城市生活垃圾中纤维素含量测定方法优化唐建精.docx
《城市生活垃圾中纤维素含量测定方法优化唐建精.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《城市生活垃圾中纤维素含量测定方法优化唐建精.docx（14页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
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
Vol．5,No．112011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30ħ、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（201111-2615-04Optimizationofdeterminationconditionsforcellulosecontent
ofmunicipalsolidwaste
TangJian
QiuZhongping
HaiWeiyan
ZhouLiping
TongFei
（SchoolofLifeScienceandEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China
AbstractOnthebasisofimprovingthetraditionalsulfuricacidmethod,ameasurementwasexploredto
testthecontentofcelluloseinmunicipalrefuse．Orthogonalexperimentswithsixelementsplusfivelevels,inclu-dingfatextractiontime,acidconcentration,hydrolysistemperature,hydrolysisreactiontime,concentrationof
dilutesulfuricacidandrefluxtime,
weredesignedandcarriedout．Theresultsshowedthattheoptimalconditionsfordeterminationofcellulosecontentwere:
fatextractiontimeof4h,sulfuricacidconcentrationof70%,hy-drolysistemperatureof30ħ,hydrolysisreactiontimeof5h,dilutedsulfuricacidconcentrationof5%andre-fluxtimeof3h．Therelativelystandarddeviation（RSDofnewmethodwaslessthan1．69%,
andtheaveragerecoveryratewas98．76%,whichindicatedthattheimprovedmethodwashighpreciseandfeasible．
Keywordscellulose;orthogonalexperiments;optimumconditions基金项目:
四川省科技厅支撑计划项目（2011SZ0229;西南交通大
学校基金资助项目（2007B10
收稿日期:
2010－05－10;修订日期:
2010－06－29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:
tangtang100@126．com*通讯联系人,E-mail:
zhpqiu@sina．com
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,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,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
1．1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180680ʃ2nm（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。
1．2实验设计
在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（L
25
（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
Table1Orthogonalarraysofoptimization
因素水平
A12345
B60%65%70%75%80%
C2025303540
D12345
E2%3%5%7%9%
F12345
1．3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（60ħ,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,滤渣洗涤至中性,合并滤液,以蒽酮比
色法测定纤维素含量。
1．4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Ki为某因素第i水平的
实验平均值。
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RF＞
RB＞R
A
＞R
E
＞R
D
＞R
C
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=3
Table2Resultsandanalysisoforthogonaltest编号
因素
ABCDEF
含量（mg/g1160%2012%193．902165%2523%291．103170%3035%3132．004175%3547%495．905180%4059%579．906260%2537%593．007265%3049%1108．908270%3552%2140．309275%4013%3111．5010280%2025%4123．5011360%3053%4107．7012365%3515%594．4013370%4027%1139．6014375%2039%2107．0015380%2542%3128．5016460%3529%394．9017465%4032%4111．3018470%2043%5103．5019475%2555%1136．7020480%3017%3131．0021560%4045%280．4022565%2057%3104．6023570%2519%492．8024575%3022%573．5025580%3533%1109．20K198．6094．00106．50104．70109．90117．70
K2115．40102．10108．40104．90104．6083．80
K3115．40121．60111．00110．50113．40140．50
K4115．80105．30106．90103．40112．80106．20
K592．50114．40104．50113．8096．7089．20
R23．0027．706．4410．4016．7057．60
OCA4B3C3D5E3F3
表3正交实验方差分析
Table3Analysisofvarianceoforthogonalexperiments方差来源偏差平方和自由度FP
A2534．0329．86＜0．05
B2334．1029．98＜0．05
C103．0520．40＞0．05
D411．2121．60＞0．05
E960．5823．74＞0．05
F10524．02240．95＜0．05误差514．268
注:
F0．05（4,8=3．84
在直观分析的基础上,对表2中的数据进行方差分析。
当P＜0．05时对应的影响因素显著,P＞0．05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A3个因素对纤维素含量测定的影响显著,
C、D和E3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:
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。
根据以上各因素对纤维素含量测定的影响,确
定其最优化条件（optimumconditions,
OC组合为A4B3C3D5E3F3,即:
脂肪抽提时间4h、硫酸浓度
70%、水解反应温度30ħ、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、厌氧腐熟期生活垃圾样品及葡萄糖标准品,分别编号ⅠⅥ,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=5Table4
Resultofprecisionexperiment
结果实验编号
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
ⅣVⅥ含量（mg/g
121．9ʃ0．35
108．7ʃ0．30
80．1ʃ0．21
82．3ʃ0．23
91．7ʃ0．23
88．9ʃ0．19
RSD（%
1．03
1．69
1．35
1．19
1．44
0．98
从表4可以看出,各样品RSD（relativestandarddeviation,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、盐酸水解法比较Fig.1
Comparisonamongoptimizedmethod,traditional
methodandhydrochloricacidhydrolysismethod
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/g6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=6Table5
Recoverytest（n=6
原有含量（mg
加入量（mg测得量（mg回收率（%平均回收率（%
RSD（%
91．7090．00180．5098．6791．7090．00179．9098．0091．7090．00180．5098．6791．7090．00181．1599．7891．7090．00180．0098．1091．70
90．00
181．10
99．33
98．76
0．64
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。
7
162
环境工程学报第5卷
3结论
（1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30ħ、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,1999．244-245
[2]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:
82-84
WangYuwan,XuWenyu．Quantitativeanalysisofhemicel-lulose,celluloseandlignininligno-cellulose．Microbiology,1987,14（2:
81-84（inChinese
[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:
29-32
YanJianfang,WangYalin,WuLingying,etal．Quickde-terminationofwhole-fiber．JournalofWuhanFoodIndustryCollege,1994,6（2:
29-32（inChinese
[4]周效志,桑树勋,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:
30-33
ZhouXiaozhi,SangShuxun,ChengYunhuan,etal．Themethodfordeterminationofbiodegradableorganicsub-stancesindomesticgarbage．EnvironmentalMonitoringManagementandTechnology,2007,19（2:
30-33（inChi-nese
[5]陈为健,陈跃先,方华书,等．硫酸法测定花生壳中木质素的含量．闽江学院学报,2002,23（2:
72-76
ChenWeijian,ChenYuexian,FangHuashu,etal．Themethodofsulfateacidtodeterminatethecontentofthepea-nutcoatlignin．JournalofMingjiangUniversity．2002,23（2:
72-76（inChinese
[6]王秀奇,秦淑媛,高天慧．基础生物化学实验．北京:
高等教育出版社,2004．103-105
[7]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,2006．75-76
[8]NegroM．J．,ManzanaresP．,BallesterosI．,etal．Sim-plisticmodelingapproachtoheterogeneousdilute-acidhy-drolysisofcellulosemicrocrystallites．AppliedBiochemistryandBiotechnology,2003,106（4:
451-455
[9]丛峰松．生物
升级会员 