果蔬中木質素提取及其生物活性應用研究進展

紀秀鳳，呂長鑫，王新明，巴俊文，于泳渤，勵建榮

（渤海大學 食品科學與工程學院，遼寧省食品安全重點實驗室，生鮮農產品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯合工程研究中心，遼寧錦州121013）

果蔬是人們飲食中必不可少的食物，富含人體所必需的維生素、無機鹽、生物酶和纖維等物質，調節飲食口味的同時，促進了人體健康。木質素廣泛存在于果蔬細胞壁中，是一類由苯丙烷類或其衍生物結構單元構成的芳香類化合物，其結構包含酚羥基、羰基及甲氧基等多種活性基團[1-3]。構成木質素的主要單體為對羥苯基丙烷（p-hydroxyphenyl propane，H）、紫丁香基丙烷（syringyl，S）和愈創木基丙烷（guaiacyl，G），其前體分別為香豆醇、芥子醇和松柏醇，這些單體由醚鍵和碳碳鍵隨機耦合形成木質素分子骨架，如β-O-4、β-O-4′、β-β′、β-5′和 5-5′等化學鍵[4-5]。G 型木質素僅由G單元構成，SG型木質素由S和G單位構成，而HSG型木質素則由3種以上的單體構成[2]。木質素的來源及提取方式不同，其結構及性質差異性較大，生物活性也不盡相同，因此，針對木質素的提取方法和結構表征進行分析，可有效提高木質素生物利用率。

木質素約占果蔬本身質量的15%～20%，具有硬化植物細胞、抗菌、抗氧化和抗紫外線等功能[4]。果蔬加工成果蔬汁、果蔬酒及果蔬醬等產品后，產生的廢棄物中含大量木質素，如山竹皮、橘皮及石榴皮等果皮；葡萄籽、沙棘籽、樹莓籽、蓮籽及番茄籽等果蔬籽；大豆渣和木糖渣等果蔬渣等。果蔬加工產生的廢棄物中木質素含量豐富，但多被直接丟棄或燒毀，造成資源浪費及環境污染。目前，部分木質素應用于建材、石油、農業及輕工業等領域，如制作黏合劑、表面活性劑、炭纖維和活性碳等，木質素產生的經濟效益較低，且產生大量廢液、廢渣和廢氣，污染環境[6-8]。果蔬木質素中含有大量活性基團，攝入體內后，可對人體健康和疾病的防治發揮重要作用，是一種安全、綠色、健康的天然活性物質，將其進行提取分離和結構表征，并應用于食品、保健和醫藥等領域，即避免了資源浪費，又提高了果蔬廢棄物附加值，具有廣闊開發應用前景。因此，本文詳細綜述近年來果蔬中木質素的提取純化技術、生物功能活性及其應用，并分析果蔬中木質素在加工應用中存在的問題及發展趨勢，旨在為果蔬中木質素的應用及發展提供理論依據。

