油茶殼木質素理化性質及表征

李 晗,楊威嶺,楊宗玲,范方宇,*,王昌命

(1.西南林業(yè)大學林學院,云南昆明 650224; 2.西南林業(yè)大學生命科學學院,云南昆明 650224)

油茶是我國特有的木本油料植物,種植面積437萬hm2,在全國木本食用油料面積中占比達80%[1-2]。油茶殼是茶油加工的副產物,占其鮮重的50%～60%。油茶殼成分較復雜,包括木質素、纖維素、半纖維素、黃酮、原花青素、茶皂素、單寧等成分[2],但油茶殼中約含5%～14%的皂苷,直接丟棄可能會引起水的起泡性從而造成環(huán)境污染[1]。因此,油茶殼的綜合利用是油茶殼研究的熱點。一方面,油茶殼具有豐富的纖維素、半纖維素、木質素,通過熱化學轉化可轉變?yōu)樯锬芑蛏镔|[3];另一方面,油茶殼木質素含量約52%,是開發(fā)優(yōu)質膳食纖維的原材料。木質素作為世界上僅次于纖維素的第二大天然高分子聚合物,具有增強免疫、抗氧化、結合膽酸鹽和抑制癌細胞等特性,在食品、醫(yī)藥、工業(yè)等具有廣泛的用途[4-5]。

近年來,學者們對木質素的開發(fā)利用進行各種深入研究。崔曉芳等[6]采用微波輔助堿法提取油茶殼木質素,并對結構進行了表征。結果表明,KOH濃度0.7 mol/L、料液比1∶70 (g/mL)、微波功率550 W、微波時間60 min時,木質素得率為11.45%,紫外和紅外圖譜分析了所提木質素的芳香結構。Xie等[7]研究了美人蕉渣木質素對α-D-葡萄糖苷酶的抑制作用,發(fā)現(xiàn)葡萄糖苷酶上存在木質素的單個結合位點,氫鍵、疏水相互作用和范德華力是木質素與α-D-葡萄糖苷酶結合的主要驅動因素,木質素對α-D-葡萄糖苷酶有明顯的抑制活性,最大抑制濃度為(5.3±0.3) μmol/L,為糖尿病治療提供了一種潛在的α-D-葡萄糖苷酶抑制劑,可用于特定功能性食品的加工。龔衛(wèi)華等[5]對麻竹筍筍殼醋酸木質素的結構及抗氧化特性進行了研究,結果發(fā)現(xiàn)提取的醋酸木質素熱穩(wěn)定性好,抗氧化力顯著高于相同來源的粗膳食纖維和纖維殘渣,可用于抗氧化劑的制作。

目前,關于油茶殼木質素的研究較少?；诖?本研究以油茶殼為原料,分別提取了油茶殼中的醋酸木質素和堿木質素,并對這兩種木質素的水合性、結合脂肪力、抗氧化性、吸濕性、熱穩(wěn)定性等進行了分析,以便更好的了解油茶殼木質素的理化和結構特性,為油茶殼木質素的綜合開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

油茶殼(富寧油茶) 云南文山;無水乙醇、95%乙醇 天津市致遠化學試劑有限公司;氫氧化鈉、冰醋酸、鹽酸、硫酸分析純 云南楊林工業(yè)開發(fā)區(qū)汕滇藥業(yè)有限公司。

CRT-400高速多功能粉碎機 永康市超然電器有限公司;DHG-9240A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海齊欣科學儀器有限公司;DZKW-4電熱恒溫水浴鍋 北京中興偉業(yè)儀器有限公司;DF-101S恒溫加熱水油浴磁力攪拌鍋 上海力辰邦西儀器科技有限公司;IKA RV10立式旋轉蒸發(fā)儀 南京榮華科學器材有限公司;5804R臺式冷凍離心機 德國艾本德股份公司;UV-2600紫外可見分光光度計、IRPrestige-21傅立葉變換紅外光譜儀 日本島津公司;Vario EL cube元素分析儀 德國艾力蒙塔公司;Setsys EVO熱重分析儀 法國賽特拉姆公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料預處理 油茶殼除雜、洗凈,于60 ℃恒溫干燥箱中干燥12 h,粉碎、過60目篩,收集篩下樣品。油茶殼粉按料液比1∶10 (g/mL)與去離子水混合,95 ℃水浴2 h(除去部分可溶性成分,并使部分木質素與纖維素、半纖維素連接鍵斷裂,促進木質素提取),5000 r/min離心10 min,沉淀于60 ℃烘干,得油茶殼粗膳食纖維,干燥器保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 油茶殼木質素的提取

