桉木半纖維素與苯氧乙醇作為化妝品成分的實(shí)驗(yàn)探究

張馨予， 劉海棠,2

（1.中國輕工業(yè)造紙與生物質(zhì)精煉重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210042）

全球能源需求正不斷增長， 預(yù)計(jì)到2040年，能源需求將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再增加28%[1]。 其中，化石能源是當(dāng)前消耗的最主要能源， 是人類社會生存和發(fā)展的重要物質(zhì)。 隨著化石能源的逐漸消耗，各國開始發(fā)展生物質(zhì)能源，其不僅環(huán)?？稍偕?，還能重復(fù)利用[2-3]。

桉木屬于闊葉木，生長周期短，質(zhì)輕，易折[4]。 在桉木溶解漿的生產(chǎn)過程中，預(yù)水解液是重要產(chǎn)物，其組成成分復(fù)雜，大部分是木糖，也存在少量乙酸、木素和糠醛等[5]。 通過生物質(zhì)精煉將半纖維素轉(zhuǎn)化為有利的產(chǎn)品， 則對經(jīng)濟(jì)效益和制漿造紙的綠色發(fā)展都具有重要意義[6]。

含有豐富的營養(yǎng)成分是化妝品最重要的特性之一，但在為皮膚提供養(yǎng)分的同時(shí)，脂類、蛋白質(zhì)等有機(jī)組分也會為侵入的微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)。因此，需要在化妝品中添加防腐劑，從而抑制、殺滅侵染的微生物，延長使用期限，保護(hù)化妝品在生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸和使用的過程中免受細(xì)菌的污染[7-8]。

苯氧乙醇（Phenoxyethanol）是一種液體有機(jī)化合物，無色，略有芳香氣味，具有較好的抗菌功效且致敏性低。自20 世紀(jì)50年代初，苯氧乙醇就經(jīng)常被作為防腐劑添加到化妝品中， 是相對較安全的防腐劑之一[9]。 隨著防腐體系變得越來越安全、環(huán)保，目前對防腐劑的研究有兩個(gè)方向： 一是研究復(fù)合防腐劑體系， 根據(jù)其性質(zhì)， 添加兩種或以上的防腐增效劑，使它們相互促進(jìn)，提高對微生物抑制效果；二是研究天然防腐劑， 即從動植物及微生物中直接提取用于化妝品、食品、藥品等領(lǐng)域的防腐劑[10]。

本文從桉木預(yù)水解液中提取半纖維素， 并對其進(jìn)行羧甲基化改性，探究了其改性前后的抗氧化性、吸濕性、保濕性以及抗菌性。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

桉木預(yù)水解液，山東太陽紙業(yè)股份有限公司；氫氧化鈉、濃硫酸、無水乙醇、氯乙酸、五氧化二磷、硫酸亞鐵、過氧化氫、水楊酸、硫酸銨、硫酸鉀、氯化鈉，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；溴化鉀，光譜純， 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；DPPH （質(zhì)量分?jǐn)?shù)96%）、苯氧乙醇有機(jī)試劑，上海麥克林生化科技有限公司；蛋白胨、酵母浸粉、瓊脂粉，生物試劑，北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

SJ-3100 型精密PH 計(jì)， 奧豪斯儀器有限公司；RH basic 磁力攪拌器， 德國IKA 公司；PL602-S 型電子天平、AR2140 型分析天平、SL-200PL 型移液槍，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；TG18G 型臺式高速離心機(jī)、50 mL PE 離心管， 成都天奇儀器設(shè)備有限公司；VOS-60A 型真空干燥箱， 上海施都凱儀器設(shè)備有限公司；N-1100 型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀， 上海愛郎儀器有限公司；DF-101S 型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器， 鞏義市予華儀器有限公司；FTIR-650 型紅外光譜分析儀， 天津港東科技股份有限公司；HHS-21-4 型電熱恒溫水浴鍋， 上海博迅醫(yī)療設(shè)備廠；T6 新世紀(jì)紫外可見光分光光度計(jì)， 北京普析通用儀器責(zé)任有限公司；HCB-1300V 型超凈工作臺，青島海爾特種電器有限公司；DSX-24L-I 型手提式高壓蒸汽滅菌器，上海申安醫(yī)療器械廠。

