油菜秸稈高溫水解液中單糖組分的高效液相色譜測定

馮廣榮， 魯厚芳， 梁 斌， 劉穎穎

(1. 四川大學 化學工程學院， 四川 成都 610065； 2. 四川大學 新能源與低碳技術研究院， 四川 成都 610065)

研究報告—生物質化學品

油菜秸稈高溫水解液中單糖組分的高效液相色譜測定

馮廣榮1,2， 魯厚芳1,2， 梁 斌1,2， 劉穎穎2*

(1. 四川大學 化學工程學院， 四川 成都 610065； 2. 四川大學 新能源與低碳技術研究院， 四川 成都 610065)

建立了高溫水中CO2催化油菜秸稈水解體系中單糖的高效液相色譜(HPLC)分析的方法。其分析采用PrevailTMES糖柱，蒸發光散射檢測器(ELSD)，流動相為乙腈/水(體積比80∶20)，等度洗脫，流速0.8 mL/min，柱溫35 ℃，漂移管溫度95 ℃，干燥空氣作為載氣，流速為3.0 L/min。20 min內阿拉伯糖、木糖、果糖、甘露糖、半乳糖和葡萄糖6種單糖得到了較好的分離，各物質線性回歸方程的相關系數R2為0.999 1～0.999 7，其平均回收率為95.3 %～108.0 %，相對標準偏差(RSD)均小于3 %。

高效液相色譜;蒸發光散射檢測器;秸稈水解液;單糖

隨著化石能源的日益枯竭及其燃燒帶來的環境污染日益嚴重，生物質能以其儲量豐富、可再生和清潔環保等優點得到了高度重視，生物質高品位能源化已成為研究熱點[1]。將農林廢棄物中的木質纖維素類生物質水解生成糖再將其轉化成乙醇等液體燃料[2-5]，將極大程度緩解全球的能源危機，而生物質水解生成糖是生物質能源制備過程中極為關鍵的一步。木質纖維素生物質水解方法主要有酶催化[6]和酸催化[7-8]，而酶催化存在生產費用昂貴、水解周期長等問題，酸催化則有對設備要求高、廢酸回收利用難等問題，于是，超臨界CO2和水因無毒無腐蝕、化學性質穩定且來源充足易得的優點，成為了人們關注的熱點[9-11]。若要充分合理地應用生物質水解液，需對其糖組分進行準確的分析。目前，糖類的檢測方法主要有比色法[12]、氣相色譜[13]和液相色譜(HPLC)法[14-15]，其中采用HPLC法，樣品無需進行衍生等處理，可直接準確測定每種單糖的含量。在HPLC方法中，單糖的檢測多采用蒸發光散射檢測器(ELSD)，林慧等[16]建立了HPLC-ELSD測定食品中果糖、葡萄糖、蔗糖等10種糖的分析方法；程勇等[17]建立了HPLC-ELSD測定煙草超聲萃取液中的木糖、果糖、葡萄糖等水溶性糖的分析方法；Filson等[18]采用流動相梯度洗脫，建立了HPLC-ELSD法測定了紙漿酶水解液中的阿拉伯糖、木糖、葡萄糖等糖。盡管已建立一些HPLC方法測定糖含量，但不同體系水解液成分差別較大。生物質的高溫液態水中CO2催化水解體系組分復雜，可能含有阿拉伯糖、木糖、果糖、甘露糖、半乳糖和葡萄糖等單糖，還有低聚糖、糠醛、5-羥甲基糠醛及金屬離子等其他組分，而這些物質的存在均會對單糖的測定產生干擾，因此，建立適用于此水解體系中單糖測定的HPLC方法顯得十分必要。本研究針對生物質水解液中可能存在的阿拉伯糖、木糖、果糖、甘露糖、半乳糖和葡萄糖等6種單糖建立了相應的HPLC-ELSD分析方法，測定6種單糖的含量，并對秸稈水解液產物作定性定量分析，進而了解水解液的組成，計算水解單糖得率，以期為生物質水解液的后續應用提供指導。

