Состав и физико-химические свойства лигнинов

 
           2. Сернокислотный метод

Впервые гидролиз концентрированной  серной кислотой для определения  содержания лигнина в древесине  предложил Класон, и препарат выделенного  лигнина получил название «лигнин  Класона». В дальнейшем методика анализа  неоднократно модифицировалась.  
Гидролиз полисахаридов серной кислотой осуществляют в две стадии. Сначала действуют концентрированной 64..78%-ной серной кислотой при нормальной температуре, а затем смесь лигнина с кислотой разбавляют и кипятят для доведения гидролиза до конца, т. е. для превращения олигосахаридов в моносахариды. Полисахариды могут гидролизоваться уже при массовой доле серной кислоты в растворе около 60%, но для гидролиза необходимо очень длительное время, а при массовой доле кислоты 76...78% уже начинается гумификация Сахаров. Оптимальной считают массовую долю кислоты 72%, как для хвойных, так и для лиственных пород. Для I г древесины обычно используют 15 см³ кислоты. При анализе легких древесных пород, в том числе тропических, рекомендуется на 1 г древесины использовать 20 см кислоты.  
Температура и продолжительность обработки взаимосвязаны. Чем выше температура, тем меньше должна быть продолжительность обработки. Температура выше 30°С вообще не рекомендуется из-за получения очень темного труднофильтрующегося осадка лигнина, загрязненного примесями продуктов гумификации сахаров.  
Образующиеся при гидролизе полисахаридов концентрированной кислотой олигосахариды необходимо подвергнуть дополнительному гидролизу до моносахаридов, поскольку олигосахариды могут прочно удерживаться лигнином и не удаляться при промывке водой. Кроме того, довольно значительное количество лигнина, особенно в случае лиственной древесины, растворяется в концентрированной серной кислоте, но осаждается при разбавлении и кипячении.  
Для второй ступени гидролиза кислоту чаще всего разбавляют до 3%-ной. Продолжительность кипячения в различных методиках колеблется от 1 до 5 ч. Следует заметить, что продолжительность второй ступени гидролиза также оказывает влияние на выход остатка лигнина. Слишком продолжительный гидролиз разбавленной кислотой приводит к распаду моносахаридов с образованием продуктов, которые могут конденсироваться с лигнином. Для фильтрования лигнина с отсосом используют стеклянные пористые фильтры или же бумажные фильтры для фильтрования без отсоса.

При проведении анализа  малоизученного растительного сырья  требуются предварительные исследования для установления оптимальных условий  — концентрации серной кислоты, продолжительности  и температуры первой ступени  гидролиза, продолжительности второй ступени, процедуры предварительной  обработки с проверкой по приведенному выше критерию.

 
            3. Определение лигнина с 72%-ной серной кислотой в модификации Комарова  
           Навеску воздушно-сухих обессмолепных этиловым эфиром или спиртотолуольной смесью опилок массой около 1 г помещают в коническую колбу вместимостью 50 см с притертой пробкой. Влажность обессмоленной древесины определяют в отдельной пробе по обычной методике. К навеске добавляют 15 см³ 72%-ной H_iSO₄ и выдерживают в термостате при температуре 24...25°С в течение 2,5 ч при периодическом осторожном помешивании во избежание образования комков. Затем смесь лигнина с кислотой переносят в коническую колбу вместимостью 500 см', смывая лигнин 200 см' дистиллированной воды. При этом можно пользоваться стеклянной палочкой с резиновым наконечником. Разбавленную смесь кипятят с обратным холодильником на электрической плитке в течение I ч. Частицам лигнина дают укрупниться и осесть. Затем лигнин отфильтровывают на стеклянном пористом фильтре, высушенном до постоянной массы. Фильтрование рекомендуется проводить на следующий день. При проведении параллельных и серийных анализов фильтрование следует проводить через строго определенный промежуток времени. Мелкодисперсные лигнины фильтруют через стеклянный фильтр с «нафталиновой подушкой». Водно-спиртовую суспензию нафталина наливают в стеклянный фильтр, отсасывают и промывают холодной водой с отсосом, после чего фильтруют лигнин.

