CN115404078B - 一种离子液体-复合酶共降解木质素制备抗氧化剂的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离子液体‑复合酶共降解木质素制备抗氧化剂的方法，属于精细化学品技术领域。先在一定温度下以离子液体/水混合溶液处理木质素，通过降低分子聚合力实现对木质素的部分解聚，释放更多酶降解位点，再加入复合酶降解木质素，以提高其抗氧化活性。整个处理过程能耗低，条件温和，操作简易，不产生有害物质。降解后的木质素抗氧化活性显著提升，优于抗氧化剂BHT，因此有望替代合成抗氧化剂应用于护肤品和高分子材料中。本发明的实施可有效推动木质素在天然抗氧化剂领域的发展，提高其利用率和附加值，增加经济效益。
Description
技术领域
本发明属于精细化学品技术领域，具体涉及一种离子液体-复合酶共降解木质素制备抗氧化剂的方法。
背景技术
活性自由基既会导致机体损伤和细胞衰老等人类生存问题，同时也是大部分高分子材料老化的主要诱因，需要及时清除。为减少自由基对人体和材料的伤害，抗氧化剂已广泛应用于化妆护肤品和各类功能材料中。研究证实，包括丁基羟基甲苯(BHT)、丁基羟基茴香醚(BHA)等在内的合成类抗氧化剂对人体酶系统有毒害作用，且小分子抗氧化剂在材料中使用时易从聚合物基体中迁移至表面，从而导致环境污染。与合成类抗氧化剂相比，天然抗氧化剂具有绿色、无污染、安全性高、可生物降解等优点，日益受到人们的青睐。
木质素是植物中含量仅次于纤维素的第二大可再生组分，储量丰富，其结构中的酚羟基能够有效清除自由基，因此木质素具有一定的抗氧化活性。但木质素分子量较大、极易团聚，其抗氧化性能还难以超越合成抗氧化剂，阻碍了其在工业上的规模化应用。从结构上看，木质素是由对羟苯基(H)、愈创木基(G)和紫丁香基(S)三种苯丙烷单元通过碳碳键或碳氧键无序连接而成的高分子聚合物。而木质素降解则是利用一定的方法断裂木质素结构中的连接键，生成一些低分子量的木质素结构碎片，该过程中木质素酚羟基含量会增加，从而抗氧活性得到提高。
离子液体是一种溶解性强、可重复利用的新型绿色溶剂，对木质素具有很好的溶解效果和解聚作用，同时辅以高温、高压或加入酸催化剂，便可实现木质素降解，但在转化应用中却容易出现反应条件苛刻、成本过高、催化剂回收困难等现实问题。生物酶解则是利用自然界中的纤维素酶、木质素降解酶等酶系实现对木质素连接键的裂解作用，具有无污染、条件温和等优点。因此，将离子液体与生物酶解技术相结合开发的复合催化体系对于降解转化木质素、提高其应用价值具有重要意义。
发明内容
针对离子液体降解木质素时反应条件复杂苛刻，酶降解木质素的条件温和但降解效率低的问题，本发明提供了一种离子液体-复合酶共降解木质素制备抗氧化剂的方法，旨在充分结合两种木质素降解技术的优势，在降低降解难度的同时优化降解效率。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种离子液体-复合酶共降解木质素制备抗氧化剂的方法，包括以下步骤：
步骤1，将提纯碱木质素溶于离子液体/水混合溶剂中配制碱木质素浓度为3～5wt％的反应液，100～130℃温度下搅拌2小时；冷却至室温后用柠檬酸钠缓冲液调节反应液pH值至6.0，再加入复合酶进行反应，得到木质素降解液；
步骤2，将木质素降解液置于沸水浴中10～20分钟，加入稀酸调节木质素降解液pH值至1.0～2.0，析出沉淀；静置过夜，过滤沉淀，滤液经减压蒸馏分离水和离子液体，离子液体回收后重复利用，滤饼经洗涤、冷冻干燥后磨粉，即得抗氧化剂。
进一步，所述提纯碱木质素为麦草碱木质素、松木碱木质素、竹浆碱木质素和木浆碱木质素中的任意一种。
