一种高生物活性木质素及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高生物活性木质素及其制备方法 (High-biological-activity lignin and preparation method thereof ) 是由 毛志慧 齐国闯 马丕明 杨伟军 于 2021-08-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种以纳米木质素(LNP)为原料制备胺化改性高生物活性木质素的方法。所述原料中纳米木质素10～50份,胺基化合物10～50份,醛基化合物10～50份,二氧化钛(TiO-(2))0.1～2份。该方法将木质素和胺基化合物按一定比例混合,常温下磁力搅拌,然后将醛基化合物与TiO-(2)/水分散以滴加的方式混合均匀,在60～100℃和惰性气体保护等条件下进行曼尼希反应；本方法工艺简单、制备周期短、产率高。本发明使用木质素制备得到的胺化改性高活性木质素,与商业抗氧化剂相比,其清除自由基性能得到显著提升,且兼具优异的协同紫外屏蔽性能和抗菌活性,可应用于在化妆品、个人护理用品、生物制药、聚合物复合材料等领域。(The invention provides a method for preparing amination modified high-bioactivity lignin by taking nano Lignin (LNP) as a raw material. The raw materials comprise 10-50 parts of nano lignin, 10-50 parts of amino compounds, 10-50 parts of aldehyde compounds and titanium dioxide (TiO) 2 ) 0.1-2 parts. The method comprises mixing lignin and amino compound at a certain ratio, magnetically stirring at room temperature, and mixing aldehyde compound with TiO 2 Uniformly mixing the water dispersion in a dropwise manner, and carrying out Mannich reaction at the temperature of 60-100 ℃ under the protection of inert gas and the like; the method has simple process, short preparation period and high yield. Compared with commercial antioxidants, the aminated modified high-activity lignin prepared from lignin has the advantages that the performance of scavenging free radicals is remarkably improved, and the aminated modified high-activity lignin has excellent synergistic ultraviolet shielding performance and antibacterial activity, and can be applied to the fields of cosmetics, personal care products, biopharmaceuticals, polymer composite materials and the like.)