           Начинать фильтрование рекомендуется без отсоса. Сначала на фильтр сливают отстоявшуюся жидкость, а затем начинают переносить осадок. Окончательно переносят осадок лигнина из колбы на фильтр с помощью горячей воды, добавляя ее малыми порциями, при промывке. При замедлении фильтрования подключают водоструйный насос, но при этом не следует отсасывать осадок на фильтре досуха. Необходимо оставлять слой воды перед добавлением каждой новой порции фильтруемой жидкости. После промывки от кислоты отсасывают жидкость полностью. Для установления конца промывки каплю жидкости, стекающем с фильтра, наносят на фильтровальную бумагу и добавляют каплю индикатора. Если последний не меняет цвета, промывку считают законченной.

           При использовании нафталиновой подушки сушку в шкафу для влажных веществ продолжают до исчезновения слоя нафталина и только после этого переносят фильтр с лигнином в шкаф для сухих веществ.

           Массовую долю лигнина, % к абсолютно сухой исходной древесине, рассчитывают по формуле  
 
где mi — масса фильтра с лигнином, г;

т — масса  пустого фильтра, г; g — масса абсолютно сухой навески обессмоленной древесины, г;

К, — коэффициент экстрагирования органическим растворителем.

           Разность между результатами двух параллельных определений не должна превышать 0,5%.  
           Приготовление нафталиновой подушки. Растворяют 25 г н^фтал 1на в 500 см^а этанола при нагревании на водяной бане. В этом случае массовую долю лигнина, % к абсолютно сухой исходной древесине, рассчитывают с учетом коэффициента щелочной обработки  
 
где g' — масса абсолютно сухой навески древесины,

обработанной  последовательно органическим растворителем  и щелочью, г;

К-.ш — общий коэффициент экстрагирования.

          При необходимости внесения поправки на содержание золы лигнин озоляют. Для этого после взвешивания стеклянного фильтра с лигнином лигнин разрыхляют тонкой иглой и осторожно пересыпают в прокаленный до постоянной массы тигель. Стеклянный фильтр снова взвешивают. Массу перенесенного в тигель лигнина определяют по разности первого и второго взвешиваний. Озоление лигнина ведут по методике озоления древесины и рассчитывают массовую долю золы в лигнине в процентах. Для расчета содержания беззольного лигнина массовую долю лигнина в процентах, рассчитанную по одной из двух вышеприведенных формул, умножают на коэффициент обеззоливания K₂= /100, где А — массовая доля золы в лигнине,%.

 
           4. Определение лигнина с 72%-ной серной кислотой в модификации ВНПОБумпром

         Навеску воздушно-сухих обессмоленных этиловым эфиром опилок массой около 1 г помещают в коническую колбу вместимостью 250 см³ с притертой пробкой. Влажность обессмоленной древесины определяют в отдельной пробе. В колбу добавляют 15 см³ 72%-ной H₂SO₄ и выдерживают в термостате при 24...25°С в течение 2,5 ч, периодически перемешивая содержимое колбы во избежание образования комков. Затем к смеси лигнина с кислотой приливают 200 см³ дистиллированной воды, присоединяют колбу к обратному холодильнику и кипятят на плитке в течение 2 ч.

          Фильтрование лигнина проводят на следующий день, чтобы частицы его достаточно укрупнились. Раствор с осадком лигнина фильтруют через сложенные вместе два уравновешенных на аналитических весах бумажных фильтра. Осадок лигнина и фильтры тщательно промывают горячей водой из промывалки до полного удаления кислоты.  
Фильтры с лигнином сушат в сушильном шкафу при температуре °С до постоянной массы и взвешивают верхний фильтр с лигнином, помещая нижний фильтр на чашку аналитических весов с разновесами.

