植物单宁的结构改性研究进展

2021-06-03郭林新马养民强涛涛任龙芳

化工学报 2021年5期

郭林新，马养民，强涛涛，任龙芳

（1陕西科技大学轻工科学与工程学院，陕西西安710021；2安康学院化学化工学院，陕西安康725000；3中国轻工业轻化工助剂重点实验室，陕西西安710021）

引言

植物单宁（plant tannins）是一种广泛存在于植物中的天然多酚类物质，由于其能和动物皮中的蛋白质相结合，使得生皮转变为柔韧且紧实的皮革，因此也被称为鞣质。作为植物体的次生代谢产物，单宁的自然资源丰富，是仅次于木质素、纤维素等的生物质资源。多存在于植物的根皮[1]、茎皮[2]、叶[3]、花[4]、果实[5]、种子[6]等部位中，其中以茎皮中富含单宁的报道为多。目前已发现单宁含量较高的植物有桦树（Anogeissus leiocarpus）[7]、蓝桉树（Eucalyptus globulus）[8]、橡椀（Quercus acutissima）[9]、黑荆树（Acaciamearnsii）[10]、五倍子（Rhus chinensis）[11]、马桑（Coriarianepalensis）[12]、石榴（Punica granatum）[13]、柿子（Diospyros kaki）等[14]。单宁独特的结构决定了它多样的化学性质，可以与生物碱、多糖、蛋白质及金属离子等结合，具有捕捉自由基、抑菌、抗氧化、参与衍生化反应等活性作用。因此，单宁被广泛地用作金属吸附剂[15-16]、生物基材料[17]、食用色素[18]、污水处理剂[19]、抗氧化剂[20]和皮革鞣剂等[21]。在皮革鞣制行业中，富含单宁成分的植物鞣剂（也称植物栲胶）作为应用最早且最为广泛的鞣剂之一，在制革行业生产中占据着重要的地位。然而当单宁类成分的分子质量过大时，其在水中的溶解度降低，很难渗透进入皮革胶原纤维中，从而无法发挥鞣制作用。当分子质量过小时，渗透进入的单宁容易被洗脱，便不能和胶原纤维产生有效的交联而失去鞣制作用。在其他行业中，单宁本身所存在的脂溶性差、酚羟基结构易被氧化等固有特点也进一步限制了其更加广泛的应用。为了更好地将单宁这一生物质资源用于工业生产中，研究者们不断地进行改性尝试，从而建立有效的单宁结构改性方法，去更好地满足工业生产需求。本文综述了长期以来单宁结构改性方面的研究，以期为单宁的改性研究及其高值化利用提供参考。

1 单宁的结构及分类

单宁的分类方法较多，按照化学结构差异可将单宁分为水解单宁（hydrolysable tannins）和缩合单宁（condensed tannins）两大类。水解单宁（图1）属于C6-C1结构型多酚，多是以多元醇（D-葡萄糖、奎尼酸等）为核心，与酚羧酸（鞣花酸、没食子酸等）结合而成的一类化合物[22]。其中以没食子酸为结构单元的单宁称没食子单宁或棓单宁（gallotannin），以鞣花酸为结构单元的单宁称为鞣花单宁（ellagitannin）。水解单宁多元醇结构中的醇羟基可与酚羧酸结构中的羧基反应，脱去一分子水，两者通过酯键连接在一起。其结构中的酚羧酸基团之间除了以酯键连接外还存在着苷键，多是由一分子酚羧酸中的苯环与另一分子酚羧酸中的酚羟基结合形成的氧苷。因此，水解单宁在稀碱、稀酸或者酶的作用下，酯键容易被水解，根据其水解产物的差异可以对其进行结构分析。常见的水解单宁包括五倍子单宁、塔拉单宁、橡椀单宁等。缩合单宁（图2）属于C6-C3-C6结构型多酚，是以黄烷-3-醇（棓儿茶素、表儿茶素、儿茶素）为结构单元，通过4、6位或4、8位的碳-碳(或碳-氧-碳)键缩合而成的寡聚物或多聚物[23]。由于缩合单宁是以碳链相连，这种稳定的化学键不宜被酸或酶水解。在强酸或稀酸共煮的作用下，缩合单宁的分子将会聚合变大，形成暗红色沉淀（红粉）。常见的缩合单宁有落叶松单宁、茶单宁、黑荆树皮单宁、杨梅单宁等。随着对单宁结构更加深入的研究发现，虽然混合单宁的结构中含有水解单宁的某些结构特征，然而其更多地表现出缩合单宁的化学性质。因此，在结构分类法中将混合单宁归属于缩合单宁类型[24]。

