果蔬中木质素提取及其生物活性应用研究进展

纪秀凤，吕长鑫，王新明，巴俊文，于泳渤，励建荣

（渤海大学 食品科学与工程学院，辽宁省食品安全重点实验室，生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心，辽宁锦州121013）

果蔬是人们饮食中必不可少的食物，富含人体所必需的维生素、无机盐、生物酶和纤维等物质，调节饮食口味的同时，促进了人体健康。木质素广泛存在于果蔬细胞壁中，是一类由苯丙烷类或其衍生物结构单元构成的芳香类化合物，其结构包含酚羟基、羰基及甲氧基等多种活性基团[1-3]。构成木质素的主要单体为对羟苯基丙烷（p-hydroxyphenyl propane，H）、紫丁香基丙烷（syringyl，S）和愈创木基丙烷（guaiacyl，G），其前体分别为香豆醇、芥子醇和松柏醇，这些单体由醚键和碳碳键随机耦合形成木质素分子骨架，如β-O-4、β-O-4′、β-β′、β-5′和 5-5′等化学键[4-5]。G 型木质素仅由G单元构成，SG型木质素由S和G单位构成，而HSG型木质素则由3种以上的单体构成[2]。木质素的来源及提取方式不同，其结构及性质差异性较大，生物活性也不尽相同，因此，针对木质素的提取方法和结构表征进行分析，可有效提高木质素生物利用率。

木质素约占果蔬本身质量的15%～20%，具有硬化植物细胞、抗菌、抗氧化和抗紫外线等功能[4]。果蔬加工成果蔬汁、果蔬酒及果蔬酱等产品后，产生的废弃物中含大量木质素，如山竹皮、橘皮及石榴皮等果皮；葡萄籽、沙棘籽、树莓籽、莲籽及番茄籽等果蔬籽；大豆渣和木糖渣等果蔬渣等。果蔬加工产生的废弃物中木质素含量丰富，但多被直接丢弃或烧毁，造成资源浪费及环境污染。目前，部分木质素应用于建材、石油、农业及轻工业等领域，如制作黏合剂、表面活性剂、炭纤维和活性碳等，木质素产生的经济效益较低，且产生大量废液、废渣和废气，污染环境[6-8]。果蔬木质素中含有大量活性基团，摄入体内后，可对人体健康和疾病的防治发挥重要作用，是一种安全、绿色、健康的天然活性物质，将其进行提取分离和结构表征，并应用于食品、保健和医药等领域，即避免了资源浪费，又提高了果蔬废弃物附加值，具有广阔开发应用前景。因此，本文详细综述近年来果蔬中木质素的提取纯化技术、生物功能活性及其应用，并分析果蔬中木质素在加工应用中存在的问题及发展趋势，旨在为果蔬中木质素的应用及发展提供理论依据。

