CN114544534B - 一种简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，先将酶解木质素烘干，研磨成细粉，然后溶于[Emim][OAc]离子液体中，加入二甲基亚砜稀释配制成标准样溶液，用紫外分光光度计在285nm处测定吸光度，做出吸光度与木质素浓度的标准曲线，得紫外线吸收系数ε；将木质纤维素生物质研磨后干燥处理，溶解于[Emim][OAc]离子液体体系中，加入稀释剂进行稀释，控制稀释后的待测样品溶液在波长为285nm的紫外光下的紫外吸光度值在0.2‑1；将紫外吸光度值代入到公式中计算。本发明具有操作简便，工序少，试剂易得，过程环保，敏感度高，所需样品少，以及适用范围广，测定结果更为精确的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，特别是一种简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法。
背景技术
木质素是最丰富的芳香族聚合物，也是仅次于纤维素的第二大可再生原料。在植物细胞中，木质素与半纤维素交联并粘合为纤维素微纤维，是对其利用转化为其他生物燃料和其他生物基化学物质的主要障碍。因此，在开发利用某种木质纤维素生物质中的木质素之前，先对其中的木质素的含量进行测定尤为重要。
随着科技的进步，木质素测量方法也在不断的改进，木质素含量的测定已从传统的重量分析扩展到使用各种仪器(UV、FTIR、NMR、NIR是一种辅助方法)的快速无损方法。总的来说，目前木质素含量的测量方法通常可以分为两类：直接定量和间接定量。直接方法包括Klason方法和最近提出的ALBTH方法。这些方法使用酸来水解和溶解样品中的碳水化合物，留下大部分木质素作为固体残留物，通过重量测量进行测定[Katahira,R.etal.J.Agric.Food.Chem.,2013,61,3286-3292]。其中，Klason方法使用72％H2SO4然后进行更稀的酸水解以溶解碳水化合物，留下木质素作为不溶性残留物。溶解在酸性溶液中的少量木质素，称为酸溶性木质素(ASL)，通过紫外分光光度法测定。ALBTH方法使用含有40mMHCl的60wt％溴化锂溶液溶解多糖，留下木质素作为固体残留物，其过程类似于Klason方法。Klason方法操作繁琐，劳动强度大。并且Klason方法和ALBTH方法都存在纤维素的潜在水解不足和由糖形成腐殖质的缺陷，这通常会导致对木质素的高估[Li,N.et al.GreenChemistry,2016,18,5367–5376.]。此外，还需要相对大量的样品才能通过重量测量产生可靠的结果。并且酸溶性木质素在阔叶木和草木木质素中含量较高，需要通过UV方法进行测量，但其来自糠醛的干扰也是一个问题。木质素定量的间接方法包括侵入性和非侵入性方法两种。两种侵入性程序(巯基乙酸或乙酰溴)基于通过充分衍生化使整个细胞壁材料或木质素完全溶解，并通过紫外分光光度法测量溶液中溶解的木质素[Hatfield,R.et al.CropScience,2005.45.832-839]。其中巯基乙酸木质素方法尚未得到广泛应用，主要原因是因为过程冗长、得出的结论与其他方法不一致，以及缺乏校准所需的合适木质素标准。而乙酰溴法是最常用的木质素定量间接方法，它相对简单、速度快，并且能够使用较少的样品进行测量。该方法经过多次修改，已确定非木本植物样品中的木质素含量[Moreira-Vilar,F.C.et al.PLoS One,2014.e110000.]。然而，源自木聚糖的糠醛产物会干扰木质素在280nm处的紫外吸收，AcBr木质素值通常与仍然被认为提供最佳木质素测量的Klason木质素分析不同。
综上，木质素定量的非侵入性方法利用木质素的特性来吸收紫外光谱特定区域的辐射。由于木质素对波长为280-320nm的紫外光最强，因此应用紫外显微分光光度法来测量特定植物组织细胞壁中的木质素浓度。尽管有许多方法可用于直接和间接测量木质纤维素生物质中的木质素含量，但迫切需要比目前使用的方法具有优势的新替代方法来简化分析。本发明基于整个生物质可以在[Emim][OAc]体系中完全溶解，建立了一种新的光谱方法，用于通过紫外分光光度法测量木质纤维素生物质的木质素含量。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法。本发明具有操作简便，工序少，试剂易得，过程环保，敏感度高，所需样品少，以及适用范围广，测定结果更为精确的特点。
