玉米秸秆中纤维素_半纤维素和木质素的测定

前言
我国是一农业大国，随着玉米产量提高，产生了大量的秸秆，除了一部分被应用于沼气发酵、养蘑菇外，过剩的玉米秸秆[1]，被农民为了赶农时、抢播种、图省事，而集中焚烧掉或堆砌于田头烂掉，既严重污染了环境又浪费了宝贵的能源。

怎样充分利用秸秆就成了迫切要解决的问题。

玉米秸秆主要由植物细胞壁组成，基本成分为纤维素、半纤维素和木质素等。

纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，不溶于水及一般有机溶剂，是重要的造纸原料。

以纤维素为原料的产品广泛用于塑料、炸药、电工及科研器材等方面。

食物中的纤维素（即膳食纤维）对人体的健康也有着重要的作用；半纤维素主要由木糖、阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖组成，是木浆的主要成分之一，水解后提取的木糖可以制成木糖醇、木糖酸和聚木糖硫酸酯；木质素是由四种醇单体（对香豆醇、松柏醇、5-羟基松柏醇、芥子醇）形成的一种复杂酚类聚合物，可用作混凝土减水剂、陶瓷、耐火材料、选矿浮选剂和冶炼矿粉粘结剂等。

纤维素、半纤维素和木质素的应用范围越来越广，其开发利用一直以来就是热点，所以对其
玉米秸秆中纤维素、半纤维素和
木质素的测定
（1.济南大学医学与生命科学学院 山东 济南 50022）
（2.山东省中协食品添加剂研发中心 山东 济南 250013）
摘要 为了解决大量玉米秸秆被焚烧或堆砌在田头，既污染环境又浪费能源的问题，对原有的测定纤维素、半纤维素和木质素含量的方法进行试验创新，得出了更准确、简便的测定方法；测得玉米秸秆中纤维素、半纤维素和木质素含量的质量分数分别为32%、27.82%和15.42%，进而能充分利用玉米秸秆。

关键词 玉米秸秆 纤维素 半纤维素 木质素 测定
王金主1 王元秀1 李峰2 高艳华2 徐军庆2 袁建国2
Determination of Cellulose, Hemicellulose and Lignin in Corn Stalk WANG Jin-zhu1; WANG Yuan-xiu1; LI Feng2; GAO Yan-hua2; Xu Jun-qing2;YUAN Jian-guo2
（1.Institute of Medicine and Life Sciences, University of Jinan, Jinan 250022, China;）
（2. Shandong Zhongxie R&D Center of Food Additives, Jinan 250013, China) Abstract：To solve the problem that is a large number of corn stalks are burned or disorderly piled , both environmental pollution and waste of resources, on the basis of method of determination cellulose, hemicellulose and lignin, we have innovative out a more accurate and simple method. In corn stalk, the mass fraction of cellulose, hemicellulose and lignin content is 32%, 27.82% and 15.42%, So that we could make full use of corn stalks.
Keywords：corn stalk; cellulose; hemicellulose; lignin; determination
测定方法总结创新，以便更好的利用三种物质。

1 纤维素
纤维素的测定方法有硫酸与重铬酸钾氧化法[3-4]、酸性洗涤法与酸碱醇醚处理法[5]和差重法[6]等。

1.1 改进方法
1.1.1 预处理
称取0.10 g玉米秸秆于刻度试管（容量为15ml）中，加入醋酸和硝酸混合液（体积比1:1）5 ml，盖上盖于沸水浴中加热30 min，全部转至塑料刻度离心管（容量为50ml）中，加蒸馏水稀释至45 ml刻度线，冷却后以8000 转每分的转速离心15min，去除上清液，再加蒸馏水至45ml刻度线然后离心去上清夜，以同样的方法再洗两次后于烘箱80 ℃烘干。

