卷煙紙常用漿板中纖維素、半纖維素和木質素的測定

鄭泉興，劉秀彩，張國強，李巧靈，黃朝章，謝 衛，許寒春，藍洪橋，劉 雯，李 斌，鄧 楠，張建平*，伊曉東

1. 福建中煙工業有限責任公司技術中心，福建省廈門市集美區濱水路298 號 361021 2. 廈門大學化學系，福建省廈門市思明南路422 號 361005 3. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2 號 450001

卷煙紙漿板是以植物纖維為原料，通過不同加工方法制得的纖維狀物質，目前卷煙紙常用漿板是闊葉木紙漿、針葉木紙漿和亞麻紙漿［1-2］。卷煙紙漿板中的植物纖維是一種天然復合物，主要由纖維素、半纖維素和木質素3 種高分子聚合物組成［3-4］。其中，纖維素是由β-1，4-糖苷鍵連接成的脫水葡萄糖組成的線性聚合物；半纖維素結構比纖維素復雜得多，是由戊糖（木糖和阿拉伯糖）、己糖（葡萄糖、甘露糖和半乳糖）和己糖酸（4-O-甲基-D-葡萄糖醛酸、D-葡萄糖醛酸和D-半乳糖醛酸）等單元組成的具有分支的雜多糖，木質素是由苯丙烷衍生物單體（如香豆醇、松柏醇和芥子醇）構成的具有高度支鏈的酚類聚合物［3，5］。由于卷煙紙參與卷煙燃燒，這3 類高分子化合物結構復雜、分子量較大，導致自身燃燒不充分，可能影響焦油和CO 的釋放量，因此分析不同卷煙紙漿板中纖維素、半纖維素和木質素的質量分數具有重要意義。

由于植物纖維中纖維素、半纖維素和木質素之間存在復雜的連接關系，完全分離這3 種組分仍是一項具有挑戰性的任務。目前，通常采用兩種方法進行纖維原料的成分分析：一種是基于酸性和中性洗滌劑的方法分析纖維的組成［6-7］，然而此方法的缺點是操作繁瑣，并且不能有效區分纖維尤其是半纖維素的結構組成；另一種是由美國國家可再生能源實驗室（NREL）開發的采用兩步酸水解系統分析纖維中3 大組分質量分數的方法［8］，該方法先在低溫下使用高濃度硫酸將纖維轉化為低聚糖，然后在高溫下使用稀酸將低聚糖進一步轉化為單糖，通過分析單糖確定纖維素和半纖維素的量，并且通過對酸水解液采用UV 檢測確定酸溶木質素的質量分數，該方法操作簡便，被國際上各研究機構廣泛采用［4，9-12］。張紅漫等［13］采用NREL 方法測定玉米秸稈纖維原料的纖維素、半纖維素和木質素的質量分數，結果表明，NREL 法與采用國家標準測定的結果基本一致；蔡紹祥等［14］采用NREL 法測定馬尾松木材里三大組分的質量分數，并研究了高溫水熱處理對其質量分數的影響。本研究中參考NREL 的兩步酸解法，同時利用微波加熱均勻、加熱速度快和效率高等優點［15-19］，優化了NREL 的加熱方式，縮短了前處理時間；并且參考文獻［20］的離子色譜法分析纖維水解單糖和文獻［8］UV 法檢測酸溶木質素質量分數的方法，將其應用于卷煙紙漿板中纖維素、半纖維素和木質素的測定，以期為卷煙紙漿板的優化選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

卷煙紙植物纖維漿板由杭州華豐紙業有限公司提供，樣品信息見表1。其中針葉纖維有8 種漿板，來源主要是云杉、松樹、輻射松、黑松和冷杉；闊葉纖維有6 種漿板，來源主要是桉木、樺木、楊木和相思木；亞麻纖維為西班牙亞麻。

表1 植物纖維樣品信息Tab.1 Information on plant fiber samples

L-（+）-阿拉伯糖（99%）、D-半乳糖（99%）、D-（+）-木糖（≥99%）、D-甘露糖（99%）、D-纖維二糖（98%）（上海麥克林生化科技有限公司）；葡萄糖（一水）、濃硫酸（98%，AR）（中國醫藥集團有限公司）；NaOH 溶液（50%，美國Fluka 公司）；實驗用水均為經過0.22 μm 濾膜過濾的二次蒸餾水。

