杨木APMP废液中半纤维素的羧甲基化改性及其生物活性研究

刘海棠，李 洁

(1.中国轻工业造纸与生物质精炼重点实验室，天津市制浆造纸重点实验室，天津科技大学轻工科学与工程学院，天津300457；2.江苏省生物质能源与材料重点实验室，南京210042；3.天津市海洋资源与化学重点实验室，天津科技大学，天津300457)

自上世纪九十年代出现以来，碱性过氧化氢化学机械法制浆（APMP）以其得率高、污染少、能耗低的特点在现代制浆造纸工业中占据着十分重要的位置[1]。但是，其废液中依然溶有约10%的有机和无机物质，主要的有机物为半纤维素和木素[2]。半纤维素作是地球上含量丰富的可再生物质资源之一，高效利用半纤维素，提高其附加值，不仅能缓解环境问题，还能为制浆造纸企业带来更多的经济效益[3-4]。

半纤维素是由多种单糖连接聚合而成的多聚体[5]。研究表明，多糖与维持生命所需的多种生理功能密切相关：从禾本科植物，木材或者其他纸浆的碱抽出液中分离出的水溶性、微酸性糖类具有抗癌作用[6-7]。由水难溶或不溶性半纤维素经过局部水解得到的水溶性糖类可以获得相同的效果[6]。将半纤维素羧甲基化改性可制备没有毒性的抗癌性物质[6]。宋飞宇等[8]采用醚化法制备羧甲基半纤维素，通过将其与聚酰胺多胺-表绿醇树脂类湿强剂连用，明显提高了纸张的湿抗张指数。冯作化等[9]通过对小鼠给药羧甲基半纤维素，观察到小鼠巨噬细胞的吞噬指数明显增加，说明达到抗肿瘤的效果。WEERASOORIYA等[10]通过将半纤维素与羧甲基化半纤维素混合，制备了性能更好的薄膜。陈婷等[11]从桉木APMP废液中提取半纤维素并进行羧甲基化改性，得到的羧甲基纤维素较半纤维素具有更好的抗氧化性、吸湿保湿性以及抑菌性。

本文从杨木APMP废液中提取半纤维素，并对其羧甲基化改性后，探究了其改性前后杨木半纤维素的抗氧化性和吸湿保湿性。

1 实验

1.1 原料与试剂

杨木APMP废液(山东某造纸厂)；氢氧化钠，无水乙醇，硫酸，碳酸钠，硫酸铵，硫酸亚铁，一氯醋酸，过氧化氢(30%)，水杨酸钠，实验所用试剂均为分析纯；木聚糖(麦克林)。

1.2 实验设备

VOS-60A型真空干燥箱，施都凯仪器设备（上海）有限公司；SHB-III型循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司；DZKW-D-4型电热恒温水浴锅，北京市永光明医疗仪器有限公司；TU-1810型紫外可见分光光度计，北京普析仪器有限责任公司；DSX-24L-I型手提式高压蒸汽灭菌器，上海申安医疗器械厂；1200型高效液相色谱仪，德国Agilent公司；FT-IR650型傅里叶红外光谱仪，天津港东科技发展股份有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 半纤维素提取[11]

取适量APMP废液于烧杯中，用质量分数为72%的硫酸溶液调节废液的pH值为3。然后置于45℃的恒温水浴锅中水浴30 min，使废液中的木质素完全沉淀。水浴后冷却至室温，抽滤，除去木质素。用浓度为6 mol/L的氢氧化钠溶液调节滤液pH值为4，加入体积为调节后滤液体积4倍的无水乙醇，静置12 h以上，抽滤，除去滤液，沉淀物用无水乙醇洗涤3次后真空干燥(40℃，12 h)，得到半纤维素。

1.3.2 羧甲基纤维素制备

称量适量1.3.1中得到的半纤维素和适量的一氯醋酸、氢氧化钠，同时倒入烧杯中，随后加入一定体积的80%乙醇，搅拌均匀，放于80℃水浴锅中加热2 h，冷却，抽滤，残渣用85%的乙醇洗涤3次。将过滤后的残渣进行真空干燥，得到羧甲基半纤维素的粗品。最后，将粗制羧甲基半纤维素复溶于水中，高速离心，收集沉淀，真空干燥，得到的黄褐色粉末为纯化后的羧甲基半纤维素。

