Реферат: Определение целлюлозы и холоцеллюлозы
Хлорный метод, или метод Кросса и Бивена, основан на чередующихся обработках древесины влажным хлором и горячим водным раствором сульфита натрия, растворяющим продукты замещения и окисления лигнина. Раствор хлорированного лигнина имеет красный цвет в случае лиственного лигнина и коричневый у хвойного лигнина. Признаком окончания делигнификации служит исчезновение окраски. Чтобы не деструктировать целлюлозу, хлорирование проводят при охлаждении. Гемицеллюлозы частично растворяются в растворе сульфита натрия. Они удаляются примерно на одну треть, поэтому внесение поправки на остаточные гемицеллюлозы обязательно. Для удаления экстрактивных веществ необходимо предварительное экстрагирование органическими растворителями. Метод хлорирования лежит в основе стандарта TAPPIT 17 т. Поскольку препарат содержит значительную долю остаточных гемицеллюлоз, его называют целлюлозой Кросса и Бивена.
Азофносрисфовой метод, или метод Кюршнера, основан на обработке древесины спиртовым раствором азотной кислоты. Лигнин нитруется и частично окисляется. Продукты нитрования и окисления растворяются в спирте. Гемицеллюлозы гидролизуются. Окислительная деструкция целлюлозы под действием азотной кислоты в спиртовой среде по сравнению с водной уменьшается. Однако СП целлюлозы понижается в результате этанолиза и целлюлоза частично аморфизируется. Предварительного экстрагирования органическими растворителями не требуется, так как экстрактивные вещества удаляются этанолом в ходе обработки.
Выход выделенного препарата, называемого целлюлозой Кюршнера, ниже, чем выход целлюлозы Кросса и Бивена. Однако при внесении всех поправок результаты обоих методов оказываются примерно одинаковыми.
Азотно-спиртовой метод по сравнению с хлорным получил более широкое распространение. Этот метод более прост, лишен неудобств работы с токсичным хлором и выполняется быстрее, так как не требует предварительного экстрагирования. В литературе есть указания, что для анализа древесины тропических пород более пригоден азотно-спиртовой метод, но необходимое число последовательных обработок может оказаться больше, чем для древесных пород умеренной климатической зоны.
Иногда при определении целлюлозы используют метод Зейферта, основанный на обработке древесины смесью ацетил-ацетона и диоксана, подкисленной соляной кислотой. Этот метод хотя и дает более воспроизводимые результаты, чем метод Кюршнера, но выход препарата целлюлозы оказывается ниже.
При определении целлюлозы через холоцеллюлозу сначала из растительного материала удаляют экстрактивные вещества и проводят делигнификацию. Из полученной холоцеллюлозы удаляют гемицеллюлозы водным раствором щелочи, в результате чего выделяется целлюлоза в виде альфа-целлюлозы. Или же в холоцел-люлозе определяют нецеллюлозные компоненты и вычитают их из содержания холоцеллюлозы.
Способы определения чистой целлюлозы в виде щелочеустойчивой альфа-целлюлозы считают более точными по сравнению с прямыми способами выделения целлюлозы непосредственно из обессмоленной древесины. При выделении альфа-целлюлозы деградация целлюлозы сводится к минимуму. Однако результаты определения целлюлозы при этом не будут абсолютно точными, так как в препарате альфа-целлюлозы остаются примеси остаточного лигнина и гемицеллюлоз, не удаляющихся полностью1 щелочной обработкой. Часть ксиланов необратимо адсорбируется на целлюлозе, а при анализе древесины хвойных пород не растворяется и часть маннанов, которые удерживаются в альфа-целлюлозе. Многократная обработка растворами щелочей позволяет извлечь большую часть остаточных нецеллюлозных полисахаридов и лигнина, но приводит к существенному снижению выхода альфа-целлюлозы и ее СП. Таким образом, практически невозможно выделить из холоцеллюлозы препарат альфа-целлюлозы, содержащий всю целлюлозу древесины, но не содержащий неглю-козных Сахаров. Косвенный способ определения альфа-целлюлозы теоретически позволяет долучить более точные результаты, но оказывается значительно более трудоемким, а сложение ошибок отдельных анализов может привести к ошибке и в определении массовой доли альфа-целлюлозы.
При косвенном способе, основанном на расчете содержания целлюлозы по D-глюкозе, содержащейся в гидро-лизате трудногидролизуемых полисахаридов, количество D-глюкозы определяют хроматографическими методами. Для расчета массовой доли целлюлозы выход глюкозы, вычисленный в процентах по отношению к исходной абсолютно сухой древесине, умножают на коэффициент 0,9, т.е. пересчитывают на глюкан. Более точные данные получают определением состава моносахаридов в гидролизате холоцеллюлозы или выделенной из нее альфа-целлюлозы. При расчете массовой доли глюкана в случае древесины хвойных пород желательно вносить поправку на глюкозу, звенья которой содержатся в остаточном глюкоманнане. С этой целью в гидролизате определяют маннозу и рассчитывают массовую долю глюкозы, содержащейся в глюкоманнане, принимая соотношение звеньев глюкозы и маннозы равным 1:3. Получаемое расчетное значение массовой доли целлюлозы уже будет близким к истинному содержанию целлюлозы в древесине.
3. Определение холоцеллюлозы методом хлорирования
Для проведения анализа можно использовать аппарат для хлорирования древесины стандарта TAPPIT 9 т, изображенный на рис. Аппарат устанавливают в вытяжном шкафу.
