4種乙醇木素的抗氧化活性

田 維 珍， 周 景 輝

( 大連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

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4種乙醇木素的抗氧化活性

田 維 珍， 周 景 輝

( 大連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

采用DPPH法及三價(jià)鐵還原法研究了楊木、玉米秸稈乙醇發(fā)酵殘?jiān)?、蘆葦和麥草等4種木素的抗氧化性及還原力，并分析了木素的結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明，不同原料的乙醇法木素，抗氧化性不同。質(zhì)量濃度為0.025～0.400 mg/mL時(shí)，隨著質(zhì)量濃度增加，4種木素的抗氧化能力和還原能力分別不斷增強(qiáng)；0.200 mg/mL時(shí)楊木木素自由基的清除率達(dá)70%；0.400 mg/mL時(shí)玉米秸稈乙醇發(fā)酵殘?jiān)舅亍Ⅺ湶菽舅睾吞J葦木素自由基的清除能力分別為71.5%、68.6%、60.7%。

木素；抗氧化劑；乙醇制漿；楊木；玉米秸稈；蘆葦；麥草

0 引 言

目前制漿造紙工業(yè)每年產(chǎn)出5 000萬t左右的木素副產(chǎn)品，但對(duì)木素的利用率不高，尤其是在我國還不足10%，造成了很大的資源浪費(fèi)[1]。近年來，人們對(duì)木素的結(jié)構(gòu)展開研究，特別對(duì)木素的特征官能團(tuán)，如酚羥基、脂肪族羥基、羰基、羧基等，了解木素是一種具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的酚類無規(guī)則聚合物，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生物活性高。因此，對(duì)木素高附加值利用的研究逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[2]。由于木素的結(jié)構(gòu)特性，使其成為植物資源中多酚類聚合物的代表，且木素中大量酚羥基具有去除含氧自由基的能力，具有良好的抗氧化性能，因此有望成為良好的天然抗氧化劑[3]。

抗氧化劑作為一種重要的食品和藥物添加劑，具有抑制食品或功能性藥物(靶向藥物)中有效活性物質(zhì)和營養(yǎng)成分在空氣中經(jīng)細(xì)菌侵入或光催化作用發(fā)生氧化變質(zhì)的特性，從而起到防腐、保持營養(yǎng)成分和抑制癌變、動(dòng)脈硬化等功效[4]?？寡趸瘎┑膽?yīng)用十分廣泛，但是人工合成抗氧化劑的安全性令人擔(dān)憂，因此對(duì)天然抗氧化劑的探索一直備受關(guān)注。目前已有許多天然抗氧化劑用于食品、保健、化妝品、醫(yī)藥等領(lǐng)域[3]。隨著人們生活和社會(huì)的需要，對(duì)木素的性能研究范圍不斷擴(kuò)大，其中抗氧化性是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。木素的抗氧化能力主要來源于其中的酚羥基對(duì)含氧自由基的去除能力[5]。已有研究表明木素及木素相關(guān)的單體及二聚體可作為橡膠、藥品和膳食產(chǎn)品的抗氧化劑[6]。此外，由于木素是對(duì)人體無毒無害的抗氧化性物質(zhì)[7]，在化妝品行業(yè)以及其他工業(yè)有很好的應(yīng)用前景[8]。

由于木素結(jié)構(gòu)的不均一性，不同原料中木素結(jié)構(gòu)差異較大，酚羥基含量亦差異甚大，這將導(dǎo)致其抗氧化能力不同[9]。木素的抗氧化能力主要取決于木質(zhì)纖維素材料和分離方法。本文的目的在于采用同一種分離方法對(duì)不同原料中木素結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別，研究不同原料木素抗氧化活性的差異。采用DPPH法[10-11]及三價(jià)鐵還原法[12]對(duì)楊木、玉米秸稈乙醇發(fā)酵殘?jiān)⑻J葦、麥草4種原料中提取的木素進(jìn)行抗氧化性測定，分析4種木素的抗氧化性及還原力，為木素作為天然的抗氧化劑的應(yīng)用，以及制備木素基抗氧化材料的開發(fā)進(jìn)行探索性的研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

原料：蘆葦稈、楊木片、麥草，岳陽泰格林紙集團(tuán)有限公司；玉米秸稈纖維素乙醇發(fā)酵殘?jiān)?以下簡稱殘?jiān)?，中糧集團(tuán)。

試劑：1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)、無水乙醇、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、二氧六環(huán)、鐵氰化鉀、三氯乙酸、三氯化鐵，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

儀器： UV1006M031紫外分光光度儀，上海VARIAN光譜分析儀器有限公司；Spectrum-B型傅里葉變換紅外光譜儀，常州國華電器有限公司；Waters凝膠色譜儀，中石化克拉瑪依石化公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 粗木素的提取及純化

楊木、蘆葦、麥草、殘?jiān)捎靡掖挤ㄕ糁笾茲{，具體提取及純化粗木素的方法參考文獻(xiàn)[13]。

1.2.2 DPPH標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作

配制質(zhì)量濃度分別為0.06、0.12、0.15、0.18、0.24、0.27、0.30、0.36、0.48 mg/mL的DPPH 標(biāo)準(zhǔn)溶液，以相應(yīng)空白溶劑為參比液，用紫外分光光度儀在517 nm處測定吸光度。以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，線性回歸方程為y=0.010 4x-0.048 8，R2=0.998 71 (相關(guān)性顯著)，這說明在0.06～0.48 mg/mL，DPPH與吸光度有較好的線性關(guān)系[14]。

1.2.3 木素清除自由基能力測定

配制質(zhì)量濃度分別為0.025、0.050、0.100、0.200、0.400、0.800 mg/mL不同種類木素溶液以及質(zhì)量濃度為0.04 mg/mL DPPH溶液，0～4 ℃ 避光保存。取1 mL的木素樣品溶液加入4 mL 0.04 mg/mL DPPH溶液于試管中，搖勻，室溫黑暗放置30 min，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，以無水乙醇為空白，用紫外分光光度儀在517 nm波長處測定其吸光度[15]。按公式(1)計(jì)算DPPH自由基清除率，清除率越大抗氧化能力越強(qiáng)。

清除率=(A0-A1)/A0×100%

(1)

式中：A0為1 mL無水乙醇+4.0 mL DPPH溶液的吸光度；A1為1 mL樣品溶液+4.0 mL DPPH 溶液的吸光度。

1.2.4 木素還原力的測定

在試管中分別加入質(zhì)量濃度為0.025、0.050、0.100、0.200、0.400、0.800 mg/mL的木素溶液1.0 mL、磷酸鹽緩沖溶液(0.2 mol/L pH 6.6) 2.5 mL 和0.01 g/mL的鐵氰化鉀2.5 mL，在50 ℃下恒溫反應(yīng)20 min，然后加入0.1 g/mL的三氯乙酸2.5 mL，搖勻，離心。吸取上清液2.5 mL，加入2.5 mL蒸餾水和0.5 mL 0.001 g/mL的三氯化鐵溶液。用紫外分光光度儀，測定樣品在700 nm處吸光度[15]。吸光度越大，還原能力越強(qiáng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 木素對(duì)DPPH的清除能力

不同種類木素的DPPH自由基清除率按公式(1)計(jì)算，得到的結(jié)果如圖1所示。自由基的清除效果與木素樣品濃度有明顯的相關(guān)性。 隨著木素濃度的增加，對(duì)DPPH自由基的清除能力增加很快，但到一定程度后趨于平緩，與文獻(xiàn)[16]研究結(jié)果一致。由木素對(duì)DPPH自由基清除率的曲線表明，低濃度時(shí)，相同質(zhì)量濃度的楊木乙醇木素比其他木素樣品的自由基脫除率高，說明抗氧化性較高。幾種木素的抗氧化活性由強(qiáng)到弱排列順序?yàn)闂钅?、殘?jiān)?、麥草、蘆葦。在質(zhì)量濃度為0.2 mg/mL 時(shí)，木材類(楊木木素)原料中木素對(duì)DPPH清除率比草類原料提取的木素(殘?jiān)?、蘆葦、麥草)高20%左右。除蘆葦外，草類原料中木素對(duì)DPPH清除率最大時(shí)的質(zhì)量濃度為0.4 mg/mL，此時(shí)與木材原料木素清除率相近。從圖中還可以看出，當(dāng)質(zhì)量濃度大于0.4 mg/mL時(shí)，木素的清除能力達(dá)到飽和。因此，在清除率效果一定的情況下，木材類的需要木素量小于草類，這與Lu等[17]的結(jié)論類似。楊木、殘?jiān)?、麥草、蘆葦?shù)淖罡咔宄史謩e為70%、71.5%、68.6%、60.7%。

圖1 木素質(zhì)量濃度對(duì)DPPH自由基的清除率的影響

2.2 木素的還原能力

抗氧化性是通過自身的還原作用給出電子而清除自由基的，還原能力越強(qiáng)，抗氧化性越強(qiáng)，因此對(duì)木素還原力的研究能進(jìn)一步反映其抗氧化能力的強(qiáng)弱。采用三價(jià)鐵還原法，根據(jù)抗氧化劑能使鐵氰化鉀的三價(jià)鐵還原成二價(jià)鐵(亞鐵氰化鉀)，二價(jià)鐵(亞鐵氰化鉀)進(jìn)一步再和三氯化鐵反應(yīng)生成在700 nm處有最大吸光度的普魯士藍(lán)(Fe4[Fe(CN)6]3)，從而對(duì)700 nm處的吸光度大小進(jìn)行考察，間接反映抗氧化劑的還原能力大小，吸光度越大，還原能力越強(qiáng)[18]。如圖2所示，4種木素樣品隨質(zhì)量濃度的增加，吸光度也增加，這說明木素的還原能力隨濃度的增加而增加。還原能力最強(qiáng)的是楊木，還原能力由大到小順序：楊木木素、殘?jiān)舅?、麥草木素、蘆葦木素。DPPH法與

圖2 木素樣品的還原力

三價(jià)鐵還原法都是檢測一種物質(zhì)的抗氧化能力的方法，該三價(jià)鐵還原法與DPPH法測量木素抗氧化性的結(jié)果相吻合。

2.3 木素凝膠色譜分析

凝膠色譜分析檢測方法參考文獻(xiàn)[19]，用GPC測定的4種木素的重均相對(duì)分子質(zhì)量(Mw)、數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量(Mn)和多分散系數(shù)(Mw/Mn)，結(jié)果如表1所示，4種木素的重均相對(duì)分子質(zhì)量介于4 285～3 078。蘆葦木素的重均相對(duì)分子質(zhì)量為4 285最大，殘?jiān)舅氐闹鼐鄬?duì)分子質(zhì)量為3 078最小。蘆葦木素的重均相對(duì)分子質(zhì)量高于楊木木素的重均相對(duì)分子質(zhì)量，造成相對(duì)分子質(zhì)量的差異可能與原料的本身材質(zhì)有關(guān)，此差別與后續(xù)研究抗氧化性有一定的聯(lián)系。從表1可知，4種木素的多分散系數(shù)都小于3，楊木木素(1.54)、蘆葦木素(1.59)和殘?jiān)舅?1.71) 均低于麥草木素(2.28)。有研究表明，木素的抗氧化性與其多分散性有關(guān)，多分散系數(shù)越小，表明物質(zhì)分子質(zhì)量越集中，抗氧化性越強(qiáng)[5]。

表1 木素相對(duì)分子質(zhì)量分布

2.4 木素結(jié)構(gòu) FT-IR分析

圖3 木素樣品的FT-IR分析

3 結(jié) 論

楊木、玉米秸稈乙醇發(fā)酵殘?jiān)?、麥草、蘆葦4種乙醇木素在質(zhì)量濃度為0.025～0.400 mg/mL時(shí)，隨著質(zhì)量濃度增加，4種乙醇木素的抗氧化能力和還原能力分別不斷增強(qiáng)。在質(zhì)量濃度為0.2 mg/mL 時(shí)，楊木乙醇木素對(duì)DPPH自由基清除能力最好，清除率達(dá)70%。而玉米秸稈乙醇發(fā)酵殘?jiān)舅亍Ⅺ湶菽舅?、蘆葦木素質(zhì)量濃度為0.4 mg/mL 時(shí)對(duì)DPPH自由基清除能力達(dá)到最大，清除率分別為71.5%、68.6%、60.7%。楊木、玉米秸稈乙醇發(fā)酵殘?jiān)Ⅺ湶?、蘆葦4種木素中還原能力的結(jié)果也進(jìn)一步證明楊木木素、玉米秸稈乙醇發(fā)酵殘?jiān)舅?、麥草木素、蘆葦木素都有很好的抗氧化性，其中楊木木素抗氧化性最強(qiáng)。木素的抗氧化能力與木質(zhì)纖維素材料的種類相關(guān)。

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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.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31470604,31170554).

田維珍(1992-)，女，碩士研究生；通信作者：周景輝 (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.