2 基于酚羟基的改性

单宁结构中含有丰富的酚羟基，其既可作为氢受体，也可作为氢供体参与多种化学反应[25]。在弱酸性或中性的条件下，酚羟基结构可通过一系列转化生成苯酚阳离子PhO+，其可作为碳基亲电体与亲核体发生离子反应。另外，酚羟基质子易离去，生成强亲核性的苯酚阴离子中间体PhO-，可作为碳基亲核体或氧参与各种离子反应[26]。酚羟基作为单宁结构中的活性基团，是其能被广泛应用于工业生产的基础，对酚羟基的改性修饰将会对其理化特性产生较大的影响。常见的基于单宁酚羟基的改性方法有金属离子络合、氧化、醚化、酯化等改性方法。

2.1 金属离子络合改性

图1 水解单宁的组成及结构Fig.1 Composition and structure of hydrolyzable tannins

图2 缩合单宁的组成及结构Fig.2 Composition and structure of condensed tannins

植物单宁中存在的邻苯二酚和邻苯三酚结构，可以与金属离子发生静电结合作用和络合反应。其中静电作用与其离子强度有关，金属的离子强度越大，单宁结构中的疏水基团在水中的溶解越困难，不仅降低了单宁的溶解度，还可以使已溶解的单宁产生沉淀。将金属离子用于单宁的改性更多是根据其发生的络合反应，单宁可以和多数三价态金属离子等产生络合，相邻的两个酚羟基以负氧离子的离子态形式与其配位，从而形成稳定的五元螯合的环状结构[27]。在工业生产中，单宁常与一些具有鞣制性能的金属离子发生络合反应，如Al3+、Cr3+、Fe3+等。其中以Fe3+为例[28]，其络合反应过程如图3所示。

图3 单宁与Fe3+之间的反应[28]Fig.3 The reaction between tannin and Fe3+[28]

为了能使单宁和更多的金属离子产生结合，从而具有更加广泛的应用，Yamaguchi等[29]将不同方法改性修饰后的单宁和氯化铜水溶液混合，在氨的作用下制备了单宁-铜复合物，并对其在木材中的渗透能力及抵抗白蚁的能力进行了研究。实验结果表明，在未经改性处理的单宁原料中，金合欢单宁（MT）的渗透量较少，其次是经间苯二酚处理的单宁（RMT）和邻苯二酚处理的单宁（CMT）。当将RMT或CMT与氨铜混合时，其在木材中的渗透量是MT-氨铜溶液的两倍。RMT-氨铜和CMT-氨铜在木材中的保留度为268～326 kg·m-3，且该复合溶液可渗透2～13 mm。金合欢单宁的化学修饰伴随着单宁结构中C环上化学键的断裂和极性的改变，同时在单宁的结构中引入了邻苯二酚和间苯二酚等亲水性基团（图4），使得改性后的单宁亲水性增加。并且通过向该体系中添加氨也将改变复合单宁的溶解度，从而使最终的单宁铜复合物能充分地渗透进入木材组织内部。在进一步的白蚁接触毒性试验中，大多数单宁-氨铜溶液均显示出白蚁的接触致死性，能减少白蚁对木材的损害。单宁本身所具有的生物特性，使其对白蚁的生长产生一定的抑制作用。单宁在经复合改性后，由于铜离子的引入导致改性单宁的抗白蚁性显著增强。单宁铜复合物具有良好的木材渗透性和抗白蚁性，因此就具有作为低毒性木材防腐剂的潜能。

图4 金合欢单宁结构修饰过程[29]Fig.4 Modification process of acacia tannin structure[29]

2.2 氧化改性

由于酚羟基的存在，使得单宁容易被多种类型的氧化剂如化学氧化剂、生物酶氧化剂等氧化。酚的氧化过程中，在氧化剂的作用下，先形成了酚氧基自由基，进一步反应生成了醌式结构。由于酚氧基的高活性，从而易发生自由基副反应。基于此种原因，在酚的氧化过程中使用过强的氧化剂，将导致氧化产率降低。因此，在对单宁进行氧化改性时，多以温和高效的生物氧化酶作为氧化剂。单宁结构中多存在邻苯二酚结构，这种结构相对于苯酚更加富电子，也就更容易被氧化，从而生成邻苯醌结构。Qiang等[30]采用漆酶作为生物氧化酶，通过控制反应体系的温度及酸碱度，对缩合单宁（BA栲胶）进行氧化催化改性，从而得到了高反应活性的氧化改性单宁（图5）。然后通过紫外可见光谱、X射线光电子能谱和凝胶渗透色谱等技术对改性后的单宁进行分析和检测。最终发现单宁在漆酶的作用下，其结构中的酚羟基被氧化成高活性的醌式结构，同时也检测到改性后单宁的分子量减小，分散性也得到了改善。以改性后的单宁作为鞣剂，对绵羊皮服装革进行鞣制，通过对鞣制工艺的优化，得到改性鞣剂的最佳鞣制工艺。在此工艺条件下，对鞣制后皮革的物理性能及结构特征进行分析检测，并与未改性单宁鞣制的皮革样品的性能相对比。氧化改性单宁鞣制皮革样品的粒面紧实饱满，力学性能得到了显著的改善，撕裂力及断裂伸长率增大，同时成革的湿热稳定性（收缩温度）也有明显的提升。漆酶作为一种生物酶制剂，能有效地对单宁类成分进行催化氧化改性，形成了活性的醌式结构。在皮革鞣制过程中，氧化改性单宁的这种醌式结构可以和胶原氨基发生共价交联，从而产生了更加稳定的化学键，提升改性单宁鞣剂对皮革的鞣制性能。这也为制革行业的清洁化生产及可持续发展提供了新的理论依据。