1.1.2 测定
取烘干样加入混合液（溶液中硫酸的质量分数为10%；重铬酸钾的浓度为0.1 mol/L）10 ml，摇匀后沸水浴15 min，全部转入干净的三角瓶中冷却后滴定。

加入质量分数为20% KI溶液5 ml，用0.2 mol/L的硫代硫酸钠滴定至溶液刚显蓝色且半分钟内不变色，另作一未加秸秆的空白。

纤维素含量按下式计算：
X=k(a-b)/(n×24)
式中：“24”为1 mol C
6H
10
O
5
相当于硫代硫
酸钠的摩尔数；k为硫代硫酸钠浓度，mol/L；a为空白滴定所耗硫代硫酸钠体积，ml；b为溶液滴定所耗硫代硫酸钠体积，ml；n为稻壳质量，g。

1.1.3 结果
表1 纤维素含量测定结果表
实验次数原始方法[3]本实验方法129.8%33.1%
230.5%32.3%
332.7%30.6%
平均31.0%32.0%
1.1.4 总结
本实验方法的优点：
a.稀释醋酸和硝酸浓度，减小了高浓度酸离心对机器造成的腐蚀和对人造成的危险。

b. 80℃烘干秸秆减少了残留水分引起的误差。

c.去掉淀粉做指示剂的步骤，便于滴定终点的颜色识别。

滴定时因为存在着铬离子，以它的还原态与氧化态的水溶液颜色变化作为指示剂。

d.本实验测得玉米秸秆中纤维素的质量分数为32%，与原始方法测定的31%相比相对误差为3.23%，绝对值小于统计学上规定的5%，说明本方法可以用来测定纤维素。

2 半纤维素
半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体，这些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖等[7]。

半纤维素木聚糖在木质组织中的质量分数为50%，它结合在纤维素微纤维的表面，并且相互连接。

单糖聚合体间分别以共价键、氢键、醚键和酯键连接，他们与伸展蛋白、其他结构蛋白、壁酶、纤维素和果胶等构成具有一定硬度和弹性的细胞壁，因而呈现稳定的化学结构。

为了更好的利用半纤维素，许凤等对秸秆中半纤维素的结构和分离进行了研究[8]。

半纤维素的测定方法有2 mol/L的HCl水解法和差重法等。

2.1 改进方法
秸秆水解为还原性糖类，还原糖在碱性条件下与3，5-二硝基水杨酸（DNS）加热被氧化成糖酸及其它产物，DNS则被还原为棕红色的3-氨基-5-硝基水杨酸。

在一定范围内，还原糖的量与棕红色物质颜色的深浅成正比关系，利用分光光度计，在540nm波长下测定光密度值，再查对葡萄糖标准曲线并计算，便可求出样品中还原糖和总糖的含量。

由于多糖水解为单糖时，每断裂一个糖苷键需加入一分子水，所以在计算多糖含量时应乘以0.9。

2.1.1 预处理
称取0.10 g秸秆于烧杯（容量为100ml）中，加质量分数为80% 硝酸钙溶液10 ml，加热煮沸5 min，然后稀释过滤，沉淀用蒸馏水洗三遍。

于80 ℃烘干后，转入刻度试管（容量为15ml），加入
摩尔浓度为2 mol/L的HCl 10 ml后沸水浴45 min，全部转到三角瓶（容量为150ml）中，滴一滴酚酞，用NaOH中和至恰显玫瑰色后过滤，用蒸馏水洗滤渣，留取滤液和洗涤液混匀后测体积。

2.1.2 标准曲线的制作
取8支洗净烘干的20 ml具塞刻度试管，分别加入葡萄糖标准溶液（1.0mg/mL）0、0ml、0.2 ml、0.4 ml、0.6 ml、0.8 ml、1.0 ml、1.2 ml、1.4 ml，补充蒸馏水至2ml，再各加入1.5ml DNS后摇匀沸水浴5min，冷却后定容至15ml，用分光光计测定540nm时候的波长。