1 實 驗

1.1 儀器與試劑

Alltech 1510高效液相色譜儀(配有XWK-Ⅲ無油空氣泵)，天津市津分分析儀器制造有限公司；柱溫箱AT-550，天津奧特賽恩斯儀器有限公司；Alltech 2000ES型蒸發光散射檢測器(ELSD)；PrevailTMES糖柱(250 mm×4.6 mm，5 μm)；Sep-pak-C18固相萃取小柱，迪馬科技；TDL-5-A型離心機，上海安亭科學儀器廠；UPH-I-10T型優普超純水機；SX-2型攪拌球磨機，無錫新光粉體加工工藝有限公司。

油菜秸稈，收集于成都地區附近某農場，主要組分纖維素、半纖維素、木質素的質量分數分別為35.7 %、19.3 %、18.9 %。阿拉伯糖(gt;98 %)、木糖(gt;99.8 %)、果糖(生化試劑級)、甘露糖(gt;99.9 %)、半乳糖(gt;99 %)和葡萄糖(gt;99.8 %)；乙腈(色譜純)；乙酸(gt;98 %)。

1.2 標準溶液的配制

分別精確稱取阿拉伯糖、木糖、果糖、甘露糖、半乳糖和葡萄糖6種單糖標樣于25 mL容量瓶中，用純水稀釋定容，得質量濃度分別為5.0、1.0、2.0、5.0、5.0、0.5 g/L的6種單糖混合標準溶液。

分別配制木糖、果糖、甘露糖和葡萄糖的標準溶液，質量濃度為5.0、1.0、10.0、5.0 g/L。精密移取這4種標準溶液置于25 mL容量瓶中，用純水稀釋定容，依次增大移取量，得到6個具有一定濃度梯度的4種單糖混合標準溶液，如表1所示。

表1 混合標準溶液中各單糖質量濃度

1.3 油菜秸稈水解液的制備

取30.00 g經粉碎烘干的油菜秸稈，在球料比(磨球和原料質量比)30∶1、轉速450 r/min的條件下在攪拌球磨機中球磨活化2 h[19]，烘干后取5.00 g于高壓釜中，加入150 mL純水，在180 ℃條件下，通入CO2氣體至壓力達到8 MPa，水解1 h得油菜秸稈水解液[11]。對水解液進行抽濾，離心分離，取5 mL上清液通過預活化好的Sep-pak C18固相萃取小柱，棄去最初的2 mL，收集后面的3 mL[20]，再用0.45 μm微孔濾膜過濾，濾液供液相色譜分析用。

1.4 色譜條件

單糖的液相色譜分析采用PrevailTMES糖柱，配有柱溫箱，流動相為乙腈/水，ELSD檢測器，干燥空氣作為載氣，撞擊器關，進樣量為10 μL。

PrevailTMES糖柱填充了耐用的親水性高分子凝膠，沒有柱流失，且對流動相及樣品pH值沒有嚴格要求，在2～13均可，主要用于液相色譜分析單糖和寡糖。與氨基鍵合硅膠柱相比，可提供相當的分離度和更好的重現性和穩定性，因此，選用PrevailTMES糖柱檢測油菜秸稈水解液中的單糖。

影響單糖色譜出峰的因素主要有流動相比例及流速、柱溫及ELSD的參數(漂移管溫度和載氣流速)，對其進行優化得到分離度較好的液相色譜條件。對于采用的PrevailTMES糖柱(250 mm×4.6 mm，5 μm)，流動相流速一般為0.5～1.0 mL/min，操作溫度通常應該在4～50 ℃范圍內。ELSD的載氣選擇干燥空氣，流速范圍為1.0～4.0 L/min。故優化分析條件時，各因素分別設置了3個水平，樣品為1.2節中的6種糖混合標準溶液，根據色譜圖選出較優參數。

1.5 油菜秸稈主要組分含量及其水解單糖得率的測定

油菜秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質素3組分構成，其中纖維素和木質素含量通過重鉻酸鉀氧化法測定，半纖維素通過銅-碘法測定[21]。油菜秸稈高溫水解單糖得率的計算公式如下：

