城市生活垃圾中纤维素含量测定方法优化唐建精.docx

1、城市生活垃圾中纤维素含量测定方法优化唐建精第 5卷 第 11期环 境 工 程 学 报Vol5, No112011年 11月Nov 2011城市 生 活 垃圾 中 纤 维 素 含 量测 定 方 法优化唐建邱忠平*海 维燕 周 丽萍 童 霏(西 南 交 通大 学生 命 科 学 与工程 学 院 , 成 都 610031摘 要 对 传 统 硫酸法 进行 改 进 , 建 立 适 用 于城市 生 活 垃圾纤 维 素 含 量 的 测 定 方 法 。 以 脂肪 抽 提 时 间 、 硫酸 浓 度 、 水解反 应 温 度 、 水 解反 应 时 间 、 稀释 硫酸 浓 度 、 回 流 时 间 为 考察 因素 进行

2、6因素 5水 平 正 交 实验 。 结 果 表明 , 测 定 纤 维 素 含 量 的 最佳条件 为 :脂肪 抽 提 时 间 4h 、 硫酸 浓 度 70%、 水 解反 应 温 度 30 、 水 解反 应 时 间 5h 、 稀释 硫酸 浓 度 5%、 回 流 时 间 3h 。 优化 后 纤 维 素 测 定 条件 RSD 均 小 于 1. 69%, 平 均 回收 率 98. 76%, 表明 该 方 法的 精 度 高 , 可 靠 行 强 。关键词 纤 维 素 正 交 实验 优化 条件中图分类号X705文献标识码A文章编号 1673-9108(2011 11-2615-04Optimization o

3、f determination conditions for cellulose contentof municipal solid wasteTang JianQiu ZhongpingHai WeiyanZhou LipingTong Fei(School of Life Science and Engineering , Southwest Jiaotong University , Chengdu 610031, China Abstract On the basis of improving the traditional sulfuric acid method , a measu

4、rement was explored totest the content of cellulose in municipal refuseOrthogonal experiments with six elements plus five levels , inclu-ding fat extraction time , acid concentration , hydrolysis temperature , hydrolysis reaction time , concentration ofdilute sulfuric acid and reflux time ,were desi

5、gned and carried outThe results showed that the optimal conditions for determination of cellulose content were :fat extraction time of 4h , sulfuric acid concentration of 70%, hy-drolysis temperature of 30 , hydrolysis reaction time of 5h , diluted sulfuric acid concentration of 5%and re-flux time o

6、f 3hThe relatively standard deviation (RSD of new method was less than 169%,and the average recovery rate was 9876%, which indicated that the improved method was high precise and feasibleKey words cellulose ; orthogonal experiments ; optimum conditions 基金项目 :四 川 省 科技 厅 支 撑 计划项目 (2011SZ0229 ; 西 南 交 通

7、大学 校 基 金 资 助 项目 (2007B10收稿日期 :20100510; 修订日期 :20100629作者简介 :唐 建 (1983 , 男 , 硕 士 研究生 , 主要从事 环 境 生物 技术研究 。 E-mail :tangtang100126com *通 讯 联系 人 , E-mail :zhpqiusinacom城市 生 活 垃圾 中 含 有 大 量 纤 维 素 , 随 着人 们 生 活 水 平 的 日益提 高 , 其 在 整 个 垃圾 中的 比 例 不 断 增 大1。 纤 维 素 的 紧 密 结晶结 构 , 使 其 具 有 很 强 的 不可 降 解 性 ,积累 过 多 会导致

8、环 境 负 担 。 堆 肥 和 填 埋 是 城市 生 活 垃圾 的 常 用处理 与 处 置 方 式 。 快速 、 准 确 地 测 定 垃圾 中 纤 维 素 含 量 , 对 于 研究 垃圾 降 解 规 律 和 垃圾 的 腐 殖 化 程度 具 有重 要 的 指 导 作用 。目 前 纤 维 素 类 物 质 的 测 定 方 法 较 多 , 如 酸 洗 碱洗 重量 法 、 氯化法 、 Van-soest 的酸性 洗 涤 剂法 、 中性 洗 涤 纤 维 法 、 亚氯酸 钠 法 、 硝 酸 乙 醇 法和盐酸水 解 法等 2, 3, 其 操 作 很 繁 琐 、 费 时 , 特 别 是 批 量 检 测 时 ,

