接枝了没食子酸的硬木木质素：一种具有增强生物特性的生物基抗氧化剂

《Postharvest Biology and Technology》：Gallic acid-grafted hardwood lignin: A bio-based antioxidant with enhanced biological properties

将没食子酸通过多步酯化接枝到硬木木质素上，显著提升其酚羟基含量和抗氧化性能，达98.71% DPPH清除率和完全ABTS淬灭，优于原木质素及BHA，实现木质素废弃物高值化。

　　

阿赫玛德琼·苏丹诺夫（Akhmadjon Sultanov）|埃科·塞蒂奥·维博沃（Eko Setio Wibowo）|朴秉大（Byung-Dae Park）|赵英杰（Young-Je Cho）

韩国庆北国立大学食品科学与生物技术学院，定制食品技术研究所，大邱41566

摘要

通过多步骤酯化反应将没食子酸（GA）接枝到硬木木质素（HWL）上，开发出一种基于生物的抗氧化剂。工业硬木木质素富含芳香族苯丙烷类化合物单元，但缺乏游离酚羟基（OH）基团，通过结构改性增强了其清除自由基的能力。合成过程包括对没食子酸的酚羟基进行乙酰化处理，转化为酰氯中间体，在碱性催化下与硬木木质素进行酯化反应，最后脱保护以恢复酚类官能团。ATR–FTIR光谱证实了酰基C=O键的消失以及酚羟基伸缩峰的增强；凝胶渗透色谱法显示分子均匀性得到改善。定量³¹P NMR分析表明酚羟基含量增加了四倍（4.58–19.64 mmol/g），脂肪族羟基几乎完全转化为酯类。抗氧化活性测试显示，该化合物对DPPH的自由基清除率为98.71%，对ABTS的自由基的中和能力也达到100%，其效果优于天然硬木木质素，并接近丁基化羟基茴香醚（butylated hydroxyanisole）。接枝了没食子酸的硬木木质素保留了木质素骨架，同时表现出更强的抗氧化性能，为木质素废弃物的增值利用提供了可能，支持其在食品添加剂中提高抗氧化效率的可持续应用。

引言

木质纤维素生物质是最大的可再生碳资源，现代生物炼制技术旨在将其分离为纤维素、半纤维素和木质素组分，这些组分可进一步转化为燃料、平台化学品和功能材料。木质素是这种原料的主要成分，占植物细胞壁质量的约20–30%（硬木18–25%，软木27–33%，草本植物17–24%）（Liu等人，2024年）。尽管木质素是芳香碳最丰富的天然来源，但它仍大多被视为低价值副产品：纸浆和造纸行业每年产生超过7000万吨木质素，其中近95%被焚烧用于现场能源（Kim等人，2019年）。最近的木质纤维素增值策略表明，将碳水化合物转化（例如含糠醛和丁醇的溶剂）与木质素解聚结合使用可以带来环境和经济效益（Madadi等人，2025b年），而基于机器学习的还原催化分级优化使木质素单体的生产更加可行（Madadi等人，2025a年）。这些进展突显了将木质素转化为高价值产品（包括基于生物的抗氧化剂和其他功能材料）的必要性（Souza等人，2021年；Nandanwar等人，2022年）。

近期研究重点是将木质素转化为功能性化合物，尤其是抗氧化剂，这得益于其天然的芳香结构及其酚类修饰潜力。天然存在的抗氧化剂，特别是多酚类物质，因能够减轻氧化应激和支持生物功能而受到关注（Badhani等人，2015年）。没食子酸（3,4,5-三羟基苯甲酸；GA）是一种三酚化合物，因其强大的抗氧化活性和生物活性（包括抗菌和抗癌作用）而广受认可（Zhang等人，2017年）。它能够中和活性氧物种（如羟基自由基（OH•）、超氧阴离子（O₂^?•）和过氧自由基（ROO^•），以及非自由基物质如过氧化氢（H₂O₂）和次氯酸（HOCl），使其成为木质素功能化的理想候选物质（Badhani等人，2015年）。

木质素的化学结构由三种主要单酚类化合物组成——对香豆醇、松脂醇和芥子醇——通过醚键和碳-碳键连接，其中β-O-4芳基醚键最为常见（Liu等人，2022年；Rese等人，2025年）。硬木木质素（HWL）通常含有苏木酰基和桂酰基单元，其中苏木酰基的比例较高，这影响了其反应性和酚羟基含量（Wang等人，2025年）。然而，工业木质素的酚羟基密度较低，限制了其抗氧化能力（Suota等人，2021年）。为了解决这一问题，人们探索了多种化学改性方法（如酯化、脱甲基化和氧化处理）来增加酚羟基含量并提升功能性能（Song等人，2024年；Zhu等人，2023年；Xu等人，2024年）。