2.3 醚化改性

图5 漆酶改性缩合单宁的鞣制机理[30]Fig.5 Tanning mechanism of laccase modified condensed tannins[30]

图6 单宁醚化改性反应过程[33]Fig.6 Tannin etherification modification reaction process[33]

由于单宁丰富的酚羟基结构使其具有较强的亲水性，然而正因为单宁的此种性质，使得其在多数有机溶剂中的溶解度很低，限制了单宁的工业应用。为改善这一不足之处，单宁的结构衍生化是一种有效的方法，特别是将单宁通过改性试剂引入羟丙基等基团而进行醚化改性。此种改性方法常被用作富含酚羟基结构的木质素类成分的改性修饰，可起到提高其热稳定性、增大溶解度以及改善反应活性的作用[31-32]。天然的单宁也可以在环氧丙烷的作用下，以衍生化反应的形式转化为羟丙基单宁（图6）[33]。通过控制反应原料之间的摩尔比，合成不同取代度的羟丙基醚化单宁。基于此，García等[34]对海岸松皮单宁结构进行衍生化，制备不同取代度（0.1～4.7）的羟丙基单宁。通过对不同取代度的羟丙基醚化单宁的结构特征、分子量、热性能、溶解度和凝胶性能进行分析检测，发现取代后的单宁多以三聚体和四聚体的形式出现，羟丙基单宁在有机溶剂中的溶解度增大、热稳定性提高，是一种具有潜在应用价值的生物大分子单宁衍生材料。Jahanshahi等[35]通过环氧基醚化反应对植物单宁进行化学改性。以环氧氯丙烷为改性剂，在最佳的反应条件下制备了醚化改性单宁，并以MALDI-TOF质谱、13CNMR和FT-MIR对改性产物的结构进行分析鉴定。并以醚化改性后的单宁作为添加剂，制备生物基环氧树脂，对该环氧树脂的木板剪切强度进行测试。实验结果表明单宁经环氧基醚化改性后制备的环氧树脂材料，能够满足剪切强度的要求，符合相关国际标准。Zhang等[36]采用一锅法，以柿子单宁为原料，在环氧氯丙烷的作用下，将二巯基噻二唑(DMTD)引入单宁结构中，制备了生物吸附剂（DMTD-PT），用于吸附水溶液中的Au(Ⅲ)。此单宁基生物吸附剂主要以静电相互作用实现对Au(Ⅲ)的高效吸附。单宁醚化改性后，原本水溶性的酚羟基被保护起来，并且引入了烷基基团，使得改性单宁的脂溶性增强，在部分有机溶剂中的溶解度增大。

2.4 酯化改性

图7 单宁酯化改性反应过程[37]Fig.7 Tannin esterification modification reaction process[37]

另一种常用的改善单宁亲脂性的结构修饰方法是酯化改性，即通过酯化反应使单宁结构中的羟基结构酯化。酯化后由于脂肪链的引入，单宁的脂溶性将增强。单宁的酯化可经许多方法获得，例如采用酰氯和一系列的碱试剂作为催化剂以及酯交换反应等[37-40]（图7）。酯化单宁多被用于工业塑料生产的添加剂，可增强产品的热性能和物理性能[41-42]。Grigsby等[37]以提取于辐射松（Pinusradiata）树皮的单宁为原料，1-甲基咪唑作催化剂，通过酸酐酯化反应制备了具有不同取代度的单宁酸酯，并将单宁酸酯作为添加剂，用于塑料的制备。通过对酯化反应后单宁酯的性能进行检测发现，酯化单宁可降低紫外线吸收率。单宁进行酯化反应与体系中催化剂的用量和酸酐链长度有关，不添加催化剂会降低酯化反应的程度，并且随着酯链长度的增加酯化反应程度也出现降低的趋势。最终在以1%催化剂的条件下，单宁的酯化反应实现了最大取代。将单宁酸酯作为塑料制备过程的添加剂，不仅可以改变塑料制品的颜色，也可使其热性能等得到一定的提高。由于单宁本身的抗氧化作用，酯化后仍存在着部分活性的酚羟基基团，因此单宁酸酯的存在可赋予塑料产品长期暴露于空气中的抗氧化保护作用。段文贵等[43]选用不同种类来源的缩合单宁为原料，以吡啶作催化剂，在微波加热条件下，将松香酰氯与缩合单宁进行酰基化反应，制备不同类型的单宁酯。对其合成产物的结构进行表征的同时，也测定了单宁酯的抗氧化性能及钠盐表面活性。实验结果表明，改性得到的单宁酯的极性减小，脂溶性增强。其在脂肪油体系（花生油）中具有显著的抗氧化活性，且钠盐表面活性增强。单宁酯化改性是增强单宁脂溶性的又一有效手段，酯化后单宁的极性减小，可溶解在低极性的有机溶剂中，从而将具有更加广泛的应用前景。

