4种乙醇木素的抗氧化活性

田 维 珍， 周 景 辉

( 大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连 116034 )



4种乙醇木素的抗氧化活性

田 维 珍， 周 景 辉

( 大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连 116034 )

采用DPPH法及三价铁还原法研究了杨木、玉米秸秆乙醇发酵残渣、芦苇和麦草等4种木素的抗氧化性及还原力，并分析了木素的结构特征。结果表明，不同原料的乙醇法木素，抗氧化性不同。质量浓度为0.025～0.400 mg/mL时，随着质量浓度增加，4种木素的抗氧化能力和还原能力分别不断增强；0.200 mg/mL时杨木木素自由基的清除率达70%；0.400 mg/mL时玉米秸秆乙醇发酵残渣木素、麦草木素和芦苇木素自由基的清除能力分别为71.5%、68.6%、60.7%。

木素；抗氧化剂；乙醇制浆；杨木；玉米秸秆；芦苇；麦草

0 引 言

目前制浆造纸工业每年产出5 000万t左右的木素副产品，但对木素的利用率不高，尤其是在我国还不足10%，造成了很大的资源浪费[1]。近年来，人们对木素的结构展开研究，特别对木素的特征官能团，如酚羟基、脂肪族羟基、羰基、羧基等，了解木素是一种具有三维网状结构的酚类无规则聚合物，结构复杂，生物活性高。因此，对木素高附加值利用的研究逐渐成为国内外研究的热点[2]。由于木素的结构特性，使其成为植物资源中多酚类聚合物的代表，且木素中大量酚羟基具有去除含氧自由基的能力，具有良好的抗氧化性能，因此有望成为良好的天然抗氧化剂[3]。

抗氧化剂作为一种重要的食品和药物添加剂，具有抑制食品或功能性药物(靶向药物)中有效活性物质和营养成分在空气中经细菌侵入或光催化作用发生氧化变质的特性，从而起到防腐、保持营养成分和抑制癌变、动脉硬化等功效[4]。抗氧化剂的应用十分广泛，但是人工合成抗氧化剂的安全性令人担忧，因此对天然抗氧化剂的探索一直备受关注。目前已有许多天然抗氧化剂用于食品、保健、化妆品、医药等领域[3]。随着人们生活和社会的需要，对木素的性能研究范围不断扩大，其中抗氧化性是当今研究的热点。木素的抗氧化能力主要来源于其中的酚羟基对含氧自由基的去除能力[5]。已有研究表明木素及木素相关的单体及二聚体可作为橡胶、药品和膳食产品的抗氧化剂[6]。此外，由于木素是对人体无毒无害的抗氧化性物质[7]，在化妆品行业以及其他工业有很好的应用前景[8]。

由于木素结构的不均一性，不同原料中木素结构差异较大，酚羟基含量亦差异甚大，这将导致其抗氧化能力不同[9]。木素的抗氧化能力主要取决于木质纤维素材料和分离方法。本文的目的在于采用同一种分离方法对不同原料中木素结构进行识别，研究不同原料木素抗氧化活性的差异。采用DPPH法[10-11]及三价铁还原法[12]对杨木、玉米秸秆乙醇发酵残渣、芦苇、麦草4种原料中提取的木素进行抗氧化性测定，分析4种木素的抗氧化性及还原力，为木素作为天然的抗氧化剂的应用，以及制备木素基抗氧化材料的开发进行探索性的研究。

1 实 验

1.1 材料与仪器

原料：芦苇秆、杨木片、麦草，岳阳泰格林纸集团有限公司；玉米秸秆纤维素乙醇发酵残渣(以下简称残渣)，中粮集团。

试剂：1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)、无水乙醇、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、二氧六环、铁氰化钾、三氯乙酸、三氯化铁，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

仪器： UV1006M031紫外分光光度仪，上海VARIAN光谱分析仪器有限公司；Spectrum-B型傅里叶变换红外光谱仪，常州国华电器有限公司；Waters凝胶色谱仪，中石化克拉玛依石化公司。