1.3 半纖維素（HC）提取

稱取連帶離心管共85 g 的預(yù)水解液，8000 r/min離心15 min，取400 mL 上清液倒入旋蒸瓶，60 ℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至溶液原體積的約三分之一， 將剩余液體轉(zhuǎn)移至燒杯中；滴加濃硫酸，調(diào)pH 至2，放入4 ℃的冰箱靜置一夜； 通過抽濾去除沉淀的木素， 獲得上清液，加入4 倍體積的無水乙醇，使半纖維素醇沉，攪拌均勻后，靜置12 h，倒去上清液，多次加無水乙醇洗滌沉淀，直至沉淀變?yōu)榈S色；將沉淀的半纖維素通過抽濾的方式分離出來，放入40 ℃的真空干燥箱烘干12 h，獲得半纖維素。

1.4 半纖維素羧甲基化實(shí)驗(yàn)

利用響應(yīng)曲面法[11]確定實(shí)驗(yàn)條件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件制備羧甲基半纖維素并測定產(chǎn)品的取代度， 探究最佳實(shí)驗(yàn)條件。

稱取1 g 半纖維素加入100 mL 的三頸燒瓶中，用10 mL 蒸餾水溶解50%的NaOH（占所需加入NaOH的量）加入燒瓶，在45 ℃下攪拌30 min；加入40 mL無水乙醇，再加入氯乙酸和剩下50%的NaOH，放入80 ℃的水浴鍋中加熱，在全部反應(yīng)時(shí)間2 h 中的前1 h 要用攪拌器進(jìn)行攪拌，轉(zhuǎn)速為100 r/min；反應(yīng)結(jié)束后除去上清液，加入一定量85%的乙醇清洗沉淀后倒出，重復(fù)清洗3 次，然后抽濾得到沉淀，放入真空干燥器中干燥12 h，得到羧甲基半纖維素（CMHC）。

參考文獻(xiàn)[15]的方法測量樣品的取代度：稱取0.2 g CMHC 樣品放入燒杯，在燒杯中加入50 mL 蒸餾水， 用濃度為0.05 mol/L 的稀硫酸和氫氧化鈉將pH 調(diào)節(jié)至8.0。 緩慢往溶液中滴定0.05 mol/L 的硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，直至溶液pH 達(dá)到3.74，記錄滴定所消耗的硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的量，根據(jù)式（1）計(jì)算取代度DS。

其中

式中：m 為羧甲基半纖維素的質(zhì)量， 單位g；c 為硫酸溶液的濃度，mol/L；V 為滴定消耗的硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；n 為1 g 樣品所抵消的酸的物質(zhì)的量，mmol/g。

將結(jié)果輸入Design-Expert 軟件，使用響應(yīng)曲面法計(jì)算半纖維素最佳醚化條件。

1.5 性能表征

1.5.1 傅里葉紅外光譜（FTIR）檢測

用傅里葉紅外光譜儀對半纖維素（HC）和羧甲基半纖維素（CMHC）進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

將待測的HC、CMHC 和溴化鉀（KBr）放入105 ℃烘箱烘干4 h 后取出備用。 稱量1 mg 樣品和100 mg溴化鉀，以m（待測樣）∶m（KBr）=1∶100 的比例放入瑪瑙研缽充分研磨，取適量粉末進(jìn)行壓片制樣，然后用傅里葉變換紅外光譜分析儀進(jìn)行分析， 檢測掃描范圍400～4000 cm-1的波長。