3 基于苯基的改性

单宁结构中苯环的π体系可与其酚羟基的p电子产生共轭作用，从而使单宁酚羟基邻位和对位活化，而具有很强的亲核能力。因此，单宁中的苯基就成为了各类亲电反应的活性位点，是其结构改性反应的主要修饰位置。目前基于单宁苯基的改性方法有：磺化、硝化和亚硝基化改性，接枝共聚改性，缩合改性，曼尼希改性等。

3.1 磺化、硝化和亚硝化改性

以苯酚结构单元为例，其与浓硫酸在较高温度下发生磺化反应，产生对羟基苯磺酸，而在常温条件下多产生邻羟基苯磺酸。这两种产物也可进一步磺化产生4-羟基苯-1,3-二磺酸结构。同样地，酚羟基结构单元可以和硝酸发生硝化反应，产生对硝基苯酚和邻硝基苯酚。在酸性体系中，可与亚硝基作用，产生邻亚硝基苯酚和对亚硝基苯酚。具体的反应过程如图8所示。

图8 苯酚的磺化、硝化、亚硝化改性反应过程[44]Fig.8 The sulfonation,nitrification and nitrosation modification reaction process of phenol[44]

图9 单宁的磺化改性反应过程Fig.9 The sulfonation modification reaction process of tannin

单宁结构中存在着多个酚羟基基团，因此也可发生上述的反应，从而可对单宁进行改性修饰，提升其应用价值。杨丹丹等[45]采用了磺化法，以硫酸为磺化试剂，对单宁酸进行了改性修饰，制备得到了一种天然的水处理剂，改性反应过程如图9所示。在制备过程中，为了得到酚羟基邻位取代的磺化单宁，反应需要在较低温度下进行。向反应原料中添加硫酸时控制温度不超过45℃，反应过程的温度不超过55℃。通过监测反应液中的总酸度可以发现，在反应进行2 h后单宁酸的磺化产率达到最大值75%。进一步采用凝胶柱色谱（Sephadex LH20）对改性产物进行纯化，并对纯化的改性单宁进行红外光谱扫描。最终在1275 cm-1和1050 cm-1处检测到磺酸基的特征吸收峰，证明了单宁被成功磺化。最后通过静态挂片试验和静态阻垢试验等对磺化单宁的水处理能力进行了研究，结果发现由于磺化单宁结构中磺酸基的引入，改性单宁成为了一种阴离子制剂。在水溶液中磺酸基的质子游离，使得磺化单宁带负电荷，能与正离子发生静电结合，从而具有显著的除垢作用。并且磺化单宁具有的这种络合作用使得其更易吸附于金属表面，形成了保护膜而具有了缓蚀作用。在皮革鞣制行业中，通过磺化反应对植物鞣剂进行改性，在其中的单宁类成分中引入亲水性磺酸基，将有助于植物鞣剂的溶解和渗透。Tambi等[46]以尿素、甲醛、Na2SO3及不同的磺酸类物质为原料，对天然的黑荆树皮单宁成分进行改性方法探索。实验结果表明，改性后的黑荆树皮单宁的分子量高于未改性的单宁，而其在水溶液中的溶解度仍保持良好。进一步通过理化测试分析对改性单宁进行了表征，并对磺化改性单宁和未改性单宁的鞣制性能进行分析。在不同的改性单宁产物中，引入苯酚磺酸的改性单宁鞣制性能优良。在使用合适比例的改性单宁鞣剂条件下，鞣制后皮革的力学性能和感官性能要远优于未改性的单宁鞣制的皮革。部分引入萘磺酸的改性单宁鞣制性能较差，但在皮革中的渗透性好，因此可以在预鞣制过程中用作辅助鞣剂。

3.2 接枝共聚改性

在酶或氧的作用下单宁结构中的酚羟基氢容易脱去，形成苯氧自由基，从而可以通过自由基反应的形式与一些丙烯酸类物质发生接枝共聚反应[28]。共聚反应常以乙酸作酸化剂，过氧二酸盐等作引发剂。具体反应过程如图10所示。由于结构的差异，缩合单宁相对于水解单宁具有更多的活泼氢，从而更容易形成苯氧自由基，因此接枝共聚反应主要被用于缩合单宁的改性。单宁经过接枝改性后，水溶性提高，不溶物减少，相对分子量也有所增大。在用于皮革鞣制时，将增强其对皮革的填充性能。