1.2 实验方法

1.2.1 粗木素的提取及纯化

杨木、芦苇、麦草、残渣均采用乙醇法蒸煮制浆，具体提取及纯化粗木素的方法参考文献[13]。

1.2.2 DPPH标准曲线的制作

配制质量浓度分别为0.06、0.12、0.15、0.18、0.24、0.27、0.30、0.36、0.48 mg/mL的DPPH 标准溶液，以相应空白溶剂为参比液，用紫外分光光度仪在517 nm处测定吸光度。以质量浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制标准曲线，线性回归方程为y=0.010 4x-0.048 8，R2=0.998 71 (相关性显著)，这说明在0.06～0.48 mg/mL，DPPH与吸光度有较好的线性关系[14]。

1.2.3 木素清除自由基能力测定

配制质量浓度分别为0.025、0.050、0.100、0.200、0.400、0.800 mg/mL不同种类木素溶液以及质量浓度为0.04 mg/mL DPPH溶液，0～4 ℃ 避光保存。取1 mL的木素样品溶液加入4 mL 0.04 mg/mL DPPH溶液于试管中，摇匀，室温黑暗放置30 min，每组实验重复3次，以无水乙醇为空白，用紫外分光光度仪在517 nm波长处测定其吸光度[15]。按公式(1)计算DPPH自由基清除率，清除率越大抗氧化能力越强。

清除率=(A0-A1)/A0×100%

(1)

式中：A0为1 mL无水乙醇+4.0 mL DPPH溶液的吸光度；A1为1 mL样品溶液+4.0 mL DPPH 溶液的吸光度。

1.2.4 木素还原力的测定

在试管中分别加入质量浓度为0.025、0.050、0.100、0.200、0.400、0.800 mg/mL的木素溶液1.0 mL、磷酸盐缓冲溶液(0.2 mol/L pH 6.6) 2.5 mL 和0.01 g/mL的铁氰化钾2.5 mL，在50 ℃下恒温反应20 min，然后加入0.1 g/mL的三氯乙酸2.5 mL，摇匀，离心。吸取上清液2.5 mL，加入2.5 mL蒸馏水和0.5 mL 0.001 g/mL的三氯化铁溶液。用紫外分光光度仪，测定样品在700 nm处吸光度[15]。吸光度越大，还原能力越强。

2 结果与讨论

2.1 木素对DPPH的清除能力

不同种类木素的DPPH自由基清除率按公式(1)计算，得到的结果如图1所示。自由基的清除效果与木素样品浓度有明显的相关性。 随着木素浓度的增加，对DPPH自由基的清除能力增加很快，但到一定程度后趋于平缓，与文献[16]研究结果一致。由木素对DPPH自由基清除率的曲线表明，低浓度时，相同质量浓度的杨木乙醇木素比其他木素样品的自由基脱除率高，说明抗氧化性较高。几种木素的抗氧化活性由强到弱排列顺序为杨木、残渣、麦草、芦苇。在质量浓度为0.2 mg/mL 时，木材类(杨木木素)原料中木素对DPPH清除率比草类原料提取的木素(残渣、芦苇、麦草)高20%左右。除芦苇外，草类原料中木素对DPPH清除率最大时的质量浓度为0.4 mg/mL，此时与木材原料木素清除率相近。从图中还可以看出，当质量浓度大于0.4 mg/mL时，木素的清除能力达到饱和。因此，在清除率效果一定的情况下，木材类的需要木素量小于草类，这与Lu等[17]的结论类似。杨木、残渣、麦草、芦苇的最高清除率分别为70%、71.5%、68.6%、60.7%。