1.5.2 掃描電子顯微鏡（SEM）分析

將羧甲基化改性前后得到的凍干樣品 （HC 和CMHC）用導(dǎo)電膠粘在樣品臺上，使用10 mA 的噴金電流處理60 s 后，用掃描電子顯微鏡觀察其微觀結(jié)構(gòu)。

1.6 抗氧化活性測定

采用DPPH 自由基清除能力、 羥基自由基清除能力、ABTS 自由基清除能力來評價(jià)半纖維素和羧甲基半纖維素的抗氧化活性。

1.6.1 DPPH 自由基清除能力測定

配制0.06 mmol/L 的DPPH 溶液； 將樣品配制成4 mg/mL 的樣液， 取15 個(gè)試管分別編號A1—A7、B1—B7 和A0，在試管A1—A7 中分別加入3 mL梯度稀釋的樣液， 再在每個(gè)試管中分別加入3 mL DPPH 溶液；試管B1—B7 中則使用3 mL 無水乙醇代替配制的DPPH 溶液；A0 試管為空白對照，用3 mL蒸餾水代替樣液，再加入3 mL 配制的DPPH 溶液。最后，將所有試管于25 ℃水浴避光反應(yīng)30 min。 用紫外分光光度計(jì)于517 nm 波長處測定樣液吸光度。 根據(jù)式（3）計(jì)算樣品對DPPH 自由基的清除率。

式中：A0為空白對照的吸光度；AA為A 組各濃度樣品的吸光度；AB為B 組各濃度樣品的吸光度。

1.6.2 羥基自由基清除能力測定

配制4.5 mol/L FeSO4溶液、3 mmol/L 水楊酸溶液、2.9 mmol/L H2O2溶液； 分別稱取半纖維素和羧甲基半纖維素樣品，配制成4 mg/mL 的樣液；取15 個(gè)試管，分別編號為A1—A7、B1—B7 和A0，在試管A組試管中分別加入3 mL 梯度稀釋的半纖維素樣液， 接著在A 組每個(gè)試管加入1 mL 亞硫酸鐵溶液和1 mL 水楊酸溶液，混合均勻，靜置10 min。 B 組操作同上。 A0 試管為空白對照，用3 mL 蒸餾水代替樣液。再在A 組每個(gè)試管中加入1 mL 稀釋10 倍的H2O2溶液，B 組每個(gè)試管中加入1 mL 蒸餾水。放入37 ℃水浴鍋中水浴反應(yīng)15 min， 用紫外分光光度計(jì)于510 nm 波長處測量吸光度。 根據(jù)式（3）計(jì)算羥基自由基的清除率。

1.6.3 ABTS 自由基清除能力測定

配制7.4 mmol/L ABTS 儲備液；配制2.6 mmol/L K2S2O8儲備液；配制磷酸鹽緩沖液（pH=7.4）。 制備ABTS 自由基溶液： 各取0.4 mL ABTS 儲備液和K2S2O8儲備液， 混合均勻后， 至于黑暗處室溫放置12 h，然后用配制好的磷酸鹽緩沖液稀釋，使其在紫外734 nm 處的吸光度為0.7±0.02；稱取一定量的樣品，用蒸餾水配制4 mg/mL 的樣液，并梯度稀釋。 取13 個(gè)試管，編號為A1—A6、B1—B6 和A0，在A 組試管中依次加入3 mL 梯度稀釋的樣液，并加入3 mL ABTS 自由基溶液，使其迅速混合，在室溫下避光靜置6 min；B 組試管中以等體積的磷酸鹽緩沖液代替ABTS 自由基溶液，A0 試管為空白對照，以3 mL 蒸餾水代替樣液，其他步驟同A 組試管。 用紫外分光光度計(jì)于734 nm 波長處測定吸光度。 根據(jù)式（3）計(jì)算ABTS 自由基的清除率。

