廢棄竹筍殼中所提木質(zhì)素的氧化性研究

劉 娣，張金璟，王亞娟，仇 丹，，邵雙喜

（1.寧波工程學(xué)院奉化研究院，浙江寧波 315500；2.寧波工程學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，浙江寧波 315211）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們綠色環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)，天然環(huán)保的木質(zhì)素及其制品受到越來越多的關(guān)注。如Mitjans M等人[1]研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素具有抗菌抗誘變等生物活性，尤其是抗氧化活性方面；Li M F等人[2]研究發(fā)現(xiàn)，從竹子中提取木質(zhì)素抗氧化活性比合成抗氧化劑二丁基羥基甲苯（BHT）強(qiáng)，進(jìn)一步說明天然木質(zhì)素可以生產(chǎn)抗氧化劑，提高了資源利用率；蘇雅靜等人[3]對(duì)竹筍殼中黃酮類物質(zhì)的提取工藝優(yōu)化進(jìn)行了研究，旨在用提取的黃酮類物質(zhì)進(jìn)行清除自由基、防癌、抗衰老等藥物保健研究等。醋酸是提取木質(zhì)素有機(jī)溶劑的一種，可在常壓下進(jìn)行，具有對(duì)設(shè)備要求較低、溶液易揮發(fā)、可回收利用等特點(diǎn)，可有效降低提取成本，且提取的木質(zhì)素具有較低的分子量和較高的反應(yīng)活性，常用來作為提取的溶劑，通過一系列試驗(yàn)反應(yīng)進(jìn)行相關(guān)性質(zhì)研究。

木質(zhì)素是一種接近無色的物質(zhì)，木質(zhì)素的顏色會(huì)因?yàn)樯a(chǎn)方法而改變。木質(zhì)素溶解度小，分離木質(zhì)素往往有一定的困難，一般難以進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)研究，故木質(zhì)素在實(shí)際生活中的應(yīng)用大都將其制成木質(zhì)素磺酸鹽的形式[4]，磺化反應(yīng)最具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，是木質(zhì)素應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提。

對(duì)此，試驗(yàn)對(duì)提取的木質(zhì)素基本成分及抗氧化活性進(jìn)行研究，測定自制木質(zhì)素磺酸鈉、商品木質(zhì)素磺酸鈉、抗壞血酸（維C）3種樣品，評(píng)價(jià)其抗氧化活性，以期為抗氧化劑的進(jìn)一步研究提供一些依據(jù)，同時(shí)建立了木質(zhì)素及其磺酸鹽制品對(duì)自由基的清除效果的綜合評(píng)價(jià)體系，對(duì)提高筍殼高附加值的應(yīng)用具有實(shí)際意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

筍殼木質(zhì)素，實(shí)驗(yàn)室制備；木質(zhì)素磺酸鈉（95%），市售；水楊酸；對(duì)氨基苯磺酸；鹽酸萘乙二胺；木質(zhì)素磺酸鈉；Tris HCl；2,2-聯(lián)苯基-1-苦基肼基；1,4-二氧六環(huán)（分析純），上海麥克林生物化學(xué)有限公司提供。

恒溫油浴鍋，常州國宇儀器制造有限公司產(chǎn)品；超聲波清洗機(jī)，寧波立城儀器有限公司產(chǎn)品；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠產(chǎn)品；冷凍干燥機(jī)、精密電子天平，梅特勒-托利多儀器有限公司產(chǎn)品；高速離心機(jī)，上海盧相儀離心機(jī)儀器有限公司產(chǎn)品。

1.2 木質(zhì)素磺酸鈉的制備

稱取木質(zhì)素15 mg置于錐形瓶中，加入適量蒸餾水，用移液槍移取90%的醋酸溶液10 mL進(jìn)行溶解，再加入10 mg無水亞硫酸鈉、0.10 mg三氯化鐵，混勻靜置，用濃NaOH調(diào)節(jié)溶液pH值至10.5，控制反應(yīng)體系體積不超過150 mL，磁力攪拌下水浴加熱至85℃，持續(xù)4 h，冷卻過濾，濾液凍干后得到木質(zhì)素磺酸鈉。