1.2.2.1 醋酸木質素 參照龔衛(wèi)華等[5]的方法,稱取一定質量油茶殼粗膳食纖維,按料液比1∶20 (g/mL)加入體積分數(shù)87%的醋酸溶液,并加入6%的HCl為催化劑,114 ℃油浴鍋中攪拌80 min后,5500 r/min離心10 min,并用87%醋酸沖洗沉淀,離心,合并收集上清液。上清液于旋轉蒸發(fā)儀中濃縮至50 mL,將濃縮液加入500 mL去離子水中沉淀,5500 r/min離心20 min,并用0.1 mol/L HCl(調節(jié)pH)沖洗3次,沉淀于60 ℃烘箱干燥12 h,得油茶殼醋酸木質素。純度以相對于酸不溶性木質素(Klason)表示[8]。

1.2.2.2 堿木質素 參照張坤[9]的方法,稱取一定質量油茶殼粗膳食纖維,按料液比1∶20 (g/mL)加入濃度2.4 mol/L的NaOH溶液,74 ℃水浴鍋攪拌3.1 h,5500 r/min離心10 min,收集上清液。以醋酸中和上清液pH為5.5,濃縮上清液至50 mL,加入3倍體積95%乙醇,攪拌、離心除去半纖維素,取上清液。再次濃縮至50 mL,用6 mol/L HCl調pH至1.5～2.0,靜置、離心,用0.1 mol/L HCl洗滌,沉淀60 ℃烘箱干燥12 h,得油茶殼堿木質素。純度以相對于酸不溶性木質素(Klason)表示[8]。

1.3 油茶殼木質素的性能測定

1.3.1 基本成分測定

1.3.1.1 元素分析 采用元素分析儀測定樣品中C、H、N、S含量,O含量采用差減法。

1.3.1.2 工業(yè)分析 參照GB/T 212-2008。包括水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳。

1.3.1.3 酸不溶性木質素(Klason)含量 參照Gong等[10]的方法,將300 mg木質素加入5 mL 72%(w/w)硫酸,30 ℃水浴1 h促進水解,水解后用去離子水稀釋硫酸濃度至4%(w/w)。稀釋后的水解液于高壓水熱反應釜中在121 ℃環(huán)境加熱1 h后,冷卻至室溫,用恒重的G3砂芯漏斗過濾,殘留在漏斗中的固體殘留物于105 ℃烘干至恒重,即為Klason木質素。Klason木質素含量按式(1)計算。

Klason木質素(%)=(濾渣和漏斗質量-漏斗質量)/樣品質量×100

式(1)

1.3.2 理化性質測定

1.3.2.1 持水力 參照Rodríguez-Gutiérre等[11]的方法。取0.300 g樣品于離心管中,加入15.0 mL去離子水,混勻,室溫靜置24 h,5000 r/min離心10 min,棄上清液,稱量。持水力按式(2)計算。

持水力(g/g)=(離心后樣品質量-離心前樣品質量)/干樣品質量

式(2)

1.3.2.2 溶脹力 參照Rodríguez-Gutiérre等[11]的方法。取0.300 g樣品于10 mL量杯中,加入8.0 mL去離子水,振蕩均勻,室溫靜置24 h,觀察樣品的自由膨脹體積。溶脹力按式(3)計算。

膨脹力(mL/g)=(樣品膨脹體積-干樣品體積)/干樣品質量

式(3)

1.3.2.3 脂肪結合力 參照陳利梅等[12]的方法進行測定。飽和脂肪結合力:取0.250 g樣品于離心管中,加入10.0 g豬油,靜置1 h,10000 r/min離心10 min,棄上層油,稱重。不飽和脂肪結合力:取0.250 g樣品于離心管中,加入10.0 g玉米油,靜置1 h,10000 r/min離心10 min,棄上層油,稱重。脂肪結合力按式(4)計算。