ICS-3000 離子色譜儀［配有ASRS-3004 mm型抑制器、直流安培檢測器和電導檢測器）、Carbo PAC PA 10 色譜柱（2 mm×250 mm，帶PA 10 保護柱（2 mm×50 mm）］（美國戴安公司）；0.45 μm 聚醚砜微孔濾膜（美國Agilent 公司）；Milli-Q 超純水機（美國Millipore 公司）；Lambda 35 紫外-可見光分光光度計（美國PerkinElmer 公司）；BSA2245-CW電子天平（感量0.000 1 g，德國賽多利斯公司）；MARS-6 微波消解儀（美國CEM 公司）；VX-95 滅菌鍋（德國Systec 公司）；DWG-9423A 恒溫箱（上海精宏實驗設備有限公司）；140 mL 耐壓玻璃管（上海壘固儀器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 標準溶液的配制

準確稱取標準糖樣品（阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、甘露糖和纖維二糖）各50 mg（精確至0.1 mg），用蒸餾水溶解，然后轉移至50 mL 容量瓶內定容，配制成1 000 mg/L 的標準糖儲備液。用移液管分別移取各標準糖儲備液10 mL 于100 mL容量瓶中，超純水定容后配制成100 mg/L 的混合標準溶液，逐級稀釋成濃度0.01、0.05、0.10、0.25、0.50 和1.00μg/mL 的標準溶液。

1.2.2 樣品處理

將纖維樣品粉碎后，放入烘箱內105 ℃烘干2 h，然后趁熱轉移至干燥器內，自然冷卻至室溫。按照NREL 兩步酸解法［8］的步驟，準確稱取0.3 g 干燥后的纖維樣品（記纖維干質量m0），加入3 mL 72%硫酸，搖勻，于30 ℃水浴中加熱1 h。然后加入84 mL 水，溶液轉移至耐壓玻璃管（方法1 和2）或耐壓聚四氟乙烯消解罐（方法3）中，置于滅菌鍋（方法1）或恒溫加熱箱（方法2）或微波反應器（方法3）中，121 ℃下酸解。采用砂芯漏斗過濾所得酸解溶液樣品，濾紙采用已烘干并稱量的無灰定量濾紙（質量記為m1）。過濾后，濾紙連同濾渣一起放入陶瓷坩堝（陶瓷坩堝需預先575 ℃煅燒4 h，自然冷卻至室溫后稱量，質量記為m2）；放入烘箱中105 ℃烘干，自然冷卻至室溫后準確稱量（記質量m3）；然后再轉移至馬弗爐中575 ℃煅燒4 h，自然冷卻至室溫后記下最后質量m4，用來計算灰分和酸不溶木質素的質量分數。取一部分濾液用UV 法測定酸溶木質素的質量分數，用水將樣品溶液稀釋至讀數在0.7～1.0 范圍內。另取一部分濾液稀釋后用離子色譜法測定單糖和纖維二糖質量分數。每個樣品做兩次平行實驗。

1.2.3 離子色譜檢測

離子色譜檢測條件參考文獻［20］并進行優化。色譜柱：Carbo PAC PA 10［2 mm×250 mm，帶PA 10 保護柱（2 mm×50 mm）］；檢測模式：積分脈沖安培檢測；工作電極：Au 電極；參比電極：AgCl/Ag；掃描電位采用脈沖電位波形；流速：0.25 mL/min；柱溫：28 ℃；進樣量：25 μL；淋洗液條件：0～30 min，2 mmol/L NaOH；30～60 min，10～200 mmol/L NaOH，其中低濃度NaOH 洗脫階段主要用來分離單糖，而高濃度NaOH 洗脫階段主要用來分離未完全酸解的纖維二糖。

1.2.4 單糖回收率

由于單糖在酸性條件下會進一步水解成糠醛、5-羥甲基糠醛和呋喃醛等，造成單糖損失［8］，因此，每種纖維需要配制與其單糖組成比例相近的糖回收標準溶液，并在同樣的反應條件下進行酸解反應，計算單糖的回收率，用來校正纖維酸解后所得的單糖的濃度。

1.2.5 數據處理

分別采用公式（1）～（4）計算糖得率、標準單糖回收率、單糖校正濃度、纖維單糖質量分數［8，13-14］：

式中：i代表各糖，用glu、xyl、ara、gal 和man 分別代表葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖和甘露糖；CICS，i為離子色譜測得的各種糖的濃度；校正系數：五碳糖（木糖和阿拉伯糖）為0.88，六碳糖（葡萄糖、半乳糖和甘露糖）為0.90。

由于大多數無籽草本或木質原料的淀粉質量分數很低，因此通常假定測得的葡萄糖來源于纖維素［9］。用測得的葡萄糖濃度計算纖維素的量，用半乳糖、甘露糖、木糖和阿拉伯糖的濃度計算半纖維素的量［12-14］，計算公式分別為：

木質素包含酸不溶木質素和酸溶木質素。

酸不溶木質素質量分數按公式（7）計算：

酸溶木質素質量分數可根據濾液在紫外-可見分光光度計適當波長處的吸光度按公式（8）計算：

式中：UVabs為樣品在適當波長處的平均紫外-可見吸光度；ε為生物質在特定波長的吸收率［木本植物和草本植物均在240 nm，25 L/（g·cm）］［8］；比色皿厚度為1.0 cm。