技术领域
本发明属于环境友好天然高分子材料领域，涉及一种高抗氧化、广谱抗菌、抗紫外木质素及其制备方法。
背景技术
随着生活质量的提高，抗氧化剂在人类饮食起居中发挥着愈加重要的作用。抗氧化功能性物质的添加，如二丁基羟基甲苯(BHT)、叔丁基对羟基茴香醚(BHA)等，可以延缓身体的衰老速度，保健身体。医学研究表明，人类慢性疾病的初步产生是由细胞电子被抢夺引起的，而自由基进入人体后极易抢夺细胞电子，导致细胞的抵抗力降低，身体易受病菌感染，甚至形成致癌物质。因此，抗氧化清除自由基一直以来都是国内外的研究热点。
随着人们健康意识的逐渐增强，一些天然抗氧化剂的使用正在逐渐代替商业抗氧化剂，这对于降低成本和高效使用抗氧化剂具有重要意义。木质素作为一种具有三维网状结构的天然聚多酚，其性能十分多样化：如抗氧化、抗菌、无毒、抗紫外等特点。然而，目前大部分的木质素都是作为工业废料或者燃料处理掉的；并且木质素作为天然抗氧化剂应用时，其抗氧化、抗菌活性低，紫外屏蔽效率不够高。因此，提高木质素的综合生物活性对于拓展木质素的应用、促进资源的可持续利用具有重大意义。文献Ind.Crops Prod.2019,128,177–185、ACS Sustainable Chem.Eng.2018,6(2),2591–2595和Ind.Crops Prod.2017,95,512–520分别通过水热法解聚、漆霉以及离子液体改性提高木质素的抗氧化性能，但紫外屏蔽性能与抗菌活性并未得到实质性提高；文献Green Chem.,2020,22,6357-6371报道了将精胺酸、组胺酸和赖胺酸嫁接到木质素表面，提高了木质素的抗菌活性，改性木质素产物对革兰氏阳性细菌和阴性细菌虽然具有选择性抑菌效果，但不具有广谱抗菌功能，且木质素的抗氧化能力和紫外屏蔽能力未得到实质性改善。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提出了一种利用木质素两步法制备优异抗氧化、抗菌、抗紫外功能的木质素的新方法。本发明可以提高木质素的比表面积，增加抗氧化活性基团。所制备的抗氧化纳米木质素具有优异的抗氧化、协同广谱抗菌以及紫外屏蔽等功能。本发明的方法合成工艺简单、原料易得、绿色环保。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
本发明的第一个目的为一种改性木质素及其制备方法，其特征在于，所述改性木质素由包括以下组分的原料制备而得：
在本发明的一种实施方式中，所述改性过程中各组分，按照重量份数配比，包括纳米木质素50～100份，胺基化合物10～50份，醛类化合物10～50份，TiO2 0.1～2份。
在本发明的一种实施方式中，所述一种改性木质素及其制备方法将0.1～5w/v％纳米木质素分散液和胺基化合物按一定比例混匀，然后添加醛类化合物与TiO2分散液、混匀，在惰性气体保护下进行反应，反应结束后，透析，得到改性木质素。
在本发明的一种实施方式中，所述的纳米木质素为碱木质素、有机溶剂型木质素、木质素磺酸盐、硫酸盐木质素中的一种或多种。
在本发明的一种实施方式中，所述的醛类为甲醛、乙醛、丙醛、苯甲醛、糠醛、二醛、不饱和醛中的一种。
在本发明的一种实施方式中，所述直链或支链烷基胺的碳数量为1～8。
在本发明的一种实施方式中，所述的胺类为直链或支链烷基胺、环状胺、多胺、羟烷基胺、氨基酸中的一种。
在本发明的一种实施方式中，在60～100℃下缓慢滴加醛类化合物与TiO2分散液。
在本发明的一种实施方式中，所述的纳米木质素分散液和TiO2分散液的溶剂为水。在本发明的一种实施方式中，所述的TiO2用量为0.1～2份
在本发明的一种实施方式中，透析时间为1～12h。
在本发明的一种实施方式中，将纳米木质素和胺基化合物加入到瓶中，N2作为保护气体，在60～100℃下缓慢滴加醛类化合物与TiO2复合进行曼尼希反应，1-12h反应结束后进行透析，即可得到胺化改性木质素。得到产物兼具优异抗氧化、抗菌与紫外屏蔽功能的改性纳米木质素