脂肪結合力(g/g)=(離心后樣品質量-離心前樣品質量)/干樣品質量

式(4)

1.3.2.4 DPPH自由基清除力 參照龔衛(wèi)華等[5]的方法,略有改動。取6.00 mg樣品于20.0 mL試管中,加入3.50 mL濃度0.060 mmol/L的DPPH溶液(甲醇為溶劑),振蕩2 min,室溫條件避光反應30 min后,8000 r/min離心5 min,取上清液,在波長517 nm處測定樣品吸光值。同時測定空白組和對照組吸光值(甲醇溶液代替DPPH溶液所測吸光值)。DPPH自由基清除力按式(5)計算。

表1 油茶殼及其組分的成分分析Table 1 Properties of Camellia oleifera shell and lignin

DPPH自由基清除力(%)=[1-(樣品組吸光值-空白組吸光值)/對照組吸光值]×100

式(5)

1.3.2.5 吸濕性 參照龔衛(wèi)華等[5]的方法。將一定量的干燥樣品置于恒重的稱量皿中,稱重,放入溫度25 ℃、相對濕度75%的恒溫培養(yǎng)箱中,每隔1 h對樣品進行稱重。吸濕率按式(6)計算。

吸濕率(%)=(吸濕后樣品質量-吸濕前樣品質量)/吸濕前樣品質量×100

式(6)

1.3.3 結構表征 測試樣品于105 ℃環(huán)境干燥4 h除去水分后進行表征分析。

1.3.3.1 紫外光譜(UV)測定 取少量樣品溶于無水乙醇,并以無水乙醇為空白,用紫外分光光度計測其在200～800 nm范圍內的吸收光譜。

1.3.3.2 紅外光譜(FTIR)測定 KBr壓片法處理樣品。取少量樣品與KBr粉末混勻并充分研磨。于壓片機內壓成薄片后取出,放入紅外光譜儀中掃描,掃描范圍4000～400 cm-1。

1.3.3.3 熱重(TG-DTG)分析 為研究樣品熱穩(wěn)定性及熱失重行為,采用熱失重分析儀測試樣品質量-溫度變化關系。取10.0 mg樣品,氮氣為載氣,以20 ℃/min升溫速率,溫度范圍50～900 ℃。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實驗重復3次,結果以(平均值±標準差)表示。采用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行顯著性檢驗(t檢驗),Excel 2010軟件繪制表格,Origin 2017軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 油茶殼及其組分的基本成分分析

油茶殼、醋酸木質素、堿木質素基本成分分析見表1。

木質素提取過程中常見雜質為木質素相關的碳水化合物水合物,形成的木質素-碳水化合物復合物[10]。表1可知,油茶殼中木質素含量為54.11%,經(jīng)提取后的醋酸木質素純度可達91.87%(P<0.01),堿木質素純度達93.37%(P<0.01),表明兩種木質素純度均較高,堿法提取的木質素純度較醋酸法提高了1.50%。可能是堿水解過程更好的分解了油茶殼中的半纖維素及雜質,同時裂解了木質素-碳水化合物鍵,碳水化合物更多的從配合物中分離出來[10],提高了堿木質素純度。

元素分析中,根據(jù)C、H、O、N、S的含量和相對原子質量計算C9分子式,可反映木質素單位的平均組成[10]。表1可知,油茶殼、醋酸木質素、堿木質素的C9分子式分別為C9H13.42O7.49N0.08S0.01,C9H9.25O3.53N0.06S0.01,C9H12.10O4.16N0.17S0.01。由分子式可知,兩種木質素主要由[C]、[H]、[O]組成,[S]為少部分由蛋白質和無機鹽組成。其中,醋酸木質素、堿木質素的[C]/[H]原子比分別增加了45.01%、10.88%,表明醋酸木質素苯環(huán)含量更多[13]。兩種木質素[C]含量的增加,是因提取過程中雜質被去除,提高了木質素純度[14]。分子式中醋酸和堿木質素[O]數(shù)與油茶殼相比均降低,表明木質素中的甲氧基、羥基、醚鍵減少,碳水化合物含量降低,純度提高[10,15]。

