楊木APMP廢液中半纖維素的羧甲基化改性及其生物活性研究

劉海棠，李 潔

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

自上世紀九十年代出現以來，堿性過氧化氫化學機械法制漿（APMP）以其得率高、污染少、能耗低的特點在現代制漿造紙工業中占據著十分重要的位置[1]。但是，其廢液中依然溶有約10%的有機和無機物質，主要的有機物為半纖維素和木素[2]。半纖維素作是地球上含量豐富的可再生物質資源之一，高效利用半纖維素，提高其附加值，不僅能緩解環境問題，還能為制漿造紙企業帶來更多的經濟效益[3-4]。

半纖維素是由多種單糖連接聚合而成的多聚體[5]。研究表明，多糖與維持生命所需的多種生理功能密切相關：從禾本科植物，木材或者其他紙漿的堿抽出液中分離出的水溶性、微酸性糖類具有抗癌作用[6-7]。由水難溶或不溶性半纖維素經過局部水解得到的水溶性糖類可以獲得相同的效果[6]。將半纖維素羧甲基化改性可制備沒有毒性的抗癌性物質[6]。宋飛宇等[8]采用醚化法制備羧甲基半纖維素，通過將其與聚酰胺多胺-表綠醇樹脂類濕強劑連用，明顯提高了紙張的濕抗張指數。馮作化等[9]通過對小鼠給藥羧甲基半纖維素，觀察到小鼠巨噬細胞的吞噬指數明顯增加，說明達到抗腫瘤的效果。WEERASOORIYA等[10]通過將半纖維素與羧甲基化半纖維素混合，制備了性能更好的薄膜。陳婷等[11]從桉木APMP廢液中提取半纖維素并進行羧甲基化改性，得到的羧甲基纖維素較半纖維素具有更好的抗氧化性、吸濕保濕性以及抑菌性。

本文從楊木APMP廢液中提取半纖維素，并對其羧甲基化改性后，探究了其改性前后楊木半纖維素的抗氧化性和吸濕保濕性。

1 實驗

1.1 原料與試劑

楊木APMP廢液(山東某造紙廠)；氫氧化鈉，無水乙醇，硫酸，碳酸鈉，硫酸銨，硫酸亞鐵，一氯醋酸，過氧化氫(30%)，水楊酸鈉，實驗所用試劑均為分析純；木聚糖(麥克林)。

1.2 實驗設備

VOS-60A型真空干燥箱，施都凱儀器設備（上海）有限公司；SHB-III型循環水式多用真空泵，鄭州長城科工貿有限公司；DZKW-D-4型電熱恒溫水浴鍋，北京市永光明醫療儀器有限公司；TU-1810型紫外可見分光光度計，北京普析儀器有限責任公司；DSX-24L-I型手提式高壓蒸汽滅菌器，上海申安醫療器械廠；1200型高效液相色譜儀，德國Agilent公司；FT-IR650型傅里葉紅外光譜儀，天津港東科技發展股份有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 半纖維素提取[11]

取適量APMP廢液于燒杯中，用質量分數為72%的硫酸溶液調節廢液的pH值為3。然后置于45℃的恒溫水浴鍋中水浴30 min，使廢液中的木質素完全沉淀。水浴后冷卻至室溫，抽濾，除去木質素。用濃度為6 mol/L的氫氧化鈉溶液調節濾液pH值為4，加入體積為調節后濾液體積4倍的無水乙醇，靜置12 h以上，抽濾，除去濾液，沉淀物用無水乙醇洗滌3次后真空干燥(40℃，12 h)，得到半纖維素。

1.3.2 羧甲基纖維素制備

稱量適量1.3.1中得到的半纖維素和適量的一氯醋酸、氫氧化鈉，同時倒入燒杯中，隨后加入一定體積的80%乙醇，攪拌均勻，放于80℃水浴鍋中加熱2 h，冷卻，抽濾，殘渣用85%的乙醇洗滌3次。將過濾后的殘渣進行真空干燥，得到羧甲基半纖維素的粗品。最后，將粗制羧甲基半纖維素復溶于水中，高速離心，收集沉淀，真空干燥，得到的黃褐色粉末為純化后的羧甲基半纖維素。