1.6.4 苯氧乙醇與CMHC 復(fù)配時(shí)的羥基自由基清除能力測定

配制4.5 mol/L FeSO4溶液、3 mmol/L 水楊酸溶液和2.9 mmol/L H2O2溶液。配制4 mg/mL 的羧甲基半纖維素樣液。 取11 個(gè)試管，編號為A1—A5、B1—B5 和A0，加入3 mL 梯度稀釋的羧甲基半纖維素樣液，每個(gè)試管中再加入60 μL 2%苯氧乙醇溶液，A0試管為空白對照，用3 mL 蒸餾水代替樣液。 在每個(gè)試管中加入1 mL 亞硫酸鐵溶液和1 mL 水楊酸溶液， 放置10 min 后， 在每個(gè)試管中加入1 mL 稀釋10 倍的H2O2溶液， 放入37 ℃水浴鍋中水浴反應(yīng)15 min，用紫外分光光度計(jì)于510 nm 波長處測量吸光度。 根據(jù)式（3）計(jì)算羥基自由基的清除率。

1.7 吸濕性和保濕性實(shí)驗(yàn)

1.7.1 吸濕性實(shí)驗(yàn)

配制碳酸鉀溶液（相對濕度43%）和飽和硫酸銨溶液（相對濕度81%），各取100 mL 倒入燒杯于干燥器內(nèi)平衡一夜。 精確稱取2 份0.5 g 烘干的樣品分別放入型號相同的稱量瓶中，再放入干燥器中，分別記錄放置0、4、8、12、24、48、72、96、144 h 時(shí)樣品的質(zhì)量，根據(jù)式（4）計(jì)算吸濕率。

式中：m0為初始時(shí)的樣品質(zhì)量，g；mt為放置一段時(shí)間后的樣品質(zhì)量，g。

1.7.2 保濕性實(shí)驗(yàn)

稱取2 份0.5 g 樣品， 分別加入到烘至恒重的稱量瓶中，再滴入約0.2 g 去離子水，輕輕搖晃使樣品充分浸濕， 將稱量瓶分別放入裝有300 g 變色硅膠和飽和碳酸鉀（43%）的干燥器中，分別記錄放置0、4、8、12、24、48、72、96、144 h 時(shí)樣品的質(zhì)量，根據(jù)式（5）計(jì)算保濕率。

式中：m0為剛添加去離子水時(shí)的樣品質(zhì)量，g；mt為放置一段時(shí)間后的樣品質(zhì)量，g。

1.8 抗菌活性實(shí)驗(yàn)

分別測定半纖維素、 羧甲基半纖維素以及苯氧乙醇的抑菌效果， 并測定苯氧乙醇與羧甲基半纖維素復(fù)配后的抑菌效果。

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的苯氧乙醇樣液， 樣液在超凈工作臺紫外燈下殺菌30 min。 將培養(yǎng)基、培養(yǎng)皿等實(shí)驗(yàn)操作儀器用121 °C 高壓蒸汽滅菌30 min；將殺菌后的牛津杯放置在培養(yǎng)皿上， 然后將加熱并滅菌的牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基溶液在超凈工作臺上倒入平板； 用移液槍吸取200 μL 菌液到凝固好的培養(yǎng)基表面，用涂布棒均勻涂抹；將牛津杯拔掉，稱取一定量的HC 和CMHC 粉末分別倒入牛津杯形成的孔洞中并搖晃均勻，加入一定量的苯氧乙醇溶液；將培養(yǎng)皿置于36.8 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h，觀察細(xì)菌生長情況，記錄抑菌圈的大小。

2 結(jié)果與討論

2.1 半纖維素羧甲基化改性

2.1.1 響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1， 在Design-Expert 軟件中對數(shù)據(jù)進(jìn)行多元擬合， 可得到醚化反應(yīng)取代度對堿用量（x）、氯乙酸用量（y）和溫度（z）三種因素的二次多項(xiàng)回歸模型：