1.3 木質(zhì)素抗氧化活性分析

參照Tao B B等人[5]的方法，DPPH自由基清除能力測定木質(zhì)素抗氧化能力。用移液槍吸取6組0.1 mL不同質(zhì)量濃度（0.1~5.0 mg/mL） 木質(zhì)素溶液（溶解于90%二氧六環(huán)），注意不同質(zhì)量濃度槍頭需要更換，加入3.9 mL DPPH溶液（0.06 mmol/L溶于甲醇溶液），在室溫下混合后遠(yuǎn)離光反應(yīng)30 min。于波長517 nm處用紅外分光光度計(jì)測定吸光度As，測定空白樣吸光度Ab。記錄數(shù)據(jù)按公式（1）計(jì)算樣品對(duì)DPPH自由基清除率（S/%）。

1.4 木質(zhì)素磺酸鈉抗氧化活性分析

1.4.1 清除亞硝酸根離子（NO2-）能力

用移液槍分別吸取5 μg/mL的NaNO2標(biāo)準(zhǔn)液0， 0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.5，2.0 mL 共 8 組置于比色管，標(biāo)號(hào)1~8，加入1 mL 0.4%對(duì)氨基苯磺酸，加入0.5 mL 0.2%鹽酸萘乙二胺，加入蒸餾水至10 mL，以不加標(biāo)準(zhǔn)液的試劑為空白對(duì)照，于波長538 nm處測定吸光度，以C（NO2-）為橫坐標(biāo)、吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

取1 mL樣品溶液（即自制木質(zhì)素磺酸鈉溶液、商品木質(zhì)素磺酸鈉溶液、維C水溶液，其濃度同上，以下樣品濃度均為此）置于比色管中，加入0.5 mL 5 μg/mL NaNO2的標(biāo)準(zhǔn)液，加入1 mL 0.4%對(duì)氨基苯磺酸，加入0.5 mL 0.2%鹽酸萘乙二胺，加蒸餾水至10 mL，水浴加熱15 min，于波長538 nm處測定吸光度。按公式（2）計(jì)算清除率。

1.4.2 清除羥基自由基（·OH）能力

用移液槍把濃度為2mmol/L FeSO4溶液1 mL，濃度為2 mmol/L的水楊酸乙醇溶液1 mL加到10 mL比色管中，加入1 mL不同質(zhì)量濃度的樣品溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%H2O21 mL，室溫水浴1 h后，于波長536 nm處測定各濃度樣品的吸光度A樣，以1 mL去離子水代替樣品溶液重復(fù)上述操作，測吸光度A損，以2 mL去離子水代替H2O2和樣品溶液重復(fù)上述操作，測定其吸光度A未損。按公式（3）計(jì)算清除率。

用移液槍移取2.7 mL Tris-HCl緩沖溶液加入蒸餾水0.1 mL，濃度為30 mmol/L鄰苯三酚溶液0.2 mL，混勻后水浴中反應(yīng)5 min，用濃度為8 mol/L HCl溶液0.1 mL終止反應(yīng)，于波長318 nm處測定吸光度A0。

移取不同質(zhì)量濃度的樣品溶液0.1 mL各2份，其中一份按上述方法進(jìn)行，但不加入鄰苯三酚溶液測定溶液的吸光度為Ai；另一份代替上述方法中的0.1 mL蒸餾水，測定溶液的吸光度為Aj。按公式（4）計(jì)算清除率。

1.4.4 清除二苯代苦味?；杂苫―PPH·）能力

用移液槍吸取不同質(zhì)量濃度的樣品溶液2 mL，加入2 mL質(zhì)量濃度為1 mg/mL DPPH·乙醇溶液，于波長518 nm處測定樣品溶液的吸光度Ai，取2 mL待測樣液與2 mL無水乙醇混合，測定吸光度Aj；取2 mL無水乙醇與2 mL DPPH·乙醇混合，測定吸光度A0[6]。按公式（5） 計(jì)算清除率。

1.5 功能性分析

1.5.1 傅氏轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析（FT-IR）

采用KBr壓片法測定，參數(shù)設(shè)置設(shè)備分辨率4cm-1，掃描波數(shù)范圍500~4 000 cm-1，掃描次數(shù)設(shè)為32次。取適量樣品與一定量的KBr，在瑪瑙研缽中混合均勻，將其研成粉末，裝到模具上，在壓片機(jī)上壓片，壓力不超過8 MPa，持續(xù)約1 min后取下，得到的透明薄片在設(shè)備上繪制譜圖。測試樣品為提取出的木質(zhì)素與木質(zhì)素磺酸鹽。

