木麻黃樹皮提取物對漂白機械漿光致黃化的抑制

吳宗華 陳少平 翁景崢 柯金煉

（1.福建師范大學化學與材料學院，福建福州，350007；2.福建林業科學研究院，福建福州，350012）

用高得率機械漿造紙既充分利用植物原料，又大幅減少污染源的產生，是解決造紙資源持續性和環境協調性問題的一條重要途徑。近代機械制漿和漂白技術的發展使高得率漂白機械漿在機械強度、白度等方面能滿足印刷書寫紙等紙種的要求，且機械漿的高松厚度和高散射系數有利于改善印刷書寫紙的使用性能，但高得率漂白機械漿白度穩定性的問題阻礙了其在這些紙種中的應用。近百年來對機械漿光致黃化機理的研究結果表明機械漿中木質素的某些基團，如α-羰基、苯環共軛雙鍵等易吸收紫外光，使木質素激化，形成酚自由基等中間體，進而生成醌類等著色化合物，導致機械漿變黃［1-3］。目前主要采用新的漂白工藝和漂白劑、添加紫外光吸收劑或自由基捕捉劑、使酚羥基乙酰化等木質素改性和酶處理等來抑制機械漿光致黃化［4-5］。近年，用含有紫外光吸收劑或自由基捕捉劑的表面施膠劑或涂布液對紙張進行表面處理來抑制機械漿光致黃化的技術取得顯著進展，開發了許多作用效果好的化合物，如受阻羥胺自由基凈化劑、有機紫外線吸收劑等［6-7］。木麻黃樹皮的提取物具有顯著的體外清除羥自由基的活性［8］，本實驗主要探討木麻黃樹皮提取物對漂白機械漿光致黃化的抑制作用。

1 實驗

1.1 木麻黃樹皮提取物的制備

細枝木麻黃（Casuarina cunningham ina）、山地木麻黃（C.junghuhniana）、短枝木麻黃（C.equisetifolia）和粗枝木麻黃（C.glauca）的樹皮均取自福建省東山島。70℃下用溶劑提取風干的木麻黃樹皮顆粒（0.125mm）3次，合并提取液后得到木麻黃樹皮提取液。溶劑與樹皮顆粒的質量比為10∶1，每次提取時間為3.5h。提取液冷藏保存，直接用于配制涂布液。采用鄰二氮菲-Fe2+氧化法測定木麻黃提取物清除羥自由基的活性［8］。依次將2mL的0.2mmol/L磷酸緩沖溶液和1mL的0.75mmol/L FeSO4加入10mL的試管，充分混勻；加入1mL質量分數1％的H2O2，振蕩1min后加入1mL的0.75mmol/L鄰二氮菲無水乙醇溶液，37℃下恒溫60min；測定反應液在536nm處的吸光度AP。以1mL去離子水替代H2O2，在相同反應條件下反應后測吸光度AB。分別以1mL不同濃度的木麻黃提取液替H2O2，測其吸光度AS1。分別以1mL不同濃度抗壞血酸溶液替代去離子水，測其吸光度AS2。按下式計算羥自由基的清除率（d）：d=（AS-AP）/（AB-AP）×100％。

1.2 機械漿的漂白和紙片的制備

馬尾松TMP由南平紙業公司提供。紙漿的H2O2漂白在聚乙烯塑料袋進行，漿濃5％，H2O2和NaOH對紙漿的質量分數分別為5％和3％，漂白溫度和時間分別為60℃和90min。將漂白漿料分散后，在直徑為115mm的布式漏斗上抽濾成紙片（80g/m2），0.5MPa下壓榨3min，去掉濾紙，將濕紙片置于暗處自然風干。

1.3 紙片的涂布與強制光致黃化

涂布液由研磨碳酸鈣、高嶺土、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物乳液、氧化淀粉黏合劑和木麻黃樹皮提取物等組成，其質量濃度為30％，研磨碳酸鈣與高嶺土的質量比為4∶1。將涂料均勻地涂布在紙片表面，涂布量為4g/m2；不用碳酸鈣時，直接將不同質量濃度的山地木麻黃提取液均勻地涂在紙片表面（提取液用量均為4g/m2）。涂布后的紙片風干后置于400W的金屬鹵化燈下連續照射0、4、8和24h后剪下紙樣，真空干燥備用。鹵燈裝在通風櫥內的紙樣上方25cm處。櫥內通風循環，溫度約為25℃，紙表面溫度約為35℃，在此條件下熱致黃化可忽略不計。根據國家標準，用杭州輕通儀器開發公司的YQZ-48A的白度顏色測定儀分別測定紙張白度。

2 結果與討論

2.1 木麻黃樹皮提取物清除羥自由基的活性

由圖1可知，不同木麻黃樹皮的水提取物（AQU）清除羥自由基的活性不同，山地木麻黃AQU的活性最大，濃度為2g/L時對羥自由基的清除率為43.7％。作為對照，在同樣實驗條件下，1g/L的抗壞血酸對羥自由基的清除率是41.2％。