本发明的技术方案：一种简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，包括如下步骤：
(1)将酶解木质素烘干，研磨成细粉，得木质素标样；
(2)取木质素标样，先溶于离子液体中，然后加入二甲基亚砜稀释配制成标准样溶液，用紫外分光光度计在285nm处测定吸光度，做出吸光度与木质素浓度的标准曲线，根据所述标准曲线获得木质素在285nm处的紫外线吸收系数ε；
(3)将木质纤维素生物质研磨后干燥处理，得待测木质纤维素生物质；
(4)取待测木质纤维素生物质，溶解于离子液体中，得待测样品溶液；
(5)向待测样品溶液中加入稀释剂进行稀释，控制稀释后的待测样品溶液在波长为285nm的紫外光下的紫外吸光度值在0.2-1；
(6)将步骤(5)测得的紫外吸光度值代入到下式中，计算获得木质纤维素生物质中木质素的含量CLignin(％)：
其中：Abs是紫外吸光度值；V为稀释后的待测样品溶液的总体积，单位为L；ms是木质纤维素生物质的质量，单位为g；L为光路长度，单位为cm；ε是木质素在285nm处的紫外线吸收系数，单位为L·g-1·cm-1。
前述的简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，步骤(1)和(3)所述研磨是在室温下进行，研磨方式为球磨，转速500-1000rpm，时间2-4h。
前述的简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，步骤(2)和(4)中所述离子液体为[Emim][OAc]离子液体、咪唑类离子液体、吡啶类离子液体、季铵类离子液体、吡咯烷类离子液体或季鏻类离子液体。
前述的简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，所述步骤(2)中，木质素标样与[Emim][OAc]离子液体的固液比为1：5，二甲基亚砜稀释的倍数为100-500倍。
前述的简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，步骤(3)中所述干燥为真空干燥。
前述的简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，步骤(4)中所述待测样品溶液中木质纤维素生物质的质量浓度为10-50mg/mL。
前述的简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，步骤(2)和(4)中所述的溶解是在130-150℃、300-500rpm的搅拌速度下溶解0.5-3h。
前述的简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，步骤(2)和(5)中所述稀释溶剂为二甲基亚砜。
前述的简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，步骤(5)中所述稀释的稀释倍数为100-200倍。
前述的简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，所述步骤(5)中，在测定吸光度时，以二甲基亚砜作空白溶液。
本发明的有益效果
1、本发明通过采用[Emim][OAc]离子液体作为溶解体系，结合紫外分光光度法，建立了一种新的测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法。与现目前测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法相比，本发明具有如下优点：(1)所用试剂易得、测定过程环保；(2)程序短，操作简便；(3)敏感度高，只需要几毫克的样品；(4)该方法提供的结果与使用Klason方法获得的总木质素含量接近，与之相比的不需要通过高温马弗炉的煅烧，而且不会将未水解的多糖也纳入固体木质素的质量，更为精确；(5)显然该方法可以在高通量模式下运行。
2、本发明适用于测定木质素含量较高的木质纤维原料，也适用于测定木质素含量较低的经化学处理后的木质纤维素，介于可观的溶解能力任何可溶解的木质纤维素生物质都可以用此方法，本发明的适用范围广，可以为硬木、软木和草本类植物，拟合的标准曲线去定量含量高或低的样品都适用。该方法新颖、高效、绿色、适用性广泛在植物化学、饲料、生物质转化、纸浆和造纸等领域中木质素测量具有潜在优势。
附图说明
图1为酶解木质素溶解在[Emim][OAc]离子液体中的标准曲线；
图2为不同溶解温度、溶解时间、生物质粒径和质量的影响；
