Определение целлюлозы и холоцеллюлозы

РЕФЕРАТ

"ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ И ХОЛОЦЕЛЛЮЛОЗЫ"

2008

Введение

Определение целлюлозы в древесине необходимо для оценки выхода технической целлюлозы из древесины и другого растительного сырья при варке, а также для исследований изменений в древесине при других способах ее переработки. Массовую долю целлюлозы в сырье можно определить непосредственно или через холоцеллюлозу.

Холоцеллюлоза включает в свой состав целлюлозу и гемицеллюлозы, первоначально присутствовавшие в древесине. Холоцеллюлозу выделяют для характеристики содержания в древесине углеводной части, последующего определения целлюлозы в виде альфацеллюлозы и получения препаратов гемицеллюлоз. Гемицеллюлозы извлекаются растворами щелочей из холоцеллюлозы легче, чем из древесины, и в менее измененном состоянии - более или менее сохраняют карбоксильные, ацетильные и метоксильные группы. Методы выделения гемицеллюлоз из древесины и холоцеллюлозы приведены в литературе. Целлюлоза при выделении ее в виде альфа-целлюлозы также изменяется меньше, чем при выделении непосредственно из древесины.

Для выделения холоцеллюлозы необходимо удалить из древесины экстрактивные вещества и провести делигнификацию, не допуская при этом потерь и химических изменений полисахаридов. Теоретически сумма холоцеллюлозы, лигнина, экстрактивных веществ и золы должна составлять 100%. В практике препараты холоцеллюлозы всегда содержат остаточный лигнин; гемицеллюлозы в процессе делигнификации частично теряются; целлюлоза и присутствующие в холоцеллюлозе гемицеллюлозы химически несколько изменяются.

Выход холоцеллюлозы, содержание в ней гемицеллюлоз и примесь остаточного лигнина зависят от древесной породы, используемого для делигнификации реагента и условий обработки. Применяемые методы выделения холоцеллюлозы должны удовлетворять следующему требованию: достижение низкого содержания остаточного лигнина при минимальных потерях полисахаридов и минимальной гидролитической и. окислительной деградации целлюлозы.

1. Выделение и определение холоцеллюлозы

При выделении препаратов холоцеллюлозы или ее количественном определении первоначально проводят обессмоливание древесины органическими растворителями, а затем делигнификацию с использованием обработки окислителями. В настоящее время для делигнификации с целью выделения холоцеллюлозы нашли применение три метода: хлорирование; хлоритный; обработка надуксусной кислотой.

Метод хлорирования основан на чередующихся обработках обессмоленной древесины хлором в присутствии воды и раствором органического основания в органическом растворителе. При этом образуются продукты замещения и окисления лигнина, растворимые в щелочных растворах. Окисление происходит под действием хлорноватистой кислоты, получающейся по обратимой реакции

Излишнего хлорирования следует избегать, чтобы не деструктировать полисахариды. С этой целью хлорирование в присутствии воды проводят при охлаждении. Опилки помещают в стеклянный пористый фильтр, находящийся в охлаждающей водяной рубашке, смачивают водой и пропускают влажный хлор, или же проводят хлорирование опилок в виде суспензии

в ледяной воде. Для растворения хлорированного лигнина сначала применяли раствор пиридина в этаноле. В дальнейшем метод модифицировали, заменив пиридин моноэтаноламином. Обычно используют 3%-ный раствор моноэтаноламина в 95%-ном этаноле. Конец делигнификации определяют по исчезновению окраски фильтрата. Этанольный раствор органического основания в отличие от водных растворов щелочей способствует сохранению гемицеллюлоз в препарате холоцеллюлозы. Для извлечения хлорированного лигнина можно также использовать 5%-ный раствор моноэтаноламина в диоксане.

Хлоритный метод основан на делигнификации обес-смоленной древесины хлоритом натрия в кислой среде. Получаемая холоцеллюлоза не идентична полностью с холоцеллюлозой, выделенной методом хлорирования, и поэтому получила название хлоритной холоцеллюлозы.

Хлорит натрия NaCIO2 реагирует с кислотой с образованием хлористой кислоты HClO2, которая разлагается с выделением диоксида хлора ClO2 и получением побочных продуктов - ионов хлората ClO3- и хлорида Cl. Состав продуктов зависит от температуры, рН и других факторов. При 60 °С происходит реакция

С увеличением температуры доля диоксида хлора увеличивается, а хлората уменьшается и при 95 °С становится незначительной, причем выделяется свободный кислород. Диоксид хлора окисляет лигнин с превращением его в водорастворимые продукты, но скорость делигнификации при этом невысокая, и обработку древесины рекомендуют проводить при 70…80 °С и рН 3,2…3,8. Для предотвращения повышения рН обработку проводят в буферном растворе. Древесина хвойных пород требует большей продолжительности обработки, чем древесина лиственных пород. Многочисленные модификации хлоритного метода сводятся к снижению температуры обработки с увеличением ее продолжительности, что приводит к лучшей сохранности гемицеллюлоз.