表1 響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

預(yù)測取代度與實(shí)際取代度之間的對比如圖1 所示，可看出實(shí)際的取代度在預(yù)測值附近均勻分布，兩者具有良好的相關(guān)性。

圖1 實(shí)際取代度和預(yù)測取代度之間的關(guān)系

模型的校正決定系數(shù)R2=0.984 5，說明98.45%的響應(yīng)變異性可用這個(gè)模型解釋說明。 對模型進(jìn)行方差分析，F(xiàn)=113.89，P＜0.000 1， 說明模型可靠，模型有意義且達(dá)到極顯著水平。 模型失擬項(xiàng)的F=3.14，P=0.148 8，說明失擬因素并不顯著，因此可以用此模型來對半纖維素的羧甲基化實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和解釋。

根據(jù)Box-Bennken 的模型設(shè)計(jì)結(jié)果， 對半纖維素羧甲基化改性實(shí)驗(yàn)的理論最佳實(shí)驗(yàn)條件是： 堿用量1.5 g、氯乙酸用量1.374 5 g、反應(yīng)溫度64.65 ℃，在此條件下的預(yù)測取代度為0.288 5。使用此優(yōu)化條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終測得實(shí)際取代度為0.290 5。

以半纖維素羧甲基化的取代度為響應(yīng)值， 堿用量、 氯乙酸用量和溫度三個(gè)自變量與響應(yīng)值之間關(guān)系如圖2 所示。 由圖2 可以看出： 每個(gè)自變量的變化都會對取代度的大小產(chǎn)生一定影響。 當(dāng)堿用量、氯乙酸用量或者溫度單方面增加時(shí)， 反應(yīng)的取代度都是先增加后降低。 堿性條件產(chǎn)生醚化反應(yīng)， 當(dāng)堿用量過低，反應(yīng)不完全；當(dāng)堿用量過高，又會成副產(chǎn)物，所以堿用量過高或者過低都會導(dǎo)致取代度降低。當(dāng)氯乙酸用量過低，羧甲基不夠，反應(yīng)不夠充分；而氯乙酸用量過高，則會與堿進(jìn)行反應(yīng)，導(dǎo)致取代度降低。 醚化反應(yīng)屬于可逆反應(yīng)， 溫度過低或者過高都會影響反應(yīng)結(jié)果，溫度低時(shí)反應(yīng)不夠充分，溫度高時(shí)則會產(chǎn)生其他副產(chǎn)物。

圖2 CMHC 的取代度與自變量的三維關(guān)系圖

2.2 性能表征

2.2.1 FTIR 分析

使用紅外光譜對兩種樣品進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖3所示。 從圖3 可以看出：在3156、3328、3416 cm-1處的吸收峰是半纖維素中羥基（—OH）的拉伸振動，在2917 cm-1處的吸收峰是半纖維素中亞甲基（—CH2—）的拉伸振動， 在1614 cm-1處的吸收峰代表羧基（—COOH）中的（—C=O）非對稱伸縮振動，在1400 cm-1附近是與羧基連接的甲基 （—CH3） 的振動，CMHC相對于HC 在1326 cm-1附近出現(xiàn)新的峰，這是羧甲基（—OCH2—COO—）的（C=O）對稱拉伸振動，表明半纖維素羧甲基化改性成功。

圖3 HC 和CMHC 的紅外光譜圖

2.2.2 SEM 分析

用掃描電子顯微鏡對半纖維素和羧甲基半纖維素的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，見圖4。 由圖4 可以看出：半纖維素粉末的顆粒較小，成絮狀分布，顆粒表面凹凸不平， 顆粒間有較大空隙。 而改性后的羧甲基半纖維素粉末， 顆粒較大且光滑， 而且顆粒聚集度增大，結(jié)構(gòu)更緊實(shí)，黏度更大。 經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，改性后的半纖維素顆粒表面發(fā)生變化，分子間結(jié)合力較強(qiáng)，分子間集聚較緊密，這是因?yàn)轸燃谆鶚O性較大，分子間氫鍵結(jié)合增強(qiáng)，使分子間更易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖4 HC 和CMHC 的微觀形貌