图3为松木粉溶解在[Emim][OAc]离子液体中用于木质素定量的图示；
图4为溶解在[Emim][OAc]离子液体中的三素(纤维素，半纤维素和木质素)在DMSO的紫外吸收图；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
本发明的实施例
需要说明本发明的木质素计算公式：
其中：Abs是紫外吸光度值；V为稀释后的待测样品溶液的总体积，单位为L；ms是木质纤维素生物质的质量，单位为g；L为光路长度，单位为cm；ε是木质素在285nm处的紫外线吸收系数，单位为L·g-1·cm-1。
实施例1：
称取酶解木质素5mg，加入到1mL[Emim][OAc]离子液体中溶解，溶解条件为130-150℃、300-500rpm的搅拌速度下溶解0.5-3h，在溶解均匀后的样品用二甲基亚砜(DMSO)稀释100-500倍，得到完全溶解的标准样溶液，将所述标准样溶液取3mL加入到比色皿中，再置于紫外分光光度计中得到紫外吸收曲线，在285nm时获得最大值作标准曲线，相关结果如图1所示，根据标准曲线获得木质素在285nm处的紫外线吸收系数ε。该ε值为固定值，在其他的测试过程中直接使用即可。
实施例2：
一种使用离子液体简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，步骤如下：
(1)将木质纤维素生物质使用球磨机进行球磨处理，球磨条件为室温、转速500-1000rpm，球磨2-4h，然后真空干燥；
(2)称取步骤(1)得到的样品取10-50mg置于1mL[Emim][OAc]离子液体体系中进行溶解，溶解条件为130-150℃、300-500rpm下搅拌0.5-3h，得到完全溶解的样品溶液；
(3)将步骤(2)得到的试样溶液用二甲基亚砜稀释100-200倍，控制稀释后的试样溶液在285nm波长下的紫外吸光度值在0.2-1；
(4)将紫外吸收光度值代入到前述木质素计算公式中，计算木质素的含量CLignin(％)。
实施例3：
按实施例2的步骤，称取不同粒径的玉米秸秆5-50mg，加入到1mL[Emim][OAc]离子液体中溶解，溶解条件为100-140℃、300rpm下搅拌1h，在溶解均匀后的样品用二甲基亚砜(DMSO)稀释200倍，得到完全溶解的待测样品溶液，将所述待测样品溶液取3mL加入到比色皿中再置于紫外分光光度计中得到紫外吸收曲线，在285nm取紫外吸收值，代入木质素计算公式，得到不同溶解温度、时间、粒径和质量对木质素溶解的影响。
测定结果如图2所示，本实例充分说明，对于不同溶解温度、溶解时间、生物质粒径和质量对于生物质在溶解在[Emim][OAc]离子液体后紫外吸收光度值的影响，确定了本发明的最佳使用条件，温度为140℃，时间为1h，生物质质量范围为10-20mg和粒径大小则为球磨。
实施例4：
按实施例2的步骤，称取不同种类的木质纤维素(杨木、松木、稻壳、玉米秸秆、竹粉)各15mg，加入到1mL[Emim][OAc]离子液体中溶解，溶解条件为140℃、300rpm下搅拌1h，在溶解均匀后的样品用二甲基亚砜(DMSO)稀释200倍，得到完全溶解的待测样品溶液，将所述待测样品溶液取3mL加入到比色皿中再置于紫外分光光度计中得到紫外吸收曲线，在285nm取紫外吸收值，代入木质素计算公式，相关结果如表1所示：
表1对不同来源木质纤维素的研究
| 编号 | 木质纤维素 | 木质素含量 |
| 1 | 杨木 | 22.12±2.31 |
| 2 | 松木 | 21.21±0.09 |
| 3 | 稻壳 | 24.57±1.47 |
| 4 | 玉米秸秆 | 18.25±0.44 |
| 5 | 竹粉 | 28.86±1.63 |
本实例充分说明，对于不同来源的木质纤维素都可以测出木质素的含量，充分说明此专利关于木质纤维素种类具有普适性。
实施例5：
不同方法对各种生物质的木质素定量的比较结果如下表2所示。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造揭露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将酶解木质素烘干，研磨成细粉，得木质素标样；
(2)取木质素标样，先溶于离子液体中，然后加入稀释剂稀释配制成标准样溶液，用紫外分光光度计在285nm处测定吸光度，做出吸光度与木质素浓度的标准曲线，根据所述标准曲线获得木质素在285nm处的紫外线吸收系数ε；
(3)将木质纤维素生物质研磨后干燥处理，得待测木质纤维素生物质；