Y=cV/m×100 %

式中：Y—單糖得率，%；c—水解液中單糖的質量濃度，g/L；V—水解液的體積，L；m—油菜秸稈中各種糖基的質量，即纖維素和半纖維素的總質量，g。

2 結果與討論

2.1 單糖色譜條件的選擇

2.1.1流動相的比例 流動相所用溶劑及其比例的變化會帶來流動相的溶劑極性的變化，影響溶劑的洗脫能力，進而影響色譜峰的保留時間和響應值。HPLC-ELSD測單糖時，流動相選擇乙腈/水要優于常用的甲醇/水[22]，乙腈的極性小于甲醇的極性，選用乙腈/水，調節其比例，可顯著地影響溶劑極性及其洗脫能力，進而改善出峰情況。在流動相流速0.8 mL/min、柱溫35 ℃、漂移管溫度95 ℃、載氣流速3.0 L/min的條件下，調節乙腈/水體積比為75∶25、80∶20、85∶15，分別進樣，進樣量均為10 μL，色譜圖如圖1所示。

圖1 不同乙腈/水比例下的HPLC圖Fig. 1 HPLC of mixed monosaccharide standards under different ratio of acetonitrile/water

由圖1可知，當V(乙腈)∶V(水)=75∶25時，分析時間短，響應信號較大，但峰有重疊；當體積比為85∶15時，分析時間長，響應信號很弱，6種單糖只出現了2個峰，相應檢測限增大；當體積比為80∶20時，6種單糖的峰能夠得到很好的分離，且響應信號適中?？芍?，流動相中乙腈/水的比例會同時影響分離度、保留時間和響應值。當流動相中水較多時，單糖在流動相中的溶解能力強，流動相更容易將吸附在固定相上的單糖溶解并帶走，加快了單糖在色譜柱上的吸附-解吸-再吸附-再解吸的過程，導致單糖組分能更快地流出，使保留時間縮短，減少樣品分析時間，但若水過多，各單糖組分峰將會相互靠近，導致阿拉伯糖與木糖、半乳糖與葡萄糖的峰會有部分重疊，同時也不利于流動相在漂移管內的氣化，使基線噪音增大。結合圖1，選擇適宜流動相比例V(乙腈)∶V(水)=80∶20。

2.1.2流動相的流速 根據范德姆特方程H=A+B/u+C·u(式中A、B、C對特定樣品化合物及實驗條件為常數，H為塔板高度，u為流動相流速)可知，流動相的流速會影響色譜柱的塔板高度及塔板數，進而影響分離度和保留時間[23]，且流速過大或過小均得不到較好的分離度。在流動相為V(乙腈)∶V(水)=80∶20、柱溫35 ℃、漂移管溫度95 ℃、載氣流速3.0 L/min的條件下，調節流動相流速為0.6、0.8和1.0 mL/min，分別進樣，色譜圖如圖2所示。由圖2可知，當流速為0.6 mL/min時，各峰基本能分開，但響應值很小，得到響應值適中的峰要配制濃度較大的樣品；當流速為1.0 mL/min時，保留時間小，分析時間短，但峰有重疊，不能達到很好的分離；而當流速為0.8 mL/min時，各峰能得到很好的分離，且響應值適中。流速變大，洗脫能力增強，保留時間縮短，但流速過大會導致由于色譜柱固定相與流動相傳質存在著阻力引起的峰展寬；流速變小，洗脫能力減弱，保留時間延長，但流速過小會導致色譜柱內各部分存在濃度差而引起的縱向擴散帶來的峰展寬，都不利于色譜峰的分離。結合圖2，選擇適宜流動相流速為0.8 mL/min。

圖2 不同流動相流速下的HPLC圖Fig. 2 HPLC of mixed monosaccharide standards under different flow rates of mobile phase