以水提取物中活性最大的山地木麻黃為對象，進一步考察了不同提取溶劑所得提取物的清除羥自由基活性，結果如圖2所示。山地木麻黃的鹽酸水溶液提取物（HCl）、鹽酸質量濃度為1.0％的丙酮水溶液（丙酮與水的質量比為3∶7）提取物（ACH）和丙酮提取物的清除羥自由基活性都比AQU的大，濃度為2g/L時山地木麻黃ACH對羥自由基的清除率高達81.6％，顯示很大清除的羥自由基活性。前期研究［8］的結果表明，ACH和HCl中多酚的含量分別為11.2％和8.5％，大于AQU的5.4％，表明多酚是影響提取物活性的主要成分之一。此外，鹽酸在提取中能阻止多酚與蛋白質、多糖等的鍵合，提取物中存在更多的游離單寧、蛋白質和多糖等，而后兩者也具有清除自由基活性，所以ACH和HCl提取物顯示出較大的清除自由基活性。

2.2 木麻黃提取物對漂白機械漿光致黃化的抑制作用

如文獻［1，4］所述，由于機械漿中木質素的光氧化反應僅發生在纖維表面的極淺處，因此結合表面施膠［6］或表面涂布［7］，將紫外光吸收劑和自由基抑制劑施于紙張的表面，能大幅抑制漂白機械漿的光致黃化。為此將不同質量濃度的山地木麻黃ACH溶液分別涂在漂白機械漿紙片表面（溶液用量均為4g/m2），考察了強制光照下紙片白度的變化，結果如圖3所示。

由圖3可見，涂有山地木麻黃ACH溶液的紙片白度較空白紙片下降了1～3個百分點，ACH溶液的濃度越大，白度下降越多，這主要是因為ACH溶液呈淺棕色。強制光照4h后空白紙片的白度迅速由67.2％降至54.3％，而涂有質量濃度分別為0.01％和0.03％的ACH溶液的紙片白度分別為61.4％和60.5％，表明山地木麻黃提取物具有一定的抑制漂白機械漿的光致黃化作用。但強制光照24h后，空白紙片的白度降為50.2％，而涂有ACH溶液的3種紙片的白度分別49.0％、51.1％和50.7％。本研究的前期工作結果［8］表明，多酚、蛋白質和多糖是清除羥自由基的主要組分。蛋白質和多糖與羥自由基反應后，其色澤變化小。山地木麻黃ACH抑制漂白機械漿的光致返黃作用的持續時間短，且紙張變得更黃的結果意味著漂白機械漿的光致返黃中產生的自由基的濃度大，山地木麻黃ACH中活性基團迅速被反應失去其活性。由于提取物中的多酚與羥自由基反應后自身變為色澤深的化合物如醌類化合物［2］，因此，山地木麻黃ACH濃度大時，其反應產物的色澤可能導致紙張色澤比空白紙樣的深。

2.3 含木麻黃樹皮提取物涂料對漂白機械漿光致黃化的抑制作用

上述實驗結果揭示山地木麻黃ACH雖能抑制木質素的光致氧化反應，但不能阻止反應的發生。如能阻止漂白機械漿中木質素吸收紫外光，就可以大幅減少光致氧化反應發生，那么自由基抑制劑的作用持續時間將延長。紙張表面涂布液中的碳酸鈣等無機粉體具有阻斷紫外光與木質素接觸的作用，因此考察了含山地木麻黃樹皮提取物的碳酸鈣涂布液對漂白機械漿光致黃化的抑制作用。

將含不同質量濃度的山地木麻黃ACH的碳酸鈣涂布液分別涂在漂白機械漿紙片的表面（涂料用量均為4g/m2），考察了強制光照下紙張白度的變化，結果如圖4所示。經24h的強制光照后，空白紙片的白度減小了26.4％，而涂有含ACH的碳酸鈣涂料的紙片的白度減小幅度均小于空白紙片的，涂布液中ACH的質量分數分別為0.01％和0.03％時，紙片的白度減小13％左右，表明含有木麻黃提取物的碳酸鈣涂布液對漂白機械漿光致黃化具有顯著抑制作用。但涂布液中ACH的質量分數提高到0.06％時涂布紙片的白度減小幅度反而增大，可能是ACH中的多酚在光照下也產生較多的深色醌類化合物，降低紙片的白度。

由圖5可知，碳酸鈣涂布液中木麻黃提取物的組分對其抑制漂白機械漿光致黃化的影響大。ACH抑制漂白機械漿光致黃化的作用效果最大，水提取物（AQU）的作用效果最差，丙酮提取物和鹽酸水溶液提取物（HCl）的作用效果介于ACH和AQU之間。比較圖5和圖2可知，含山地木麻黃提取物的碳酸鈣涂布液抑制漂白機械漿光致黃化的作用效果與山地木麻黃提取物清除羥自由基活性一致，木麻黃提取物清除羥自由基的活性越大，其對漂白機械漿光致黃化的抑制作用也越大。

圖4 ACH濃度對抑制漂白機械漿光致黃化的影響

圖5 溶劑對山地木麻黃提取物抑制漂白機械漿光致黃化的影響

3 結論

本實驗的4種木麻黃樹皮中山地木麻黃提取物清除羥自由基的活性最大。本實驗的4種提取溶劑中鹽酸質量濃度為1.0％的丙酮水溶液（丙酮與水的質量比為3∶7）提取山地木麻黃的提取物（ACH）的清除羥自由基活性最大。強制光照4h后，涂有ACH的紙片的白度減小了8.6％，而空白紙片的白度減小了19.2％，顯示木麻黃提取物對漂白機械漿光致黃化的抑制作用。含有質量分數為0.01％和0.03％的ACH的碳酸鈣涂布液可大幅減小漂白機械漿的光致黃化，強制光照24h后涂布紙片白度減小約10％。木麻黃提取物抑制羥自由基的活性越大，其對漂白機械漿光致黃化的抑制作用也越大。

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