在本发明的一种实施方式中，所述曼尼希反应在加热条件下进行，优选为50～100℃无水条件下进行。
在本发明的一种实施方式中，所需的醛类与胺类物质的量，以CHO与NH摩尔比计，为1:0.4～2.5。
在本发明的一种实施方式中，所述的醛类可为但不限于所述的醛类可以是但不限于甲醛、乙醛、丙醛、苯甲醛、糠醛、二醛(如戊二醛、乙二醛等)、不饱和醛(如丙烯醛、丁烯醛等)中的一种。
在本发明的一种实施方式中，所述的胺类所述的胺类为直链或支链烷基胺、环状胺、多胺(如乙二胺、己二胺、二乙基三胺、三乙基四胺、四乙基五胺等)、羟烷基胺(如羟乙基伯胺、二羟乙基胺、三羟乙基胺、胺乙基乙醇胺等)、氨基酸(如赖胺酸、肌胺酸、甘胺酸、亚胺基二乙酸、酪胺酸、天冬胺酸等)中的一种。
在本发明的一种实施方式中，所述的溶剂可为水、丙酮、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAC)、四氢呋喃(THF)、二氧六环中的至少一种。
本发明利用上述的方法还提供了一种改性木质素。
本发明的第二个目的是提供上述的改性木质素在化妆品、个人护理用品、生物制药、涂料、聚合物复合材料领域中的应用。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
1、本发明所述的木质素原料来源广泛、可再生，具有环境友好性和生物降解性，且成本较低。同时，纳米木质素表面高活性，相比于商业抗氧化剂，本发明的胺化改性纳米木质素具有更优的环境友好性；且具有优异的抗氧化性能，6h后清除二苯基苦基苯肼(DPPH)自由基能力达到98.0％，效果优于商业抗氧化剂二丁基羟基甲苯(BHT)。
2、本发明所述的胺化木质素安全无毒，具有优异的抗菌性能，其中革兰氏阳性菌和阴性菌的抑菌效率均超过50％，超过木质素本身的抑菌效率(<20％)。
3、本发明所述的T-LNP具有更优异的紫外屏蔽功能，比木质素相比，紫外屏蔽性能提高了35％以上。
4、本发明所述的改性T-LNP可用于化妆品、个人护理用品、生物制药、聚合物复合材料等领域。
具体实施方式
尽管上述对本发明做了详细说明，但本发明不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。
抗氧化活性测试：取待测样品配制成0.01g/mL的水溶液，取2.0mL的0.01g/mL的溶液与2.0mL 50mg/L的DPPH溶液混合，自由基捕捉反应1、3、6h后通过紫外分光光度计检测和拟合517nm处的峰面积，计算得到清除自由基的强弱，空白样品在517nm处的峰面积为22.5。
抑菌活性测试：将得到的木质素样品配置成1.0g/L浓度，取10μL与180μL细菌悬浮液混合，将混合液涂在培养基的琼脂平板上，在37℃条件下用紫外光照射3h，随后在培养基中培养24h，观察并统计细菌菌落数，不含木质素空白样的革兰氏阳性细菌(金黄色葡萄球菌)与革兰氏阴性细菌(大肠杆菌)细菌数量分别为1.5×107CFU/mL和1.3×107CFU/mL。
紫外屏蔽性能测试：将得到的木质素样品，与PVA进行水溶液充分混合，浇注成膜，其中木质素含量均为1.0％，膜厚度为200微米，通过紫外分光光度计测试PVA复合材料薄膜的透明性(500nm)与紫外屏蔽性能(320nm)，其中纯PVA膜在500nm与320nm处的透光率分别为92％与85％。
关于TiO2分散液：取1.0g TiO2，分散到100mL的水中，配置成0.01g/mL的TiO2分散液，以1.0mL分散液为一份。
关于ZnO分散液：取1.0g ZnO，分散到100mL的水中，配置成0.01g/mL的ZnO分散液，以1.0mL分散液为一份。
实施例1：
将纳米木质素(100份，按质量0.01g为一份)和乙二胺(10份)加入到反应瓶中，N2作为保护气体，在60℃下缓慢滴加甲醛(10份)与TiO2分散液(0.1份)进行曼尼希反应，10h反应结束后进行透析，即可得到胺化改性木质素，产物简称为T-LNP1，其抗氧化活性见表1，抑菌活性见表2，紫外线屏蔽性能见表3。