1 果蔬木质素提取及结构表征

1.1 果蔬木质素提取

果蔬木质素的提取是保证其应用的基础，不同提取方法影响木质素结构，进而影响其活性，故对木质素提取方式进行探索研究，在食品、医药及化妆品等领域应用具有重要意义。果蔬中木质素提取主要有无机和有机溶剂两种方法，此外，还可采用酶解法、超声波萃取法、微波加热萃取法、超临界萃取法等辅助方法对果蔬中木质素进行提取，其主要目的是促使植物细胞壁的破碎，加速木质素溶出。无机溶剂提取法主要包括酸法和碱法[9]，如利用硫酸、硫酸钠及氢氧化钠等溶液进行提取。孙文鹏等[10]将水葫芦干燥、研磨、过筛后，置于料液比1∶20（mg/mL）的氢氧化钠溶液中加热提取4 h过滤取沉淀，冷冻干燥即得到碱木质素；庞庭才等[11]通过碱法提取银杏果壳中木质素，在氢氧化钾浓度 0.5 mol/L、温度 60℃、料液比 1∶65（g/mL）、提取时间2 h条件下，木质素提取率达10.78%，各影响因素中碱液浓度影响最大；张保平等[12]采用72%硫酸对稻草中的木质素提取2 h后，木质素产率达9.23%。有机溶剂提取法主要以乙醇、乙酸、丙酮和乙烷等为溶剂提取果蔬中木质素。如龚卫华等[13]以醋酸溶液为提取液，在油浴条件下浸提，并经真空抽滤、滤液减压浓缩、冷冻干燥后制得笋壳醋酸木质素。张朝波等[14]通过蒸馏法去除南五味子中的挥发性油和水溶性杂质，再利用高浓度乙醇提取，粗提液经大孔树脂柱和氧化铝柱进行纯化，最终得到总木质素含量为81.08%的木质素提取物；Xie等[15]以二氧杂环乙烷为溶剂，在100℃下反应12 h，滤渣重复提取2次，滤液经真空旋转蒸发浓缩后，在氯仿作用下浸出，最后经乙醚沉淀得到芭蕉芋渣木质素。此外，Li等[16]以有机酸为提取溶剂，微波加热为辅助手段，109℃下萃取60 min，竹材木质素提取率为17.98%；李维英[17]在无机盐氯化镁催化作用下，以乙醇为提取溶剂，并通过微波加热的手段提高蔗渣木质素提取率，其提取率可达68.06%，相比水浴加热，提取率提高了20%～30%；唐婷范等[18]等以氢氧化钠为提取剂，超声波辅助提取蒜头果壳及枝干木质素，超声功率为600 W，超声时间为60 min，壳及枝提取率分别为45.21%和63.78%。超声波法木质素提取得率优于微波法，但在微波作用下，木质素可快速吸收微波能，在短时间内即可达到较高的提取率，节省提取时间。其次，缪正调等[19]采用有机和无机结合法，在二氧六环80%和氢氧化钠1%条件下对核桃壳中木质素进行连续提取，最终确定核桃壳中木质素含量高达75.9%。目前，木质素提取方法、原理及特点见表1。

表1 果蔬木质素提取Table 1 Extraction of lignin from fruits and vegetables

表1中的方法均对果蔬中木质素的提取有一定作用效果，主要依靠物理、化学或生物手段对植物细胞壁进行破坏，进而促进细胞内容物溶出，但破壁后会溶出色素、蛋白、油脂和多糖等杂质，故果蔬中木质素提取前需对原材料进行破碎，再通过蒸馏去除原料中油脂和可溶性杂质，避免杂质对木质素测定及应用的干扰。我国果蔬品种多样，种植资源丰富，但不同果蔬木质素提取方法及工艺不同，不同提取方法提取同种果蔬木质素，木质素提取率及其结构变化亦不相同。目前，果蔬木质素提取方法均存在一定缺陷，自木质素提取试验阶段至产业化生产存在诸多困难，例如，无机溶液提取易引起木质素结构变化，且不利于人体健康；超声波法不利于木质素大规模提取，且温度易变化，影响木质素结构；酶法提取条件要求较高，成本较大；超临界萃取法不可大规模生产。针对上述问题，需从提取条件入手，深入研究木质素结构破坏机理，从根本上解决问题。其次，可将两种或两种以上提取方法相结合进行提取，扬长补短，提高果蔬中木质素提取率，减少时间及耗能，还可结合新兴技术，寻找木质素更佳的提取方法。

1.2 果蔬木质素结构表征

果蔬木质素结构及官能团数量均随木质素平均分子质量的变化而改变[27]，故木质素分子量的大小严重影响了其结构与生物功能。木质素结构与植物部位、成熟度和种植地区息息相关，同时因提取纯化方法不同，木质素的结构也不尽相同，因此，充分表征果蔬中木质素的化学结构，有助于提高木质素性质的认知，提高其生物利用率，增加经济和社会效益。