1 果蔬木質素提取及結構表征

1.1 果蔬木質素提取

果蔬木質素的提取是保證其應用的基礎，不同提取方法影響木質素結構，進而影響其活性，故對木質素提取方式進行探索研究，在食品、醫藥及化妝品等領域應用具有重要意義。果蔬中木質素提取主要有無機和有機溶劑兩種方法，此外，還可采用酶解法、超聲波萃取法、微波加熱萃取法、超臨界萃取法等輔助方法對果蔬中木質素進行提取，其主要目的是促使植物細胞壁的破碎，加速木質素溶出。無機溶劑提取法主要包括酸法和堿法[9]，如利用硫酸、硫酸鈉及氫氧化鈉等溶液進行提取。孫文鵬等[10]將水葫蘆干燥、研磨、過篩后，置于料液比1∶20（mg/mL）的氫氧化鈉溶液中加熱提取4 h過濾取沉淀，冷凍干燥即得到堿木質素；龐庭才等[11]通過堿法提取銀杏果殼中木質素，在氫氧化鉀濃度 0.5 mol/L、溫度 60℃、料液比 1∶65（g/mL）、提取時間2 h條件下，木質素提取率達10.78%，各影響因素中堿液濃度影響最大；張保平等[12]采用72%硫酸對稻草中的木質素提取2 h后，木質素產率達9.23%。有機溶劑提取法主要以乙醇、乙酸、丙酮和乙烷等為溶劑提取果蔬中木質素。如龔衛華等[13]以醋酸溶液為提取液，在油浴條件下浸提，并經真空抽濾、濾液減壓濃縮、冷凍干燥后制得筍殼醋酸木質素。張朝波等[14]通過蒸餾法去除南五味子中的揮發性油和水溶性雜質，再利用高濃度乙醇提取，粗提液經大孔樹脂柱和氧化鋁柱進行純化，最終得到總木質素含量為81.08%的木質素提取物；Xie等[15]以二氧雜環乙烷為溶劑，在100℃下反應12 h，濾渣重復提取2次，濾液經真空旋轉蒸發濃縮后，在氯仿作用下浸出，最后經乙醚沉淀得到芭蕉芋渣木質素。此外，Li等[16]以有機酸為提取溶劑，微波加熱為輔助手段，109℃下萃取60 min，竹材木質素提取率為17.98%；李維英[17]在無機鹽氯化鎂催化作用下，以乙醇為提取溶劑，并通過微波加熱的手段提高蔗渣木質素提取率，其提取率可達68.06%，相比水浴加熱，提取率提高了20%～30%；唐婷范等[18]等以氫氧化鈉為提取劑，超聲波輔助提取蒜頭果殼及枝干木質素，超聲功率為600 W，超聲時間為60 min，殼及枝提取率分別為45.21%和63.78%。超聲波法木質素提取得率優于微波法，但在微波作用下，木質素可快速吸收微波能，在短時間內即可達到較高的提取率，節省提取時間。其次，繆正調等[19]采用有機和無機結合法，在二氧六環80%和氫氧化鈉1%條件下對核桃殼中木質素進行連續提取，最終確定核桃殼中木質素含量高達75.9%。目前，木質素提取方法、原理及特點見表1。

表1 果蔬木質素提取Table 1 Extraction of lignin from fruits and vegetables

表1中的方法均對果蔬中木質素的提取有一定作用效果，主要依靠物理、化學或生物手段對植物細胞壁進行破壞，進而促進細胞內容物溶出，但破壁后會溶出色素、蛋白、油脂和多糖等雜質，故果蔬中木質素提取前需對原材料進行破碎，再通過蒸餾去除原料中油脂和可溶性雜質，避免雜質對木質素測定及應用的干擾。我國果蔬品種多樣，種植資源豐富，但不同果蔬木質素提取方法及工藝不同，不同提取方法提取同種果蔬木質素，木質素提取率及其結構變化亦不相同。目前，果蔬木質素提取方法均存在一定缺陷，自木質素提取試驗階段至產業化生產存在諸多困難，例如，無機溶液提取易引起木質素結構變化，且不利于人體健康；超聲波法不利于木質素大規模提取，且溫度易變化，影響木質素結構；酶法提取條件要求較高，成本較大；超臨界萃取法不可大規模生產。針對上述問題，需從提取條件入手，深入研究木質素結構破壞機理，從根本上解決問題。其次，可將兩種或兩種以上提取方法相結合進行提取，揚長補短，提高果蔬中木質素提取率，減少時間及耗能，還可結合新興技術，尋找木質素更佳的提取方法。

1.2 果蔬木質素結構表征

果蔬木質素結構及官能團數量均隨木質素平均分子質量的變化而改變[27]，故木質素分子量的大小嚴重影響了其結構與生物功能。木質素結構與植物部位、成熟度和種植地區息息相關，同時因提取純化方法不同，木質素的結構也不盡相同，因此，充分表征果蔬中木質素的化學結構，有助于提高木質素性質的認知，提高其生物利用率，增加經濟和社會效益。

