使用绿色预处理技术从葡萄茎中分离的木质素组分的比较结构与功能表征

《International Journal of Biological Macromolecules》：Comparative structural and functional characterisation of lignin fractions isolated from grape stalks using green pretreatment technologies

　　

使用绿色预处理技术从葡萄茎中分离的木质素组分的比较结构与功能表征 •葡萄茎是一种富含木质素的酿酒厂残留物，适合绿色增值•深共晶溶剂（DES）预处理比碱处理获得了更高的木质素纯度•非热等离子体（NTP）与DES联合实现了最高木质素纯度（91.5%）•DES木质素表现出改善的溶解性和更均匀的形态•紫外-可见（UV-Vis）酚羟基定量与³¹P核磁共振（³¹P NMR）分析进行了比较

葡萄酒行业作为重要经济部门，产生大量固体废弃物，其中葡萄茎（grape stalks, GS）约占14%，若处置不当（如土壤施用或燃烧）会导致温室气体（greenhouse gas, GHG）排放及环境问题。木质素（lignin）是一种具有抗氧化及抗菌活性的生物大分子，其结构、纯度及功能性质强烈依赖于生物质来源与分离方法。当前，传统预处理方法（如使用腐蚀性化学品）存在环境风险，因此开发绿色、可持续的提取策略至关重要。深共晶溶剂（deep eutectic solvent, DES）与非热等离子体（non-thermal plasma, NTP）作为新型绿色预处理技术，已分别在多种生物质中展现潜力，但针对葡萄茎木质素进行系统比较的研究尚属空白。研究人员开展此项研究，旨在比较碱处理、DES处理、循环DES处理及NTP辅助DES处理从葡萄茎中回收的木质素组分，通过全面表征揭示结构与功能关系，并评估快速光谱方法在木质素特性分析中的适用性。该研究发表在《International Journal of Biological Macromolecules》。

研究人员采用以下主要关键技术方法：使用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析官能团，扫描电子显微镜（SEM）观察形态，尺寸排阻色谱（size exclusion chromatography, SEC）测定分子量（Molecular weight, Mw）及分散度（PDI），紫外-可见光谱（UV-Vis）通过电离差分光谱法（Δε-IDUS）测定酚羟基含量，并采用定量³¹P核磁共振（³¹P NMR）作为参考方法。样本来源：葡萄茎采集自希腊圣托里尼的Assyrtiko葡萄，由雅典农业大学食品科学与人类营养系酿酒学实验室提供。

**3.1 葡萄茎的表征与预处理**
通过组成分析发现，葡萄茎木质素含量为31.3%，高于稻秆（~20%）和玉米秸秆（17-19%），证实其作为富含木质素原料的潜力。碱预处理获得的木质素（AL）纯度为82.6%，而DES预处理（DES-L1和DES-L2）纯度分别达到89.5%和91.0%，NTP-DES联合处理（DES-L6）纯度最高（91.5%）。然而，碱预处理回收率最高（91.6%），DES方法回收率较低（43.0-54.7%）。这表明DES方法更适用于追求高纯度，而碱预处理适合最大化木质素回收。

**3.2 木质素在不同溶剂中的溶解度**
DMSO完全溶解所有木质素组分（100%）；DES-L6在二氧六环/水（80:20）中完全溶解，DES-L1和DES-L2溶解度约90%，AL仅77.8%。溶解度顺序为DES-L6 > DES-L2 ≈ DES-L1 > AL，与纯度数据一致，说明DES处理增强了木质素极性溶剂中的溶解性。

**3.3 FT-IR分析**
所有木质素显示典型吸收峰，如3300 cm^-1（羟基伸缩）、1519 cm^-1（芳香骨架C=C）。DES木质素在1117 cm^-1出现凝聚芳香单元特征峰，而AL在1446 cm^-1强度较低，反映其更浓缩结构。DES-L6谱图与NTP预处理及酶解后的结构变化相关。

**3.4 分子量测定**
SEC结果显示DES-L1具有最低重均分子量（Mw=3397 g/mol）和最窄分散度（PDI=1.51），表明DES选择性断裂醚键。DES-L2的Mw和PDI略有升高（4988 g/mol, 1.90），AL居中（4317 g/mol, 1.78），DES-L6则呈现最高Mw（7609 g/mol）和最宽PDI（2.48），归因于NTP预处理、酶解及不同DES体系（ChCl:LA摩尔比1:2，处理6h）引发的缩聚与聚集反应。

**3.5 SEM分析**
碱木质素呈现不规则紧凑结构，而DES木质素（DES-L1、DES-L2）表面更光滑均匀；DES-L6显示更圆润紧凑的形态。需注意SEM观察基于DMSO溶解后滴铸干燥，可能反映聚集行为而非直接颗粒尺寸。

**3.6 木质素酚羟基含量的测定**
采用UV-Vis的Δε-IDUS方法与³¹P NMR对比。Δε-IDUS3和Δε-IDUS4方法（基于超强碱溶液）与³¹P NMR结果吻合度最高（r=0.91-0.98）。DES-L6总酚羟基含量最高（5-取代、愈创木基、对羟基苯基之和显著高于AL），但UV-Vis对DES木质素可能低估，而对AL可能高估（因溶解不完全及醌类结构干扰）。³¹P NMR定量显示DES木质素酚羟基含量远高于AL，与FT-IR中醚键断裂一致。

讨论部分综合指出，DES-L6尽管分子量分布最宽，但兼具高纯度、优异溶解性和最高酚羟基含量，使其在化学改性、均相反应及纳米颗粒制备中具有优势。DES-L1则以低分子量和窄分布为特征，适用于特定应用。UV-Vis方法（尤其Δε-IDUS3）可作为快速筛选工具，但需结合³¹P NMR和SEC进行可靠定量。

研究结论翻译如下：
葡萄茎（GS）比许多其他农业残留物含有更高木质素，凸显其作为可再生木质素原料的潜力。结果表明，预处理和木质素分离策略强烈影响回收木质素组分的纯度、分子特性及功能性质。与碱预处理相比，DES预处理将木质素纯度提高了7-10%，而DES-L6表现出最高纯度（91.5%）、改善的溶解性和最高酚羟基含量。尽管DES-L6具有较宽分子量分布，但其整体功能性质表明其具有进一步木质素增值的巨大潜力。未来研究应探究其抗氧化活性、热行为、成膜能力、聚合物体系中的反应性以及木质素纳米颗粒生产的适用性。总体而言，本工作表明非热等离子体与深共晶溶剂预处理的结合提供了一种有效且可持续的途径，从酿酒废料中生产具有定制性质的木质素组分，支持其在高附加值生物基应用中的利用。