1.5.2 X射線衍射（XRD）

取適量木質(zhì)素進(jìn)行XRD檢測，掃描范圍10°~90°，掃描方式為連續(xù)掃描，調(diào)整時(shí)間1.50 sec，掃描速率 5°/min，步長 1°。

1.5.3 持油力、持水力及膨脹力測定

稱取1.0 g干燥后的樣品（提取出的木質(zhì)素及筍殼粉碎物，下同）加入到50 mL的離心管中，用量筒量取20 mL植物油也加入到離心管中，攪拌均勻后靜置1 h，在離心機(jī)中離心20 min，棄去上層液體，稱質(zhì)量。按公式（6）計(jì)算持油力。

稱取1.0 g干燥后的樣品加入到50 mL離心管中，用量筒量取20 mL蒸餾水加入到離心管中，放入恒溫水浴鍋中水浴30 min，冷卻20 min，在離心機(jī)中離心10 min，棄去上層液體，稱質(zhì)量。按公式（7）計(jì)算持水力。

稱取1.0 g干燥后的樣品放入10 mL量筒中，振蕩后記錄樣品體積。量筒量至10 mL蒸餾水，靜置24 h，記錄濕粉的體積。按公式（8）計(jì)算膨脹力。

式中：m——樣品質(zhì)量，g；

V1——干粉體積，mL；

V2——濕粉的體積，mL。

1.5.4 陽離子交換能力測定

稱取樣品粉末約0.5 g（木質(zhì)素及筍殼粉碎物的），浸入濃度為0.1 mol/L的HCl溶液（剛沒過粉體表面），混合均勻后靜置24 h。將混合液過濾，用蒸餾水沖洗至不含Cl-，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%AgNO3溶液檢測洗脫液。收集濾渣，于60℃下干燥后稱取0.300 g干燥后濾渣，溶解在100 mL 15%NaCl溶液中，用玻璃棒不斷機(jī)械攪拌5 min，用pH值13的NaOH溶液滴定，直至pH值為7時(shí)結(jié)束滴定。

2 結(jié)果與分析

2.1 木質(zhì)素及木質(zhì)素磺酸鈉的結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 紅外光譜圖表征分析

商用木質(zhì)素磺酸鈉傅里葉紅外光譜圖見圖1，自制木質(zhì)素磺酸鈉傅里葉紅外光譜圖見圖2。

圖1 商用木質(zhì)素磺酸鈉傅里葉紅外光譜圖

圖2 自制木質(zhì)素磺酸鈉傅里葉紅外光譜圖

在水平數(shù)值上對(duì)比2組木質(zhì)素磺酸鈉可以看出，它們吸收峰峰值數(shù)基本一致，波峰、波谷趨勢相近，可初步判斷所制木質(zhì)素磺酸鈉為真實(shí)的木質(zhì)素磺酸鈉而不是別的其他物質(zhì)。

對(duì)進(jìn)行醋酸磺化前后的木質(zhì)素及成品木質(zhì)素磺酸鈉進(jìn)行紅外光譜分析可得出結(jié)論，木質(zhì)素出現(xiàn)強(qiáng)度較高的羥基伸縮振動(dòng)吸收峰在3 460 cm-1附近，在2 940 cm-1處出現(xiàn)亞甲基C-H伸縮振動(dòng)吸收峰，1 100 cm-1左右為苯環(huán)上磺酸基的振動(dòng)峰，磺化影響下此處的吸收峰明顯減弱，可以說明亞甲基活性受到抑制，無法完整表達(dá)出它的活性狀態(tài)；木質(zhì)素及木質(zhì)素磺酸鈉在1 625 cm-1顯示的是苯環(huán)特征吸收光譜，自制木質(zhì)素磺酸鈉在此處吸收峰不太明顯。

2.1.2 XRD譜圖表征分析

木質(zhì)素的XRD譜圖見圖3，木質(zhì)素磺酸鈉的XRD譜圖見圖4。

由兩幅圖2θ值對(duì)比可看出，木質(zhì)素的晶型結(jié)構(gòu)與木質(zhì)素磺酸鈉晶型結(jié)構(gòu)基本上沒有發(fā)生明顯的變化，2θ=22.457，說明木質(zhì)素到木質(zhì)素磺酸鈉的變化，依舊基本上保持了木質(zhì)素原有的結(jié)構(gòu)。