常用于結構表征方法有傅里葉紅外光譜法、高場核磁共振法、基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜、掃描電鏡法和凝膠滲透色譜法等。如繆正調等[19]在高壓水熱條件下提取的核桃殼木質素，通過紅外光譜和核磁共振分析可知，其結構單元主要由S和G構成，之間以 β-O-4′醚鍵，β-β′和 β-5′碳碳鍵相連接，且木質素側鏈中部的S結構單元β-O-4′結構的γ位發生了酰化；楊東杰等[28]通過凝膠色譜、電位滴定、紅外、核磁等方法分析可知，小分子量蔗渣木質素磺酸鎂H結構較多，但隨分子量升高，S、H和G單體含量呈現均一化趨勢，酚羥基數量增加，羧基數量減少，物化特性隨之改變；彭鋒等[29]在堿性環境下醇法提取的蔗糖渣木質素，經紫外、紅外及核磁表征發現其結構單元主要為S、G和少量H；Yin等[30]利用傅里葉紅外光譜、核磁共振和電鏡掃描分析等方法，確定了木瓜果實和莖中木質素的化學結構特性，主要化學鍵為醚鍵和碳碳鍵，而在兩個木質素組分中S/G比存在顯著差異；此外，木瓜莖中分離的木質素組分表現出較高熱穩定性。因此，對木質素結構進行表征，進一步研究果蔬木質素組分構效關系，利于果蔬木質素新的生物活性發現及應用，并為其應用提供理論依據。

2 果蔬木質素生理活性

2.1 抗氧化

果蔬木質素可有效清除自由基，抑制脂質過氧化反應，是因為木質素結構中的酚羥基可釋放H＋，競爭性地捕獲自由基，從而阻斷自由基鏈式反應，保護脂質不被氧化，是一類新興的植物天然抗氧化劑[31]。龔衛華等[21]通過醋酸法提取葵花籽殼木質素，并以化學合成的抗氧化劑二丁基羥基甲苯作陽性對照，進行抗氧化研究，結果表明木質素對自由基的半數抑制率為0.65 mg/mL，自由基清除指數為1.54，顯著高于二丁基羥基甲苯，說明葵花籽殼木質素可作為天然抗氧化劑。Li等[32]采用微波輔助有機酸萃取法從竹材中提取小分子量木質素，其自由基清除率高于人工合成的抗氧化劑二丁基羥基甲苯但低于丁基羥基茴香醚。Gong等[2]研究得出竹筍殼乙酸木質素具有較高的苯酚羥基含量和S/G比，具有較強的自由基清除能力，且優于BHT的抗氧化活性。楊玲等[33]通過微波輔助法提取胡蘿卜木質素，當胡蘿卜木質素濃度為400 mg/L時對HO·的清除率為44.12%，說明胡蘿卜木質素抗氧化活性較強。因此，不同方法提取的果蔬木質素均具有一定的抗氧化活性，且強于商業化學合成的抗氧化劑BHT，可作為天然植物抗氧化劑來源進行開發，以延長油脂類食品的貨架期，預防食品的風味、顏色、活性物質喪失等問題[34]，又可乳化后用于新型化妝品的研發，為果蔬廢料應用提供新的方向。

2.2 降血脂

高血脂主要由暴飲暴食、酗酒、吸煙和抑郁等不良習慣造成，表現為膽固醇和甘油三酯水平過高或高密度脂蛋白膽固醇含量過低，而小分子量果蔬木質素能夠降低血液中膽固醇和甘油三酯水平，從而起到降血脂作用。膽固醇在肝臟中可形成膽汁酸，而木質素可與膽汁酸結合，并將其排除體外。因此，膽固醇在肝臟中不斷轉化為膽汁酸，并能維持膽汁酸的動態平衡，從而達到降血脂目的[35-36]。Rodríguez-Gutiérrez等[37]體外研究了橄欖核中木質素、纖維素和半纖維素對膽汁酸的吸附情況，發現木質素對以鈉鹽形式存在的膽汁酸有較強地吸附能力，且與降膽固醇藥物消膽胺結合膽酸能力相似。龔衛華等[13]在體外膽酸鹽吸附實驗中，麻竹筍殼的醋酸木質素對膽酸鈉和牛磺膽酸鈉具有較高的吸附率，其相對于消膽胺吸附率為82.46%和60.94%，同時對鵝脫氧膽酸鈉和脫氧膽酸鈉也表現出較強的吸附能力。Norikura等[38]發現木質酚處理HepG2細胞后，減少了載體蛋白apo-B分泌，抑制了細胞甘油三酯轉運蛋白mRNA的表達，達到降低總膽固醇含量目的。表明木質酚調節apo-B分泌的重要因素是甘油三酯轉運蛋白mRNA的表達、細胞膽固醇的代謝和成熟SREBP-2的表達。綜上可知，果蔬木質素及其衍生物是潛在促進人體健康的生物活性物質，但果蔬木質素對血脂代謝影響，尤其是飲食誘導的肥胖機制方面還需做進一步研究。

