1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Журнал аналитической химии
  4. T. 78, № 6, 2023

Журнал аналитической химии, 2023, T. 78, № 6, стр. 496-506

Определение лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы в растительных материалах с помощью ИК-Фурье спектроскопии

С. Г. Кострюков a, *, Х. Б. Матьякубов a, Ю. Ю. Мастерова a, А. Ш. Козлов a, М. К. Пряничникова a, А. А. Пыненков a, Н. А. Хлучина a

a Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва
430005 Саранск, ул. Большевистская, 68, Россия

* E-mail: kostryukov_sg@mail.ru

Поступила в редакцию 09.03.2022
После доработки 06.11.2022
Принята к публикации 10.11.2022

Аннотация

Разработана и апробирована методика определения содержания лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы в растительных материалах с помощью ИК-Фурье спектроскопии в средней спектральной области. Методика основана на использовании градуировочных функций, отражающих зависимость интенсивности аналитических полос поглощения от содержания лигнина (1512 см–1) и целлюлозы (1450 см–1) в модельных образцах; для гемицеллюлозы использовали косвенные корреляции. Модельные образцы представляли собой тройные смеси, состоящие из лигнина, бактериальной целлюлозы и гемицеллюлозы в различных соотношениях. Предложенная методика апробирована на широком круге образцов растительной биомассы и характеризуется прецизионностью (sr не более 0.04). Методом введено–найдено продемонстрирована правильность методики определения основных компонентов растительной биомассы (лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы).

Ключевые слова: ИК-Фурье спектроскопия, полоса поглощения, растительная биомасса, лигнин, целлюлоза, гемицеллюлоза.

Список литературы

  1. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М.: Экология, 1991. 320 с.

  2. Baeza J., Freer J. Chemical characterization of wood and its components / Wood and Cellulosic Chemistry / Eds. Hon D.N.S., Shiraishi D. N. S. Boca Raton: CRC Press, 2000. P. 275. https://doi.org/10.1201/9781482269741

  3. Tian X., Fang Z., Smith R.L., Wu Z., Liu M. Properties, chemical characteristics and application of lignin and its derivatives / Production of Biofuels and Chemicals from Lignin / Eds. Fang Zh., Smith R.L. Singapore: Springer, 2016. P. 3. https://doi.org/10.1007/978-981-10-1965-4_1

  4. Tappi T222 Om-02. Acid-insoluble lignin in wood and pulp. TAPPI Test Methods, 2006. https://www.tappi.org/content/SARG/T222.pdf (18.11.2022).

  5. Castillo R.P., Peña-Farfal C., Neira Y., Freer J. Advances in analytical methodologies based on infrared spectroscopy for analysis of lignocellulosic materials: From classic characterization of functional groups to FT-IR imaging and micro-quantification / Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR): Methods, Analysis and Research Insights / Ed. Moore E. N.Y.: Nova Science, 2016. P. 36.

  6. Карклинь Б.Н., Трейманис А.П., Громов В.С. ИК-спектроскопия древесины и ее основных компонентов. VI. Определение содержания лигнина в препаратах сульфатной целлюлозы по ИК-спектрам // Химия древесины. 1975. № 2. С. 52.

  7. Карклинь В.Б., Эйдус Я.А., Крейцберг З.Н. ИК-спектроскопия древесины и ее основных компонентов. XII. Спектрохимические корреляции и их применение к анализу лигнина в древесине // Химия древесины. 1977. № 4. С. 90.

  8. Деркачева О.Ю., Цыпкин Д.О. Оценка содержания лигнина в волокнах бумаги по данным ИК спектроскопии отражения // Журн. прикл. спектроскопии. 2017. Т. 84. № 6. С. 993. (Derkacheva O.Y., Tsypkin D.O. Lignin content in paper fibers assessed using IR reflectance spectroscopy // J. Appl. Spectrosс. 2018. V. 84. № 6. P. 1071.) https://doi.org/10.1007/s10812-018-0588-6

  9. Афанасьев Н.И., Личутина Т.Ф., Русакова М.А., Прокшин Г.Ф., Вишнякова А.П., Сухов Д.А., Деркачева О.Ю. Оценка содержания и структурных изменений остаточного лигнина и смолы в лиственной сульфатной целлюлозе методом ИК Фурье-спектроскопии // Журн. прикл. спектроскопии. 2006. Т. 79. № 10. С. 1706. (Afanas’ev N.I., Lichutina T.F., Rusakova M.A., Prokshin G.F., Vishnyakova A.P., Sukhov D.A., Derkacheva O.Y. Estimation of the content and assessment of structural transformations of residual lignin and resin in deciduous kraft pulp by Fourier IR spectroscopy // Russ. J. Appl. Chem. 2006. V. 79. № 10. P. 1689.) https://doi.org/10.1134/S1070427206100260

  10. Деркачева О.Ю., Сухов Д.А., Федоров А.В. Оценка состояния лигнина в сульфатных волокнах по данным ИК спектроскопии // Вестник Тверского государственного университета. Серия: Химия. 2017. № 1. С. 71.