Хлорит натрия в присутствии органических веществ может взрываться, поэтому его следует хранить, исключив контакт с резиной, бумагой, корковыми пробками и т.п.

Делигнификация надуксусной кислотой основана на окислении обессмоленной древесины надуксусной кислотой CH3-CO-O-OH, которую получают взаимодействием уксусного ангидрида с пероксидом водорода

Для уменьшения потери гемицеллюлоз рекомендуют проводить обработку надуксусной кислотой в водно-этанольном или водно-диоксановом растворе.

Сравнение препаратов холоцеллюлозы показывает, что наиболее пригодным для последующего определения целлюлозы следует считать хлорный метод выделения холоцеллюлозы. При выделении хлоритной холоцеллюлозы наблюдается большая потеря полисахаридов, преимущественно пентозанов, и связанных с ними уроновых кислот, ацетильных и метоксильных групп, особенно при степени делигнификации более 90%. Наблюдается также и потеря гексозанов, возможно, в виде лигно-углеводных комплексов. Поэтому полной делигнификации рекомендуется избегать и не снижать массовой доли остаточного лигнина ниже 4…2%. Для получения более точных данных о выходе хлоритной холоцеллюлозы при исследовании различного растительного сырья лучше всего устанавливать оптимальную продолжительность обработки хлоритом опытным путем.

При расчете выхода холоцеллюлозы необходимо вносить поправку на остаточный лигнин, устанавливая его содержание сернокислотным методом. Следует, однако, иметь в виду, что лигнин под действием окислителей, в частности хлорита натрия в кислой среде, химически изменяется, превращаясь частично в кислоторастворимый лигнин, что приводит к ошибкам. Для проверки точности данных анализа методом суммирования необходимо определение кислотонерастворимого и кислоторастворимого лигнинов.

Обработка окислителями при делигнификации, не снижая выхода целлюлозы в холоцеллюлозе, все же вызывает деструкцию целлюлозы с уменьшением СП. Концевые альдегидные группы целлюлозы окисляются до карбоксильных, но в результате снижения СП медное число целлюлозы, выделенной из холоцеллюлозы, повышается. Возможно также окисление спиртовых групп с образованием карбонильных и карбоксильных групп.

Холоцеллюлоза, получаемая обработкой надуксусной кислотой, близка к хлоритной холоцеллюлозе по выходу и СП, но по сравнению с последней содержит больше карбонильных групп. Если такую холоцеллюлозу используют для дальнейших исследований с применением щелочных обработок рекомендуется восстановить СО-группы борогидридом натрия NaBH4.

Препараты холоцеллюлозы, предназначенные для выделения гемицеллюлоз и определения альфа-целлюлозы, нельзя сушить при температуре 100…105 °С. Сушку следует производить в вакуум-сушильном шкафу при температуре не выше 60 °С или на воздухе. При определении выхода возможны ошибки в результате удерживания препаратами холоцеллюлозы органических растворителей, которые не удаляются при сушке.

В стандартные методы ANSI/ASTM D 1104 и TAPPI T 9 т включено выделение холоцеллюлозы методом хлорирования обессмоленной древесины с последующей обработкой этаноль-ным раствором моноэтаноламина. В научных исследованиях часто используют также методы делигнификации хлоритом натрия в кислой среде и надуксусной кислотой.

2. Определение целлюлозы

Для определения целлюлозы в древесине и другом растительном сырье используют свойства целлюлозы, отличающие ее от других компонентов древесины. Так, в отличие от экстрактивных веществ целлюлоза не растворяется в воде и органических растворителях. В отличие от лигнина она сравнительно устойчива к действию окислителей и гидролизуется под действием кислот, а в отличие от гемицеллюлоз - не растворяется в водных растворах щелочей и труднее гидролизуется.

В настоящее время используют три способа определения целлюлозы: прямой способ, основанный на количественном выделении непосредственно из растительных тканей; определение целлюлозы через холоцеллюлозу; косвенный способ, основанный на расчете содержания целлюлозы по выходу Л-глюкозы при полном гидролизе.

При прямом способе из древесины удаляют экстрактивные вещества, лигнин и большую или меньшую часть гемицеллюлоз. В полученном целлюлозном остатке - сырой целлюлозе определяют примеси гемицеллюлоз и остаточного лигнина и вносят соответствующие поправки. Сама целлюлоза при выделении несколько разрушается.

Препараты целлюлозы в зависимости от метода делигнификации изменяются по выходу и содержанию остаточных устойчивых гемицеллюлоз и сравнимы с техническими древесными целлюлозами. Следовательно, они дают представление о возможном * выходе целлюлозы при варке. Прямые методы вследствие относительной простоты анализа до сих пор находят широкое применение. Из прямых методов определения целлюлозы чаще всего применяют хлорный и азотно-спиртовой.

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 TAPPI T 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.

Страницы: 1, 2