常用于结构表征方法有傅里叶红外光谱法、高场核磁共振法、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱、扫描电镜法和凝胶渗透色谱法等。如缪正调等[19]在高压水热条件下提取的核桃壳木质素，通过红外光谱和核磁共振分析可知，其结构单元主要由S和G构成，之间以 β-O-4′醚键，β-β′和 β-5′碳碳键相连接，且木质素侧链中部的S结构单元β-O-4′结构的γ位发生了酰化；杨东杰等[28]通过凝胶色谱、电位滴定、红外、核磁等方法分析可知，小分子量蔗渣木质素磺酸镁H结构较多，但随分子量升高，S、H和G单体含量呈现均一化趋势，酚羟基数量增加，羧基数量减少，物化特性随之改变；彭锋等[29]在碱性环境下醇法提取的蔗糖渣木质素，经紫外、红外及核磁表征发现其结构单元主要为S、G和少量H；Yin等[30]利用傅里叶红外光谱、核磁共振和电镜扫描分析等方法，确定了木瓜果实和茎中木质素的化学结构特性，主要化学键为醚键和碳碳键，而在两个木质素组分中S/G比存在显著差异；此外，木瓜茎中分离的木质素组分表现出较高热稳定性。因此，对木质素结构进行表征，进一步研究果蔬木质素组分构效关系，利于果蔬木质素新的生物活性发现及应用，并为其应用提供理论依据。

2 果蔬木质素生理活性

2.1 抗氧化

果蔬木质素可有效清除自由基，抑制脂质过氧化反应，是因为木质素结构中的酚羟基可释放H＋，竞争性地捕获自由基，从而阻断自由基链式反应，保护脂质不被氧化，是一类新兴的植物天然抗氧化剂[31]。龚卫华等[21]通过醋酸法提取葵花籽壳木质素，并以化学合成的抗氧化剂二丁基羟基甲苯作阳性对照，进行抗氧化研究，结果表明木质素对自由基的半数抑制率为0.65 mg/mL，自由基清除指数为1.54，显著高于二丁基羟基甲苯，说明葵花籽壳木质素可作为天然抗氧化剂。Li等[32]采用微波辅助有机酸萃取法从竹材中提取小分子量木质素，其自由基清除率高于人工合成的抗氧化剂二丁基羟基甲苯但低于丁基羟基茴香醚。Gong等[2]研究得出竹笋壳乙酸木质素具有较高的苯酚羟基含量和S/G比，具有较强的自由基清除能力，且优于BHT的抗氧化活性。杨玲等[33]通过微波辅助法提取胡萝卜木质素，当胡萝卜木质素浓度为400 mg/L时对HO·的清除率为44.12%，说明胡萝卜木质素抗氧化活性较强。因此，不同方法提取的果蔬木质素均具有一定的抗氧化活性，且强于商业化学合成的抗氧化剂BHT，可作为天然植物抗氧化剂来源进行开发，以延长油脂类食品的货架期，预防食品的风味、颜色、活性物质丧失等问题[34]，又可乳化后用于新型化妆品的研发，为果蔬废料应用提供新的方向。

2.2 降血脂

高血脂主要由暴饮暴食、酗酒、吸烟和抑郁等不良习惯造成，表现为胆固醇和甘油三酯水平过高或高密度脂蛋白胆固醇含量过低，而小分子量果蔬木质素能够降低血液中胆固醇和甘油三酯水平，从而起到降血脂作用。胆固醇在肝脏中可形成胆汁酸，而木质素可与胆汁酸结合，并将其排除体外。因此，胆固醇在肝脏中不断转化为胆汁酸，并能维持胆汁酸的动态平衡，从而达到降血脂目的[35-36]。Rodríguez-Gutiérrez等[37]体外研究了橄榄核中木质素、纤维素和半纤维素对胆汁酸的吸附情况，发现木质素对以钠盐形式存在的胆汁酸有较强地吸附能力，且与降胆固醇药物消胆胺结合胆酸能力相似。龚卫华等[13]在体外胆酸盐吸附实验中，麻竹笋壳的醋酸木质素对胆酸钠和牛磺胆酸钠具有较高的吸附率，其相对于消胆胺吸附率为82.46%和60.94%，同时对鹅脱氧胆酸钠和脱氧胆酸钠也表现出较强的吸附能力。Norikura等[38]发现木质酚处理HepG2细胞后，减少了载体蛋白apo-B分泌，抑制了细胞甘油三酯转运蛋白mRNA的表达，达到降低总胆固醇含量目的。表明木质酚调节apo-B分泌的重要因素是甘油三酯转运蛋白mRNA的表达、细胞胆固醇的代谢和成熟SREBP-2的表达。综上可知，果蔬木质素及其衍生物是潜在促进人体健康的生物活性物质，但果蔬木质素对血脂代谢影响，尤其是饮食诱导的肥胖机制方面还需做进一步研究。