          Массовую долю лигнина,% к абсолютно сухой исходной древесине, рассчитывают по формуле  
 
где т — масса лигнина, г;

g — масса  абсолютно сухой навески обессмоленной  древесины, г;

К, — коэффициент экстрагирования органическим растворителем.

          Разность между результатами двух параллельных определений не должна превышать 0,5%.

 
            5. Определение кислоторастворимого лигнина и общего содержания лигнина.

При обработке древесины  концентрированной серной кислотой часть лигнина, особенно значительная в случае древесины лиственных пород, переходит в раствор. При анализе  древесины хвойных пород в 72%-ной H₂SO₄ растворяется 2...3% общего количества лигнина, а при анализе древесины лиственных пород — от 25 до 60%. После разбавления реакционной смеси и кипячения большая часть растворенного лигнина осаждается в виде кислотонерастворимого лигнина, а в фильтрате остается кислоторастворимый лигнин. Количество кислоторастворимого лигнина зависит от концентрации кислоты на первой стадии гидролиза и продолжительности обработки. При увеличении концентрации и уменьшении времени обработки количество кислоторастворимого лигнина увеличивается. Обычно древесина хвойных пород дает около 3% кислоторастворимого лигнина от общего количества, древесина лиственных пород — до 15...17%, ткани однодольных растений по выходу кислоторастворимого лигнина занимают промежуточное положение. В препаратах целлюлозы, холоцеллюлозы, а также в технических целлюлозах массовая доля кислоторастворимого лигнина по сравнению с исходной древесиной возрастает, так как под действием делигнифицирующих реагентов дополнительно образуется кислоторастворимый лигнин.  
            Для получения точных данных о содержании лигнина и древесине и другом растительном сырье необходимо учитывать образующийся при кислотном гидролизе кислоторастворимый лигнин и рассчитывать общее содержание лигнина.

Количество кислоторастворимого  лигнина в растворе определяют с  помощью УФ-спектрофотометрии, используя  три метода

 
 
где D₂₈₀ и D₂i₅ — оптические плотности фильтратов лигнина при длинах волн соответственно 280 и 215 нм и толщине поглощающего УФ-излучение слоя, равной 1 см;

0,68 и 0,15 — коэффициенты поглощения продуктов  распада моносахаридов, дм³-• г^'-см^-1;

18 и 70—коэффициенты  поглощения лигнина, дм³ · г~ ¹ · см^-';

с_м и C_l — концентрации продуктов распада моносахаридов и кислоторастворимого лигнина в фильтрате, г/дм³.

 При совместном решении уравнений получается следующее выражение для концентрации кислоторастворимого лигнина, г/дм³,

 
 
           При использовании максимума при 280 нм из фильтрата  
необходимо удалять фурфурол, поглощающий УФ-лучи при той же длине волны. Один из способов основан на восстановлении фурфурола борогидридом натрия в щелочной среде. Образующийся спирт уже не поглощает УФ-лучей в области 280 нм:  
 
             Реакция восстановления протекает очень быстро, практически мгновенно.  
В более простом, но менее точном методе удаляют фурфурол дополнительным кипячением реакционной смеси в открытом стакане при поддержании постоянного объема жидкости добавлением горячей воды.

 Концентрацию кислоторастворимого лигнина в растворе рассчитывают по градировочным графикам или удельным коэффициентам поглощения, вычисленным на основе градировочных графиков. При отсутствии эталонного препарата лигнина и невозможности вследствие этого построить градировочный график для приближенного расчета можно воспользоваться приведенными в литературе. Для построения градировочного графика используют раствор эталонного препарата лигнина в смеси ацетилбромид-уксусная кислота. В условиях анализа распада углеводов практически не происходит и УФ-поглощение полученного раствора обусловлено только лигнином.