2.1.3柱溫 待測組分在色譜柱上是一個吸附解吸動態平衡的過程，溫度的改變會打破其平衡，建立新的平衡，改變溫度將會影響保留時間和分離度。在流動相為V(乙腈)∶V(水)=80∶20、流速0.8 mL/min、漂移管溫度95 ℃、載氣流速3.0 L/min的條件下，柱溫25、30、35 ℃的情況下分別進樣，比較出峰情況，色譜圖如圖3所示。

圖3 不同柱溫下的HPLC圖Fig. 3 HPLC of mixed monosaccharide standards under different column temperatures

隨著柱溫的升高，各組分在色譜柱內的保留時間均縮短，但總體變化不大。升高溫度通常會使峰寬變窄，各峰更容易達到分離。當柱溫為35 ℃時，各組分峰能完全分離，故選擇適宜柱溫為35 ℃。

2.1.4ELSD參數 漂移管溫度和載氣流速是ELSD檢測器的2個重要參數，建立適當的分析方法需要對這2個參數進行優化。漂移管溫度較低會導致流動相不能充分揮發，較高會使流動相沸騰，這都會降低信噪比。載氣流速越小，形成的物質粒子半徑越大，對激光的散射能力越強，相應的響應信號越大，但是并不是載氣流速越小越好，因為當載氣流速太小時，流動相不能完全揮發，同樣會降低信噪比。

優化漂移管溫度的依據是恰好能使流動相充分揮發，流動相中乙腈/水的比例決定了其沸點，據此確定了適宜的漂移管溫度為95 ℃，載氣流速為3.0 L/min。

最終確定測定單糖較優的液相條件為：柱子采用PrevailTMES糖柱，柱溫35 ℃，流動相為乙腈/水(體積比80∶20)，流動相流速0.8 mL/min，ELSD檢測器，漂移管溫度95 ℃，載氣為干燥空氣，載氣流速3.0 L/min，撞擊器關。

2.2 單糖液相色譜方法的驗證

2.2.1待測樣品中糖成分的確定 取6種單糖的混合標準品和油菜秸稈水解液待測樣品，在上述優化出來的液相色譜分析條件下分別進樣，色譜圖如圖4所示。

圖4 標準品和樣品的HPLC圖Fig. 4 HPLC of mixed monosaccharide standards and sample

從圖中對比可知油菜秸稈水解液中含有木糖、果糖、甘露糖和葡萄糖。圖4(b)中保留時間為4 min左右的色譜峰，是水解液中非糖物質出的峰，這些物質在PrevailTMES糖柱中不能得到很好的洗脫分離，色譜峰出現重疊，若要分析這些物質，需選用合適的色譜柱和檢測器[24]。對于上述優化出來的單糖的液相色譜分析條件，在其方法驗證實驗中，僅針對樣品中存在的4種單糖進行。

2.2.2標準曲線、線性范圍及檢測限 取木糖、果糖、甘露糖和葡萄糖4種單糖的6個混合標準溶液，分別重復進樣3次，峰面積(S)取平均值，以lgS對lgc進行線性回歸(其中c為糖質量濃度)，得到木糖、果糖、甘露糖和葡萄糖的線性回歸方程和相關系數R2，檢測限(LOD)按3倍的信噪比計算。根據實驗得4種單糖的線性回歸方程、相關系數、線性范圍及檢測限，結果見表2。其中重復進樣的RSD均小于3 %。R2gt;0.999，表明線性關系良好。

表2 單糖的線性回歸方程、R2、線性范圍及檢測限

2.2.3精密度實驗 取木糖、果糖、甘露糖和葡萄糖4種單糖的混合標準溶液，重復進樣5次，測定各組分的峰面積并計算相對標準偏差，結果見表3。RSD均小于3 %，表明該方法精密度良好。

表3 單糖的精密度實驗結果

2.2.4重現性實驗 取同一待測樣品油菜秸稈水解液按1.3節相同的樣品預處理方法制備成5份，分別進樣，得峰面積及其相對標準偏差，結果見表4。RSD均小于3 %，表明該方法重現性良好。

