在植物纤维原料的半纤维素中,聚4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖占有较大的比例。这些聚木糖的侧链基团4-O-甲基葡萄糖醛酸,在硫酸盐法蒸煮过程中受到高温强碱的作用,通过β-甲醇消除反应,在六元环上形成双键,转变为4-脱氧-左旋-对-己烯-4-糖醛酸(4-deoxy-β-L-threo-hex-4-enopyranosyluronicacid),简称己烯糖醛酸(Hexenuronic acid,简写为H uA)。其反应过程如下:
由于己烯糖醛酸的存在对纸浆的卡伯值、漂白性能和金属离子分布等有重要的影响,因此,己烯糖醛酸的测定技术及其对纸浆卡伯值的影响和在漂白中的作用等方面的研究引起造纸界的广泛兴趣。已进行的研究表明,采用温和的酸水解方法选择性地除去纸浆中的H uA后,可以使卡伯值测定结果减小,可节约漂白化学品用量,提高漂白浆的白度,并可改善其白度稳定性,而纸浆黏度的损失很小。
纸浆中己烯糖醛酸的含量随原料不同、蒸煮方法不同和蒸解程度不同而有差别。表8-2列出我国四种南方速生材和麦草的未漂硫酸盐浆中H uA含量的测定结果,以及经酸水解除去HexA后,纸浆卡伯值的降低程度。从表中可以看出,不同原料的硫酸盐浆中己烯糖醛酸含量不同。针叶木纸浆中的HuA含量一般在10~30mmol/kg之间;而阔叶木浆的HuA含量一般为40~70mmol/kg,约为针叶木浆的2~3倍。这是因为针叶木的4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖比阔叶木少得多,在蒸煮过程中产生的己烯糖醛酸相应就少得多。麦草硫酸盐浆中的HuA含量很少,仅为10mmol/kg左右,这是因为草类原料虽然半纤维素含量较高,但其主要成分是聚阿拉伯糖葡萄糖醛酸木糖,而4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖含量极少,因此其H uA含量较硫酸盐木浆少。
从表8-2还可看出,硫酸盐木浆随着蒸煮程度的加大(即随着卡伯值的降低),纸浆中己烯糖醛酸含量逐渐减少。其原因是蒸煮过程中生成的己烯糖醛酸也会发生降解。
表8-2 不同原料未漂硫酸盐纸浆的己烯糖醛酸含量
在制浆过程中,测定纸浆的硬度(卡伯值或高锰酸钾值)是生产上控制纸浆质量的一项重要指标,它可以间接反映纸浆中残余木素含量的多少。纸浆硬度的测定原理是在规定条件下,纸浆中的木素与高锰酸钾在酸性条件下发生氧化还原反应,依据高锰酸钾的消耗量通过计算得出卡伯值(或高锰酸钾值)的结果。如若在纸浆中含有一定量的己烯糖醛酸时,由于其结构中含有碳碳双键,也易于与KMnO4在酸性条件下发生氧化还原反应,因此在测定纸浆卡伯值时,必然会造成KMnO4消耗量的增加,从而使纸浆卡伯值的测定结果偏高。
表8-2结果表明,纸浆经酸水解除去己烯糖醛酸后,各种纸浆的卡伯值均有不同程度的降低,其中针叶木浆卡伯值降低1~3,阔叶木浆卡伯值降低5~7,而草浆卡伯值降低1左右。这说明己烯糖醛酸对纸浆卡伯值测定的影响是比较明显的,特别是阔叶木浆影响最大。而且研究还发现,纸浆H uA含量与酸水解前后卡伯值的差值有近乎线性的关系,无论是木材还是草类原料的硫酸盐浆,每10mmol/kg的HuA,对应卡伯值约降低1。
己烯糖醛酸与KMnO4在酸性条件下的氧化反应式如图8-1。