2 結果與討論

2.1 植物纖維水解產物分析

植物纖維酸解所得單糖主要是葡萄糖、木糖和甘露糖，以及少量的阿拉伯糖和半乳糖；其中，葡萄糖主要來源于纖維素的水解，木糖、甘露糖等其他單糖主要來源于半纖維素的水解；纖維水解過程會產生中間產物纖維二糖，可用來判定纖維水解是否徹底［8］。參考文獻［20］建立了離子色譜分析阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、甘露糖和纖維二糖的方法，圖1 是6 種糖的色譜分離圖，結果表明：在既定色譜條件下，標準混合溶液（1 μg/mL）和實際纖維樣品酸解液中6 種目標物可以實現基線分離，且峰形對稱，無干擾峰。

圖1 植物纖維酸水解單糖和纖維二糖的離子色譜圖Fig.1 Ion chromatogram of monosaccharide and cellobiose of plant fibers produced by acidic hydrolysis

另外，分別配制了濃度梯度為0.01、0.05、0.10、0.25、0.50 和1.00 μg/mL 的各糖標準品混合溶液，在相同條件下分別進樣，以糖的濃度為橫坐標，相應的峰面積為縱坐標，得到相應的線性方程以及相關系數，并且根據3 倍信噪比（S/N=3）計算儀器檢出限。其線性關系和檢出限見表2，可知，各種糖在濃度0.01～1.00μg/mL 范圍內具有非常好的線性關系，相關系數最小值為0.999 3。單糖的檢出限中最小的為阿拉伯糖和甘露糖（0.002 2 mg/L），最大的為葡萄糖（0.004 6 mg/L）。

2.2 加熱方式對酸解反應時間的影響

以纖維酸解的單糖和纖維二糖的得率為指標，考察不同加熱方式對酸解反應時間的影響。

2.2.1 傳統加熱方式

NREL 采用滅菌鍋加熱方式進行纖維酸處理反應；由于反應結束后的降溫過程（降至80 ℃）需要至少1.5 h，實際的酸解反應時間很難確定，因此采用烘箱加熱替代NREL 方法中的滅菌鍋加熱方式，考察加熱時間對酸解反應的影響。

表2 方法的線性關系、相關系數和檢測限Tab.2 Linear relationships，correlation coefficients and detection limits of this method

圖2 加熱時間對針葉纖維酸解產物單糖和纖維二糖得率的影響Fig.2 Effects of heating time on yields of monosaccharide and cellobiose in acidic hydrolysis products of coniferous wood fibers

圖2 列出了烘箱加熱方式下加熱時間對針葉纖維（1#）酸解單糖、纖維二糖得率的影響。可知加熱（酸解反應）時間對針葉纖維單糖、纖維二糖得率的影響非常大：①當加熱時間為15 min 時，葡萄糖平均得率為8.2%，木糖和甘露糖的平均得率分別為2.5%和1.0%，纖維二糖得率只有2.0%，說明普通加熱15 min 過程中，只有一部分纖維酸解成纖維二糖和單糖，大部分還以多糖形式存在。②隨加熱時間延長，纖維二糖和單糖的得率增加，當加熱時間為60 min 時，纖維二糖的得率最大，而葡萄糖、木糖和甘露糖的得率分別為26.3%、6.5%和2.7%。③當加熱時間進一步延長時，纖維二糖的得率快速下降，加熱120 min 時，纖維二糖平均得率降至0.2%，同時葡萄糖、木糖和甘露糖的得率分別上升至86.8%、7.5%和5.3%；說明在烘箱加熱條件下，纖維需反應120 min 左右才能水解徹底。④與其他單糖相比，葡萄糖得率受加熱時間影響更明顯，當加熱時間從60 min 增加到90 min 和120 min 時，其平均得率從26.3%分別增加至77.8%和86.8%，比其他單糖所需時間更長，這是由于纖維素結晶度高、抗水解性強，而其他單糖來源于具有無定形結構的半纖維素，與纖維素相比更容易水解［21］。