9、限 制 作用 更 为 明显 。浓 酸水 解 法 4是 实验 室 中 常 用的 测 定 方 法 , 操 作 简单 , 对 实验 条件 要 求 不 高 , 适 用 于 一 般 实验 室 对 纤 维 素 的 测 定 。 传 统 的 浓 酸水 解 法 测 定 城市 生 活 垃 圾 中 纤 维 素 含 量 , 由 于垃圾 中的 纤 维 素 水 解不 完 全 ,会 造 成测 定结 果 偏 低 。为 了 建 立 一 种 适 用 于城市 生 活 垃圾 且 快速 、 准确 的 测 定 方 法 , 以 城市 生 活 垃圾 为 研究对 象 , 在 浓 酸 水 解 法 测 定 的 基 础 上 ,通 过 正 交 试 验

10、 , 对 城市 生 活 垃 圾 中 纤 维 素 含 量测 定 方 法 进行 优化 , 为 垃圾 堆 肥 和 填 埋 过程 中 纤 维 素 降 解 规 律 研究 提 供 基 础 。1实验 部 分11样 品 来 源 及 实验 仪器实验 样 品 取 自 本 课 题 组 模 拟 垃圾 填 埋 系 统 及 堆肥 系 统 , 烘 干 、 粉 碎 , 过 80目 筛 。环 境 工 程 学 报 第 5卷752-紫 外 可 见 分光光度 计 180 680 2nm (上海 精 密 科 学 仪 器 公 司 , 电 子 天 平 0. 1mg (京BS110S-北京 赛 多 利 斯 仪 器 公司 。12实验 设计在

11、硫酸水 解 法的 基 础 上 , 以 脂肪 提 取 时 间 (A 、硫酸 浓 度 (B 、 水 解反 应 温 度 (C 、 水 解反 应 时 间(D 、 稀释 硫酸 浓 度 (E 、 回 流 时 间 (F 等 因素 进行6因素 5水 平 正 交 实验 (L25(56 。 实验 因素 水 平见 表 1, 每 组实验 设 立 3个 平 行 。表 1正交 试 验 因 素 水 平 表Table 1Orthogonal arrays of optimization因 素 水 平A 12345B 60%65%70%75%80%C 2025303540D 12345E 2%3%5%7%9%F 1234513

12、实验方法按照 改 进后 的 浓 酸水 解 法 5:精 确 称 取 1. 00g样 品 , 以滤 纸 包 裹 置 于 索 氏 抽 提 器 内 , 用 石 油 醚抽 提脂肪 成分 ; 抽 提 完 毕 取出 烘 干 (60 , 将 烘 干 样 转入 磨 口 锥 型 瓶 中 , 用 2mol /L盐酸除去 易 水 解 物 , 然后 过滤 , 将 残 渣 烘 干 。 将 烘 干 样置 于 硫酸中 , 水 解 垃圾 样 中的 纤 维 素 , 使 之 转 变 为 多 糖 或单 糖 ; 加 水 将 浓酸 稀释 成 不同 的 浓 度 , 煮 沸 回 流 , 使 多 糖 进 一 步 水 解成 单 糖 ; 抽 滤

13、, 滤 渣 洗 涤 至 中性 , 合 并 滤 液 , 以 蒽 酮 比色 法 测 定 纤 维 素 含 量 。14还 原 糖 含 量 测 定以 蒽 酮 比色 法 测 定 还原 糖 含 量 6。 取 一 定 量的 滤 液 , 加 入 到 蒽 酮 试 剂 中 摇 匀 , 沸 水 浴 8min 。620nm 下 测 定其 吸 光度 值 , 通 过 标 准 曲线 计 算得 到纤 维 素 含 量 。2实验结果与讨论2. 1正交 实验结果按照 实验 方 法中的 操 作 步 骤 , 对 测 定 方 法 进行优化 , 实验 结 果 见 表 2, 其 中 K i 为 某 因素 第 i 水 平 的实验 平 均 值 。

14、 根 据 各 因素 各 水 平 的 均 值 , 求 得 极 差R , 极 差 越 大 , 说 明 该 因素 对 实验 结 果影响 越 大 。 由表 2直观 分 析 可 知 , 各 因素极 差 大 小 顺 序 为 R F R B RARERDRC, 即 回 流 时 间 对 纤 维 素 含 量测 定 影响 最大 , 其 次 分 别 为 :硫酸 浓 度 、 脂肪 抽 提 时 间 、 稀释 硫酸 浓 度 、 水 解反 应 时 间 、 水 解反 应 温 度 。 表 2正交 实验结果与分 析 (n =3Table 2Results and analysis of orthogonal test 编 号因

15、素A B C D E F含 量 (mg /g 1160%2012%19390 2165%2523%29110 3170%3035%313200 4175%3547%49590 5180%4059%57990 6260%2537%59300 7265%3049%110890 8270%3552%214030 9275%4013%311150 10280%2025%412350 11360%3053%410770 12365%3515%59440 13370%4027%113960 14375%2039%210700 15380%2542%312850 16460%3529%39490 17465