实施例2：
将纳米木质素(100份)和乙二胺(50份)加入到反应瓶中，N2作为保护气体，在100℃下缓慢滴加甲醛(50份)与TiO2分散液(0.5份)进行曼尼希反应，1h反应结束后进行透析，即可得到胺化改性木质素，产物简称为T-LNP2，其抗氧化活性见表1，抑菌活性见表2，紫外线屏蔽性能见表3。
实施例3：
将纳米木质素(100份)和二羟乙基胺(50份)加入到反应瓶中，N2作为保护气体，在100℃下缓慢滴加戊二醛(50份)与TiO2分散液(2份)进行曼尼希反应，1h反应结束后进行透析，即可得到胺化改性木质素，产物简称T-LNP3，其抗氧化活性见表1，抑菌活性见表2，紫外线屏蔽性能见表3。
实施例4：
将纳米木质素(100份)和赖胺酸(10份)加入到反应瓶中，N2作为保护气体，在60℃下缓慢滴加甲醛(10份)与TiO2分散液(0.5份)进行曼尼希反应，12h反应结束后进行透析，即可得到胺化改性木质素，产物简称T-LNP4，其抗氧化活性见表1，抑菌活性见表2，紫外线屏蔽性能见表3。
实施例5：
将纳米木质素(80份)和己二胺(20份)加入到反应瓶中，N2作为保护气体，在70℃下缓慢滴加糠醛(20份)与TiO2分散液(1份)进行曼尼希反应，8h反应结束后进行透析，即可得到胺化改性木质素，产物简称T-LNP5，其抗氧化活性见表1，抑菌活性见表2，紫外线屏蔽性能见表3。
实施例6：
将纳米木质素(50份)和天冬胺酸(50份)加入到反应瓶中，N2作为保护气体，在100℃下缓慢滴加丙烯醛(50份)与TiO2分散液(2份)进行曼尼希反应，6h反应结束后进行透析，即可得到胺化改性木质素，产物简称T-LNP6，其抗氧化活性见表1，抑菌活性见表2，紫外线屏蔽性能见表3。
实施例7：
将纳米木质素(100份)和天冬胺酸(25份)加入到反应瓶中，N2作为保护气体，在65℃下缓慢滴加丙烯醛(25份)与TiO2分散液(1份)进行曼尼希反应，12h反应结束后进行透析，即可得到胺化改性木质素，产物简称T-LNP7，其抗氧化活性见表1，抑菌活性见表2，紫外线屏蔽性能见表3。
实施例8：
将纳米木质素(100份)和酪胺酸(25份)加入到反应瓶中，N2作为保护气体，在100℃下缓慢滴加甲醛(25份)与TiO2分散液(1.5份)进行曼尼希反应，2h反应结束后进行透析，即可得到胺化改性木质素，产物简称T-LNP8，其抗氧化活性见表1，抑菌活性见表2，紫外线屏蔽性能见表3。
对比例1：
取100份普通木质素，不对其酸解纳米化和胺化改性处理，仅是通过原料研磨，经过120目筛网得到的微米木质素，其抗氧化活性见表1，抑菌活性见表2，紫外线屏蔽性能见表3。
对比例2：
将纳米木质素(100份，按质量0.01g为一份)加入到反应瓶中，在60℃下缓慢滴加TiO2分散液(0.1份)，结束后进行透析，制得对比样品2，其抗氧化活性见表1，抑菌活性见表2，紫外线屏蔽性能见表3。
对比例3：
参照对比例2，将TiO2分散液替换为等量的ZnO分散液，其他不变，制得对比样品3，其抗氧化活性见表1，抑菌活性见表2，紫外线屏蔽性能见表3。
对比例4：
取100份麦克林公司购买得到的商业抗氧化剂BHT(二丁基羟基甲苯)为对比样品4，其抗氧化活性见表1，抑菌活性见表2，紫外线屏蔽性能见表3。
对比例5：
取100份普通木质素，参照实施例1的条件制备胺化改性木质素，得到胺化改性木质素，制得对比样品5，其抗氧化活性见表1，抑菌活性见表2，紫外线屏蔽性能见表3。
对比例6：
参照实施例1，将TiO2分散液更换为等量ZnO分散液，其余条件不变，制得对比样品6，制备得到的胺化改性木质素其抗氧化活性见表1，抑菌活性见表2，紫外线屏蔽性能见表3。
对比例7：
参照实施例1，不添加TiO2，制备胺化改性木质素对比样品7，其抗氧化活性见表1，抑菌活性见表2，紫外线屏蔽性能见表3。
表1各样品抗氧化活性对照表