1.4 单糖组分鉴定

采用两步酸水解法对制取的半纤维素样品进行处理，然后利用高效液相色谱仪进行检测分析。

准确称取0.5 g半纤维素样品于试管中，并使用移液枪准确吸取3.00 mL 72%的浓硫酸，混匀，放入30℃恒温水浴锅中水浴加热1 h。然后将水解的样品吸取到100 mL的锥形瓶之中。向锥形瓶中加入84.0 mL超纯水，封住瓶口后放入蒸汽灭菌锅中，于121℃灭菌45 min。冷却至室温后，使用一次性针管移取灭菌后的水解的样品过0.22 μm滤膜后于液相瓶中，用高效液相色谱仪进行检测。

1.5 红外光谱测定

分别称取少量的半纤维素、羧甲基半纤维素粉末，与干燥的KBr粉末按质量比1∶100进行压片制样。采用傅里叶红外光谱仪分析半纤维素及羧甲基半纤维素的结构。

1.6 抗氧化性能测定[12]

称取0.2 g样品于50 mL小烧杯，加入2 mL蒸馏水，充分溶解后，用移液枪吸取1.0 mL于一号试管中；再往烧杯中加2 mL蒸馏水，用移液枪吸取1.0 mL于二号试管中，以此类推，得到等浓度梯度的稀释样液。用移液枪移取2 mL浓度为2 mmol/L的FeSO4溶液、2 mL浓度为6 mmol/L的H2O2溶液，混合后充分摇匀，静置10 min后，再移取2 mL浓度为2 mmol/L的水杨酸钠，混合均匀后置于37℃水浴中静置30 min，用紫外分光光度计于510 nm波长处测定混合物的吸光值A1；同样的操作步骤，用等体积蒸馏水代替样液，测定吸光度值A0；不加水杨酸，用等体积蒸馏水代替，加入不同浓度样液，同法的操作步骤，测定吸光度值A2。以样品溶液浓度为横坐标，羟基自由基清除率为纵坐标，建立样品溶液浓度与羟自由基清除率关系的曲线。羟基自由基清除率根据式(1)计算。

1.7 吸湿性能和保湿性能的测定[11]

1.7.1 吸湿性能

称取2份0.5 g样品，分别放入烘至恒重的称量瓶中，将称量瓶分别放置在两个不同的干燥器中，一个干燥器内放有饱和的硫酸铵溶液（相对湿度81%），另一个干燥器内放有饱和的碳酸钠溶液（相对湿度81%），放置时间分别为12、24、48 h。分别在标准状态（室温20℃±1℃，相对湿度60%±5%）下称量样品放置前的质量mo和放置后的质量mn。根据式（2）计算吸湿率。

1.7.2 保湿性能

室温下，精确称取2份0.5 g样品，分别加入到烘至恒重的称量瓶中，再加入质量为干燥样品量10%的去离子水。将称量瓶分别放置在两个的不同干燥器中，一个干燥器内放有饱和碳酸钠溶液（相对湿度43%），另一个干燥器内放有干硅胶（相对湿度10%），放置时间为12、24、48 h。在标准状态（室温20℃±1℃，相对湿度60%±5%）下称量添加蒸馏水（样品质量的10%）的样品质量mo以及其放置一定时间后的样品质量mt。根据式（3）计算保湿率。

2 结果与讨论

2.1 半纤维素的红外光谱测定

由图1可知，898 cm-1存在β-D-木糖的特征吸收峰，是β-吡喃环C—H的伸缩振动引起的，说明糖单元之间以β-糖苷键连接。在1 129 cm-1处是糖单元醚键（C—O—C）伸缩振动吸收峰，是半纤维素的特征吸收峰。酰基在1 618cm-1处表现出较强的伸缩振动峰。3 439 cm－1处较强的羟基伸缩吸收峰，表明其羟基的含量较高。在1 000 cm-1和1 170 cm－1之间的谱带是木聚糖的典型吸收峰。由于提取的半纤维素具有木聚糖最典型的特征吸收峰，由此可以充分说明废液中提取的半纤维素是木 聚 糖 类 半 纤 维 素[13－14]。