  11. Fiskari J., Derkacheva O., Kulomaa T., Sukhov D. Quick non-destructive analysis of lignin condensation and precipitation by FTIR // Cellul. Chem. Technol. 2016. V. 50. № 2. P. 217.

  12. Fiskari J., Derkacheva O., Kulomaa T. Quick non-destructive analysis of condensed lignin by ftir. Part 2. Pulp samples from acid sulfite cooking // Cellul. Chem. Technol. 2021. V. 55. № 3–4. P. 270. https://doi.org/10.35812/CELLULOSECHEMTECHNOL.2021.55.26

  13. Traoré M., Kaal J., Martínez Cortizas A. Application of FTIR spectroscopy to the characterization of archeological wood // Spectrochim. Acta A. 2016. V. 153. P. 63. https://doi.org/10.1016/j.saa.2015.07.108

  14. Пожидаев В.М., Ретивов В.М., Панарина Е.И., Сергеева Я.Э., Жданович О.А., Яцишина Е.Б. Разработка метода идентификации породы древесины в археологических материалах методом ИК-спектроскопии // Журн. аналит. химии. 2019. Т. 74. № 12. С. 911. (Pozhidaev V.M., Sergeeva Y.E., Yatsishina E.B., Retivov V.M., Panarina E.I., Zhdanovich O.A. Development of a method for identifying wood species in archaeological materials by IR spectroscopy // J. Anal. Chem. 2019. V. 74. № 12. P. 1192.) https://doi.org/10.1134/S1061934819120104

  15. Пожидаев В.М., Сергеева Я.Э., Малахов С.Н., Яцишина Е.Б. Идентификация породы археологической древесины методом ИК-спектроскопии // Журн. аналит. химии. 2021. Т. 76. № 5. С. 408. (Pozhidaev V.M., Sergeeva Y.E., Malakhov S.N., Yatsishina E.B. Identification of archaeological wood species by IR spectroscopy // J. Anal. Chem. 2021. V. 76. № 5. P. 573.) https://doi.org/10.1134/S1061934821050142

  16. Pandey K.K. A study of chemical structure of soft and hardwood and wood polymers by FTIR spectroscopy // J. Appl. Polym. Sci. 1999. V. 71. № 12. P. 1975. https://doi.org/10.1002/(sici)1097-4628(19990321)71: 12<1969::aid-app6>3.0.co;2-d

  17. Traoré M., Kaal J., Martínez Cortizas A. Differentiation between pine woods according to species and growing location using FTIR-ATR // Wood Sci. Technol. 2018. V. 52. № 2. P. 487. https://doi.org/10.1007/s00226-017-0967-9

  18. Xu F., Yu J., Tesso T., Dowell F., Wang D. Qualitative and quantitative analysis of lignocellulosic biomass using infrared techniques: A mini-review // Appl. Energy. 2013. V. 104. P. 809. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.12.019

  19. Gogna M., Goacher R.E. Comparison of three fourier transform infrared spectroscopy sampling techniques for distinction between lignocellulose samples // BioResources. 2018. V. 13. № 1. P. 846. https://doi.org/10.15376/biores.13.1.846-860

  20. Wang Y., Xiang J., Tang Y., Chen W., Xu Y. A review of the application of near-infrared spectroscopy (NIRS) in forestry // Appl. Spectrosc. Rev. 2022. V. 57. № 4. P. 300. https://doi.org/10.1080/05704928.2021.1875481

  21. Javier-Astete R., Jimenez-Davalos J., Zolla G. Determination of hemicellulose, cellulose, holocellulose and lignin content using FTIR in Calycophyllum spruceanum (Benth.) K. Schum. and Guazuma crinita Lam. // PLoS ONE. 2021. V. 16. № 10. Article e0256559. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0256559

  22. Toscano G., Maceratesi V., Leoni E., Stipa P., Laudadio E., Sabbatini S. FTIR spectroscopy for determination of the raw materials used in wood pellet production // Fuel. 2022. V. 313. Article 123017. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.123017

  23. Acquah G.E., Via B.K., Fasina O.O., Eckhardt L.G. Rapid quantitative analysis of forest biomass using Fourier transform infrared spectroscopy and partial least squares regression // J. Anal. Methods: Chem. 2016. Article 1839598. https://doi.org/10.1155/2016/1839598