工業(yè)分析中,醋酸和堿木質素的水分、灰分和揮發(fā)分含量較油茶殼均極顯著降低(P<0.01),表明提取的木質素雜質減少,純度提高;固定碳含量分別增加了57.08%、49.71%,表明木質素的熱值也有所增加。醋酸和堿木質素揮發(fā)分含量分別為53.57%、55.52%,說明堿木質素較醋酸木質素易燃[16]。

2.2 油茶殼粗膳食纖維與木質素的理化性質分析

油茶殼粗膳食纖維與木質素的理化性質測定結果見表2。

表2 油茶殼粗膳食纖維與木質素的理化性質Table 2 Physicochemical properties of raw material

較高的持水力和溶脹力能增大食物體積、提升飽腹感,預防肥胖,還能防止脫水并改善部分食品的粘度和質地等[17-18]。表2可知,油茶殼粗膳食纖維持水力和溶脹力最大;與油茶殼粗膳食纖維相比,醋酸木質素持水力、溶脹力分別降低了7.01%(P>0.05)、61.84%(P<0.01),堿木質素則分別降低了41.70%(P<0.01)、75.44%(P<0.01);與龔衛(wèi)華等[18]對麻竹筍筍殼中木質素持水力、膨脹力最小的研究結果一致。這可能是因木質素內部呈疏水性,粒度和比表面積減小,表面親水基團有限[19]。醋酸木質素持水力、溶脹力較堿木質素分別增加了59.49%、55.36%,可能是因其脂肪族羥基含量更多,與水形成氫鍵的數(shù)量多于堿木質素。

雖然膳食纖維不被人體腸道內的內源性酶消化,但它仍是飲食的重要組成部分[20]。表2可知,醋酸木質素飽和與不飽和脂肪結合力分別為5.61、3.20 g/g,分別比油茶殼粗膳食纖維增加了2.75%(P>0.05)、0.6%(P>0.05)?？赡苁且虼姿崮举|素經(jīng)提取后碳氫鏈和苯環(huán)含量更多[11],親油基團增加,親油性得以提高。另外，與堿木質素相比，醋酸木質素飽和與不飽和脂肪結合力分別增加了5.06%、2.24%。堿木質素較油茶殼粗膳食纖維分別降低了2.20%(P>0.05)、1.60%(P>0.05),可能是因堿木質素易團聚,比表面積及毛細孔減少,表面基團有限,導致親油性下降[18]。不同方法提取木質素,會導致木質素結構和理化性質出現(xiàn)差異[9]。

木質素對DPPH的清除力大小代表其提供氫的能力和抗氧化力大小[5]。表2可知,醋酸木質素和堿木質素的DPPH自由基清除力分別為81.06%(P<0.01)、73.36%(P<0.01),顯著高于同一來源的粗膳食纖維。與Gong等[10]對木質素抗氧化性的研究結果一致。原因為木質素是一種天然酚類聚合物,存在更多的酚羥基和甲氧基基團[21],具有較強的抗氧化性。而醋酸木質素DPPH自由基清除力較堿木質素增加了10.50%,可能是因醋酸木質素含有更多酚羥基,分子量較低[5]。酚羥基是木質素分子內氫鍵的主要來源,可釋放出更多H+捕獲自由基,促進木質素的抗氧化活性,更有效的清除自由基,穩(wěn)定氧及其自由基物種引起的反應[21]。表明木質素在食品中有作為抗氧化劑使用的潛力。

醋酸木質素和堿木質素達到平衡時的吸濕率分別為1.20%、1.67%,均極顯著(P<0.01)低于油茶殼粗膳食纖維吸濕率。原因為木質素本身呈疏水性,持水力、溶脹力下降,同時樣品粒徑和比表面積的改變也會對吸濕性造成影響[5]，且醋酸木質素吸濕率較堿木質素降低了28.14%。