图1 木素质量浓度对DPPH自由基的清除率的影响

2.2 木素的还原能力

抗氧化性是通过自身的还原作用给出电子而清除自由基的，还原能力越强，抗氧化性越强，因此对木素还原力的研究能进一步反映其抗氧化能力的强弱。采用三价铁还原法，根据抗氧化剂能使铁氰化钾的三价铁还原成二价铁(亚铁氰化钾)，二价铁(亚铁氰化钾)进一步再和三氯化铁反应生成在700 nm处有最大吸光度的普鲁士蓝(Fe4[Fe(CN)6]3)，从而对700 nm处的吸光度大小进行考察，间接反映抗氧化剂的还原能力大小，吸光度越大，还原能力越强[18]。如图2所示，4种木素样品随质量浓度的增加，吸光度也增加，这说明木素的还原能力随浓度的增加而增加。还原能力最强的是杨木，还原能力由大到小顺序：杨木木素、残渣木素、麦草木素、芦苇木素。DPPH法与

图2 木素样品的还原力

三价铁还原法都是检测一种物质的抗氧化能力的方法，该三价铁还原法与DPPH法测量木素抗氧化性的结果相吻合。

2.3 木素凝胶色谱分析

凝胶色谱分析检测方法参考文献[19]，用GPC测定的4种木素的重均相对分子质量(Mw)、数均相对分子质量(Mn)和多分散系数(Mw/Mn)，结果如表1所示，4种木素的重均相对分子质量介于4 285～3 078。芦苇木素的重均相对分子质量为4 285最大，残渣木素的重均相对分子质量为3 078最小。芦苇木素的重均相对分子质量高于杨木木素的重均相对分子质量，造成相对分子质量的差异可能与原料的本身材质有关，此差别与后续研究抗氧化性有一定的联系。从表1可知，4种木素的多分散系数都小于3，杨木木素(1.54)、芦苇木素(1.59)和残渣木素(1.71) 均低于麦草木素(2.28)。有研究表明，木素的抗氧化性与其多分散性有关，多分散系数越小，表明物质分子质量越集中，抗氧化性越强[5]。

表1 木素相对分子质量分布

2.4 木素结构 FT-IR分析

图3 木素样品的FT-IR分析

3 结 论

杨木、玉米秸秆乙醇发酵残渣、麦草、芦苇4种乙醇木素在质量浓度为0.025～0.400 mg/mL时，随着质量浓度增加，4种乙醇木素的抗氧化能力和还原能力分别不断增强。在质量浓度为0.2 mg/mL 时，杨木乙醇木素对DPPH自由基清除能力最好，清除率达70%。而玉米秸秆乙醇发酵残渣木素、麦草木素、芦苇木素质量浓度为0.4 mg/mL 时对DPPH自由基清除能力达到最大，清除率分别为71.5%、68.6%、60.7%。杨木、玉米秸秆乙醇发酵残渣、麦草、芦苇4种木素中还原能力的结果也进一步证明杨木木素、玉米秸秆乙醇发酵残渣木素、麦草木素、芦苇木素都有很好的抗氧化性，其中杨木木素抗氧化性最强。木素的抗氧化能力与木质纤维素材料的种类相关。

[1] 崔红艳,刘玉,杨桂花,等.木素化学结构及其特性的研究方法与研究进展[J].天津造纸,2011(1):29-32.

[2] SUN S L, WEN J L, MA M G, et al. Structural features and antioxidant activities of degraded lignins from steam exploded bamboo stem[J]. Industrial Crops and Products, 2014, 56: 128-136.

[3] 张莹,雷中方.造纸黑液提取木质素的抗氧化性研究[J].复旦学报(自然科学版),2010,49(1):60-65.

[4] 赵永杰,张静.抗氧化剂在个人护理品中的研究进展[J].日用化学品科学,2008,31(3):25-29.

[5] BRENELLI L B, MANDELLI F, MERCADANTE A Z, et al. Acidification treatment of lignin from sugarcane bagasse results in fractions of reduced polydispersity and high free-radical scavenging capacity[J]. Industrial Crops and Products, 2016, 83: 94-103.