16、%4032%411130 18470%2043%510350 19475%2555%113670 20480%3017%313100 21560%4045%28040 22565%2057%310460 23570%2519%49280 24575%3022%57350 25580%3533%110920 K 19860940010650104701099011770K 211540102101084010490104608380K 3115401216011100110501134014050K 4115801053010690103401128010620K 592501144010450

17、1138096708920R 23002770644104016705760OC A 4B 3C 3D 5E 3F 3表 3正交 实验方 差 分 析Table 3Analysis of variance of orthogonal experiments 方 差 来 源 偏 差 平方 和 自由 度 F PA 2534032986005B 2334102998005C 103052040005D 411212160005E 960582374005F 105240224095005误 差 514268注 :F 005(4, 8 =384在 直观 分 析 的 基 础 上 , 对 表 2中的 数 据

18、 进行 方 差 分 析 。 当 P 005时 对应的影响 因素 显 著 , P 005时 对应的影响 因素不 显 著 。 由 表 3方 差 分 析6162第 11期 唐 建 等 :城市 生 活 垃圾 中 纤 维 素 含 量测 定 方 法优化可 知 , F 、 B 和 A 3个 因素 对 纤 维 素 含 量测 定 的影响 显 著 ,C 、 D 和 E 3个 因素 对 纤 维 素 含 量测 定 的影响 不 显 著 。 由 于 F 值的 大 小 表 示 着 效 应的 大 小 , 在 本 实验 所 考 查 的 6个 因素 中 , 对 纤 维 素 含 量测 定 的影 响 , 作用 大 小 次 序 为 :

19、F B A E D C , 与 极 差 分 析 结 果 保持 一 致 。由 于纤 维 素 大 部 分 结 构 为 紧 密 的 结晶 状 态 , 水 解 传 质 阻 力 较 大 。 在 稀 硫酸 溶 液 中 回 流 时 间 适 当 , 改 变 其 紧 密 的 晶体结 构 越 明显 , 更 有 利 于纤 维 素 大 分子 水 解 成 还原 糖 。 从 表 2中 可 以 看 出 回 流 时 间 为 3h , 测 得 纤 维 素 含 量 较 高 , 最高时达到 132mg /g。 如 果 回 流 时 间 超过 3h , 测 得 纤 维 物 含 量 减 小 , 可能 与 水 解产 生的还原 糖 进 一

20、步 分 解 有 关 。 硫酸 浓 度过 大 , 这 可能 使 水 解 产 生 的 还 原 糖(葡萄 糖 进 一 步 降 解 成 小 分子 化合物 :闭 环 脱 水生 成 五 羟 甲基 糠 醛 , 五 羟 甲基 糠 醛 中 较 活 泼 的 羟 甲基 断 裂 生 成 糠 醛 , 糠 醛 氢 化生 成 糠 醇 , 糠 醇 水 解 生 成 乙酰 丙 酸16进 一 步 脱 羧 生 成 乙酰 丙 酸和 甲 酸 。 所 以硫酸 浓 度 不 应 过 大 , 以 70%为 宜 , 与 传 统 的 72%硫 酸水 解 法 相 比可 以 避免 样 品 碳 化 , 造 成测 定结 果 误 差 。根 据 以 上 各 因

21、素 对 纤 维 素 含 量测 定 的影响 , 确定其 最 优化 条件 (optimum conditions ,OC 组 合 为 A 4B 3C 3D 5E 3F 3, 即 :脂 肪 抽 提 时 间 4h 、 硫 酸 浓 度70%、 水 解反 应 温 度 30 、 水 解反 应 时 间 5h 、 加 水 稀释 硫酸 浓 度 5%、 回 流 时 间 3h 。 2. 2精确 度 实验为 对 正 交 实验 结 果优化 条件 的 精 确度 进行 验 证 , 取 新 鲜 生 活 垃圾 、 填 埋 初期期生 活 垃圾 、 填 埋 中期生 活 垃圾 、 堆 肥 腐 熟 期生 活 垃圾 、 厌 氧 腐 熟 期

22、生 活 垃圾 样 品 及 葡萄 糖 标 准 品 , 分 别 编 号 , 以 优化 条件 测 定其 纤 维 素 含 量 , 各 样 品 做 5个 平 行 实验 。 实验 结 果 如 表 4。表 4精确 度 实验结果分 析 (n =5 Table 4Result of precision experiment结 果 实验 编 号 V 含 量 (mg /g1219 0351087 030801 021823 023917 023889 019RSD (%103169135119144098从 表 4可 以 看 出 , 各 样 品 RSD (relative standard deviation ,