1.4 單糖組分鑒定

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儀進行檢測分析。

準確稱取0.5 g半纖維素樣品于試管中，并使用移液槍準確吸取3.00 mL 72%的濃硫酸，混勻，放入30℃恒溫水浴鍋中水浴加熱1 h。然后將水解的樣品吸取到100 mL的錐形瓶之中。向錐形瓶中加入84.0 mL超純水，封住瓶口后放入蒸汽滅菌鍋中，于121℃滅菌45 min。冷卻至室溫后，使用一次性針管移取滅菌后的水解的樣品過0.22 μm濾膜后于液相瓶中，用高效液相色譜儀進行檢測。

1.5 紅外光譜測定

分別稱取少量的半纖維素、羧甲基半纖維素粉末，與干燥的KBr粉末按質量比1∶100進行壓片制樣。采用傅里葉紅外光譜儀分析半纖維素及羧甲基半纖維素的結構。

1.6 抗氧化性能測定[12]

稱取0.2 g樣品于50 mL小燒杯，加入2 mL蒸餾水，充分溶解后，用移液槍吸取1.0 mL于一號試管中；再往燒杯中加2 mL蒸餾水，用移液槍吸取1.0 mL于二號試管中，以此類推，得到等濃度梯度的稀釋樣液。用移液槍移取2 mL濃度為2 mmol/L的FeSO4溶液、2 mL濃度為6 mmol/L的H2O2溶液，混合后充分搖勻，靜置10 min后，再移取2 mL濃度為2 mmol/L的水楊酸鈉，混合均勻后置于37℃水浴中靜置30 min，用紫外分光光度計于510 nm波長處測定混合物的吸光值A1；同樣的操作步驟，用等體積蒸餾水代替樣液，測定吸光度值A0；不加水楊酸，用等體積蒸餾水代替，加入不同濃度樣液，同法的操作步驟，測定吸光度值A2。以樣品溶液濃度為橫坐標，羥基自由基清除率為縱坐標，建立樣品溶液濃度與羥自由基清除率關系的曲線。羥基自由基清除率根據式(1)計算。

1.7 吸濕性能和保濕性能的測定[11]

1.7.1 吸濕性能

稱取2份0.5 g樣品，分別放入烘至恒重的稱量瓶中，將稱量瓶分別放置在兩個不同的干燥器中，一個干燥器內放有飽和的硫酸銨溶液（相對濕度81%），另一個干燥器內放有飽和的碳酸鈉溶液（相對濕度81%），放置時間分別為12、24、48 h。分別在標準狀態（室溫20℃±1℃，相對濕度60%±5%）下稱量樣品放置前的質量mo和放置后的質量mn。根據式（2）計算吸濕率。

1.7.2 保濕性能

室溫下，精確稱取2份0.5 g樣品，分別加入到烘至恒重的稱量瓶中，再加入質量為干燥樣品量10%的去離子水。將稱量瓶分別放置在兩個的不同干燥器中，一個干燥器內放有飽和碳酸鈉溶液（相對濕度43%），另一個干燥器內放有干硅膠（相對濕度10%），放置時間為12、24、48 h。在標準狀態（室溫20℃±1℃，相對濕度60%±5%）下稱量添加蒸餾水（樣品質量的10%）的樣品質量mo以及其放置一定時間后的樣品質量mt。根據式（3）計算保濕率。

2 結果與討論

2.1 半纖維素的紅外光譜測定

由圖1可知，898 cm-1存在β-D-木糖的特征吸收峰，是β-吡喃環C—H的伸縮振動引起的，說明糖單元之間以β-糖苷鍵連接。在1 129 cm-1處是糖單元醚鍵（C—O—C）伸縮振動吸收峰，是半纖維素的特征吸收峰。酰基在1 618cm-1處表現出較強的伸縮振動峰。3 439 cm－1處較強的羥基伸縮吸收峰，表明其羥基的含量較高。在1 000 cm-1和1 170 cm－1之間的譜帶是木聚糖的典型吸收峰。由于提取的半纖維素具有木聚糖最典型的特征吸收峰，由此可以充分說明廢液中提取的半纖維素是木 聚 糖 類 半 纖 維 素[13－14]。