[6] DIZHBITE T, TELYSHEVA G, JURKJANE V, et al. Characterization of the radical scavenging activity of lignins-natural antioxidants[J]. Bioresource Technology, 2004, 95(3): 309-317.

[7] QIAN Y, QIU X, ZHU S. Lignin: a nature-inspired sun blocker for broad-spectrum sunscreens[J]. Green Chemistry, 2015, 17(1): 320-324.

[8] 彭长连,陈少薇,林植芳,等.用清除有机自由基DPPH 法评价植物抗氧化能力[J].生物化学与生物物理进展,2000,27(6):658-661.

[9] 郭京波,陶宗娅,罗学刚.不同提纯方法对竹木质素结构特性的影响分析[J].分析测试学报,2005,24(3):77-81.

[10] 张丽平,童华荣.抗氧化能力测定方法的研究进展[J].中国食品添加剂,2004(3):108-113.

[11] ZHANG X, LIU C, NEPAL S, et al. A hybrid approach for scalable sub-tree anonymization over big data using MapReduce on cloud[J]. Journal of Computer and System Sciences, 2014, 80(5): 1008-1020.[12] YU H, CHEN Z, SUN B, et al. Lignans from the fruit ofSchisandraglaucescenswith antioxidant and neuroprotective properties[J]. Journal of Natural Products, 2014, 77(6): 1311-1320.

[13] 周景辉,隋鑫金,平清伟.杨木乙醇制浆中木素结构变化的研究[J].中国造纸学报,2008,23(3):16-20.

[14] 曹巍瀚,牛云,罗岗,等.木质素抗氧化性研究[J].广东化工,2012,39(9):73-74.

[17] LU Q, LIU W, YANG L, et al. Investigation of the effects of different organosolv pulping methods on antioxidant capacity and extraction efficiency of lignin[J]. Food Chemistry, 2012, 131(1): 313-317.[18] LEE D R, LEE S K, CHOI B K, et al. Antioxidant activity and free radical scavenging activities ofStreptomycessp. strain MJM 10778[J]. Asian Pacific Journal of Tropical Medicine, 2014, 7(12): 962-967.

[19] 石淑兰,何福望.制浆造纸分析与检测[M].北京:中国轻工业出版社,2012.

[20] 王键.棉秆纤维抽提木素的红外光谱分析[J].红外,2006,27(4):25-28.

高志慧,张秀芳,马春.C3N4-TiO2复合光催化剂的制备及其太阳光催化性能[J].大连工业大学学报,2016,35(6):441-444.

The antioxidant activities of four ethanol lignin

TIAN Weizhen, ZHOU Jinghui

( School of Light Industry and Chemical Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

The antioxidant activities and reducing power of four kinds of lignin isolated from poplar, residue of corn stalk, reed, wheat were determined by 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) and ferric iron reduction methods, while the structural characteristics of lignin were analyzed. The results showed that the differences in the structure of lignin from different raw materials extracted by ethanol pulping had different antioxidant activities. The lignin antioxidant and reduction power increased with the concentration of lignin in the rang of 0.025 to 0.400 mg/mL. The free radical scavenging rate of poplar lignin reached to 70% when the concentration was 0.200 mg/mL; the scavenging rate of lignin isolated from residue of corn stalk, wheat, reed were 71.5%, 68.6%, 60.7% respectively when the concentration was 0.400 mg/mL.

lignin; antioxidant; ethanol pulping; poplar; corn stalk; reed; wheat

2016-08-31.

国家自然科学基金资助项目(31470604,31170554).

田维珍(1992-)，女，硕士研究生；通信作者：周景辉 (1957-)，男，教授.

TS79

A

1674-1404(2016)06-0437-04

TIAN Weizhen, ZHOU Jinghui. The antioxidant activities of four ethanol lignin[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2016, 35(6): 437-440.