2.2 木質(zhì)素清除DPPH自由基性能

由于木質(zhì)素結(jié)構(gòu)特性，相對(duì)分子質(zhì)量大且缺少親液性基團(tuán)，在水和通常溶劑中的溶解性較差，不易溶于水，無法進(jìn)行持水力和膨脹力的測定，只能進(jìn)行持油力的測定（之后會(huì)做到此試驗(yàn)），無法進(jìn)行類似木質(zhì)素磺酸鈉的清除自由基能力試驗(yàn)，根據(jù)查閱的文獻(xiàn)只可以進(jìn)行木質(zhì)素清除DPPH自由基的試驗(yàn)[7]。以合成抗氧化劑BHT作陽性對(duì)照。

筍殼木質(zhì)素及BHT對(duì)DPPH·清除效果見圖5。

圖3 木質(zhì)素的XRD譜圖

圖4 木質(zhì)素磺酸鈉的XRD譜圖

圖5 筍殼木質(zhì)素及BHT對(duì)DPPH·的清除效果

IC50是樣品自由基清除率達(dá)到50%的質(zhì)量濃度，RSI（radical scavenging index）值為自由基清除指數(shù)，數(shù)值上等于IC50的倒數(shù)。筍殼木質(zhì)素的RSI值為1.63，顯著高于RSI值為0.84的商業(yè)合成抗氧化劑BHT，數(shù)值越大，抗氧化活性越強(qiáng)，所制得的木質(zhì)素廣泛應(yīng)用于抗氧化劑的發(fā)展市場。

所反映的活性與木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中的羥基、甲氧基、羧基等活性基團(tuán)有關(guān)，尤其是酚羥基的百分比含量，另一方面木質(zhì)素的不均一性和多分散性的增加則會(huì)使木質(zhì)素自由基反應(yīng)能力有所降低。因此，根據(jù)結(jié)論提取的筍殼醋酸木質(zhì)素可作為天然的抗氧化劑，提供新的抗氧化劑來源，為竹筍及其他應(yīng)用提供新的方向。

2.3 木質(zhì)素磺酸鈉清除自由基性能

亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖6，對(duì)亞硝酸根離子的清除率見圖7。

圖6 亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)曲線（R2=0.999 44）

圖7 對(duì)亞硝酸根離子的清除率

由圖7可知，木質(zhì)素磺酸鈉（自制）對(duì)亞硝酸根離子的清除率明顯比木質(zhì)素磺酸鈉（商用）對(duì)亞硝酸根離子的清除率高出很多，也高于維C溶液的清除率，因此木質(zhì)素磺酸鈉（自制）對(duì)亞硝酸根具有很好的清除效果。且隨著質(zhì)量濃度的提高，清除率提高，但到一定限度（1 mg/mL）以后，清除效果變化不明顯，可粗略估計(jì)1 mg/mL是在一定限度內(nèi)為合適的濃度來清除亞硝酸根離子。

2.3.2 清除羥基自由基（·OH）效果

對(duì)羥基自由基的清除率見圖8。

圖8 對(duì)羥基自由基的清除率

由圖8可知，木質(zhì)素磺酸鈉（自制）對(duì)羥基自由基的清除效果不明顯，清除率只有10%左右，隨質(zhì)量濃度變化清除率變化不大，低于維C溶液和木質(zhì)素磺酸鈉（商用）。可知木質(zhì)素磺酸鈉（自制）不適合用來清除羥基自由基。

2.3.3 清除超氧陰離子（O2-）效果

對(duì)超氧陰離子自由基的清除率見圖9。

圖9 對(duì)超氧陰離子自由基的清除率

由圖9可知，木質(zhì)素磺酸鈉（自制） 對(duì)超氧陰離子自由基的清除效果較好，清除率基本可以達(dá)到80%左右，清除大部分的超氧陰離子。清除率隨質(zhì)量濃度變化不大，因此較低質(zhì)量濃度的木質(zhì)素磺酸鈉（自制） 也可以有較好的清除效果。此外，維C水溶液和木質(zhì)素磺酸鈉（商用）都有較好的清除超氧化物陰離子自由基能力，但沒木質(zhì)素磺酸鈉（自制）效果明顯，木質(zhì)素磺酸鈉（商用）的清除率在0.4 mg/mL左右時(shí)和木質(zhì)素磺酸鈉（自制） 相差不大，隨質(zhì)量濃度的提高反而呈現(xiàn)下降反相關(guān)的趨勢，所以木質(zhì)素磺酸鈉（商用）在低質(zhì)量濃度時(shí)仍有應(yīng)用價(jià)值，但木質(zhì)素磺酸鈉（自制）的效果更好。