2.3 油茶殼及其組分的結構表征分析

2.3.1 紫外光譜分析 圖1為油茶殼、醋酸木質素和堿木質素的紫外光譜圖。波長288 nm附近出現(xiàn)最大吸收峰,來源于木質素中的非共軛酚基團[11,22]。這是苯環(huán)的特征吸收峰,表明提取的兩種木質素苯環(huán)結構較穩(wěn)定,且木質素大多由愈創(chuàng)木基和含對稱性較多的紫丁香基木質素組成[15]。與油茶殼相比,兩種木質素在波長320 nm左右出現(xiàn)的弱峰,對應于阿魏酸和香豆酸或羥基肉桂酸型結構中的共軛酚類單元[22]。此檢測結果與Zhao等[22]提取的木質素紫外圖譜接近。

圖1 油茶殼及其組分的紫外光譜圖Fig.1 UV-visible spectra of Camellia oleifera shell and lignin注:1.油茶殼;2.醋酸木質素;3.堿木質素。

2.3.2 紅外光譜分析 參考文獻[6,14,23]列出了木質素分子結構中的特征基團對應的紅外吸收光譜特征峰歸屬(表3),油茶殼及其組分的紅外光譜圖見圖2。

表3 油茶殼及其組分的紅外光譜吸收峰歸屬Table 3 Infrared absorption peaks of Camellia oleifera shell and lignin

圖2 油茶殼及其組分的紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectra of Camellia oleifera shell and lignin注:1.油茶殼;2.醋酸木質素;3.堿木質素。

譜圖分析可知,油茶殼和兩種木質素在3420 cm-1附近均存在強吸收峰,為脂肪族和芳香族羥基的O-H伸縮振動,醋酸和堿木質素的吸收峰均強于油茶殼,表明提取的兩種木質素均含有更多的羥基[24]。其中,醋酸木質素峰面積最大,可能是因醋酸法處理形成的分子間氫鍵更多,分子內間距增大并膨脹[25]。醋酸和堿木質素在2920、2850 cm-1處的吸收峰來源于甲基、亞甲基和次甲基的C-H拉伸振動[26],且兩種木質素在2920 cm-1處的吸收峰強度均大于油茶殼,表明兩種木質素含有更多的甲基、亞甲基。油茶殼在1734 cm-1處的吸收峰歸屬于羰基C=O伸縮振動;醋酸木質素在1715 cm-1處表現(xiàn)出非共軛羰基及酯基中的C=O拉伸振動[15,26]。兩種木質素在1620、1510、1425 cm-1處均顯示出較強的苯環(huán)骨架振動特征吸收峰,且醋酸木質素的吸收峰稍強于堿木質素,表明其含量更高;波數(shù)1460 cm-1處具有木質素的典型紅外吸收峰,為甲基的C-H彎曲振動[24];波數(shù)1322、1120 cm-1處的吸收峰為紫丁香基中的C=O拉伸振動,由圖中吸收峰強度可知堿木質素中紫丁香基含量高于醋酸木質素;波數(shù)1270 cm-1處均呈現(xiàn)出愈創(chuàng)木核甲氧基C=O拉伸振動的吸收帶,醋酸木質素在此處的吸收峰明顯強于堿木質素,表明醋酸木質素中愈創(chuàng)木基含量更高。油茶殼與兩種木質素在1224 cm-1處的吸收峰為C-C、C-O和C=O振動[24],但油茶殼吸收峰強度明顯更小;1029 cm-1處的吸收峰為苯環(huán)的C-H平面變形振動及伯醇的C-O彎曲振動[10]。醋酸和堿木質素在826 cm-1處的吸收峰為苯環(huán)的C-H面外彎曲振動。

綜上,可得出醋酸和堿木質素主要由愈創(chuàng)木基和紫丁香基組成,且在這些波數(shù)范圍內的吸收峰為木質素的典型紅外吸收峰[14],證實了油茶殼經(jīng)醋酸法和堿法處理后纖維結構發(fā)生降解。

2.3.3 熱重分析 圖3為油茶殼、醋酸木質素和堿木質素的熱重曲線。起始階段,油茶殼、醋酸木質素和堿木質素分別在50～153.6、50～121.1、50～135.1 ℃范圍內出現(xiàn)的少量失重為殘余水分的脫除,包括自由水和結晶水[5,8],此階段質量損失率分別為2.19%、0.12%、0.35%。