2.3 降血糖

木质素及其衍生物主要通过减少肠道葡萄糖吸收和促进胰岛素释放等过程达到降血糖目的。Xie等[15]从芭蕉芋渣中提取的木质素主要由G和H单体构成，与阿卡波糖相比，对α-D-葡萄糖苷酶活性的抑制性能更强。分子对接分析表明，葡萄糖苷酶上存在木质素单个结合位点，而木质素与α-D-葡萄糖苷酶的主要结合力为氢键、疏水相互作用和范德华力。Quesille等[39]研究表明修饰后的碱性木质素在体外对α-淀粉酶具有较强地抑制活性。Hasegawa等[40]研究了木质素磺酸对肠道葡萄糖吸收的影响，表明木质素磺酸是α-葡萄糖苷酶的可逆非竞争性抑制剂，可结合酶和酶底物复合物，增强了对α-葡萄糖苷酶活性抑制作用，同时直肠细胞能有效抑制脱氧葡萄糖的摄取。因此，木质素及其衍生物可通过抑制α-葡萄糖苷酶活性和肠道对葡萄糖的吸收达到降血糖效果，可在功能性食品和医药领域等方面广泛应用。

2.4 抗病毒

木质素在较低浓度范围内，对艾滋病毒（human immunodeficiency virus，HIV）、单纯疱疹病毒、梅毒和淋病奈瑟菌等均具有一定抗性，且已被大量实验证实，尤其对HIV-1具有广泛抗性[41]。HIV-I是由人类免疫缺陷病毒感染和细胞免疫功能缺陷等因素引起，κB因子可引起炎症、癌症和克罗氏病等多种疾病，而小分子量木质素可抑制HIV-1基因表达，也能抑制NF-κB活化及TNFα诱导，从而达到抗病毒目的[42]。其次，木质素磺酸还具有广谱的抗单纯疱疹病毒活性，但不会干扰对人体有益的乳酸杆菌菌群生长[43]。此外，木质素和抗原肽结合制作的传感器可成功免疫识别HIV，相对明胶凝集法、荧光抗体法、酶标法和蛋白印迹法检测更加方便快捷，同时为有机生物传感器应用提供了广阔空间[44]。因此，木质素及其衍生物可作为抗病毒制剂及生物传感器进一步研究，为人类病毒类疾病提供更加有效的治疗药物及检测手段。

2.5 其它活性

近年来，木质素及衍生物已被证实具有预防癌症、抗凝血、排毒、调节免疫等功效。如木质素与碳水化合物结合的衍生物糖-木质素，属疏水性木质素，水溶性较好，细胞毒性试验表明，糖-木质素代谢物可抑制癌细胞中核转录因子NF-κB的激活，进而诱导细胞凋亡[45]。洋槐木质素提取物对乳腺癌细胞表现出较高的抗细胞毒性能力，但对肝星状细胞无效[46]，而经纳米技术处理的木质素，对癌细胞表现出更强的抑制作用[47]，有希望成为新一代天然抗癌剂。其次，Henry等[48]研究发现低分子量酸化木质素可在肝素与凝血蛋白酶的结合位点结合，有效抑制凝血酶和xa因子活性。Mehta等[49]研究表明木质素能有效降低血小板凝块的收缩力，干扰凝血酶和与目标物的结合，预防动脉闭塞。因此木质素及其衍生物可作为肝素替代物发挥抗凝血作用，可作为一种全新的抗凝血和抗血栓药物。除此之外，木质素对金属离子有一定的吸附效果，如铅、铁、铜等离子，故可利用木质素此性质研制减轻人体毒素的药物。

目前，从果蔬中通过一系列工艺提取纯化的木质素及其衍生物主要作为能源物质，急需通过努力开拓新的应用领域。果蔬与人类饮食密切相关，对人体生命活动有着重要作用，从果蔬加工废弃物中提取的木质素生物相容性较好，分子量较小，且生物活性较强，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、生物及医药等应用中具有潜在的研究价值，必将会表现出良好的发展前景。