2.3 降血糖

木質素及其衍生物主要通過減少腸道葡萄糖吸收和促進胰島素釋放等過程達到降血糖目的。Xie等[15]從芭蕉芋渣中提取的木質素主要由G和H單體構成，與阿卡波糖相比，對α-D-葡萄糖苷酶活性的抑制性能更強。分子對接分析表明，葡萄糖苷酶上存在木質素單個結合位點，而木質素與α-D-葡萄糖苷酶的主要結合力為氫鍵、疏水相互作用和范德華力。Quesille等[39]研究表明修飾后的堿性木質素在體外對α-淀粉酶具有較強地抑制活性。Hasegawa等[40]研究了木質素磺酸對腸道葡萄糖吸收的影響，表明木質素磺酸是α-葡萄糖苷酶的可逆非競爭性抑制劑，可結合酶和酶底物復合物，增強了對α-葡萄糖苷酶活性抑制作用，同時直腸細胞能有效抑制脫氧葡萄糖的攝取。因此，木質素及其衍生物可通過抑制α-葡萄糖苷酶活性和腸道對葡萄糖的吸收達到降血糖效果，可在功能性食品和醫藥領域等方面廣泛應用。

2.4 抗病毒

木質素在較低濃度范圍內，對艾滋病毒（human immunodeficiency virus，HIV）、單純皰疹病毒、梅毒和淋病奈瑟菌等均具有一定抗性，且已被大量實驗證實，尤其對HIV-1具有廣泛抗性[41]。HIV-I是由人類免疫缺陷病毒感染和細胞免疫功能缺陷等因素引起，κB因子可引起炎癥、癌癥和克羅氏病等多種疾病，而小分子量木質素可抑制HIV-1基因表達，也能抑制NF-κB活化及TNFα誘導，從而達到抗病毒目的[42]。其次，木質素磺酸還具有廣譜的抗單純皰疹病毒活性，但不會干擾對人體有益的乳酸桿菌菌群生長[43]。此外，木質素和抗原肽結合制作的傳感器可成功免疫識別HIV，相對明膠凝集法、熒光抗體法、酶標法和蛋白印跡法檢測更加方便快捷，同時為有機生物傳感器應用提供了廣闊空間[44]。因此，木質素及其衍生物可作為抗病毒制劑及生物傳感器進一步研究，為人類病毒類疾病提供更加有效的治療藥物及檢測手段。

2.5 其它活性

近年來，木質素及衍生物已被證實具有預防癌癥、抗凝血、排毒、調節免疫等功效。如木質素與碳水化合物結合的衍生物糖-木質素，屬疏水性木質素，水溶性較好，細胞毒性試驗表明，糖-木質素代謝物可抑制癌細胞中核轉錄因子NF-κB的激活，進而誘導細胞凋亡[45]。洋槐木質素提取物對乳腺癌細胞表現出較高的抗細胞毒性能力，但對肝星狀細胞無效[46]，而經納米技術處理的木質素，對癌細胞表現出更強的抑制作用[47]，有希望成為新一代天然抗癌劑。其次，Henry等[48]研究發現低分子量酸化木質素可在肝素與凝血蛋白酶的結合位點結合，有效抑制凝血酶和xa因子活性。Mehta等[49]研究表明木質素能有效降低血小板凝塊的收縮力，干擾凝血酶和與目標物的結合，預防動脈閉塞。因此木質素及其衍生物可作為肝素替代物發揮抗凝血作用，可作為一種全新的抗凝血和抗血栓藥物。除此之外，木質素對金屬離子有一定的吸附效果，如鉛、鐵、銅等離子，故可利用木質素此性質研制減輕人體毒素的藥物。

目前，從果蔬中通過一系列工藝提取純化的木質素及其衍生物主要作為能源物質，急需通過努力開拓新的應用領域。果蔬與人類飲食密切相關，對人體生命活動有著重要作用，從果蔬加工廢棄物中提取的木質素生物相容性較好，分子量較小，且生物活性較強，在抗氧化、降血脂、降血糖、抗病毒等方面具有重要作用，在食品、生物及醫藥等應用中具有潛在的研究價值，必將會表現出良好的發展前景。