(4)取待测木质纤维素生物质，溶解于离子液体中，得待测样品溶液；
(5)向待测样品溶液中加入稀释剂进行稀释，控制稀释后的待测样品溶液在波长为285nm的紫外光下的紫外吸光度值在0.2-1；
(6)将步骤(5)测得的紫外吸光度值代入到下式中，计算获得木质纤维素生物质中木质素的含量CLignin(％)：
其中：Abs是紫外吸光度值；V为稀释后的待测样品溶液的总体积，单位为L；ms是木质纤维素生物质的质量，单位为g；L为光路长度，单位为cm；ε是木质素在285nm处的紫外线吸收系数，单位为L·g-1·cm-1。
2.根据权利要求1所述的简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，其特征在于：步骤(1)和(3)所述研磨是在室温下进行，研磨方式为球磨，转速500-1000rpm，时间2-4h，物理尺寸为60-800目。
3.根据权利要求1所述的简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，其特征在于：步骤(2)和(4)中所述离子液体为[Emim][OAc]离子液体、咪唑类离子液体、吡啶类离子液体、季铵类离子液体、吡咯烷类离子液体或季鏻类离子液体。
4.根据权利要求1所述的简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，木质素标样与[Emim][OAc]离子液体的固液比为1：5，二甲基亚砜稀释的倍数为100-500倍。
5.根据权利要求1所述的简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，其特征在于：步骤(3)中所述干燥为真空干燥。
6.根据权利要求1所述的简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，其特征在于：步骤(4)中所述待测样品溶液中木质纤维素生物质的质量浓度为10-50mg/mL。
7.根据权利要求1所述的简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，其特征在于：步骤(2)和(4)中所述的溶解是在130-150℃、300-500rpm的搅拌速度下溶解0.5-3h。
8.根据权利要求1所述的简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，其特征在于：步骤(2)和(5)中所述稀释溶剂为二甲基亚砜。
9.根据权利要求1所述的简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，其特征在于：步骤(5)中所述稀释的稀释倍数为100-200倍。
10.根据权利要求1所述的简易快速测定木质纤维素生物质中木质素含量的方法，其特征在于：所述步骤(5)中，在测定吸光度时，以二甲基亚砜作空白溶液。
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| WO2012049530A1 (ru) * | 2010-10-12 | 2012-04-19 | Артер Текнолоджи Лимитед | Способ утилизации отходов производства пальмового масла посредством их переработки в лигноцеллюлозную муку с последующим ее использованием для получения жидкого и твердого топлива |
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| CN108051389A (zh) * | 2018-02-05 | 2018-05-18 | 南京林业大学 | 一种不经分离定量测定木质纤维中木质素含量的方法 |
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2022
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| 紫外分光光度法测定黑曲霉发酵液中糠醛的含量;邱勇;赵姗;黄婕;代园凤;杨莉琴;陈雪;黄杰;李祝;;山地农业生物学报;20181028(05);全文 * |
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