在这些方法中，通过酯化将没食子酸接枝到木质素上被证明是一种有效的途径（Bai等人，2021年）。该反应涉及没食子酸的羧酸（COOH）基团与木质素的羟基基团形成共价键，通常需要保护和活化步骤以确保选择性（Zhao等人，2017年）。对没食子酸的酚羟基进行乙酰化可以防止自缩合，而将其转化为酰氯中间体有助于高效酯化（Steverding等人，2022年）。酚羟基密度的增加直接与增强的自由基清除能力相关，主要通过氢原子转移和单电子转移机制实现（Chen等人，2020年；Mathew等人，2015年）。

改性木质素在抗衰老护肤品、生物活性包装和生物医学材料等应用中显示出潜力（Duy等人，2024年）。特别是化妆品行业正在探索基于木质素的抗氧化剂，作为丁基化羟基茴香醚（BHA）等合成化合物的可降解替代品（Piccinino等人，2021年）。此外，木质素纳米颗粒在促进胶原蛋白合成和提供紫外线（UV）防护方面也表现出有效性（Bikiaris等人，2022年）。分级和靶向化学改性的进步使得能够生产出更适合特定应用的更均匀的木质素衍生物（Hu等人，2011年）。这些发展为绿色化学和循环经济的目标提供了支持，通过增值利用木质素废弃物并减少对石油基材料的依赖（Wang等人，2025年；Trezza等人，2025年）。然而，将其应用于实际产品需要专门的性能测试（例如防晒剂的UV筛选、包装的成膜/阻隔性能测试以及生物医学用途的细胞毒性评估）。

本研究旨在通过多步骤酯化过程将没食子酸化学接枝到硬木木质素上，开发出一种新型的木质素基抗氧化剂材料。这种改性旨在显著增加硬木木质素的酚羟基含量，从而提高其清除自由基的能力和抗氧化性能。通过将未充分利用的工业硬木木质素废弃物转化为高价值的功能化合物——没食子酸接枝硬木木质素（GA-graft-HWL），本研究提出了一种可持续且高效的木质素增值途径，具有在化妆品、食品包装和生物医学材料中的潜在应用。使用凝胶渗透色谱（GPC）、衰减全反射–傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱、一维氢-1(¹H)和碳-13(¹³C)核磁共振（NMR）、定量磷-31(³¹P) NMR、1H–13C以及高效液相色谱（HPLC）对合成化合物进行了全面表征，以确认结构变化和酚羟基含量的提升。

材料

来自爱沙尼亚塔林的Fibenol公司的桦木硬木木质素（HWL）未经进一步纯化直接使用。工业硬木硫酸盐木质素（HKL）由韩国蔚山的Moorim P&P公司提供。硫酰氯（SOCl₂）以1 M溶液的形式从Thermo Fisher Scientific Chemicals, Inc.（美国马萨诸塞州沃德希尔）购买。二甲基亚砜-d6（DMSO-d₆）用于NMR分析，购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。

GA-graft-HWL的结构和分子表征

分子量分布对于确定木质素在材料科学中的加工性能和功能至关重要。为了评估酯化和接枝改性对硬木木质素结构的影响，采用了凝胶渗透色谱（GPC）进行分析。结果显示不同衍生物的分子量分布有明显差异（图1）。乙酰化的硬木木质素的分子量为2537 g/mol，多分散指数（PDI）为1.33，这与天然木质素的固有异质性一致（Boerjan等人）

结论

总体而言，将没食子酸接枝到硬木木质素上显著改善了其结构和功能。光谱分析证实了脂肪族羟基和乙酰基的去除，同时酚羟基含量显著增加，取代模式也发生了变化。这些改性提升了抗氧化性能，GA-graft-HWL在所有评估的抗氧化活性测试中均优于天然硬木木质素和合成抗氧化剂丁基化羟基茴香醚（BHA）。这些发现强调了GA-graft

作者声明

我们很高兴再次向Postharvest Biology and Technology提交修订后的手稿。我们衷心感谢您的编辑工作和审稿人提供的建设性反馈。我们仔细考虑了所有意见，并相应地修改了手稿，以提高其科学严谨性、清晰度和整体表达。

在修订版本中，我们对手稿进行了多处修改，以解决审稿人的关切，包括加强

作者贡献声明

赵英杰（Young-Je Cho）：负责监督工作。 埃科·塞蒂奥·维博沃（Eko Setio Wibowo）：负责写作、审稿与编辑、方法学研究、数据整理。 朴秉大（Byung-Dae Park）：负责写作、审稿与编辑、数据可视化、方法学研究、形式分析。 阿赫玛德琼·苏丹诺夫（Akhmadjon Sultanov）：负责初稿撰写、形式分析、数据整理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者对所有参与这项研究的同事表示衷心的感谢。