图10 单宁的接枝共聚改性反应过程[28]Fig.10 Graft copolymerization modification reaction process of tannin[28]

蒋廷方等[47]早在20世纪80年代就介绍了有关植物单宁鞣剂的接枝共聚改性方法。以丙烯酸甲酯单体为基础，醋酸作为酸化剂，过氧化氢为引发剂，对冷杉栲胶进行接枝共聚改性。在醋酸的用量为10%时，丙烯酸酯单体的接枝程度达到最大值。鞣剂的添加量也对改性结果有较大的影响，当鞣剂与丙烯酸酯单体的质量比相当时，接枝共聚的效率可达50%。接枝共聚改性后由于冷杉栲胶中的单宁类成分的结构上引入了新的功能性丙烯酸酯基团，其分子量变大，鞣剂的质量增加。改性后的鞣剂用于皮革鞣制时，其在皮革胶原纤维中的渗透能力增强，且大分子的改性鞣剂对皮革的填充性能也得到了提高，成革的品质显著改善。并且在接枝改性后，鞣剂中游离的单体含量减少，原本无鞣性的小分子物质在接枝后具有了鞣性，使得改性鞣剂中鞣质的含量增加。也有研究尝试着对水解单宁鞣剂进行接枝共聚改性，汪建根等[48-49]采用丙烯酸酯和丙烯酸单体对橡椀单宁鞣剂进行接枝改性，对反应温度、原料用量等进行正交实验优化，并进一步探索在接枝共聚改性过程中添加适量的甲醛。研究结果发现，随着甲醛的加入，单宁中的多元酚结构可与甲醛发生缩合反应，从而使结构中的支链增多、碳链增长。将改性后的橡椀鞣剂用于皮革的鞣制，鞣制后皮革的增厚显著，湿热稳定性也得到明显的改善。

3.3 缩合改性

以苯酚结构为例，在酸性或碱性的体系中，苯酚能与甲醛进行羟醛缩合，使苯酚的对位和邻位被羟甲基取代。由于羟甲基苯酚容易转化为醌式结构中间体，形成的醌式结构又可以和酚氧负离子发生1,6或1,4共轭加成。加成后得到的产物可进一步与甲醛发生反应，生成羟甲基化产物，然后再转化为醌式结构，继续发生共轭加成反应。上述过程重复连续进行，就产生了交联反应[44]。往复进行后，最终得到大分子量的酚醛树脂。酚醛树脂的制备过程如图11所示。

单宁结构中具有多个酚羟基，因此也可以与醛类试剂发生羟醛缩合反应，制备高性能的单宁基酚醛树脂。Barbosa等[50]以提取于金合欢树（Acacia）的缩合单宁为原料，制备酚醛聚合树脂，并通过添加椰壳纤维增强复合树脂材料的性能。在常温下将单宁和甲醛混合均匀后加入氢氧化钾，升温后加入苯酚进行反应。反应完成后冷却至室温，中和反应液并浓缩干燥，制得酚醛聚合树脂。最后添加不同比例的椰壳纤维增强剂，制得单宁基酚醛复合树脂。对该复合材料的物理力学性能进行测试发现，由于单宁酚醛基体中加入了椰壳纤维使其冲击强度得到显著提高。从微观的SEM图像可以看出，纤维在单宁酚醛基体中黏合牢固，纤维束规律地间隔开，从而增强了树脂向纤维中的扩散能力。通过此方法制得的生物基酚醛树脂性能优越，具有广泛的市场前景。Ramires等[51]采用相似的方法制备了添加剑麻纤维增强剂的酚醛树脂，该树脂也表现出较强的力学性能。单宁的多酚羟基结构，赋予了其和醛类化合物的高反应活性，制备得到的单宁基酚醛树脂在工业生产应用中具有显著的优势。

3.4 曼尼希改性

由于单宁的化学结构中存在着活泼的α-氢，因此可以与碱性氨（胺）和醛（常用甲醛）发生曼尼希反应（Mannich），从而可在单宁结构中的芳环体系上引入碱性的胺基，反应过程如图12所示。单宁本身所含有的酚羟基结构使其具有一定的酸性，在酸性溶液体系中，未经修饰的单宁溶解度很差。经曼尼希反应改性后，由于胺基团的生成，单宁的性质发生较大的变化，在酸性体系中以盐的形式存在，从而显著提高改性单宁在溶液中的溶解性。因此，单宁的曼尼希改性多被用作水处理剂[52]，染料吸附剂[53]，贵重金属离子Pd(Ⅱ)[54-55]、Pt(Ⅳ)[56-57]、Rh(Ⅲ)[58]、Au(Ⅲ)[59]吸附剂等。

图11 酚醛树脂的制备过程[44]Fig.11 Preparation process of phenolic resin[44]