圖3 油茶殼及其組分的熱重曲線Fig.3 Thermogravimetric analysis of Camellia oleifera shell and lignin注:1.油茶殼;2.醋酸木質素;3.堿木質素。

劇烈降解階段,油茶殼熱分解范圍最窄,溫度202.3～380.2 ℃內分解速率最快,于297.3 ℃處出現(xiàn)較大熱解失重峰,質量損失率49.95%。醋酸木質素熱分解范圍較寬,在235.2～464.4 ℃分解最快,于373.7 ℃處出現(xiàn)較大熱解失重峰,質量損失率39.18%。堿木質素熱分解溫度范圍為233.6～423.9 ℃,于339.2 ℃處出現(xiàn)較大熱解失重峰,質量損失率40.05%。其中,醋酸木質素出現(xiàn)最大熱解失重峰時的溫度高于堿木質素,熱穩(wěn)定性更高,這取決于木質素中化學鍵的斷裂情況。紫丁香基單元間的醚鍵較愈創(chuàng)木基單元間的醚鍵更易發(fā)生斷裂,包括木質素中α-O-4和β-O-4醚鍵斷裂[5]、木質素側鏈氧化、C-C鍵斷裂、苯環(huán)的降解及苯環(huán)中甲氧基的脫除[14,27]。與紅外譜圖中所得醋酸木質素愈創(chuàng)木基含量更多的結果相符合。且愈創(chuàng)木基中有一個空閑的C5位置可供C-C分子內鍵連接,增加了醋酸木質素在降解中的阻抗性,而紫丁香基無支鏈結構且縮聚程度較低,更易去木質素化[28]。因此,醋酸木質素在降解過程中更難降解,熱穩(wěn)定性更高。

油茶殼、醋酸木質素、堿木質素分別在溫度達到380.2、464.4、423.9 ℃后發(fā)生進一步降解,此時3種樣品大部分都已被降解,DTG曲線趨于平緩,熱解完成時殘?zhí)柯史謩e為29.41%、40.09%、40.03%。提取的兩種木質素殘?zhí)柯示哂谟筒铓?說明高溫更有利于木質素熱解,這主要與木質素C-C鍵含量有關[8],且木質素中部分官能團形成交聯(lián)結構[9,27],提高了木質素熱穩(wěn)定性。

熱穩(wěn)定性還可通過物料的最大失重速率表示[5,8]。DTG曲線可知,油茶殼、醋酸木質素、堿木質素熱降解失重速率達到最大時的溫度分別為297.3、373.7、339.2 ℃,此時失重速率分別為8.7、5.3、6.6%·min-1。因此,醋酸木質素熱穩(wěn)定性最好,醋酸木質素熱穩(wěn)定性最好,堿木質素次之,油茶殼熱穩(wěn)定性較差。較高的熱穩(wěn)定性有利于擴大其應用范圍。

3 結論

研究以油茶殼為原料分別提取了醋酸木質素和堿木質素,并對其理化性質和結構表征進行了分析?；境煞址治霰砻?醋酸木質素和堿木質素純度分別為91.87%、93.37%;醋酸木質素中[C]和固定碳含量更高,熱值更大。理化性質分析表明,兩種木質素抗氧化力明顯大于油茶殼粗膳食纖維;且與堿木質素相比,醋酸木質素持水力、溶脹力分別增加了59.49%、55.36%,飽和與不飽和脂肪結合力分別增加了5.06%、2.24%,DPPH清除力增加了10.50%,吸濕率降低了28.14%,說明醋酸木質素生理活性較堿木質素更好。紫外和紅外譜圖表明,醋酸木質素和堿木質素均具有愈創(chuàng)木基和紫丁香基苯環(huán)的特征結構;紅外光譜特征吸收峰強度可知,醋酸木質素中愈創(chuàng)木基含量更高,而堿木質素中紫丁香基含量更高。熱重分析可知,醋酸木質素熱穩(wěn)定性和熱值均強于堿木質素,最大失重速率為5.3%·min-1。