 
           6. Определение кислоторастворимого лигнина УФ-спектрофотометрическим методом при длине волны 280 нм

Навеску воздушно-сухих  обессмоленных этиловым эфиром или  спиртотолуольной смесью опилок массой около 1 г помещают в коническую колбу  вместимостью 50 см³ с притертой пробкой. Влажность обессмоленной древесины определяют в отдельной пробе по обычной методике. Добавляют к навеске 15 см³ 72%-ной H₂SO₄ и выдерживают в термостате при температуре 24...25°С в течение 2,5 ч. Содержимое колбы периодически осторожно помешивают во избежание образования комков. Затем смесь лигнина с кислотой переносят в стакан вместимостью 1 дм³, вымывая лигнин из колбы горячей дистиллированной водой в количестве 560 см³. Кипятят лигнин с разбавленной кислотой в открытом стакане на плитке в течение 5 ч, поддерживая примерно постоянный уровень жидкости периодическим добавлением горячей дистиллированной воды. Оставляют стакан на 24 ч для укрупнения и оседания частиц лигнина.

После этого раствор  с осадком лигнина фильтруют  через два уравновешенных на аналитических  весах и вложенных один в другой бумажных фильтра на стеклянной конусообразной воронке. Края фильтра должны быть ниже края воронки. Фильтрат собирают в мерную колбу вместимостью 1 дм³. Лигнин и фильтры отмывают горячей дистиллированной водой и присоединяют промывные воды к фильтрату в мерной колбе. Продолжают промывку горячей водой до полного удаления кислоты. Эти промывные воды отбрасывают.  
Фильтры с лигнином сушат в сушильном шкафу при температуре °С до постоянной массы.           Окончательно взвешивают верхний фильтр с лигнином, помещая нижний фильтр на чашку аналитических весов с разновесом.

Массовую долю кислотонерастворимого  лигнина L_kh,% к абсолютно сухой исходной древесине, рассчитывают по формуле, приведенной выше.

Для определения кислоторастворимого  лигнина фильтрат с первой порцией  промывных вод в мерной колбе  доводят дистиллированной водой  до объема 1 дм'. Для фотометрирования пипеткой отбирают пробы раствора 5...20 см³, в зависимости от концентрации лигнина, и разбавляют в мерной колбе дистиллированной водой до 50 см³. Объем пробы, отбираемой на фотометрирование, подбирают таким образом, чтобы измеряемая оптическая плотность находилась в пределах 0,3...0,7. При малой концентрации лигнина раствор не разбавляют. Затем измеряют на УФ-спектрофотометре оптическую плотность полученного раствора в кювете с толщиной слоя раствора 1 см при длине волны 280 нм для хвойного лигнина и 278 нм для лиственного лигнина и однодольных растений. Концентрацию кислоторастворимого лигнина в разбавленном фильтрате, г/дм³, находят по градуировочным графикам, построенным по оптической плотности растворов соответствующих препаратов диоксанлигнина. На рис. 2.15. приведены примеры градуировочных графиков для лигнинов различного происхождения.  
Массовую долю кислоторастворимого лигнина,% к абсолютно сухой исходной древесине, рассчитывают по формуле

 
 
где с — концентрация кислоторастворимого лигнина в разбавленном фильтрате, г/дм³;

н — объем  пробы фильтрата, взятый на фотометрирование, см³, для неразбавленного раствора н = = 50 см³;

g — масса  абсолютно сухой навески обессмоленной  древесины, г;

K₃—коэффициент экстрагирования органическим растворителем.

            В случае применения дополнительной щелочной обработки древесины вместо коэффициента K₃ в расчетах используют общий коэффициент экстрагирования Л',_щ - при необходимости проводят золение лигнина и в расчет вносят поправку на золу.

           Общее содержание лигнина будет равно сумме кислотонерастворимого L_kh и кислоторастворимого L_к  лигнинов.