图12 单宁的曼尼希反应过程Fig.12 Mannich reaction process of tannin

Wang等[60]采用曼尼希反应对缩合单宁（落叶松单宁）进行了结构修饰，通过将单宁与二甲胺、甲醛（37%）、乙酸酐反应制得改性单宁产品A-TN。进一步又向A-TN中添加苄基氯和乙酸酐，制得了季铵化的改性单宁Q-TN。以傅里叶变换红外光谱（FTIR）和Zeta电位分析法对改性后的单宁产品ATN和Q-TN的结构和性质进行了分析检测，并将其用作污水体系中的铜绿微囊藻的絮凝剂。对絮凝剂添加量、体系pH、胞密度、胞外有机物质以及培养时间等进行优化。研究结果显示经曼尼希改性的单宁产品A-TN，以及进一步季铵化得到改性单宁产品Q-TN都具有絮凝污水中铜绿微囊藻的能力，而A-TN的作用pH范围相对较窄。随后有学者[61]对采用该絮凝剂后铜绿微囊藻的生长情况进行了观测，并通过对代谢产物的分析检测，推断了絮凝机理。藻类上清液的生物量在最初的18 d增加，在随后的12 d出现下降的趋势。曼尼希改性的单宁絮凝剂在10 d后对铜绿微囊藻表现出稳定的生长抑制。体系中的过氧化氢酶和超氧化物歧化酶含量降低，而谷胱甘肽和抗坏血酸在5 d时增加到最大值，且脱氢酶和碱性磷酸酶活性也达到最大。因此可以得出，曼尼希改性后的单宁具有影响氧化应激和细胞溶解作用，从而对污水体系中的铜绿微囊藻进行絮凝。在皮革鞣制行业中，将富含单宁的植物鞣剂用于皮革鞣制时，鞣剂在鞣液中的溶解度是影响其渗透性能的关键因素之一。单宁经曼尼希改性后，其结构中引入了碱性的胺基，在酸性体系中的溶解度增大，因此也可以将曼尼希改性法应用于植物鞣剂的改性修饰。

3.5 降解改性

由于部分天然存在的单宁分子量大，聚合度高，以及单宁结构中黄烷基醚环（缩合单宁）的疏水性，使得其在水溶液中的分散性较差。并且单宁分子之间具有的静电作用和氢键效应，减弱了水与单宁分子各部分的反应活性。目前已有一些可行的方案来解决这一问题，如利用碱试剂进行水解[62]、亲核试剂进行酸解等[63-64]使缩合单宁的聚合度降低，分子量减小。Liu等[65]采用NaOH和尿素的混合水溶液对缩合单宁进行降解处理，通过控制NaOH与尿素的比例，成功地将大分子的马占相思缩合单宁解聚为小分子的单宁结构（图13）。采用凝胶色谱法对降解后的单宁进行检测发现，单宁重均分子量从1725～704降低到1523～327。并且从MALDI-TOF-MS和13CNMR的鉴定结果可以看出，单宁的平均聚合度从7降低到2，且主要是由缩合单宁结构中的C-4和C-8处的化学键断裂而实现大分子到小分子的降解。由于降解后的缩合单宁在水溶液中分布更为均匀，因此将其用于酚醛树脂的制备将获得更良好的性能。相比于未经降解处理的单宁制备的酚醛树脂，降解后单宁制备的酚醛树脂的甲醛释放量降低，结合强度得到增强。这种廉价且环保的单宁催化降解产物可以用作合成过程的原料，不需要回收和纯化，从而更加绿色环保。

Peres等[66]采用盐酸对提取于黑荆树皮的缩合单宁进行酸降解，并在降解产物中加入活性炭粉末对可溶性单宁成分进行吸附，将吸附剩余的低溶性成分过滤干燥后用于制备防污涂料。采用13CNMR对酸解后的成分进行分析检测发现，盐酸可作为一种亲核试剂，通过裂解黑荆树皮单宁结构中的C4-C6和C4-C8键来降低单宁的分子量。进一步采用红外光谱对制备的防污涂料进行检测发现，即使在海洋环境中暴露7个月后，单宁结构也能稳定地存在于防污涂料中，并且在水接触角实验中观测到其具有良好的亲水性能。用改性单宁制备的涂料涂层的防污效率可与商业产品相当，且使用天然黑荆树皮单宁制备的涂料相比于部分合成的商业涂料更加安全绿色。将其用于船舶等的表面涂饰时，不仅能够赋予船舶表面优异的防污性能，还可以避免因使用有生物毒性的涂料对海洋环境带来的不利影响。

图13 单宁降解制备酚醛树脂[65]Fig.13 Preparation of phenolic resin by degradation of tannin[65]

4 基于酯基的改性

水解单宁的结构中存在多个酯基基团，因此基于酯基的改性常是水解单宁的特征反应，同时这也是其发挥更加广泛应用价值的重要途径。由没食子酸单宁水解制备的没食子酸在有机合成、食品、医药、涂料等生产中占据重要地位。可用于单宁酯基的水解方法有醇解、酶水解、碱水解、酸水解以及微生物发酵等，其水解过程如图14所示。不同水解方法之间各有优势，其中采用微生物发酵的方法来水解大分子的单宁制备小分子的单体，以其制备条件温和，过程绿色、环保等优点，正受到越来越多的关注。