  24. Popescu C.-M., Jones D., Kržišnik D., Humar M. Determination of the effectiveness of a combined thermal/chemical wood modification by the use of FT–IR spectroscopy and chemometric methods // J. Mol. Struct. 2020. V. 1200. Article 127133. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2019.127133

  25. Funda T., Fundova I., Gorzsás A., Fries A., Wu H.X. Predicting the chemical composition of juvenile and mature woods in Scots pine (Pinus sylvestris L.) using FTIR spectroscopy // Wood Sci. Technol. 2020. V. 54. № 2. P. 289. https://doi.org/10.1007/s00226-020-01159-4

  26. Vârban R., Crișan I., Vârban D., Ona A., Olar L., Stoie A., Ștefan R. Comparative FT-IR prospecting for cellulose in stems of some fiber plants: Flax, velvet leaf, hemp and jute // Appl. Sci. 2021. V. 11. № 18. Article 8570. https://doi.org/10.3390/app11188570

  27. Grigoryevich A.B., Semyon M., Alexander M., Leonidovich Y.R. Characteristics of aging of wood-fiberboard from the position of IR spectroscopy // JAES. 2020. V. 18. № 4. P. 624. https://doi.org/10.5937/jaes0-29431

  28. Lehto J., Louhelainen J., Kłosińska T., Drożdżek M., Alén R. Characterization of alkali-extracted wood by FTIR-ATR spectroscopy // Biomass Convers. Biorefin. 2018. V. 8. № 4. P. 847. https://doi.org/10.1007/s13399-018-0327-5

  29. Мамлеева Н.А., Шумянцев А.В., Харланов А.Н. Деградация структуры древесины Populus tremula при делигнификации озоном. Термический анализ // Журн. физ. химии. 2021. Т. 95. № 4. С. 534. (Mamleeva N.A., Shumyantsev A.V., Kharlanov A.N. Degradation of structure of Populus tremula Wood during delignification with ozone. Thermal analysis // Russ. J. Phys. Chem. 2021. V. 95. P. 682.) https://doi.org/10.31857/S0044453721040166

  30. Weiwei Z., Xiangdong Ch., Guohui L., Gaoping J., Ye L., Guoqiang L., Choong Y.K., Jin L. Study on the chemical changes of Quercus acuttisima by Ganoderma lucidum cultivation after different years by FTIR analysis // Spectrochim. Acta A. 2022. V. 266. Article 120443. https://doi.org/10.1016/j.saa.2021.120443

  31. Kumar B., Bhardwaj N., Agrawal K., Chaturvedi V., Verma P. Current perspective on pretreatment technologies using lignocellulosic biomass: An emerging biorefinery concept // Fuel Process. Technol. 2020. V. 199. Article 106244. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2019.106244

  32. Nanda S., Mohammad J., Reddy S.N., Kozinski J.A., Dalai A.K. Pathways of lignocellulosic biomass conversion to renewable fuels // Biomass Convers. Biorefin. 2013. № 4. P. 191. https://doi.org/10.1007/s13399-013-0097-z

  33. Ревин В.В., Лияськина Е.В., Сапунова Н.Б., Богатырева А.О. Выделение и характеристика штаммов – продуцентов бактериальной целлюлозы // Микробиология. 2020. Т. 89. № 1. С. 88. (Revin V.V., Liyas’kina E.V., Sapunova N.B., Bogatyreva A.O. Isolation and characterization of the strains producing bacterial cellulose // Microbiology. 2020. V. 89. P. 95.) https://doi.org/10.1134/S0026261720010130

  34. da Silva Braga R., Poletto M. Preparation and characterization of hemicellulose films from sugarcane bagasse // Materials. 2020. V. 13. № 4. Article 941. https://doi.org/10.3390/ma13040941

  35. Fai O., Böttcher J.H. The influence of particle size and concentration in transmission and diffuse reflectance spectroscopy of wood // Holz. Roh. Werkst. 1992. V. 50. № 6. P. 221. https://doi.org/10.1007/BF02650312

  36. ГОСТ Р 56881-2016. Биомасса. Определение зольности стандартным методом Biomass. Determination of the ash content by standard method. М.: Стандартинформ, 2019. С. 6.

  37. Базарнова Н.Г., Карпова Е.В., Катраков И.Б., Маркин В.И., Микушина И.В., Ольхов Ю.А., Худенко С.В. Методы исследования древесины и ее производных. Барнаул: Изд-во Алт. гос. ун-та, 2002. 160 с.

  38. Raspolli Galletti A.M., D’Alessio A., Licursi D., Antonetti C., Valentini G., Galia A., Di Nasso N.N. Midinfrared FT-IR as a tool for monitoring herbaceous biomass composition and its conversion to furfural // J. Spectroscopy. 2015. V. 2015. Article 719042. https://doi.org/10.1155/2015/719042

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Журнал аналитической химии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал