陳 琳， 劉海棠,2,3

（1.中國輕工業(yè)造紙與生物質(zhì)精煉重點實驗室，天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457；2.江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點實驗室，南京 210042；3.天津市海洋資源與化學(xué)重點實驗室，天津 300457）

中國秸稈種類主要為水稻、小麥、玉米等。2017年我國的秸稈可收集資源量為約7億t，其中玉米秸稈資源量最大，約為2.43億t[1-2]。據(jù)報道，大約有一半以上的玉米秸稈因為收集和運輸不便而被直接丟棄或焚燒，無法得到充分利用[3]，這不僅是對資源的浪費，同時也污染了環(huán)境。因此，尋找更加高效綠色的玉米秸稈處理技術(shù)對減緩環(huán)境污染和能源緊缺等狀況具有重要意義[4]。

玉米秸稈作為制漿原料時，主要被應(yīng)用的是其中的纖維素，半纖維素及木質(zhì)素則隨著廢液排放被浪費掉。近些年，半纖維素由于結(jié)構(gòu)的多樣性在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，因而受到人們的關(guān)注。玉米秸稈預(yù)水解液的主要成分為木質(zhì)素和半纖維素，提取純化其中的半纖維素，并進行改性應(yīng)用研究，能夠提高生物質(zhì)資源的利用率，減少環(huán)境污染。

半纖維素是由兩種或兩種以上的聚糖相互交織在一起形成的一類物質(zhì)的總稱，不同植物種類的半纖維素組分和含量是完全不一樣的。近年來，半纖維素(低聚木糖)在生物和醫(yī)藥行業(yè)的潛力逐漸被人們發(fā)掘出來，利用半纖維素?zé)o毒、抗微生物等優(yōu)點，可以在血漿代用品、活性疫苗和控制藥物釋放載體等方面進行應(yīng)用[5-6]。在食品生產(chǎn)中，半纖維素可以作為食品中的黏合劑、增稠劑使用。

對羥基苯甲酸酯是一種被添加于化妝品、藥品、食品中的防腐劑，其具有優(yōu)良的抑菌特性，對革蘭氏陽性菌、酵母菌、霉菌具有較強的抑制作用。但是，有研究發(fā)現(xiàn)對羥基苯甲酸酯有雌激素效應(yīng)，同時對羥基苯甲酸酯對人類皮膚有輕微的刺激性。因此，如能尋求一種無污染、無毒性的防腐劑取代物將是一個技術(shù)飛躍[7]。

本論文以從玉米秸稈預(yù)水解液中提取的半纖維素為原料，加入一定量的對羥基苯甲酸于均相介質(zhì)N，N-二甲基乙酰胺/氯化鋰體系中，通過不同條件下的改性處理，以獲得理想取代度的半纖維素酯，并探究了其反應(yīng)機理和抗氧化性、保濕性、吸濕性。

1 實驗

1.1 原料與試劑

玉米秸稈預(yù)水解液，山東五小征生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司。硫酸、無水乙醇、氫氧化鈉、對羥基苯甲酸、無水氯化鋰、二甲基乙酰胺、吡啶、酚酞、DPPH、硫酸銨、碳酸鈉、五氧化二磷，均為分析純，溴化鉀為色譜純，購于天津市康科德科技有限公司。D-(+)-葡萄糖、L-(+)-阿拉伯糖、D-(+)-木糖，均為色譜純，購于Sigma公司。

1.2 實驗設(shè)備

YA28X-4T型立式壓力蒸汽滅菌器、HHS-21-4型電熱恒溫水浴鍋，上海博訊有限公司；VOS-60A型真空干燥箱，上海施都凱儀器設(shè)備公司；DKM610C型電熱鼓風(fēng)干燥箱，日本雅馬拓公司；SHB-III型循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科工貿(mào)易有限司；N-1100型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海愛朗儀器有限司；1200 series型高效液相色譜儀，德國愛捷倫公司；FTIR-650型傅里葉紅外光譜分析儀，天津港東科技發(fā)展股份有限公司；RH basic型磁力攪拌器，德國IKA公司；Q50型熱重分析儀，美國TA公司；AR2140型電子天平、STARTER3100型酸度計，奧豪斯儀器（常州）有限公司；XRD-6100型X射線衍射儀，日本島津公司；TU-1810型紫外可見分光光度計，北京普析儀器有限責(zé)任公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 半纖維素的提取

取適量的玉米秸稈預(yù)水解液于1000 mL燒杯中，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%的濃硫酸調(diào)節(jié)預(yù)水解液pH值為1.7左右。然后，將調(diào)節(jié)好pH的預(yù)水解液置于45℃恒溫水浴中，水浴30～45 min，使預(yù)水解液中的木素可以較完全地沉淀。待預(yù)水解液冷卻至室溫后，對其進行抽濾，除去底部沉淀物（主要成分為木素），得到透明且無懸浮物的濾液。加入體積為濾液體積3倍的無水乙醇，靜置24 h以上，出現(xiàn)明顯分層，再次將其抽濾，用無水乙醇洗滌抽濾后的濾渣3次，然后將濾渣置于真空干燥箱中（12 h，40℃），得到的粉末狀固體即為半纖維素。

1.3.2 對羥基苯甲酸半纖維素酯的合成

取適量的對羥基苯甲酸粉末，置于200 mL燒杯中，加入一定量的上述過程中提取得到的半纖維素，反應(yīng)在均相介質(zhì)N，N-二甲基乙酰胺/氯化鋰體系中進行，用5 mL吡啶作為催化劑，75℃下反應(yīng)30 min，反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，加入3倍體積的無水乙醇于反應(yīng)混合物中，充分?jǐn)嚢?，待沉淀完全后離心，將得到的沉淀物用無水乙醇洗滌3次，真空干燥至衡重，所得到的固體即為對羥基苯甲酸半纖維素酯[8]。

1.4 半纖維素中的單糖組分分析

采用兩步酸水解法對制取的半纖維素樣品進行處理，然后利用高效液相色譜法進行檢測分析。

準(zhǔn)確稱取0.5 g半纖維素樣品于小燒杯中，并加入3 mL 72%的濃硫酸，混合均勻，放入30℃恒溫水浴鍋中水浴加熱1 h，然后將經(jīng)濃硫酸水解后的樣品轉(zhuǎn)移到100 mL錐形瓶之中，用超純水沖洗小燒杯，將洗液轉(zhuǎn)移到錐形瓶中，前后超純水體積共約84 mL，這樣就可將72%的濃硫酸稀釋成為4%的稀硫酸。然后，使用錫箔紙封住錐形瓶的瓶口，再使用牛皮紙封住錐形瓶的瓶口，將錐形瓶放入蒸汽滅菌鍋中，蒸汽滅菌鍋的溫度設(shè)置為121℃，45 min后將錐形瓶從蒸汽鍋中取出，待錐形瓶中的試樣冷卻至室溫后，使用一次性針管注射器移取試樣于液相小瓶之中，同時使用水系濾膜濾去試樣中可能存在的濾渣。隨后，把液相瓶放入高效液相色譜儀中進行檢測。

1.5 半纖維素中的酸溶木素含量測定

取一部分上述兩步酸水解法得到的溶液，用0.45 μm的濾膜過濾除去不溶物，將濾液用紫外分光光度計在205 nm處測量其吸光度。半纖維素中酸溶木素的含量可以根據(jù)式（1）計算[9]。

式中：ε為吸收系數(shù)，取110 L/（g·cm）；D為稀釋倍數(shù)；A為吸光度；L為比色皿厚度，一般為1 cm；ω為木素含量，g/L。

1.6 對羥基苯甲酸半纖維素酯的取代度測定

稱取0.2 g對羥基苯甲酸半纖維素酯于250 mL燒杯中，加入80 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的乙醇溶液，待其溶解后，加入40 mL 0.1 mol/L的NaOH溶液，充分?jǐn)嚢?0 min后靜置，然后用4%硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液進行滴定，以酚酞作為指示劑。溶液由紅色剛剛變?yōu)闊o色時，滴定終止，并記錄此時消耗的硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積。此外，在酯化過程中，對羥基苯甲酸半纖維素酯會發(fā)生少量的降解而消耗微量的堿，因而需用制備的半纖維素作為空白樣品進行滴定。對羥基苯甲酸半纖維素酯的取代度（DS）根據(jù)式（2）計算。

式中：nz為每克樣品所含酯基的量，mmol；V為樣品與空白樣品所用的硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積值之差，mL；c為硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的濃度，mol/L；m為試樣的質(zhì)量（以木糖計），g。

1.7 紅外光譜（FTIR）表征

用傅里葉紅外光譜儀對對羥基苯甲酸半纖維素酯進行結(jié)構(gòu)分析。將待測的對羥基苯甲酸半纖維素酯和溴化鉀（KBr）在105℃下烘干4 h。將少量待測樣和KBr以m（待測樣）∶m（KBr）=1∶100的比例進行充分研磨，壓片制樣，壓力為10 MPa，時間為60 s，掃描范圍400～4000 cm-1，分辨率為4 cm-1。

1.8 抗氧化性評價

采用測定DPPH自由基清除率的方法[10]對從預(yù)水解液中提取的半纖維素及對羥基苯甲酸半纖維素酯進行抗氧化性能評價。

比色法測定DPPH自由基清除率的原理主要是，DPPH自由基上的孤對電子與自由基清除劑提供的一個電子配對，使原本呈紫色的溶液變?yōu)辄S色，在517 nm處的吸光度發(fā)生改變。所以，當(dāng)向DPPH溶液中加入具有抗氧化性的對羥基苯甲酸半纖維素酯溶液時，半纖維素酯和對羥基苯甲酸上的未取代羥基會與DPPH自由基上的孤對電子配對，從而在517 nm處的吸光度降低，溶液變?yōu)辄S色[11]。

半纖維素溶液的制備：準(zhǔn)確稱取40 mg半纖維素，溶解于8 mL蒸餾水中，得到質(zhì)量濃度為5 mg/mL的半纖維素溶液，再分別將其稀釋成0.3125、0.625、1.25、2.5 mg/mL系列質(zhì)量濃度的半纖維素溶液。分別吸取2 mL不同質(zhì)量濃度的半纖維素溶液置于試管中，每支試管加入2 mL配制好的0.03 mmol/L DPPH溶液，充分搖勻后室溫下避光反應(yīng)30 min，在517 nm波長處測定各溶液的吸光度，記為Ai；另取2 mL不同質(zhì)量濃度的半纖維素溶液置于試管中，每支試管加入2 mL的無水乙醇，混勻后避光30 min，在同一波長下測定其吸光度，記為Aj；空白對照：量取2 mL 0.03 mmol/L的DPPH溶液，加入2 mL無水乙醇，混勻后室溫避光放置30 min，同一波長下測定其吸光度，記為A0。按照上述實驗步驟，用對羥基苯甲酸半纖維素酯代替半纖維素配置不同質(zhì)量濃度的溶液，其他條件保持不變。DPPH自由基清除率根據(jù)式（3）計算。

1.9 吸濕性和保濕性測定

1.9.1 吸濕性

室溫下，分別稱取0.2 g半纖維素和0.2 g對羥基苯甲酸半纖維素酯各2份，分別放入稱量瓶中，將每種樣品的2個稱量瓶分別放置在不同的干燥器中，一個干燥器內(nèi)放有飽和的硫酸銨溶液（相對濕度為81%），另一個干燥器內(nèi)放有飽和的碳酸鈉溶液（相對濕度為43%），放置時間為12、24、48 h。稱量放置后的質(zhì)量，根據(jù)式（4）計算吸濕率。

式中：m0和m1分別是原樣品質(zhì)量和置于干燥器后的樣品質(zhì)量。

1.9.2 保濕性

5.實習(xí)基地的頂崗實習(xí)和經(jīng)驗總結(jié)。依據(jù)人才培養(yǎng)方案，安排、組織最后一學(xué)期的實習(xí)，將所學(xué)理論知識運用于教學(xué)實踐，實地訓(xùn)練，鍛煉能力、積累經(jīng)驗、反思內(nèi)化。

室溫下，分別稱取0.2 g半纖維素和0.2 g對羥基苯甲酸半纖維素酯各2份，分別放入稱量瓶中，向稱量瓶中滴加去離子水（樣品質(zhì)量的10%），稱其質(zhì)量，記為m0。將每種樣品的2個稱量瓶分別放置在不同的干燥器中，一個干燥器內(nèi)放有飽和的碳酸鈉溶液（相對濕度為43%），另一個干燥器內(nèi)放置干硅膠（相對濕度為10%），放置時間為12、24、48、72 h。稱量放置后的質(zhì)量m1，根據(jù)式（5）計算保濕率。

2 結(jié)果與討論

2.1 半纖維素的提取

表1是pH值對從預(yù)水解液中提取半纖維素的影響。由表1可知：pH對半纖維素的提取影響較大，當(dāng)pH=3時，僅能從預(yù)水解液中提取到少量的半纖維素；進一步降低pH=1.7時，半纖維素提取量大幅提高，此時的pH為提取半纖維素的較適宜條件。提取所得的半纖維素為淺黃色，是由于實驗條件有限，制取的半纖維素中摻雜一些木素以及其他含發(fā)色基團的物質(zhì)，并未得到純凈的半纖維素。若要獲得純度更高的半纖維素，對此實驗步驟及條件還需進一步優(yōu)化。

表1 pH值對從預(yù)水解液中提取半纖維素的影響

2.2 半纖維素的單糖組分

玉米秸稈預(yù)水解液中半纖維素的單糖組分見表2。從玉米秸稈預(yù)水解液中提取的變性半纖維素的單糖組分主要為葡萄糖、木糖、阿拉伯糖，且木糖含量最高，占68.54%，其次是葡萄糖，含量為28.82%，其中還含有2.64%的阿拉伯糖。綜上可以看出，木聚糖是玉米秸稈預(yù)水解液中的半纖維素的主要組成。

表2 玉米秸稈預(yù)水解液中半纖維素的單糖組分

2.3 半纖維素的木素含量

用紫外分光光度計在205 nm處測量半纖維素酸溶液的吸光度，結(jié)果見表3。根據(jù)式(1)計算可得木素含量為0.102 8 g/L。

表3 半纖維素酸溶液在205 nm處的吸光度

2.4 對羥基苯甲酸半纖維素酯的取代度

圖1是對羥基苯甲酸用量對對羥基苯甲酸半纖維素酯取代度的影響。有圖1可以看出：當(dāng)對羥基苯甲酸與半纖維素物質(zhì)的量比1時，對羥基苯甲酸半纖維素酯的取代度最大，為0.84；當(dāng)對羥基苯甲酸與半纖維素物質(zhì)的量比由0.5增大為1時，取代度增加；繼續(xù)增加羥基苯甲酸用量，則取代度持續(xù)降低。由此可知，在相同的溫度和反應(yīng)時間的條件下，取代度達到一定數(shù)值時，繼續(xù)增加羧酸用量不僅不能增大取代度，反而會導(dǎo)致取代度降低。周慧芳[12]測量了不同半纖維素與肉桂酸比例下半纖維素衍生物的取代度，結(jié)果表明，隨著肉桂酸用量的增加取代度隨之增大，但當(dāng)達到最大取代度后，繼續(xù)增加肉桂酸的用量，不僅不會增大或者維持在一個穩(wěn)定的取代度，反而會導(dǎo)致取代度逐漸降低。這與本實驗中取代度數(shù)值先增加后降低的規(guī)律是相符合的。

圖1 對羥基苯甲酸用量對對羥基苯甲酸半纖維素酯取代度的影響

在本實驗中，對羥基苯甲酸半纖維素的最佳合成條件為：反應(yīng)時間30 min，反應(yīng)溫度75℃，對羥基苯甲酸與半纖維素物質(zhì)的量比為1。此時，對羥基苯甲酸半纖維素的最大取代度為0.84。以下關(guān)于對羥基苯甲酸半纖維素的表征及生物活性的探究都采用此條件下的產(chǎn)物。

2.5 紅外光譜（FTIR）分析

從圖2半纖維素和對羥基苯甲酸半纖維素酯的紅外光譜圖中可以看出：1123～983 cm-1范圍內(nèi)的吸收峰是木聚糖的典型標(biāo)志；1196～983 cm-1是C—OH的伸縮振動區(qū)間；糖單元上的羥基在3364 cm-1處有特征峰；在2924 cm-1處的吸收峰歸屬于C—H的伸縮振動；在1745 cm-1處的吸收峰歸屬于酯基（—COO—）的伸縮振動，表明半纖維素與對羥基苯甲酸已經(jīng)反應(yīng)生成對羥基苯甲酸半纖維素酯。

圖2 半纖維素和對羥基苯甲酸半纖維素酯的FTIR圖譜

2.6 抗氧化性

由圖3可以看出：半纖維素和對羥基苯甲酸半纖維素酯對DPPH自由基都有一定的清除率，且清除率隨溶液濃度的增加而提升。當(dāng)溶液質(zhì)量濃度為5 mg/mL時，對羥基苯甲酸半纖維素酯對DPPH自由基的清除率達到90.30%，而相同濃度半纖維素對DPPH自由基的清除率只有30.64%,可見對羥基苯甲酸半纖維素酯對DPPH自由基的清除能力大大優(yōu)于半纖維素，說明對羥基苯甲酸半纖維素酯相比半纖維素具有良好的抗氧化能力。

圖3 對羥基苯甲酸半纖維素酯與半纖維素對DPPH自由基的清除作用比較

2.7 吸濕、保濕性

2.7.1 吸濕性

圖4是在相對濕度分別為43%和81%的環(huán)境中半纖維素、對羥基苯甲酸半纖維素酯的吸濕性。從圖4中可以看出：對比兩種樣品的吸濕性，對羥基苯甲酸半纖維素酯比半纖維素更優(yōu)異，而且在相對濕度為43%的環(huán)境中其吸濕性略強。

圖4 半纖維素和對羥基苯甲酸半纖維素酯的吸濕性

2.7.2 保濕性

圖5是在不同相對濕度條件下下半纖維素和對羥基苯甲酸半纖維素酯的保濕性。從圖5可以看出：對比兩種樣品的保濕性，在兩種濕度環(huán)境下，半纖維素的保濕率要比對羥基苯甲酸半纖維素酯下降的幅度大，由此可以得出在本文兩種濕度環(huán)境下，對羥基苯甲酸半纖維素酯的保濕效果要優(yōu)于半纖維素；而且，同種樣品在10%相對濕度環(huán)境下的水分流失要比在43%相對濕度環(huán)境下更少一些。

圖5 半纖維素和對羥基苯甲酸半纖維素酯的保濕性

根據(jù)對半纖維素和對羥基苯甲酸半纖維素酯的吸濕性、保濕性的分析可知，半纖維素酯化有利于改善半纖維素的吸濕性和保濕性，半纖維素酯化產(chǎn)物具有較強的吸濕性和保濕性。

3 結(jié)論

本文從玉米預(yù)水解液中提取半纖維素，對其進行純化后，再與對羥基苯甲酸進行酯化反應(yīng)，制備得到對羥基苯甲酸半纖維素酯。

在實驗過程中對羥基苯甲酸半纖維素酯的取代度相對較高，說明反應(yīng)進行比較完全。在相同濃度條件下，對羥基苯甲酸半纖維素酯的抗氧化性（對DPPH自由基的清除率）優(yōu)于半纖維素。半纖維素經(jīng)過酯化改性得到的對羥基苯甲酸半纖維素酯在吸濕性能和保濕性能方面都有明顯的提高。綜上，對羥基苯甲酸半纖維素酯具有良好的抗氧化性，其吸濕性和保濕性均優(yōu)于半纖維素，有望在化妝品、食品和藥品行業(yè)中進一步開發(fā)利用。