3 果蔬木質素應用

現階段，果蔬木質素及其衍生物在食品、保健、醫藥和化妝品等領域應用較少，多集中于建材、石油、造紙等工業應用，對木質素利用率較低，產生的經濟效益較低。如將木質素與大豆蛋白混合制備的膠黏劑強度、耐水性及耐腐蝕性得到大幅度提高[50]。Luo[51]等研究發現，當大豆蛋白中添加10%的木質素時，木質素與蛋白分子活性基團發生反應，制備的膠黏劑耐水性是大豆蛋白膠黏劑的2倍。對木質素分子中的羥基進行甲基化、乙酰化和烷氧化反應，可調整木質素分子中親水基與親油基比例，得到活性較高的表面活性劑。艾青等[52]對木質素進行改性，制備的二乙醇胺基木質素表面活性劑水溶性及表面張力得到大幅度改善。Doherty等[53]闡述了木質素與淀粉、聚羥基乙酸和樹脂等聚合物組成的共混聚合物優良性能及較好應用前景。王芳等[54]通過酶法提取玉米秸稈中木質素，采用苯酚-硫酸法對木質素進行酚化改性，再與環氧氯丙烷發生環氧化反應，生成具有較高熱穩定性及剛性的環氧樹脂。其次，木質素不僅能夠強烈吸附重金屬離子，對膽汁和膽固醇也具有較強的吸附效果，可望在食品、醫藥和化妝品等領域得到有效應用。通過對木質素構效關系及活性的研究分析，總結果蔬木質素的主要應用見表2。

果蔬中提取的木質素是一種天然、安全、無污染、資源豐富的食品添加劑，可廣泛應用于飲料、果醬、冷鮮肉保鮮等領域；降血糖、降血脂和消炎等藥物多為人工合成，造價昂貴，且存在不安全性，將果蔬中木質素應用于制藥，將會產生巨大社會效益；市場上植物性成分保健品多集中于原花青素、黃酮及茶多酚等活性物質，而果蔬中木質素的提取及應用，拓寬了功能性成分來源；化妝品種類繁多，多為化學工業品或精細化工產品，化妝品與人體肌膚相連密切，保護和美化皮膚同時，揮發多種有害物質，刺激人體皮膚，易引起皮膚疾病，而果蔬中木質素可作為化妝品主要成分，對人體無危害。此外，木質素可加工為食品包裝材料，具有綠色安全、無污染及易分解等優點，具有較大開發價值。綜上所述，果蔬中木質素提取后，在多領域及行業中具有較好應用前景，必將產生較大社會價值和經濟效益。

表2 果蔬木質素應用Table 2 The application of lignin in fruit and vegetable

4 展望

我國是果蔬種植加工大國，果蔬資源豐富，而木質素廣泛存在水果蔬菜中，為木質素的提取開發利用提供了物質來源。果蔬木質素結構復雜，不同來源及提取方式獲得的木質素分子量、結構及生物活性亦不相同。近年來，經過國內外學者研究與開發，在果蔬木質素及其衍生物的提取、結構表征、功能活性及應用等方面取得了巨大進展，為木質素在食品、保健品、醫藥和化妝品等領域的應用提供了理論基礎。此外，我國大量科研人員開始逐步深入開發果蔬木質素資源，并充分與果蔬本身的醫藥理論結合，對果蔬木質素資源充分利用，促進了我國醫藥及保健品等行業發展。但果蔬木質素的結構研究、提取純化技術還有待于深入，對其醫藥和保健領域某些機理仍需進一步完善，尤其是果蔬木質素在人類肌體的準確生理功能、作用機理及代謝途徑還需進一步探究。目前，國內外迫切需求天然植物提取物的抗氧化劑及藥品，研究開發果蔬木質素資源具有深遠意義。因此，探討果蔬木質素新的提取純化方法、質量評定標準、在肌體內的吸收利用方式、作用機理、新產品研發、產品穩定性和產品貨架期等方面將成為日后科研及應用研究的熱點問題。