2.2.3 單糖分析

采用高效液相色譜法測定桉木預(yù)水解液及從預(yù)水解液中提取的半纖維素中的單糖組分， 測定結(jié)果見表2。 測得預(yù)水解液中糖的總含量為4.21%，其中木糖含量占總糖含量的86.82%，含量最高；預(yù)水解液的糖組分中還存在3.91%的葡萄糖、6.34%的鼠李糖和2.93%的阿拉伯糖。 在半纖維素中糖的總含量占了38.64%， 木糖含量最高占了總糖含量的82.98%；在改性后的羧甲基半纖維素中糖的總含量為14.13%，其中也是木糖含量最高，占總糖含量的69.14%。

表2 預(yù)水解液和半纖維素中的單糖含量

2.3 抗氧化活性分析

2.3.1 DPPH 自由基清除能力

半纖維素和羧甲基半纖維素對DPPH 自由基的清除率見圖5。 由圖5 可知：在一定濃度范圍內(nèi)，對DPPH 自由基的清除率會隨著HC 溶液濃度的降低而減小。當(dāng)HC 濃度降低到一定程度時(shí)，清除率會趨于穩(wěn)定。 結(jié)果表明HC 和CMHC 都有一定的清除DPPH 自由基的能力， 但是在相同濃度的情況下，CMHC 的清除能力明顯比HC 的強(qiáng)， 證明CMHC 具有良好的抗氧化性。

圖5 HC 和CMHC 的DPPH 自由基清除率

用該方法測定DPPH 自由基清除率的原理為[12]：DPPH 自由基上存在單電子，該電子在520 nm 處有著較強(qiáng)的吸收峰， 溶解在醇溶液中會使液體呈現(xiàn)紫色。 當(dāng)在溶液中加入具有抗氧化性的樣液， 比如CMHC 溶液，CMHC 內(nèi)未取代的羥基和羧甲基上的羧基可以與DPPH 自由基的電子相配對，溶液顏色變淡，520 nm 處的吸光度下降。 抗氧化劑濃度越大，溶液顏色越淡，吸光度值越低，即抗氧化性強(qiáng)的表現(xiàn)。

2.3.2 羥基自由基清除能力

圖6 為HC 和CMHC 對羥基自由基清除率，在一定濃度范圍內(nèi)都是隨著濃度的減少而降低。 在相同濃度下，CMHC 對羥基自由基的清除率比HC 更高，可得出CMHC 抗氧化性比HC 更好的結(jié)論。

圖6 HC 和CMHC 的羥基自由基清除率

羥基自由基清除主要通過以下的兩種機(jī)制[13]：（1）樣品為羥基提供氫離子，從而使羥基還原；（2）樣品與能活化過氧化氫的過度金屬離子（比如Fe2+）螯合， 來抑制羥基自由基的還原。 所以羧甲基化半纖維素清除羥基自由基的過程可能是由于后期引入的羧甲基基團(tuán)跟Fe2+離子反應(yīng)，抑制過氧化氫活化，從而抑制了反應(yīng)中羥基自由基的產(chǎn)生， 同時(shí)清除羥基自由基的能力提高，即抗氧化性提高。

2.3.3 ABTS 自由基清除能力

從圖7 可以看出： 隨著樣液濃度的降低，ABTS自由基清除率也隨之降低。在相同濃度下，CMHC 的ABTS 自由基清除率比HC 略高，但差距不大，兩種樣品對ABTS 自由基都具有良好的清除效果。