23、RSD 均 小 于 1. 69%, 说 明 优化 条件 适 用 于垃圾 填 埋 各 个 阶 段 的 纤 维 素 的 测 定 , 且 精 度 高 。 同 时 对优化 条件 与 传 统 方 法 、 盐酸水 解 法 进行 对 比 , 由 图 1可 看 出 , 条件 优化 后 纤 维 素 含 量测 得 结 果 比 传 统 方 法和盐酸水 解 法 分 别 提 高 3. 34% 14. 19%和 1. 72% 21. 99%。 优化 后 的 方 法 使 垃圾 中 纤 维 素 水 解 完 全 , 说 明 优化 后 方 法 测 得 纤 维 素 含 量 更接 图 1优化 后 方 法 与 传 统 方 法 、 盐酸

24、水 解 法 比 较 Fig. 1Comparison among optimized method , traditionalmethod and hydrochloric acid hydrolysis method近 城市 生 活 垃圾 中 纤 维 素 含 量 。 2. 3回 收实验精 密 称 取已知 纤 维 素 含 量 的 垃圾 样 品 1g (91. 7mg /g 6份 , 分 别 加 入 葡萄 糖 标 准 品适 量 。 按照 优化 方 法 进行 测 定 , 计 算 加 标 回收 率 , 结 果 见 表 5。表 5回 收 率 实验结果 (n =6 Table 5Recovery tes

25、t (n =6原 有 含 量 (mg 加 入 量 (mg 测 得 量 (mg 回收 率 (% 平 均 回收 率 (%RSD (%9170900018050986791709000179909800917090001805098679170900018115997891709000180009810917090001811099339876064回收 率 实验 结 果 表明 回收 率 均 高于 98%, 平 均 回收 率 为 :98. 76%。 相 对 标 准 偏 差 为 :0. 64%。 较传 统 的 方 法 稳 定 、 精 密 度 高 。7162环 境 工 程 学 报 第 5卷3结 论(1

26、测 定 纤 维 素 含 量 时 各 因素 影响 大 小 为 :回 流 时 间 硫酸 浓 度 脂肪 抽 提 时 间 加 水 稀释 硫酸 浓 度 水 解反 应 时 间 水 解反 应 温 度 。(2 测 定 纤 维 素 含 量 的 最佳条件 为 :脂肪 抽 提 时 间 4h 、 硫酸 浓 度 70%、 水 解反 应 温 度 30 、 水 解 反 应 时 间 5h 、 稀释 硫酸 浓 度 5%、 回 流 时 间 3h 。 (3 条件 优化 后 , 测 定 纤 维 素 含 量 RSD 小 于 1. 69%, 且 较 传 统 方 法 测 得 含 量 提 高 3. 34% 14. 19%; 比 盐酸水 解

27、法 提 高 1. 72% 21. 99%。 平 均 回收 率 98. 76%。 表明 该 方 法的 精 度 高 。参 考 文 献1陈 坚 环 境 生物 技术 北京 :中 国 轻 工 业出 版 社 , 1999244-2452王 玉 万 , 徐文 玉 木 质 纤 维 素固体基质 发 酵 物中 半 纤 维 素 、 纤 维 素 和 木 质素 的 定 量分 析 程 序 微生物学 通 报 , 1987, 5(2 :82-84Wang Yuwan , Xu WenyuQuantitative analysis of hemicel-lulose , cellulose and lignin in lign

28、o-celluloseMicrobiology , 1987, 14(2 :81-84(in Chinese 3严 建 芳 , 王 亚 林 , 吴灵英 , 等 全 纤 维 素 的 快速 测 定 法 武 汉 食 品 工 业 学 院 学 报 , 1994, 6(2 :29-32Yan Jianfang , Wang Yalin , Wu Lingying , et al Quick de-termination of whole-fiberJournal of Wuhan Food Industry College , 1994, 6(2 :29-32(in Chinese 4周 效 志 , 桑

29、树 勋 , 程 云 环 , 等 城市 生 活 垃圾 可 生物降 解 有 机 质 成分 的 测 定 环 境 监 测 管 理 与 技术 , 2007, 19(2 : 30-33Zhou Xiaozhi , Sang Shuxun , Cheng Yunhuan , et al The method for determination of biodegradable organic sub-stances in domestic garbageEnvironmental Monitoring Management and Technology , 2007, 19(2 :30-33(in Chi-

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31、天 慧 基 础 生物化学 实验 北京 :高 等 教 育 出 版 社 , 2004103-1057曾 光 明 , 黄 国 和 , 袁 兴 中 堆 肥 环 境 生物 与控 制 北京 :科 学 出 版 社 , 200675-768Negro MJ, Manzanares P, Ballesteros I, et al Sim-plistic modeling approach to heterogeneous dilute-acid hy-drolysis of cellulose microcrystallites Applied Biochemistry and Biotechnology , 2003, 106(4 :451-4559丛 峰 松 生物