廢棄竹筍殼中所提木質素的氧化性研究

劉 娣，張金璟，王亞娟，仇 丹，，邵雙喜

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

近年來，隨著經濟的快速發展和人們綠色環保意識日益增強，天然環保的木質素及其制品受到越來越多的關注。如Mitjans M等人[1]研究發現，木質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]研究發現，從竹子中提取木質素抗氧化活性比合成抗氧化劑二丁基羥基甲苯（BHT）強，進一步說明天然木質素可以生產抗氧化劑，提高了資源利用率；蘇雅靜等人[3]對竹筍殼中黃酮類物質的提取工藝優化進行了研究，旨在用提取的黃酮類物質進行清除自由基、防癌、抗衰老等藥物保健研究等。醋酸是提取木質素有機溶劑的一種，可在常壓下進行，具有對設備要求較低、溶液易揮發、可回收利用等特點，可有效降低提取成本，且提取的木質素具有較低的分子量和較高的反應活性，常用來作為提取的溶劑，通過一系列試驗反應進行相關性質研究。

木質素是一種接近無色的物質，木質素的顏色會因為生產方法而改變。木質素溶解度小，分離木質素往往有一定的困難，一般難以進行應用試驗研究，故木質素在實際生活中的應用大都將其制成木質素磺酸鹽的形式[4]，磺化反應最具實際應用價值，是木質素應用的基礎和前提。

對此，試驗對提取的木質素基本成分及抗氧化活性進行研究，測定自制木質素磺酸鈉、商品木質素磺酸鈉、抗壞血酸（維C）3種樣品，評價其抗氧化活性，以期為抗氧化劑的進一步研究提供一些依據，同時建立了木質素及其磺酸鹽制品對自由基的清除效果的綜合評價體系，對提高筍殼高附加值的應用具有實際意義。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器

筍殼木質素，實驗室制備；木質素磺酸鈉（95%），市售；水楊酸；對氨基苯磺酸；鹽酸萘乙二胺；木質素磺酸鈉；Tris HCl；2,2-聯苯基-1-苦基肼基；1,4-二氧六環（分析純），上海麥克林生物化學有限公司提供。

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

1.2 木質素磺酸鈉的制備

稱取木質素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調節溶液pH值至10.5，控制反應體系體積不超過150 mL，磁力攪拌下水浴加熱至85℃，持續4 h，冷卻過濾，濾液凍干后得到木質素磺酸鈉。

1.3 木質素抗氧化活性分析

參照Tao B B等人[5]的方法，DPPH自由基清除能力測定木質素抗氧化能力。用移液槍吸取6組0.1 mL不同質量濃度（0.1~5.0 mg/mL） 木質素溶液（溶解于90%二氧六環），注意不同質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），在室溫下混合后遠離光反應30 min。于波長517 nm處用紅外分光光度計測定吸光度As，測定空白樣吸光度Ab。記錄數據按公式（1）計算樣品對DPPH自由基清除率（S/%）。

1.4 木質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標準液0， 0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.5，2.0 mL 共 8 組置于比色管，標號1~8，加入1 mL 0.4%對氨基苯磺酸，加入0.5 mL 0.2%鹽酸萘乙二胺，加入蒸餾水至10 mL，以不加標準液的試劑為空白對照，于波長538 nm處測定吸光度，以C（NO2-）為橫坐標、吸光度為縱坐標繪制標準曲線。

取1 mL樣品溶液（即自制木質素磺酸鈉溶液、商品木質素磺酸鈉溶液、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的標準液，加入1 mL 0.4%對氨基苯磺酸，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不同質量濃度的樣品溶液，質量分數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和樣品溶液重復上述操作，測定其吸光度A未損。按公式（3）計算清除率。

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5 min，用濃度為8 mol/L HCl溶液0.1 mL終止反應，于波長318 nm處測定吸光度A0。

移取不同質量濃度的樣品溶液0.1 mL各2份，其中一份按上述方法進行，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量濃度的樣品溶液2 mL，加入2 mL質量濃度為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） 計算清除率。

1.5 功能性分析

1.5.1 傅氏轉換紅外線光譜分析（FT-IR）

采用KBr壓片法測定，參數設置設備分辨率4cm-1，掃描波數范圍500~4 000 cm-1，掃描次數設為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，在壓片機上壓片，壓力不超過8 MPa，持續約1 min后取下，得到的透明薄片在設備上繪制譜圖。測試樣品為提取出的木質素與木質素磺酸鹽。

1.5.2 X射線衍射（XRD）

取適量木質素進行XRD檢測，掃描范圍10°~90°，掃描方式為連續掃描，調整時間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，在離心機中離心20 min，棄去上層液體，稱質量。按公式（6）計算持油力。

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，在離心機中離心10 min，棄去上層液體，稱質量。按公式（7）計算持水力。

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）計算膨脹力。

式中：m——樣品質量，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-，用質量分數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，用玻璃棒不斷機械攪拌5 min，用pH值13的NaOH溶液滴定，直至pH值為7時結束滴定。