2.2.2 微波加熱方式

微波加熱具有加熱均勻、加熱速度快和效率高等優點，在煙草行業通常將微波消解作為檢測原料微量元素的前處理［22-25］。本研究中采用微波加熱進行纖維酸解反應：第一步濃酸酸解過程與烘箱加熱方式一樣，不同的是加入84 mL 水后，將溶液轉移至耐壓聚四氟乙烯消解罐中，置于微波反應器（60 W）內121 ℃下進行第二步稀酸酸解反應。不同微波加熱時間對針葉纖維酸解產物單糖和纖維二糖得率的影響結果見圖3。可知：①當微波加熱反應時間為15 min 時，葡萄糖、木糖和甘露糖的平均得率分別為80.7%、7.3%和5.7%，遠高于相同時間下烘箱加熱得到的結果；而且隨微波反應時間增加，3 種單糖的平均得率基本不變。②纖維二糖的得率隨微波加熱時間延長而減少，當微波加熱15 min 時，纖維二糖的平均得率為2.3%，說明纖維水解不夠完全；當微波加熱30 min 時，纖維水解程度提高，纖維二糖的平均得率降至0.2%；當微波加熱45 min 和60 min 時，纖維幾乎完全水解，纖維二糖的平均得率僅為0.02%和0.01%。這是由于在高頻電磁場作用下，微波能促進分子運動和相互碰撞從而產生熱量，并在分子與分子碰撞過程中將能量傳遞給周圍其他分子。與傳統加熱方式相比，微波加熱更直接、高效［26-27］，因此能夠縮短反應時間，大幅度提高酸解反應速率（斷鏈能力），使單糖的產率明顯提高。因此后續實驗均采用微波水解60 min 的前處理條件。

2.2.3 不同加熱方式對酸解后單糖結果的影響

采用配對T檢驗方法分析了滅菌鍋加熱-烘箱加熱、滅菌鍋加熱-微波加熱2 組對比實驗纖維酸解后單糖質量分數的差異，結果見表3?？梢钥闯觯孩倥鋵檢驗表明：2 組對比實驗結果無顯著性差異（P＞0.05）。②從實驗組1 的結果可知，采用烘箱加熱和滅菌鍋加熱，纖維酸水解的5 種單糖質量分數無差異，說明在纖維酸解處理過程中采用烘箱加熱可以替代滅菌鍋加熱方式。③采用微波加熱方式，可在較短時間內實現植物纖維的酸解反應，且酸解單糖質量分數與NREL 方法的測試質量分數無顯著差異。

圖3 微波加熱時間對針葉纖維酸解產物單糖和纖維二糖得率的影響Fig.3 Effects of microwave heating time on yields of monosaccharide and cellobiose in acidic hydrolysis products of coniferous wood fibers

表3 不同加熱方式對針葉纖維酸解后單糖結果的影響Tab.3 Effects of different heating methods on monosaccharide results after acidic hydrolysis of coniferous fibers

2.3 卷煙紙常用漿板中纖維素、半纖維素和木質素的分析

采用微波輔助酸解-離子色譜法分析了15 種卷煙紙常用漿板的水解單糖濃度，通過相關公式計算得到纖維漿板的纖維素、半纖維素、酸溶木質素和酸不溶木質素的質量分數，結果列于表4?？梢钥闯觯孩籴樔~纖維漿板的纖維素、半纖維素和木質素質量分數分別為76.29%～79.45%、13.88%～15.78%和4.00%～5.18%；闊葉纖維漿板的纖維素、半纖維素和木質素的質量分數分別為72.63%～77.14%、15.25%～18.81%和4.19%～6.30%；亞麻纖維的纖維素、半纖維素和木質素的質量分數分別為92.35%、3.74%和2.74%。②從樣品類型上分析，總體上纖維素質量分數亞麻＞針葉＞闊葉，半纖維素和木質素質量分數均為闊葉＞針葉＞亞麻。③從化合物種類分析，在卷煙紙漿板中的質量分數為纖維素＞半纖維素＞木質素，其中木質素是由苯丙烷衍生物單體構成的一種具有高度支鏈的酚類聚合物，其結構復雜、分子量大，在卷煙燃燒過程中容易引起燃燒不充分，增加煙氣焦油和CO 釋放量，因此煙草行業常用的外加纖維通常經過漂白或者脫木素處理［2，28］。從表4 可以看出，各纖維漿板均含有少量的酸溶木質素以及微量的酸不溶木質素。

表4 卷煙紙常用漿板中的纖維素、半纖維素和木質素質量分數Tab.4 Contents of cellulose，hemicellulose and lignin in common cigarette paper pulps （%）

3 結論

①建立微波輔助酸解-離子色譜法測定了15種卷煙紙常用漿板的纖維素、半纖維素和木質素的質量分數。②卷煙紙常用漿板中纖維素質量分數最高，半纖維素質量分數次之，木質素最低；總體上漿板中纖維素質量分數為亞麻＞針葉＞闊葉，半纖維素和木質素質量分數均為闊葉＞針葉＞亞麻。③本方法操作簡便，同比NREL 方法，前處理時間可縮短50%，能更快得到纖維的纖維素、半纖維素和木質素質量分數，可為卷煙紙企業纖維漿板的選擇或考察纖維的木質素脫除狀況提供評價手段。