桉木熱水預水解液有機酸離子色譜分析

崔金龍 郭懷澤 李海明 周景輝 韓 穎 畢佳捷 王 安

(大連工業大學，遼寧大連，116034)

熱水預水解是生物質精煉的重要手段之一［1-2］。在生物質的熱水預水解過程中，酸性物質的生成是生物質利用平臺建設的重要研究對象之一，如何快捷地對這些酸性物質進行測定，具有重要意義。

桉木中的半纖維素主要是聚木糖，同時還有少量的聚葡萄糖甘露糖，其中聚木糖類主要是聚O-乙?；?(4-O-甲基葡萄糖醛酸)木糖［3］。在熱水預水解過程中，含乙?；ф湹木勰咎敲撘阴；梢宜幔?］;所生成的乙酸在加速半纖維素水解和纖維素部分降解的同時，也加速了水解產物的進一步降解。其中的主要水解產物木糖和葡萄糖通過脫水反應分別降解生成5-羥甲基糠醛和糠醛［5-6］，5-羥甲基糠醛進一步熱分解生成乙酰丙酸和甲酸［7］，而糠醛也可進一步分解產生甲酸［8］，具體的降解過程如圖1所示。綜上所述，桉木熱水預水解液中的有機酸主要是甲酸、乙酸和乙酰丙酸。

圖1 桉木熱水預水解過程中的主要降解過程

有機酸的測定方法主要有傳統化學法［9］、高效液相色譜法［10］、氣相色譜法［11-12］和離子色譜法［13］等。傳統化學法只能測得酸總含量，不能測出具體每種酸的含量。高效液相色譜法分析有機酸的過程中，以保留時間作為定性依據，但是該法中有機酸保留時間受溫度和pH值等條件影響較大，重現性較差，易導致定性不準［14］;而氣相色譜法受易揮發雜質干擾。離子色譜法采用陰離子交換機理進行分析，樣品中其他非離子組分干擾較小;利用抑制電導進行檢測，背景電導率很低，可以提高測定靈敏度，操作簡單，無須繁瑣的預處理或柱后處理，可以快速、高效地對多種常見有機酸和無機陰離子進行同時檢測和分離［14］，被廣泛應用于醫藥［15］、食品［16］、環境［17］、輕工［18］等領域中有機酸的檢測。

隋小玉等人［13］采用離子色譜法直接分析葡萄糖水解液中的有機酸，為乙酰丙酸的測定提供一種新方法，但是這種方法主要考慮乙酰丙酸和甲酸的分離測定，沒有涉及乙酸和乙酰丙酸的分離。從結構角度考慮，如果方法選擇不當，乙酸和乙酰丙酸有可能出現難以分離的現象，因此探究離子色譜法是否適于甲酸、乙酸和乙酰丙酸的同時測定很有必要。本研究建立了一種以NaOH溶液作為淋洗液，采用離子色譜法分析并分離桉木熱水預水解液中乙酸、甲酸和乙酰丙酸的方法。建立的方法分析結果準確、重復性好、簡便快速，為生物質熱水預水解液中有機酸的測定提供了一種方法。

1 實驗

1.1 試劑與材料

標準乙酸 (質量分數49% ～51%)、標準甲酸(質量分數49% ～51%)、標準乙酰丙酸 (純度超過98%)，均為Sigma-Aldrich公司提供;NaOH溶液，質量分數50% ～52%，Fluka公司提供;蒸餾水。

桉木片由山東華泰紙業股份有限公司提供。經篩選、洗滌風干后磨粉，取40～60目桉木粉作為原料。

1.2 實驗儀器

ICS-5000型離子色譜儀，美國戴安公司;四元梯度泵，Chromeleon 6.80色譜工作站;IonPacTMAS11-HC(250 mm×4 mm)陰離子分析柱，IonPacTMAS11-HC(50 mm×4 mm)陰離子保護柱;ASRSTM300(4 mm)電解自再生陰離子電化學抑制器;電導檢測器。

智能油浴鍋，鞏義市予華儀器有限責任公司。0.22 μm微孔水系過濾頭，上海興亞凈化材料廠。

1.3 標準溶液的配制

準確稱取2.0 g(精確到0.0001 g，下同)標準乙酸、2.0 g標準甲酸和1.0 g標準乙酰丙酸，分別置于100 mL容量瓶中，用去離子水定容，均配成10.0 g/L的單一標準儲備液。

分別取1 mL配制好的單一標準儲備液定容至100 mL，得到濃度均為100.0 mg/L的乙酸、甲酸和乙酰丙酸標準母液。

將配制好的單一標準母液分別稀釋成0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、10.0和15.0 mg/L的標準溶液。

分別取1 mL配制好的標準乙酸和甲酸母液、0.5 mL標準乙酰丙酸母液，混合后定容至100 mL，可得到含有1.0 mg/L乙酸和甲酸、0.5 mg/L乙酰丙酸的標準混合酸。