表4 單糖的重現性實驗結果

2.2.5回收率實驗 采用加標回收法，取油菜秸稈水解液兩份，一份精確加入木糖、果糖、甘露糖和葡萄糖，另一份不加。同一樣品平行測定3次(RSD均小于3 %)，計算回收率，結果見表5?？芍?，4種單糖的平均回收率均符合要求，說明該方法具有很好的準確度。

表5 單糖的回收率實驗結果

2.3 油菜秸稈水解液中單糖的測定

取相同的油菜秸稈原料，采用不同的球磨轉速對其進行前處理，其他條件見1.3節，得不同前處理條件下的秸稈水解液。在優化出來的液相色譜條件下，分別進樣，根據峰面積和線性擬合方程得各單糖質量濃度，進而計算出單糖得率，結果見表6。由表6可知，水解液中木糖、果糖、甘露糖和葡萄糖的含量以及單糖得率變化規律基本上和球磨活化強度保持一致。隨著球磨活化強度的增加，纖維素的結晶度減小，有利于水解，葡萄糖及其同分異構體果糖、甘露糖的質量濃度都呈現增大趨勢，且球磨轉速為450 r/min時，單糖質量濃度最大，且得率最大，這與優化出來的球磨活化條件一致[19]。半纖維素較纖維素易于水解，球磨條件對其水解影響不大，其水解得來的木糖質量濃度變化不大，還略有減小，這是由于隨著球磨強度的增加，木糖會發生降解生成糠醛。不同球磨條件下各組分質量濃度的變化也進一步印證該分析方法的可靠性和準確性。

表6 秸稈水解液中各單糖質量濃度及單糖得率

3 結 論

建立了測定油菜秸稈高溫水解液中阿拉伯糖、木糖、果糖、甘露糖、半乳糖和葡萄糖的HPLC-ELSD方法。采用PrevailTMES糖柱，流動相為乙腈/水(體積比80∶20)，等度洗脫，流速0.8 mL/min，柱溫35 ℃，ELSD檢測器，漂移管溫度95 ℃，干燥空氣作為載氣，流速為3.0 L/min。20 min內6種單糖得到了較好的分離，各物質線性回歸方程相關系數R2為0.999 1～0.999 7，其中平均回收率為95.30%～108.0%，相對標準偏差(RSD)均小于3%。此分析方法精密度、準確度高，重現性好，可用于生物質水解液中單糖含量及其得率的測定，是后續水解液利用的依據。

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Determination of Monosaccharides in High Temperature Hydrolysate of Rape Straw by High Performance Liquid Chromatography

FENG Guangrong1,2, LU Houfang1,2, LIANG Bin1,2, LIU Yingying2

(1. College of Chemical Engineering,Sichuan University, Chengdu 610065, China;2. Institute of New Energy and Low Carbon Technology, Chengdu 610065, China)

The method was developed to determine monosaccharides in the high temperature hydrolysate of rape straw catalyzed by CO2via high performance liquid chromatography(HPLC). The monosaccharides were separated on the PrevailTMES carbohydrate column at 35 ℃ with the mixture of acetonitrile/water(80∶20,volume ratio) as mobile phase, which was under isocratic elution at the flow rate of 0.8 mL/min. They were detected by evaporative light-scattering detector(ELSD) using dry air as carrier gas at flow rate of 3.0 L/min and drift tube working at 95 ℃. The HPLC analysis method could ensure six monosaccharides(including arabinose, xylose, fructose, mannose, galactose and glucose) separate well within 20 min. The resultant correlation coefficients(R2) of monosaccharides were 0.999 1-0.999 7. The average recovery values were 95.3 %-108.0 %, and the relative standard deviation percentage(RSD) was less than 3 %.

high performance liquid chromatography;evaporative light-scattering detector;straw hydrolysate;monosaccharide

TQ35

A

1673-5854(2017)06- 0026- 07

10.3969/j.issn.1673-5854.2017.06.005

2016-10- 27

國家自然科學基金資助項目(21336008)

馮廣榮(1988— )，女，河南安陽人，碩士生，主要從事生物質水解方法及其水解液組成的研究

*

劉穎穎，助理研究員，博士，研究方向為生物質能的開發；E-mailliuyingying@scu.edu.cn。