Banerjee等[67]以樱桃李（Terminalia chebula）粉（单宁含量为32%）和泰瑞豆荚（Caesalpinia digyna）（单宁含量为45%）为底物，对丝状真菌米根霉（Rhizopusoryzae）进行固态发酵培养，从而制备单宁酶和没食子酸。通过对培养基及培养条件进行优化，发现在30℃，80%相对湿度，pH为5.0，培养时间48 h的条件下，单宁酶和没食子酸的产率达到最大值。Mukherjee等[68]使用两种植物真菌米根霉（Rhizopus oryzae）和臭曲霉（Aspergillus foetidus），对富含单宁的底物诃子果（Terminalia chebula）和云实豆荚（Caesalpinia digyna）进行固态发酵，制备单宁酶和没食子酸。在不同的培养环境下对其产物的产量进行优化，最后发现以米根霉菌作为发酵真菌，最佳初始pH为4.5，培养60 h后单宁酶和没食子酸的得率最高。以臭曲霉菌作为发酵真菌，最佳初始pH为5.0，培养72 h后单宁酶和没食子酸的得率最高。在微生物的培养过程中，可代谢产生水解单宁的生物酶，这其中也包括单宁酶。单宁酶作为一种单宁酰基水解酶，可断裂单宁结构中的酰基基团，使得大分子的单宁水解成小分子的单体。采用植物真菌类微生物，以富含单宁类成分的培养基进行发酵培养，可有效地对单宁进行水解。该生产过程绿色环保，能耗低，具有广阔的应用前景。

图14 单宁的酯水解反应过程Fig.14 The ester hydrolysis reaction process of tannin

5 基于烷氧基的改性

由于缩合单宁是以黄烷醇类化合物构成的多聚物，黄烷醇中的吡喃环就成为了结构中容易发生反应的部位。因此，在多数亲核试剂的作用下，缩合单宁吡喃环中的醚键发生断裂。在缩合单宁的改性过程中，常采用亚硫酸盐进行处理，从而使缩合单宁中黄烷-3-醇的吡喃环被打开，亚硫酸根结合到黄烷-3-醇的C-2位上。该反应过程被称作亚硫酸化反应（图15）。

对富含单宁的植物鞣剂进行亚硫酸化改性，可在单宁的结构中引入亲水性亚硫酸基团。从而使原本难以溶解的鞣质转变成可溶解甚至是易于溶解的鞣质，增加其在鞣液体系中的溶解度，减少了植物鞣剂微粒的聚集，提高了稳定性。传统的亚硫酸化改性方法中亚硫酸盐的用量较低（2%～8%），反应温度也较温和（80～95℃），处理后的鞣剂对皮革具有较强的鞣制性能。随着生产的需要，宋立江等[69-70]改变了传统的亚硫酸化改性方法，增加了改性过程中亚硫酸盐的用量，使得其总用量达到了30%。在此改性条件下得到的植物鞣剂的分子量变小，分布均匀，更加容易渗透进入皮革的胶原纤维内部。并且植物鞣剂在水体系中的分散性增强，渗透速度增大，鞣制后的皮革颜色变浅。相比于传统改性方法得到的皮革鞣剂，具有更加良好的主鞣、复鞣以及结合鞣制性能。陈武勇等[71-72]继续增大了亚硫酸盐的用量，使用36%的亚硫酸钠和30%的亚硫酸氢钠，对杨梅栲胶进行改性探索。反应10 h后得到的改性植物鞣剂水溶性良好，由于高浓度亚硫酸盐的作用，使得鞣剂的鞣性降低，收敛性变得缓和。其渗透性能相对较强，可用复鞣工段而具有较强的填充性。

6 单宁的多基团共同改性

6.1 水解配位改性

在部分情况下，将不同的单宁结构改性方法结合起来会得到更加理想的改性产品。陈武勇等[73]根据水解单宁可以在酸性条件下发生降解反应，降解产物能与金属盐产生化学作用的性质，制备了新型的铬-橡椀皮革复鞣剂（图16）。在鞣剂的制备过程中，以重铬酸钠为Cr6+源，将其溶解后加浓硫酸调节酸性，再加入10%的橡椀栲胶，在75～80℃条件下反应4 h至Cr6+完全被转化为Cr3+，即得铬-橡椀皮革复鞣剂。按照皮重的4%添加此复鞣剂，用于猪皮革的复鞣。通过对比鞣制效果可以发现，改性鞣剂鞣制皮革的收缩温度升高，粒面细致、丰满且柔软。这种水解配位的改性方法，可以使大分子的橡椀单宁被水解成小分子的物质。在鞣制过程中水解后的橡椀单宁可与金属离子络合，有助于铬的吸收，提高了其利用度。通过水解配位法对植物鞣剂进行改性，不仅能提高成革的湿热稳定性，还能改善其表观性能。