Методика анализа. Навеску воздушно-сухих обессмоленных спиртотолуольной смесью или этиловым эфиром опилок массой около 2 г помещают в стеклянный пористый фильтр / аппарата для хлорирования. Влажность обессмоленной древесины определяют в отдельной пробе по обычной методике. Навеску увлажняют холодной дистиллированной водой и отсасывают ее избыток. Охлаждающую рубашку 2 заполняют ледяной водой. Затем проводят хлорирование пропусканием газообразного хлора через перевернутую конусообразную воронку 3, применяя умеренное отсасывание. После 5 мин хлорирования отсасывание прекращают и сливают охлаждающую воду. В фильтр заливают 95%-ный этанол для удаления избытка хлора и образовавшейся соляной кислоты, выдерживают 1 мин и отсасывают. Затем в фильтр заливают горячий 3%-ный раствор моно-этаноламина в 95%-ном этаноле, оставляют на 2 мин и отсасывают. Обработку растворителем повторяют еще раз, после чего промывают древесину от остатков растворителя дважды этанолом и дважды холодной дистиллированной водой, удаляя ее избыток отсосом. Снова заливают в рубашку охлаждающую • воду. Повторяют хлорирование и последующие обработки, пока остаток на фильтре не будет оставаться белым при последующем хлорировании и обработке эта-нольным раствором моноэтаноламина. Затем холоцеллюлозу промывают этанолом, холодной дистиллированной водой, снова этанолом и, наконец, этиловым эфиром для ускорения последующей сушки. Полученную холоцеллюлозу подсушивают на воздухе для удаления эфира, а затем фильтр с холоцеллюлозой сушат в сушильном шкафу при температуре °С до постоянной массы и взвешивают.
Массовую долю холоцеллюлозы, % к абсолютно сухой исходной древесине, рассчитывают по формуле
где т{ – масса фильтра с холоцеллюлозой, г; т – масса пустого фильтра, г; g– масса абсолютно сухой навески обес-смоленной древесины, г; K3 – коэффициент экстрагирования органическим растворителем. Примечания:
1. Если после предварительного экстрагирования проводили дополнительную обработку раствором щелочи, вместо К, при расчете используют общий коэффициент экстрагирования К,щ .
Если препарат холоцеллюлозы предназначается для последующих анализов, то сушить холоцеллюлозу следует на воздухе или в вакуум-сушильном шкафу при температуре не выше 60 °С. В этом случае массовую долю холоцеллюлозы определяют в отдельной пробе обессмоленной древесины,
3. В соответствии с модифицированной методикой этанольный раствор моноэтаноламина можно заменить 5%-ным раствором моноэтаноламина в диоксане и, соответственно, этанол для промывки – диоксаном.
4. При необходимости внесения поправок в холоцеллюлозе определяют остаточные лигнин, пентозаны, золу.
4. Определение холоцеллюлозы хлоритным методом
Методика анализа. Навеску воздушно-сухих обессмоленных спиртотолуольной смесью или этиловым эфиром опилок массой около 5 г помещают в коническую
колбу вместимостью 250 см'1 . Добавляют последовательно 160 см'' дистиллированной воды, 0,5 см'' ледяной уксусной кислоты и г NaClO2 . Все one-рации, а также последующие нагревание, фильтрование и промывку обязательно проводят в вытяжном шкафу из-за высокой токсичности выделяющегося диоксида хлора. Реакционную колбу прикрывают перевернутой небольшой конической колбой и нагревают на водяной бане при температуре содержимого колбы 70…80 °С в течение 1 ч при периодическом перемешивании. Затем добавляют еще 0,5 см ледяной уксусной кислоты и г NaCIO2 , перемешивают и продолжают нагревание при 70…80 °С еще 1 ч. При анализе древесины хвойных пород проводят еще две таких обработки, а для древесины лиственных пород – еще одну. По окончании делигнификации колбу с реакционной смесью охлаждают в бане со льдом так, чтобы температура содержимого колбы не превышала Ю°С. Холоцеллюлозу отфильтровывают с отсосом на высушенном до постоянной массы стеклянном пористом фильтре, смывая на фильтр небольшим объемом холодной дистиллированной воды, и промывают ацетоном, 95%-ным этанолом, холодной дистиллированной водой. Фильтр с холоцеллюлозой сушат в вакуум-сушильном шкафу при температуре не выше 60 °С до постоянной массы и взвешивают. Можно также высушить холоцеллюлозу на воздухе и после взвешивания определить ее влажность по обычной методике.
Массовую долю холоцеллюлозы, % к абсолютно сухой исходной древесине, рассчитывают по формуле, приведенной выше.
Для расчета массовой доли чистой холоцеллюлозы необходимо внести поправку на остаточный лигнин, так как в хлоритной холоцеллюлозе его должно оставаться примерно 2…4%. В противном случае будут наблюдаться большие потери полисахаридов Тогда массовую долю хлоритной холоцеллюлозы, % к абсолютно сухой исходной древесине, рассчитанную по формуле, умножают на поправочный коэффициент Kl
где L– массовая доля лигнина в холоцеллюлозе, %.
Выделенную холоцеллюлозу используют для последующих анализов.
Примечания:
1. При выделении хлоритной холоцеллюлозы из древесины лиственных пород ее предварительному экстрагированию органическими растворителями можно не подвергать.
2. При выделении хлоритной холоцеллюлозы из древесины тропических пород и другого малоизученного сырья рекомендуется предварительно определить необходимое число обработок подкисленным раствором хлорита натрия.