说明：抗氧化效率Q1＝(22.5-x)/22.5，x表示不同时间紫外分光光度计517nm处拟合面积；
根据以上测试结果：实施例1～8与对比例1和2相比，不同时间段的抗氧化能力得到明显改善；实施例1～8与对比例3相比，在自由基捕捉反应3h后，抗氧化能力甚至高于商用抗氧化剂BHT，这是因为通过曼尼希反应不仅可以提升木质素酚羟基含量，且生成的胺基使木质素形成了更稳定的苯氧自由基，更容易分离出氢质子与DPPH自由基反应，提高抗氧化活性；纳米木质素相比于微米木质素的活性更高，这是因为小尺寸木质素的比表面积增大，更多的酚羟基得以暴露。而对比例4因为没有对木质素进行处理，比表面积小，胺化反应程度较低，抗氧化活性达不到于商用抗氧化剂BHT的效果。
表2各样品抑菌效果对照表
说明：抑菌效率Q2＝(a-y)/a或＝(b-y)/b，其中a＝1.5×107CFU/mL；b＝1.3×107CFU/mL,y表示不同样品的细菌数量；
根据以上测试结果：实施例1～8与对比例1、2、3、4相比，抑菌效率得到明显提高，均超过30％；与对比例1相比，对比例2纳米木质素的抑菌效率略微提高，金黄色葡萄球菌抑菌效率为20.0％，大肠杆菌细菌抑菌效率为13.8％，木质素抗菌和抗氧化的机理相似，即抗氧化性能提高，一般抗菌活性也一定程度提高，小粒径的纳米木质素更有效地抑制细菌生长，BHT(实施例3)也具有一定的抗菌性能，金黄色葡萄球菌抑菌效率为24.0％，大肠杆菌细菌抑菌效率为16.9％。与对比例1相比，对比例4胺化改性木质素抑菌效率提升明显，但仍处于较低水平，是因为对比例4所用木质素的尺寸大，比表面积小，导致胺化反应无法在木质素接枝更多胺基。
同时，在各实施例中，随着TiO2含量增加，在紫外光照后各组样品抑菌效果得到明显提高，其原理在于二氧化钛在光催化作用下使细菌分解而达到抗菌效果，胺化木质素与二氧化钛显示出了协同抑菌效果，例如在实施例6中，所制得的改性木质素的金黄色葡萄球菌抑菌效率达到93.3％，大肠杆菌细菌抑菌效率则达到93.1％，超过了所有其他样品的抑菌效率。实验结果表明，通过与TiO2复合后进行曼尼希反应得到的产物，显示了紫外光催化协同广谱抗菌效果。
表3各组分PVA复合材料薄膜的紫外光与可见光透过率
试样
320nm透光率(％)
500nm透光率(％)
实施例1
6.5
70.4
实施例2
3.6
70.8
实施例3
1.5
73.5
实施例4
4.6
65.6
实施例5
2.5
69.2
实施例6
1.0
71.5
实施例7
3.4
68.2
实施例8
2.4
72.1
对比例1
30.2
82.4
对比例2
10.4
83.1
对比例3
78.3
84.6
对比例4
80.4
92.0
对比例5
20.6
60.4
对比例6
77.4
88.3
对比例7
15.8
66.6
根据以上测试结果：实施例1～8与对比例1、2、3、4相比，紫外屏蔽性能得到明显的改善，但同时也牺牲了一定的透明性能；同时在各实施例和对比例5中，随着TiO2含量增加，光透明性提高，紫外屏蔽性能得到进一步提升。与对比例1相比，对比例2纳米木质素的紫外屏蔽能力更高，这是因为小粒径的纳米木质素能均匀的分布在PVA中，紫外屏蔽性能改善；同时BHT溶于水后为无色透明，所以并没有提高PVA膜的抗紫外性能；对比例4胺化改性木质素虽然紫外线透过率降低至20.6％，但是胺化反应后使其可见光透过率也降低，为60.4％；通过与TiO2复合后进行曼尼希胺化改性所得产物，其紫外屏蔽能力更进一步的提升，在实施例6中，在320nm处的紫外屏蔽性能达到了99.0％，而在500nm的光透明性保持在72.1％的水平，具有较高的光学透明性与优异的紫外屏蔽功能，与实施例相比，紫外屏蔽性能提高了35％以上。
综上所述，本发明所制备的高抗氧化、抗菌、抗紫外木质素可用于化妆品、个人护理用品、生物制药以及聚合物基复合材料等领域。
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