6.2 两性化改性

图15 单宁的亚硫酸化改性反应过程Fig.15 The sulfite modification reaction process of tannin

图16 单宁的水解配位改性反应过程Fig.16 The reaction process of hydrolysis coordination modification of tannin

图17 单宁的两性化改性反应过程Fig.17 Amphoteric modification reaction process of tannin

两性化改性在皮革鞣制行业是一种重要的改性探索，先用磺酸盐对富含单宁的植物鞣剂进行磺化改性，使其结构中引入酸性的磺酸基团，提高了植物鞣剂在鞣液体系中的溶解性。然后依照曼尼希反应的机理，利用醛类化合物和胺的反应，将碱性的胺结构引入至已磺化的单宁分子中，使其成为酸碱两性的物质，因此被称作两性化改性（图17）。这种两性的单宁既可以溶于碱性体系中呈现阴离子性，也可溶解在酸性体系中呈现阳离子性。在制革行业中，通常将富含单宁的植物栲胶进行两性化改性，改性后的栲胶在皮革鞣制过程中渗透能力增强，与皮革的胶原纤维之间的结合更加牢固。此外，也可以将两性化改性的单宁用于离子吸附。Li等[74]通过磺化曼尼希反应制备了改性的橡椀单宁，用于从水溶液中吸附铜离子（Ⅱ）。首先将橡椀单宁溶液中加入NaHSO3进行反应，从而制备磺化单宁。然后通过向反应体系中加入甲醛溶液和乙醇胺进行曼尼希化改性，从而制备得到了两性化改性的橡椀单宁。将改性后的单宁用作铜（Ⅱ）吸附剂，吸附效果显著。吸附容量与初始浓度呈正相关，在100 mg·L-1的浓度下，铜离子的最大吸附容量为56.2 mg·g-1。经磺化曼尼希反应对橡椀单宁进行改性，该方法简单易行、操作方便，改性后的单宁在水溶液中的溶解性显著提高，并且对水溶液中铜离子的吸附能力得到增强。

7 单宁的其他改性方法

Wang等[75]通过戊二醛交联法制备了绿色高效的氧化石墨烯改性柿单宁生物吸附剂（PT-GO），用于从水溶液中吸附亚甲基蓝染料（图18）。将柿子单宁和氧化石墨烯分散在去离子水中，加入戊二醛溶液进行反应，反应液浓缩干燥后得到PT-GO生物吸附剂。通过扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等手段对制备的生物吸附剂进行分析检测，并研究了其对亚甲基蓝染料的吸附性能。实验结果表明，在50℃温度条件下，PT-GO的最大吸附容量达到256.58 mg·g-1。研究其吸附机理发现，亚甲基蓝染料在PT-GO生物吸附剂中的吸附原理主要是通过吸附剂与被吸附物质间发生的氧化还原反应、静电相互作用和π-π相互作用实现。另外，在经过五次循环后，该吸附剂对亚甲基蓝的去除效率仍然很高（88.3%）。PT-GO生物吸附剂作为生物基吸附材料，具有安全绿色、吸附效率高、生产成本低的优势，可用于溶液中有机染料污染物的去除。Li等[76]进行了相类似的研究工作，利用戊二醛的交联作用，以柿子单宁和壳聚糖为原料进行改性探索，将壳聚糖基团引入单宁结构中，从而制备了用于从水溶液中高效去除Pb(Ⅱ)的环境友好型生物质复合材料（PT-CS）。

8 结语与展望

植物单宁的自然资源丰富，是一种绿色环保的生物质功能材料，具有广阔的应用前景。基于单宁的结构修饰方法主要体现在其结构中存在的酚羟基、苯基、酯基及烷氧基等基团。其中基于单宁酚羟基的结构改性方法包括金属离子络合改性、氧化改性、醚化改性及酯化改性等。基于单宁苯基的结构改性方法常见有磺化、硝化和亚硝化改性，接枝共聚改性，缩合改性，曼尼希改性及降解改性等。此外还包括基于水解单宁酯基的改性、缩合单宁烷氧基的改性以及单宁的多基团改性等其他改性方法。通过这些改性方法对单宁进行结构修饰，改善了单宁的分子量大、渗透性能差以及脂溶性低等不足之处。并且可通过与其他物质进行化学接枝和复合等方式，赋予改性单宁新的更加优异的性能，这将在很大程度上拓宽植物单宁作为生物质材料的应用范围。在环保理念逐渐提高和完善的当今工业生产中，充分地利用植物单宁作为生物大分子的高反应活性及生物活性等特点，并探索基于其结构的新型改性方法，尤其是与其他类型的生物质材料如蛋白质、木质素、纤维素等相结合开发出更加有价值的产品，将有利于工业生产的可持续发展。