2.3.4 清除二苯代苦味酰基自由基（DPPH·）效果

對(duì)DPPH·的清除率見圖10。

圖10 對(duì)DPPH·的清除率

由圖10可看出，3種物質(zhì)中維C清除DPPH·效果最明顯，木質(zhì)素磺酸鈉（自制）對(duì)DPPH·也有清除能力，但效果一般且相差不大，而且效果不及維C水溶液。若考慮用作對(duì)DPPH·的清除劑，則優(yōu)先使用維C作為原料，且維C在質(zhì)量濃度為0.4，1.4 mg/mL時(shí)表現(xiàn)出明顯優(yōu)于其余2種清除水平的質(zhì)量濃度。

2.4 應(yīng)用性能評(píng)價(jià)

2.4.1 持油力、持水力、膨脹力效果比較

持油力、持水力、膨脹力效果的比較見表1。

由表1可知，1 g的筍殼粉碎物可以吸附約4.5 g的植物油、6.2 g的蒸餾水，0.1 g的木質(zhì)素可以吸附約7.5 g的植物油。由此可見，筍殼中的確存在著具有良好吸水吸油的結(jié)構(gòu)，木質(zhì)素有著優(yōu)良的持油力，是因?yàn)榇罅坎煌趸鶊F(tuán)（如酚羥基、羧基和羰基）的存在，使得木質(zhì)素有相對(duì)較低的溶解性，水解木質(zhì)素的親水性大大降低了木質(zhì)素吸附水溶液中有機(jī)污染物的能力，通過與含有季胺基的低分子表面活性劑反應(yīng)，把疏水陽離子引入木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中，這樣所得到的改性木質(zhì)素對(duì)有機(jī)污染物的吸附能力大大增強(qiáng)，可以用作一種適宜的凈水吸附劑。

表1 持油力、持水力、膨脹力效果的比較

2.4.2 陽離子交換能力效果

用計(jì)算得到用量0.3 g時(shí)所消耗的NaOH的體積算術(shù)轉(zhuǎn)換成用量1 g時(shí)所消耗NaOH的物質(zhì)的量來評(píng)價(jià)陽離子交換能力效果。

陽離子交換能力效果比較見表2。

表2 陽離子交換能力效果比較

由表2可知，1 g筍殼粉碎物所使用的NaOH的量大致0.000 484 3 mol，1 g木質(zhì)素所使用的NaOH的量為0.000 101 1 mol左右。消耗同等質(zhì)量情況下，筍殼粉碎物消耗NaOH量遠(yuǎn)大于木質(zhì)素，消耗NaOH量越多，說明陽離子交換程度越徹底，也說明了筍殼粉碎物陽離子交換能力更強(qiáng)。

將木質(zhì)素轉(zhuǎn)為Na+型，配置一定濃度的各種金屬鹽溶液，可以知道木質(zhì)素對(duì)金屬離子的交換吸附容量[8]。木質(zhì)素中有強(qiáng)烈氫鍵作用的酚羥基和羧基等活性基團(tuán)，能形成配位鍵或氫鍵，使得其選擇吸附性強(qiáng)于一般吸附劑，在實(shí)際生產(chǎn)中極性大分子分離方面有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論

以筍殼為原料提取得到的木質(zhì)素對(duì)DPPH自由基清除指數(shù)RSI為1.63，高于商業(yè)合成的抗氧化劑BHT（RSI=0.84），具有良好的抗氧化性，既為生產(chǎn)抗氧化劑來源提供了新的原料，又開拓了筍殼應(yīng)用新的方向。

制備得到的木質(zhì)素磺酸鈉（粗品）與商品木質(zhì)素磺酸鈉（成品）、維C在清除自由基水平相比較，對(duì)亞硝酸根離子（）和超氧陰離子自由基（）效果最優(yōu)，對(duì)羥基自由基（·OH）效果最差，對(duì)二苯代苦味?；杂苫―PPH·） 效果一般，但總的來說筍殼木質(zhì)素磺酸鈉（粗品）對(duì)自由基清除均具有較好的能力。