纸浆中己烯糖醛酸含量的定量测定主要有3种方法:酶水解法(VTT法)、醋酸汞水解法(KTH法)和选择性酸水解法(HUT法)。VTT法是用酶在非常温和的条件下水解纸浆中的聚合物,然后采用高效阴离子交换色谱(HPAEC),定量测定HuA取代的木质-低聚糖。KTH法是用醋酸汞使纸浆在温和的条件下水解,HuA也被水解从而得到水解产物4-脱氧-5-氧代-左旋-对-己烯糖醛酸,然后用比色法进行定量测定。HUT法则是利用己烯糖醛酸在弱酸性条件下发生选择性水解的特性,采用紫外分光光度法对水解生成的主要产物2-糠醛和5-羧基-2-糠醛进行定量测定。上述方法相比较,HUT法最为简便可行,且快速准确,因此应用较多。
下面介绍采用温和酸水解和紫外分光光度法测定纸浆中己烯糖醛酸含量的方法(HUT法)。
图8-1 己烯糖醛酸与高锰酸钾的氧化反应
(一)测定原理
选择性酸水解法(HUT法)测定纸浆中己烯糖醛酸含量的原理,是利用己烯糖醛酸在弱酸性条件下发生选择性水解的特性,对纸浆进行温和的酸水解。浆料在pH3.0~3.5、温度110℃的条件下水解60min,然后采用紫外分光光度计测定水解产物在245nm处的吸收值,继而计算浆中己烯糖醛酸的含量。
己烯糖醛酸在弱酸性条件下发生水解反应,生成两种呋喃衍生物。己烯糖醛酸首先从聚木糖侧链上脱落,转变成产物1,它易于发生β-消除反应脱去一分子水形成产物2。产物2的环状结构3有两种降解途径,一是其醛基被水解,脱去一分子水和甲酸转变成产物5,即2-糖醛(也称2-呋喃羧酸),这是主要的降解途径,产物约占90%;另一途径是醛基不被水解而脱去一分子水转变成产物6,即5-羧基-2-糠醛(也称5-甲酰-2-糠酸),约占产物总量的10%。
己烯糖醛酸的酸水解反应如图8-2。
(二)仪器(www.xing528.com)
a.紫外分光光度计;b.氮气瓶;c.压力反应容器:220mL不锈钢罐,配110℃控温装置,带有进、放气阀门。
(三)试剂
标准缓冲试剂(1mol/L HCOONa缓冲剂):将37.7mL浓甲酸和200mL 1mol/L NaOH溶液加到1000mL容量瓶中,然后再加入去离子水稀释至刻度。
反应缓冲溶液(0.01mol/L HCOONa缓冲剂):吸取20mL 1mol/L HCOONa标准缓冲试剂加入到2000mL容量瓶中,然后再加入去离子水稀释至刻度。
(四)测定步骤
浆料用去离子水充分洗涤后,脱水至20%~30%干度,静置使水分平衡后备用。
精确称取3~5g(绝干)浆样(同时称取试样测定水分),放入反应器内,加入120~150mL0.01mol/L HCOONa缓冲溶液。旋紧盖后,通入N2把反应器中的空气赶出,并旋紧进、放气阀门。
图8-2 己烯糖醛酸的酸水解反应
将反应器浸入预热到110℃的油浴中,并开始转动。在110℃下反应60min后,取出反应器放入冷水中冷却。
打开反应器,用500mL去离子水冲洗反应器和浆料,在负压的漏斗上用已恒重的滤纸过滤浆样。将滤液移入到1000mL容量瓶中,并用去离子水稀释至1000mL。
取稀释后的滤液,用紫外分光光度计测定波长245nm处的吸光度,参比液为蒸馏水。浆样中己烯糖醛酸含量b己烯糖醛酸(μmol/g浆或mmol/kg浆)按式(8-3)计算:
式中 b己烯糖醛酸——己糖醛酸含量,μmol/g浆或mmol/kg浆
A245——滤液在245nm处的吸收值
m——浆样绝干质量,g
8.7——吸收系数,1/μmol
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