1.4 桉木的熱水預水解

稱取8 g絕干桉木粉于智能油浴鍋的小罐中，按照液比 1∶6補充去離子水，分別在溫度 150℃、170℃、190℃、210℃和230℃下反應1 h，從40℃升溫至所需的預處理溫度開始計時。反應結束后，用涼水迅速沖涼小罐，取出預水解液及水解后的木粉，過濾得到預水解液。稀釋一定的倍數，用0.22 μm微孔水系過濾頭過濾后，進行離子色譜分析。

2 結果與討論

2.1 離子色譜分離條件

本實驗采用NaOH溶液作為淋洗液，用蒸餾水(E1)、250 mmol/L NaOH(E2)和50 mmol/L NaOH(E3)調節濃度;柱溫30℃;抑制器電流為99 mA;檢測器溫度35℃;流速1.0 mL/min;進樣量25 μL，所采用的梯度洗脫程序見表1。從表1可以看出，0～15.0 min為有機酸的測定階段，22.1～28.0 min為平衡系統階段，這兩個階段均利用2.0 mmol/L的NaOH溶液等梯度淋洗;15.1～22.0 min為柱子清洗階段，此階段利用40.0 mmol/L的NaOH溶液沖洗。

表1 淋洗液梯度洗脫程序

混合酸標準溶液離子色譜圖如圖2所示。從圖2中可以看出，甲酸、乙酸和乙酰丙酸的峰形比較尖銳，且得到了有效分離。

圖2 標準混合酸溶液離子色譜圖

2.2 線性關系和檢出限

根據乙酸、甲酸和乙酰丙酸標準溶液的濃度和色譜峰的面積，求線性回歸方程，按式 (1)計算出其相應的檢出限，取各酸不同濃度下檢出限的最大值作為該酸的檢出限。各化合物的線性回歸方程、檢出限見表2。由表2可知，乙酸、甲酸和乙酰丙酸標準溶液濃度和色譜峰面積具有較好的線性相關性，檢出限分別為12.5 μg/L、6.3 μg/L、18.8 μg/L，相關系數(r2)為0.9999、0.9997、0.9990。

式中，Cmin為最小檢出限;CS為樣品濃度;Hn為噪音峰高;H為樣品峰高。

表2 線性關系和檢出限

2.3 重現性

為了考察該方法的重現性，以含有1.0 mg/L乙酸、1.0 mg/L甲酸和0.5 mg/L乙酰丙酸的混合酸標準樣，連續6次進樣，測得結果如表3所示。分別計算出6次測定值的平均值 (X)和相對標準偏差 (RSD)。

表3 混合酸標準樣的重現性實驗

RSD越小，表明重現性越好。如表3所示，各標準酸檢測濃度的RSD在0.82%～1.96%之間，滿足儀器分析RSD＜3%的要求。這表明本方法用于測定桉木粉熱水預水解液中有機酸的組成和含量具有良好的重現性。

2.4 樣品加標回收率

為了考察該方法的準確度，在190℃下的樣品稀釋液中添加3種已知濃度的有機酸標準品，按照式(2)測定其回收率，結果見表4。

式中，c1為測得濃度，mg/L;c2為樣品稀釋液濃度，mg/L;c3為加入的標準酸濃度，mg/L。

由表4可以看出，這3種有機酸的測定均具有良好的準確性，也說明該方法系統誤差較小。

表4 190℃下樣品稀釋液加標實驗結果

2.5 樣品測定

根據上述有機酸測定方法，對溫度150℃、170℃、190℃、210℃和230℃下制備的熱水預水解液中的有機酸進行了測定，以掌握熱水預水解過程中有機酸的生成規律和糖類的降解程度，測定數據如表5所示。210℃下測得的樣品離子色譜圖如圖3所示。

表5 不同預水解溫度下熱水預水解液中有機酸含量

圖3 210℃下的樣品離子色譜圖

由圖3可知，離子色譜法可以有效分離桉木粉熱水預水解液樣品中的乙酸、甲酸和乙酰丙酸，表明這種方法適合于桉木粉水解液中有機酸的測定。由表5可知，在其他條件不變的情況下，隨著預水解溫度的升高，乙酸、甲酸和乙酰丙酸的濃度都呈上升趨勢。在150℃下，甲酸和乙酰丙酸未檢出，可見木糖和葡萄糖都沒有發生酸降解反應;而隨著預水解溫度的升高，甲酸和乙酰丙酸含量的增加表明了木糖和葡萄糖降解生成酸的反應有所加強。

3 結論

以2.0 mmol/L NaOH等梯度淋洗15 min，采用離子色譜法可有效分離并定量檢測桉木熱水預水解液中有機酸，包括其中的乙酸、甲酸和乙酰丙酸。該方法前處理簡單快速，檢測靈敏度高，受樣品中其他非離子組分干擾較小，重現性和加標回收率均符合儀器分析要求，適合于生物質水解液中有機酸的測定。

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