图1 杨木半纤维素与杨木羧甲基半纤维素的红外光谱图

比较改性前后的半纤维素的红外光谱图可以看出，羧甲基化半纤维素在1 417 cm-1处有明显的吸收峰，其是由醚化剂取代基上甲基基团产生的吸收峰，并使1 112 cm-1处的醚键不对称伸缩振动的吸收峰增强。而且羧甲基化半纤维素在3 421 cm-1处的吸收峰明显增强，分析其原因是由于在碱催化下，醚化剂与半纤维素形成羟烷基阳离子半纤维素，使羧甲基化半纤维素大分子链上的羟基数量明显增加，造成3 421 cm-1处的吸收峰明显增强。由以上分析结果可以确定，醚化剂与半纤维素已经发生了反应，并接枝到半纤维素分子中，羧甲基半纤维素的制备是成功的。

表1 是同一批半纤维素经元素分析得到的碳含量以及这批半纤维素羧甲基化之后得到的羧甲基半纤维素的碳含量。显然由于羧甲基的引入，氧的含量会有所增加，这时碳元素所占的比例就会相对减少，也就从侧面证明了羧甲基的引入是成功的[15]。

表1 半纤维素和羧甲基半纤维素的碳含量

2.2 半纤维素单糖组分测定

表2 为杨木半纤维素的单糖组分测定结果。从表2中可以看出：从杨木APMP废液中提取的半纤维素主要由木糖组成，含量为45.28%，其次是葡萄糖，含量为38.95%，还有11.97%的阿拉伯糖。通过其组成可以得出，木聚糖是杨木APMP废液中半纤维素的主要组成。

表2 杨木半纤维素的单糖组分测定结果

2.3 抗氧化性能分析

由于羟基自由基化学性质非常的活泼，几乎与细胞内各类有机物反应，是造成组织脂质过氧化、蛋白质解聚与聚合、核酸断裂、多糖解聚的重要活性氧，而羟基自由基清除率是反应抗氧化作用的重要指标。由图2可知，在实验质量浓度范围内，杨木半纤维素和羧甲基半纤维素对羟基自由基均有着良好清除能力，其清除效果与样品添加量均呈正相关性，并呈现出良好的量效关系。实验结果表明：杨木羧甲基半纤维素的质量浓度在0.005~0.035 g/mL范围内时，对羟基自由基的清除率较同浓度的半纤维素的清除率高。达到饱和后，杨木半纤维素的羟基清除率稳定在98.52%左右，而羧甲基纤维素的羟基清除率在97.93%左右，两者相差不大。

图2 杨木羧甲基半纤维素与杨木半纤维素对羟基自由基清除作用的比较

2.4 吸湿性能分析

杨木半纤维素和杨木羧甲基半纤维素在相对湿度43%时的吸湿率随时间变化如图3所示。从图3可以看出：在相对湿度为43%的低湿度环境中，杨木羧甲基半纤维素的吸湿率一直稳定提升，且大于杨木纤维素的吸湿率。

图3 饱和碳酸钠中各样品的吸湿率

杨木半纤维素和杨木羧甲基半纤维素在相对湿度81%时的吸湿率随时间变化如图4所示。在硫酸铵制造的高湿度环境下，在前24 h中，杨木羧甲基半纤维素的吸湿率增加较快，说明了其具有良好的吸湿作用。在48 h后，杨木羧甲基半纤维素和杨木半纤维素的吸湿率变化渐渐减小。

图4 饱和硫酸铵中各样品的吸湿率

2.5 保湿性能分析

在不同湿度环境下各样品的保湿率变化如图5所示。从图5可以看出：杨木半纤维素、杨木羧甲基半纤维素在干硅胶(相对湿度10%)和饱和硫酸铵(相对湿度81%)中的保湿率随时间变化，在干硅胶中羧甲基化半纤维素的保湿性明显优于未改性半纤维素。在高相对湿度的环境下，样品中依旧是羧甲基半纤维素的保湿性最好。

图5 不同湿度环境下样品的保湿率变化

3 结束语

本文从杨木APMP废液中提取半纤维素并进行羧甲基化，通过红外光谱和碳含量分析证明了半纤维素成功被羧甲基化。对改性前后的半纤维素进行生物活性测定，发现二者对羟基自由基有着良好的清除效果，而杨木羧甲基半纤维素相对未改性半纤维素只需要更小的浓度便可达到较好的抗氧化性能。此外，杨木羧甲基半纤维素的吸湿性和保湿性也都优于杨木半纤维素，证明羧甲基化后的杨木半纤维素具有更好的吸湿和保湿性能。