圖1 楊木半纖維素與楊木羧甲基半纖維素的紅外光譜圖

比較改性前后的半纖維素的紅外光譜圖可以看出，羧甲基化半纖維素在1 417 cm-1處有明顯的吸收峰，其是由醚化劑取代基上甲基基團產生的吸收峰，并使1 112 cm-1處的醚鍵不對稱伸縮振動的吸收峰增強。而且羧甲基化半纖維素在3 421 cm-1處的吸收峰明顯增強，分析其原因是由于在堿催化下，醚化劑與半纖維素形成羥烷基陽離子半纖維素，使羧甲基化半纖維素大分子鏈上的羥基數量明顯增加，造成3 421 cm-1處的吸收峰明顯增強。由以上分析結果可以確定，醚化劑與半纖維素已經發生了反應，并接枝到半纖維素分子中，羧甲基半纖維素的制備是成功的。

表1 是同一批半纖維素經元素分析得到的碳含量以及這批半纖維素羧甲基化之后得到的羧甲基半纖維素的碳含量。顯然由于羧甲基的引入，氧的含量會有所增加，這時碳元素所占的比例就會相對減少，也就從側面證明了羧甲基的引入是成功的[15]。

表1 半纖維素和羧甲基半纖維素的碳含量

2.2 半纖維素單糖組分測定

表2 為楊木半纖維素的單糖組分測定結果。從表2中可以看出：從楊木APMP廢液中提取的半纖維素主要由木糖組成，含量為45.28%，其次是葡萄糖，含量為38.95%，還有11.97%的阿拉伯糖。通過其組成可以得出，木聚糖是楊木APMP廢液中半纖維素的主要組成。

表2 楊木半纖維素的單糖組分測定結果

2.3 抗氧化性能分析

由于羥基自由基化學性質非常的活潑，幾乎與細胞內各類有機物反應，是造成組織脂質過氧化、蛋白質解聚與聚合、核酸斷裂、多糖解聚的重要活性氧，而羥基自由基清除率是反應抗氧化作用的重要指標。由圖2可知，在實驗質量濃度范圍內，楊木半纖維素和羧甲基半纖維素對羥基自由基均有著良好清除能力，其清除效果與樣品添加量均呈正相關性，并呈現出良好的量效關系。實驗結果表明：楊木羧甲基半纖維素的質量濃度在0.005~0.035 g/mL范圍內時，對羥基自由基的清除率較同濃度的半纖維素的清除率高。達到飽和后，楊木半纖維素的羥基清除率穩定在98.52%左右，而羧甲基纖維素的羥基清除率在97.93%左右，兩者相差不大。

圖2 楊木羧甲基半纖維素與楊木半纖維素對羥基自由基清除作用的比較

2.4 吸濕性能分析

楊木半纖維素和楊木羧甲基半纖維素在相對濕度43%時的吸濕率隨時間變化如圖3所示。從圖3可以看出：在相對濕度為43%的低濕度環境中，楊木羧甲基半纖維素的吸濕率一直穩定提升，且大于楊木纖維素的吸濕率。

圖3 飽和碳酸鈉中各樣品的吸濕率

楊木半纖維素和楊木羧甲基半纖維素在相對濕度81%時的吸濕率隨時間變化如圖4所示。在硫酸銨制造的高濕度環境下，在前24 h中，楊木羧甲基半纖維素的吸濕率增加較快，說明了其具有良好的吸濕作用。在48 h后，楊木羧甲基半纖維素和楊木半纖維素的吸濕率變化漸漸減小。

圖4 飽和硫酸銨中各樣品的吸濕率

2.5 保濕性能分析

在不同濕度環境下各樣品的保濕率變化如圖5所示。從圖5可以看出：楊木半纖維素、楊木羧甲基半纖維素在干硅膠(相對濕度10%)和飽和硫酸銨(相對濕度81%)中的保濕率隨時間變化，在干硅膠中羧甲基化半纖維素的保濕性明顯優于未改性半纖維素。在高相對濕度的環境下，樣品中依舊是羧甲基半纖維素的保濕性最好。

圖5 不同濕度環境下樣品的保濕率變化

3 結束語

本文從楊木APMP廢液中提取半纖維素并進行羧甲基化，通過紅外光譜和碳含量分析證明了半纖維素成功被羧甲基化。對改性前后的半纖維素進行生物活性測定，發現二者對羥基自由基有著良好的清除效果，而楊木羧甲基半纖維素相對未改性半纖維素只需要更小的濃度便可達到較好的抗氧化性能。此外，楊木羧甲基半纖維素的吸濕性和保濕性也都優于楊木半纖維素，證明羧甲基化后的楊木半纖維素具有更好的吸濕和保濕性能。