圖7 HC 和CMHC 的ABTS 自由基清除率

ABTS 自由基清除實(shí)驗(yàn)與DPPH 自由基清除實(shí)驗(yàn)一樣， 都是用于測量評價(jià)樣品是否具有抗氧化活性的經(jīng)典方法。 DPPH 與有色抗氧化劑反應(yīng)過程中在500 nm 處存在吸收峰，會影響干擾檢測結(jié)果；而ABTS 的吸收峰在700 nm 處，有色氧化劑就沒那么容易對檢測結(jié)果產(chǎn)生干擾[14]。 因此ABTS 自由基清除實(shí)驗(yàn)更加常用。

2.3.4 苯氧乙醇與CMHC 復(fù)配時(shí)的羥基自由基清除能力

在不同濃度CMHC 溶液中加入60 μL 濃度為2%的苯氧乙醇溶液， 實(shí)驗(yàn)樣液對羥基自由基的清除率見圖8?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著CMHC 溶液濃度的下降實(shí)驗(yàn)樣液對羥基自由基的清除能力也隨之減小。將3.3.2實(shí)驗(yàn)時(shí)的清除率與本次實(shí)驗(yàn)在樣液濃度為4 mg/mL時(shí)對羥基自由基清除率作對比， 可以發(fā)現(xiàn)清除率由42.75%提高至了51.76%，說明加入苯氧乙醇進(jìn)行復(fù)配對羥基自由基清除率有增效作用。

圖8 苯氧乙醇與CMHC 復(fù)配的羥基自由基清除率

2.4 吸濕性和保濕性

2.4.1 吸濕性

圖9（a）為在相對濕度為43%的環(huán)境中HC 和CMHC 的吸濕率變化?？梢钥闯觯弘S著時(shí)間增加，HC和CMHC 的吸濕率均增大，其中HC 的吸濕率在0～12 h 內(nèi)增大較明顯， 在48 h 后幾乎不變；CMHC 的吸濕率在0～48 h 內(nèi)的增大幅度較大， 在48 h 后趨于平緩，達(dá)到飽和狀態(tài)；CMHC 的吸濕效果明顯強(qiáng)于HC。

圖9（b）為在相對濕度為81%的環(huán)境中HC 和CMHC 的吸濕率變化?？梢钥闯觯弘S著時(shí)間增加，HC和CMHC 的吸濕率均增大，其中HC 的吸濕率在0～48 h 內(nèi)增大較明顯， 而在72 h 后幾乎平穩(wěn)保持不變；CMHC 的吸濕率在0～72 h 內(nèi)大幅度增加，在144 h后趨于平緩，達(dá)到飽和狀態(tài)；CMHC 的吸濕效果明顯強(qiáng)于HC。

綜合圖9（a）和圖9（b）可知：在相對濕度較大的環(huán)境中，樣品的吸濕率也更高；在相同濕度條件下，CMHC 的吸濕率明顯地大于HC， 說明CMHC 的吸濕效果優(yōu)于HC。

圖9 HC 和CMHC 在不同相對濕度時(shí)的吸濕率變化

2.4.2 保濕性

圖10 （a） 為在43%的相對濕度環(huán)境中HC 和CMHC 的保濕率變化。可以看出：二者的保濕率均一直下降直至平穩(wěn)，其中HC 的保濕率在0～48 h 均勻下降， 在48 h 后穩(wěn)定保持在21%左右；CMHC 的保濕率在0～24 h 內(nèi)均勻下降， 在24 h 后就穩(wěn)定保持在46%左右。

圖10（b）為在干硅膠作用下，HC 和CMHC 的保濕率變化。 可以看出：此時(shí)的水分流失比在43%相對濕度環(huán)境下更快，HC 的保濕率在72 h 后平穩(wěn)保持在3%，CMHC 的保濕率在144 h 時(shí)保持在8%。在兩組實(shí)驗(yàn)中，CMHC 的保濕率均高于HC。

圖10 HC 和CMHC 在不同條件下的保濕率變化

2.5 抗菌活性實(shí)驗(yàn)