进一步，所述离子液体/水混合溶剂中离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐([Bmim]OAc)，1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐([Bmim]OAc)中的任意一种。
进一步，所述加入复合酶进行反应是在恒温摇床中反应10～30小时。
进一步，所述恒温摇床的温度设定为40～50℃，转速为200～300rpm。
进一步，复合酶由生物酶A和生物酶B按体积比1:(2.5～10)混合而成。
进一步，生物酶A为木质素过氧化物酶、漆酶中的任意一种，生物酶B为乙二醛氧化酶、辣根过氧化物酶中的任意一种。
进一步，复合酶的加入量按照每克木质素加入0.08～0.15mL。
进一步，柠檬酸钠缓冲液的浓度为50mmol/L，稀酸为6mol/L的盐酸。
进一步，混合溶剂中离子液体的浓度为35～85wt％。
与现有技术相比，本发明公开提供了一种离子液体-复合酶共降解木质素制备抗氧化剂的方法。本发明先在一定温度下以离子液体/水混合溶液处理碱木质素，其中水的存在既可以降低离子液体的粘度，同时可以控制成本，而离子液体在加热状态下可以通过降低组分内或组分间的分子聚合力实现对木质素的部分解聚，释放更多酶降解位点。木质素过氧化物酶、漆酶常用于降解木质素，但该过程中常需要外加H2O2促进降解反应的进行，而乙二醛氧化酶和辣根过氧化物酶皆可在分子氧的参与下自行产生H2O2，本发明将发挥不同功能的生物酶按一定比例复合使用，可以更好地提升木质素的酶降解效率。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
(1)提供了一种条件温和、环境友好型木质素降解技术，整个过程能耗低，操作简易，不产生有害物质，混合溶剂中的离子液体可回收后重复利用。
(2)原料木质素来源广泛，绿色可再生，降解后的碱木质素抗氧化活性显著提升，优于抗氧化剂BHT，有望替代合成抗氧化剂应用于护肤品和高分子材料中。本发明的实施可有效推动木质素在天然抗氧化剂领域的发展，提高其利用率和附加值，增加经济效益。
附图说明
图1是实施例1中抗氧化剂和麦草碱木质素原料的红外光谱图。
图2是实施例1中不同浓度抗氧化剂和麦草碱木质素原料对DPPH·的清除率曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例中未注明具体条件均按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
称取5g的提纯麦草碱木质素溶于150g的[C2C1im]OAc/水混合溶剂([C2C1im]OAc浓度为65wt％)中，120℃下搅拌2小时，冷却至室温。将反应溶液转移至具塞锥形瓶中，用50mmol/L的柠檬酸钠缓冲液调节反应液pH值至6.0，加入0.75mL复合酶(含0.125mL木质素过氧化物酶和0.625mL乙二醛氧化酶)，置于50℃的恒温摇床中反应20小时，转速设置为200rpm，得到木质素降解液。
用6mol/L的盐酸调节木质素降解液的pH值至2.0，析出沉淀。静置过夜，过滤沉淀，滤液经减压蒸馏分离水和离子液体，回收离子液体。滤饼经洗涤、冷冻干燥后磨粉，即得抗氧化剂。
采用凝胶渗透色谱仪、核磁共振仪对实施例1中抗氧化剂和麦草碱木质素原料的分子量与主要活性官能团含量进行测定。表1是实施例1中抗氧化剂和麦草碱木质素原料的分子量与主要活性官能团含量对比。从表中可以看出，与麦草碱木质素原料相比，降解得到的抗氧化剂分子量明显减小，对抗氧化有利的酚羟基含量明显增多，而不利于抗氧化性提高的醇羟基含量有所降低。此外，降解过程中木质素的部分甲氧基发生了脱甲基反应变为酚羟基，因此甲氧基数量有所下降。