3 果蔬木质素应用

现阶段，果蔬木质素及其衍生物在食品、保健、医药和化妆品等领域应用较少，多集中于建材、石油、造纸等工业应用，对木质素利用率较低，产生的经济效益较低。如将木质素与大豆蛋白混合制备的胶黏剂强度、耐水性及耐腐蚀性得到大幅度提高[50]。Luo[51]等研究发现，当大豆蛋白中添加10%的木质素时，木质素与蛋白分子活性基团发生反应，制备的胶黏剂耐水性是大豆蛋白胶黏剂的2倍。对木质素分子中的羟基进行甲基化、乙酰化和烷氧化反应，可调整木质素分子中亲水基与亲油基比例，得到活性较高的表面活性剂。艾青等[52]对木质素进行改性，制备的二乙醇胺基木质素表面活性剂水溶性及表面张力得到大幅度改善。Doherty等[53]阐述了木质素与淀粉、聚羟基乙酸和树脂等聚合物组成的共混聚合物优良性能及较好应用前景。王芳等[54]通过酶法提取玉米秸秆中木质素，采用苯酚-硫酸法对木质素进行酚化改性，再与环氧氯丙烷发生环氧化反应，生成具有较高热稳定性及刚性的环氧树脂。其次，木质素不仅能够强烈吸附重金属离子，对胆汁和胆固醇也具有较强的吸附效果，可望在食品、医药和化妆品等领域得到有效应用。通过对木质素构效关系及活性的研究分析，总结果蔬木质素的主要应用见表2。

果蔬中提取的木质素是一种天然、安全、无污染、资源丰富的食品添加剂，可广泛应用于饮料、果酱、冷鲜肉保鲜等领域；降血糖、降血脂和消炎等药物多为人工合成，造价昂贵，且存在不安全性，将果蔬中木质素应用于制药，将会产生巨大社会效益；市场上植物性成分保健品多集中于原花青素、黄酮及茶多酚等活性物质，而果蔬中木质素的提取及应用，拓宽了功能性成分来源；化妆品种类繁多，多为化学工业品或精细化工产品，化妆品与人体肌肤相连密切，保护和美化皮肤同时，挥发多种有害物质，刺激人体皮肤，易引起皮肤疾病，而果蔬中木质素可作为化妆品主要成分，对人体无危害。此外，木质素可加工为食品包装材料，具有绿色安全、无污染及易分解等优点，具有较大开发价值。综上所述，果蔬中木质素提取后，在多领域及行业中具有较好应用前景，必将产生较大社会价值和经济效益。

表2 果蔬木质素应用Table 2 The application of lignin in fruit and vegetable

4 展望

我国是果蔬种植加工大国，果蔬资源丰富，而木质素广泛存在水果蔬菜中，为木质素的提取开发利用提供了物质来源。果蔬木质素结构复杂，不同来源及提取方式获得的木质素分子量、结构及生物活性亦不相同。近年来，经过国内外学者研究与开发，在果蔬木质素及其衍生物的提取、结构表征、功能活性及应用等方面取得了巨大进展，为木质素在食品、保健品、医药和化妆品等领域的应用提供了理论基础。此外，我国大量科研人员开始逐步深入开发果蔬木质素资源，并充分与果蔬本身的医药理论结合，对果蔬木质素资源充分利用，促进了我国医药及保健品等行业发展。但果蔬木质素的结构研究、提取纯化技术还有待于深入，对其医药和保健领域某些机理仍需进一步完善，尤其是果蔬木质素在人类肌体的准确生理功能、作用机理及代谢途径还需进一步探究。目前，国内外迫切需求天然植物提取物的抗氧化剂及药品，研究开发果蔬木质素资源具有深远意义。因此，探讨果蔬木质素新的提取纯化方法、质量评定标准、在肌体内的吸收利用方式、作用机理、新产品研发、产品稳定性和产品货架期等方面将成为日后科研及应用研究的热点问题。