2 結果與分析

2.1 木質素及木質素磺酸鈉的結構表征

2.1.1 紅外光譜圖表征分析

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

圖1 商用木質素磺酸鈉傅里葉紅外光譜圖

圖2 自制木質素磺酸鈉傅里葉紅外光譜圖

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

對進行醋酸磺化前后的木質素及成品木質素磺酸鈉進行紅外光譜分析可得出結論，木質素出現強度較高的羥基伸縮振動吸收峰在3 460 cm-1附近，在2 940 cm-1處出現亞甲基C-H伸縮振動吸收峰，1 100 cm-1左右為苯環上磺酸基的振動峰，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，無法完整表達出它的活性狀態；木質素及木質素磺酸鈉在1 625 cm-1顯示的是苯環特征吸收光譜，自制木質素磺酸鈉在此處吸收峰不太明顯。

2.1.2 XRD譜圖表征分析

木質素的XRD譜圖見圖3，木質素磺酸鈉的XRD譜圖見圖4。

由兩幅圖2θ值對比可看出，木質素的晶型結構與木質素磺酸鈉晶型結構基本上沒有發生明顯的變化，2θ=22.457，說明木質素到木質素磺酸鈉的變化，依舊基本上保持了木質素原有的結構。

2.2 木質素清除DPPH自由基性能

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

筍殼木質素及BHT對DPPH·清除效果見圖5。

圖3 木質素的XRD譜圖

圖4 木質素磺酸鈉的XRD譜圖

圖5 筍殼木質素及BHT對DPPH·的清除效果

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

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

2.3 木質素磺酸鈉清除自由基性能

亞硝酸鈉標準曲線見圖6，對亞硝酸根離子的清除率見圖7。

圖6 亞硝酸鈉標準曲線（R2=0.999 44）

圖7 對亞硝酸根離子的清除率

由圖7可知，木質素磺酸鈉（自制）對亞硝酸根離子的清除率明顯比木質素磺酸鈉（商用）對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，因此木質素磺酸鈉（自制）對亞硝酸根具有很好的清除效果。且隨著質量濃度的提高，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1 mg/mL是在一定限度內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

對羥基自由基的清除率見圖8。

圖8 對羥基自由基的清除率

由圖8可知，木質素磺酸鈉（自制）對羥基自由基的清除效果不明顯，清除率只有10%左右，隨質量濃度變化清除率變化不大，低于維C溶液和木質素磺酸鈉（商用）?？芍举|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

對超氧陰離子自由基的清除率見圖9。

圖9 對超氧陰離子自由基的清除率

由圖9可知，木質素磺酸鈉（自制） 對超氧陰離子自由基的清除效果較好，清除率基本可以達到80%左右，清除大部分的超氧陰離子。清除率隨質量濃度變化不大，因此較低質量濃度的木質素磺酸鈉（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，但沒木質素磺酸鈉（自制）效果明顯，木質素磺酸鈉（商用）的清除率在0.4 mg/mL左右時和木質素磺酸鈉（自制） 相差不大，隨質量濃度的提高反而呈現下降反相關的趨勢，所以木質素磺酸鈉（商用）在低質量濃度時仍有應用價值，但木質素磺酸鈉（自制）的效果更好。

2.3.4 清除二苯代苦味?；杂苫―PPH·）效果

對DPPH·的清除率見圖10。

圖10 對DPPH·的清除率

由圖10可看出，3種物質中維C清除DPPH·效果最明顯，木質素磺酸鈉（自制）對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DPPH·的清除劑，則優先使用維C作為原料，且維C在質量濃度為0.4，1.4 mg/mL時表現出明顯優于其余2種清除水平的質量濃度。

2.4 應用性能評價

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構，木質素有著優良的持油力，是因為大量不同含氧基團（如酚羥基、羧基和羰基）的存在，使得木質素有相對較低的溶解性，水解木質素的親水性大大降低了木質素吸附水溶液中有機污染物的能力，通過與含有季胺基的低分子表面活性劑反應，把疏水陽離子引入木質素結構中，這樣所得到的改性木質素對有機污染物的吸附能力大大增強，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

用計算得到用量0.3 g時所消耗的NaOH的體積算術轉換成用量1 g時所消耗NaOH的物質的量來評價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木質素所使用的NaOH的量為0.000 101 1 mol左右。消耗同等質量情況下，筍殼粉碎物消耗NaOH量遠大于木質素，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。

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

3 結論

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

制備得到的木質素磺酸鈉（粗品）與商品木質素磺酸鈉（成品）、維C在清除自由基水平相比較，對亞硝酸根離子（）和超氧陰離子自由基（）效果最優，對羥基自由基（·OH）效果最差，對二苯代苦味?；杂苫―PPH·） 效果一般，但總的來說筍殼木質素磺酸鈉（粗品）對自由基清除均具有較好的能力。