采用傅里叶红外光谱仪对实施例1中所得的抗氧化剂和麦草碱木质素原料的分子结构进行表征。图1是实施例1中抗氧化剂和麦草碱木质素原料的红外光谱图。从图中可以看出，抗氧化剂和麦草碱木质素的波谱都具有木质素的典型特征吸收峰，表明二者在结构组成上基本一致。与麦草碱木质素相比，抗氧化剂在在3417cm-1处的吸收峰信号强度明显增强，表明抗氧化剂有更多的羟基。
以对1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基(DPPH·)的清除效率表征实施例的抗氧化活性。图2是实施例1中不同浓度抗氧化剂和麦草碱木质素原料对DPPH·的清除率曲线。从图中可以看出，相同浓度下抗氧化剂的自由基清除率始终高于麦草碱木质素。溶液浓度过高时，麦草碱木质素易团聚成大的聚集体，部分表面酚羟基被包裹在聚集体内部，反应活性位点减少，自由基清除能力反而降低，而抗氧化剂因其分子量减小具有更好的分散性，所以自由基清除率可以在高浓度下仍维持较好的水平。DPPH·抑制率达到50％时所需样品浓度即为IC50值，高抗氧化活性对应低的IC50值。对图2中清除率曲线进行logistic函数拟合可知，麦草碱木质素的IC50值为50.8mg/L，抗氧化剂的IC50值为25.5mg/L，其抗氧化活性比原料提高了50.3％，且优于商业合成抗氧化剂BHT(IC50值为38.7mg/L)。
表1是实施例1中抗氧化剂和麦草碱木质素原料的分子量与主要活性官能团含量对比。
实施例2
称取5g的提纯竹浆碱木质素溶于150g的[C2C1im]OAc/水混合溶剂([C2C1im]OAc浓度为65wt％)中，120℃下搅拌2小时，冷却至室温。将反应溶液转移至具塞锥形瓶中，用50mmol/L的柠檬酸钠缓冲液调节反应液pH值至6.0，加入0.44mL复合酶(含0.125mL木质素过氧化物酶和0.315mL辣根过氧化物酶)，置于50℃的恒温摇床中反应20小时，转速设置为200rpm，得到木质素降解液。
用6mol/L的盐酸调节木质素降解液的pH值至2.0，析出沉淀。静置过夜，过滤沉淀，滤液经减压蒸馏分离水和离子液体，回收离子液体。滤饼经洗涤、冷冻干燥后磨粉，即得抗氧化剂。
采用与实施例1相同的分子量、主要活性官能团含量、红外光谱分析以及抗氧化活性测定，变化趋势分别与表1，图1，图2基本相同。抗氧化剂的IC50值为34.8mg/L。
实施例3
称取6g的提纯竹浆碱木质素溶于200g的[C2C1im]OAc/水混合溶剂([C2C1im]OAc浓度为65wt％)中，120℃下搅拌2小时，冷却至室温。将反应溶液转移至具塞锥形瓶中，用50mmol/L的柠檬酸钠缓冲液调节反应液pH值至6.0，加入0.45mL复合酶(含0.075mL漆酶和0.375mL辣根过氧化物酶)，置于50℃的恒温摇床中反应30小时，转速设置为250rpm，得到木质素降解液。
用6mol/L的盐酸调节木质素降解液的pH值至2.0，析出沉淀。静置过夜，过滤沉淀，滤液经减压蒸馏分离水和离子液体，回收离子液体。滤饼经洗涤、冷冻干燥后磨粉，即得抗氧化剂。
采用与实施例1相同的分子量、主要活性官能团含量、红外光谱分析以及抗氧化活性测定，变化趋势分别与表1，图1，图2基本相同。抗氧化剂的IC50值为30.9mg/L。
实施例4
称取5g的提纯松木碱木质素溶于125g的[C2C1im]OAc/水混合溶剂([C2C1im]OAc浓度为75wt％)中，120℃下搅拌2小时，冷却至室温。将反应溶液转移至具塞锥形瓶中，用50mmol/L的柠檬酸钠缓冲液调节反应液pH值至6.0，加入0.75mL复合酶(含0.125mL漆酶和0.625mL辣根过氧化物酶)，置于50℃的恒温摇床中反应25小时，转速设置为200rpm，得到木质素降解液。
用6mol/L的盐酸调节木质素降解液的pH值至2.0，析出沉淀。静置过夜，过滤沉淀，滤液经减压蒸馏分离水和离子液体，回收离子液体。滤饼经洗涤、冷冻干燥后磨粉，即得抗氧化剂。