测定结果如表2：
表2 葡萄糖标准曲线的制作
编号空白1234567
葡萄糖标准液（ml）00.20.40.60.8 1.0 1.2 1.4蒸馏水（ml) 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.00.80.6
OD
540
0.0000.0790.2970.5000.7200.923 1.069 1.251
以葡萄糖含量（mg）为横坐标，以对应的光密度值为纵坐标，绘制出葡萄糖标准曲线。

绘制葡萄糖标准曲线如图1：
图1 葡萄糖标准曲线
2.1.3 半纤维素含量测定
取2 ml滤液加DNS溶液1.5 ml，沸水浴5 min，冷却后定容至15 ml，于540 nm的波长下测定吸光度。

2.1.4 结果
表3 半纤维素测定结果表
实验次数原始方法[3]本实验方法128.8%26.5%
226.75%25.8%
327.91%27.65%
平均27.82%26.65%2.1.5 总结
本实验方法的优点：
a.加HCl沸水浴后全部转入三角瓶中省去了过滤及洗涤两步骤，然后量取滤液体积，这样为实验节省了大量时间并且更准确。

b.新方法测得秸秆中半纤维素的质量分数为
26.65%，与原始方法测定的27.82%相比，相对误差为-4.21%，绝对值小于统计学上规定的5%，说明本方法可以用来测定半纤维素。

3 木质素
木质素是一种天然的具有三维结构的芳香族高分子聚合物，是由苯丙基丙烷单元通过醚键和碳-碳键联接而成。

测定木质素的方法主要有紫外分光光度法、红外光谱定量分析法、同位素标记法、差重法、浊度法[9]、硫酸法[10]和醋酸分离与硫酸水解法，将中性洗涤剂法、2mol/L HCl法、质量分数为72%的硫酸法和灰化法综合运用[11-12]等法，另苏同福等还将太赫兹技术应用于木质素测定中。

3.1 改进方法
3.1.1 预处理
取0.10 g秸秆于烧杯中，加体积分数1%醋酸10 ml浸泡30 min后过滤，再用体积分数1% 醋酸洗涤，滤渣烘干后于刻度试管中加乙醇和乙醚的混合液（体积比1:1）4 ml浸泡5 min，去上清液，沉淀洗涤三次后水浴蒸干，加质量分数72%硫酸3 ml
摇匀室温静置16h，加蒸馏水10 ml，摇匀后沸水浴5 min，再加蒸馏水5 ml和质量分数10%氯化钡溶液0.5 ml，摇匀后离心去上清；再用蒸馏水洗涤2次，水浴蒸干。

3.1.2 测定
沉淀加入混合液（溶液中硫酸的质量分数为10%，重铬酸钾的浓度为0.1 mol/L）10 ml，摇匀沸水浴15 min，全部倒入三角瓶。

加入质量分数为20% KI溶液5 ml，用0.2 mol/L的硫代硫酸钠滴定至溶液刚显蓝色且半分钟内不变色，另作一未加秸秆的空白。

木质素含量按下式计算：
X=k(a-b)/(n×48)
3.1.3 结果
表4 木质素含量测定结果表
实验次数原始方法[3]本实验方法113.46%14.6%
214.2%15.9%
316.68%15.76%
平均14.78%15.42%
3.1.4 总结
本实验方法的优点：
a.取消淀粉做指示剂的步骤，以铬离子还原态与氧化态的水溶液颜色变化作为指示剂，消除了淀粉遇碘变蓝对实验结果的影响。

b.测得玉米秸秆中木质素含量为15.42%与原始方法测定的14.78%相比，相对误差为4.15%，绝对值小于统计学上规定的5%，说明本方法可以用来测定半纤维素。

4 结语
通过对玉米秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的含量进行测定，并与原方法进行对比分析，总结出了测定秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的改进方法，为我们能够进一步利用玉米秸秆这一宝贵资源提供了资料。

参考文献
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