HC、CMHC 和苯氧乙醇的抑菌效果如圖11 所示。由圖11 中A1 和A2 可知，CMHC 和苯氧乙醇在兩個(gè)菌板上均出現(xiàn)明顯的抑菌圈， 但抑菌圈的大小有差別，HC 的抑菌圈不明顯，說明CMHC 和苯氧乙醇對兩種細(xì)菌都有抑制效果，但抑菌能力有所差別。對比A2 和B 可知，CMHC 和苯氧乙醇復(fù)配可以在苯氧乙醇的使用量減半時(shí)依舊獲得較好的抑菌效果， 說明多糖作為天然防腐劑應(yīng)用在化妝品中是具有可行性的。 由C1 和C2 可知，CMHC 的抑菌圈隨著其用量的增多而增大，說明在一定范圍內(nèi)，抑菌能力與其用量成正比。

圖11 HC、CMHC 和苯氧乙醇的抑菌效果

通過實(shí)驗(yàn)可以推斷出CMHC 具有良好的抗菌性，將HC 進(jìn)行羧甲基化改性可以提高其抑菌能力。而CMHC 與苯氧乙醇復(fù)配效果比單獨(dú)使用苯氧乙醇的抗菌效果更好。

3 結(jié)論

本文以造紙工業(yè)中的桉木預(yù)水解液為原料，采用乙醇沉淀法進(jìn)行半纖維素的分離提純， 并根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行醚化改性，生成羧甲基半纖維素，并對這兩種產(chǎn)物進(jìn)行一系列的表征與討論。 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出的主要結(jié)論如下：

（1）以桉木預(yù)水解液為原料，按照流程進(jìn)行分離純化各組分， 并測定預(yù)水解液和提取出來的半纖維素中糖組分的含量，確定二者中糖含量最高的是木糖。

（2） 以桉木預(yù)水解液中提取出來的半纖維素為原料，在堿性條件下加入氯乙酸進(jìn)行醚化改性，生成羧甲基半纖維素 （CMHC）。 為獲得取代度最大的CMHC， 通過響應(yīng)曲面法獲得了半纖維素羧甲基化實(shí)驗(yàn)的最佳條件：堿用量1.5 g，氯乙酸用量1.37 g，反應(yīng)溫度65 ℃，在此最佳工藝條件下預(yù)測取代度為0.288 5，最終測得取代度為0.290 5，在預(yù)測值合理范圍內(nèi)。

（3）對預(yù)水解液中提取的HC 和醚化后的CMHC進(jìn)行紅外和電鏡表征。使用紅外表征發(fā)現(xiàn)1400 cm-1和1614 cm-1處吸收峰增強(qiáng)，1326 cm-1處出現(xiàn)新的吸收峰， 表明半纖維素羧甲基化成功。 通過電鏡可以看出CMHC 的粉末顆粒較大且光滑，是因?yàn)轸燃谆蠓肿咏Y(jié)合力增強(qiáng)，羧甲基極性較大，分子間氫鍵結(jié)合增強(qiáng)，分子間更易團(tuán)聚。

（4）對制取的HC 和CMHC 進(jìn)行生物活性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)改性得到的羧甲基半纖維素抗氧化能力以及吸濕性、保濕性都有所提高。通過抗菌實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CMHC具有良好的抗菌性， 并且與苯氧乙醇復(fù)配后的抗菌效果比單獨(dú)使用苯氧乙醇的效果更佳。

本文秉持綠色循環(huán)發(fā)展的理念， 研究了從造紙工業(yè)向生物質(zhì)精煉方向轉(zhuǎn)變中關(guān)于預(yù)水解液提取半纖維素并加以利用的實(shí)驗(yàn)， 這在未來有很好的發(fā)展前景，在食品、醫(yī)療、化妝品等領(lǐng)域具有研究價(jià)值。生物質(zhì)精煉符合國家綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的理念，也為未來造紙工業(yè)開辟了新的發(fā)展領(lǐng)域。