the Methoxyl Content of Lignin in Woody Samples [J]. Journal of Wood Chemistry and Technology, 2006, 26(1):81-93.

　　[11] LiH. Chai X, Liu M, et al. Novel Method for the Determination of the Methoxyl Content in Lignin by Headspace Gas Chromatography J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry , 2012, 60 (21):5307-5310.

　　[12]Baker S M.Rapid methoxyl analysis of lignins using gas chromatography[J].Holzforschung，1996，50(6)：573-574.

　　[13]Jablonsky M，Botkova M，Adamovska J.Prediction of methoxyl groups content in lignin based on ultimate analysis[J].Cellulose Chemistry And Technology，2015，2(49)：165-168.

　　[14]Goto H，Koda K，Tong G，et al.Formation of methyl iodide from methoxyl-free compounds by hydriodic acid treatment[J].Journal of Wood Science，2005，51(3)：312-314.

　　[15]张亮亮，付时雨，谢传龙，等，利用顶空气相色谱测定纤维素衍生物中甲氧基和羟丙氧基含量[J].造纸科学与技术，2011(3)：75-79.

　　ZHANG LL，FU S Y，XIE C L，et al.Determination of methoxyl and hydroxypropoxy in cellulose derivatives by headspace gas chromatography[J].Paper Science and Technology，2011(3)：75-79.

　　[16]高衍，周洁，李春刚，等，气相色谱法测定化合物中R-氯甘油的含量[J].分析测试技术与仪器，2019，25(4)：288-292.

　　GAO K，ZHOU J，LI C G，et al.Gas chromatography determination of R-chlorine in compound glycerin content[J].Analysis and Testing Techniques and Instruments，2019，25(4)：288-292.

　　[17]Costero A M，Gil S，Parra M，et al.5，5'-Bis-vanillin derivatives as discriminating sensors for trivalent cations[J].Tetrahedron Letters，2015，56(26)：3988-3991.

　　[18]Delomenède M，Bedos-Belval F，Duran H，et al.Development of Novel Antiatherogenic Biaryls：Design，Synthesis，and Reactivity[J].Journal of Medicinal Chemistry，2008，51(11)：3171-3181.

　　[19]Luchtefeld R，Dasari M S，Richards K M，et al.Synthesis of Diapocynin[J].Journal of Chemical Education，2008，85(3)：411.

　　[20] Savonnet E, Grau E, Grelier S, et al. Divanillin-Based Epoxy Precursors as DGEBA Substitutes for Biobased Epoxy Thermosets[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2018, 6(8) :11008-11017

　　[21] CORRODI H, WERDINIUS B. Oxidative Conversion of Homovanillic Acid to a Fluorescent Compound [J]. ACTA Chemica Scandinavica, 1965, 19:1854-1858.

澹版槑:鈶犳枃鐚潵鑷煡缃戙€佺淮鏅€佷竾鏂圭瓑妫€绱㈡暟鎹簱锛岃鏄庢湰鏂囩尞宸茬粡鍙戣〃瑙佸垔锛屾伃鍠滀綔鑰�.鈶″鏋滄偍鏄綔鑰呬笖涓嶆兂鏈钩鍙板睍绀烘枃鐚俊鎭�,鍙仈绯�瀛︽湳椤鹃棶浜堜互鍒犻櫎.