采用与实施例1相同的分子量、主要活性官能团含量、红外光谱分析以及抗氧化活性测定，变化趋势分别与表1，图1，图2基本相同。抗氧化剂的IC50值为35.9mg/L。
实施例5
称取8g的提纯松木碱木质素溶于260g的[C2C1im]OAc/水混合溶剂([C2C1im]OAc浓度为65wt％)中，120℃下搅拌2小时，冷却至室温。将反应溶液转移至具塞锥形瓶中，用50mmol/L的柠檬酸钠缓冲液调节反应液pH值至6.0，加入1.1mL复合酶(含0.1mL漆酶和1.0mL辣根过氧化物酶)，置于50℃的恒温摇床中反应30小时，转速设置为200rpm，得到木质素降解液。
用6mol/L的盐酸调节木质素降解液的pH值至2.0，析出沉淀。静置过夜，过滤沉淀，滤液经减压蒸馏分离水和离子液体，回收离子液体。滤饼经洗涤、冷冻干燥后磨粉，即得抗氧化剂。
采用与实施例1相同的分子量、主要活性官能团含量、红外光谱分析以及抗氧化活性测定，变化趋势分别与表1，图1，图2基本相同。抗氧化剂的IC50值为37.1mg/L。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (8)
1.一种离子液体-复合酶共降解木质素制备抗氧化剂的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，将提纯碱木质素溶于离子液体/水混合溶剂中配制碱木质素浓度为3～5 wt%的反应液，100～130℃温度下搅拌2小时；冷却至室温后用柠檬酸钠缓冲液调节反应液pH值至6.0，再加入复合酶进行反应，得到木质素降解液；
步骤2，将木质素降解液置于沸水浴中10~20分钟，加入稀酸调节木质素降解液pH值至1.0～2.0，析出沉淀；静置过夜，过滤沉淀，滤液经减压蒸馏分离水和离子液体，离子液体回收后重复利用，滤饼经洗涤、冷冻干燥后磨粉，即得高活性抗氧化剂；
所述复合酶由生物酶A和生物酶B按体积比1:（2.5～10）混合而成；
所述生物酶A为木质素过氧化物酶、漆酶中的任意一种，所述生物酶B为乙二醛氧化酶、辣根过氧化物酶中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的一种离子液体-复合酶共降解木质素制备抗氧化剂的方法，其特征在于：所述提纯碱木质素为麦草碱木质素、松木碱木质素、竹浆碱木质素和木浆碱木质素中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种离子液体-复合酶共降解木质素制备抗氧化剂的方法，其特征在于：所述离子液体/水混合溶剂中离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐，1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种离子液体-复合酶共降解木质素制备抗氧化剂的方法，其特征在于：所述加入复合酶进行反应是在恒温摇床中反应10～30小时。
5.根据权利要求4所述的一种离子液体-复合酶共降解木质素制备抗氧化剂的方法，其特征在于：所述恒温摇床的温度设定为40～50℃，转速为200～300 rpm。
6.根据权利要求1所述的一种离子液体-复合酶共降解木质素制备抗氧化剂的方法，其特征在于：复合酶的加入量按照每克木质素加入0.08～0.15 mL。
7.根据权利要求1所述的一种离子液体-复合酶共降解木质素制备抗氧化剂的方法，其特征在于：所述柠檬酸钠缓冲液的浓度为50 mmol/L，稀酸为6 mol/L的盐酸。
8.根据权利要求1所述的一种离子液体-复合酶共降解木质素制备抗氧化剂的方法，其特征在于：所述混合溶剂中离子液体的浓度为35～85 wt%。
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