木质素和木质素-碳水化合物复合物抗氧化能力的增强：通过LiCl/DMSO溶剂催化的适度解聚
一、研究概况
本项研究由南京林业大学江苏省高效加工与利用林业资源协同创新中心及江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室的Chen Su、Tao Gan、Zhulan Liu、Yan Chen等人，联合HMEI机械工程有限公司的Qia Zhou以及苏州经贸职业技术学院纺织服装与艺术传媒学院的Jianyu Xia共同完成。通讯作者为Zhulan Liu和Yunfeng Cao。该研究成果于2021年6月12日在线发表于Elsevier旗下的国际期刊《International Journal of Biological Macromolecules》第184卷，页码为369至379页。
二、学术背景与研究目的
木质素和木质素-碳水化合物复合物（Lignin-Carbohydrate Complex, LCC）是木质纤维素生物质细胞壁中的两种重要异质生物聚合物，因其多酚结构而天然具有抗氧化特性。已有研究证实，高酚羟基（Phenolic –OH）含量和低分子量（Molecular Weight, MW）是提升二者自由基清除能力的关键因素。传统的固液萃取（Solid-Liquid Extraction, SLE）方法对增加酚羟基和降低分子量贡献甚微，而使用金属氯化物作为催化剂进行解聚反应则展现出经济、温和且化学物质几乎无毒的优点。
基于此，本研究旨在阐明在氯化锂/二甲基亚砜（LiCl/DMSO）溶剂分级（LiCl/DMSO Solvent Fractionation, LDSF）过程中，LCC和木质素化学结构变化的机制，并系统研究其结构变化与抗氧化活性之间的关系。研究目标是开发一种绿色、便捷的方法，通过适度解聚同步实现木质素和LCC的分离与改性，从而显著增强其抗氧化能力。
三、详细研究流程
研究首先对小麦秸秆进行原料预处理。收获自江苏句容的气干小麦秸秆被分离出茎秆部分，其总碳水化合物含量为56.8%，木质素含量为23.4%。茎秆经粉碎、筛分（40-80目）和苯/乙醇抽提脱脂后，进行球磨处理（室温，400转/分钟，6小时）以获得球磨粉末。
整个实验流程的核心是两种对比性的分级方法：传统的SLE法和创新的LDSF法。在LDSF流程中，研究者将20克球磨小麦秸秆粉末与250克LiCl/DMSO（8/92，w/w）溶液混合，在室温下搅拌24小时，使原料溶解。随后，该混合物被逐滴滴入5%的氢氧化钾（KOH）溶液并保持24小时。之后通过离心、90%二氧六环萃取等步骤，获得粗制的LDSF残留木质素（LD-RL）。离心后的上清液经透析、旋转蒸发、盐酸沉淀和乙醇沉淀等步骤，依次分离出富含碳水化合物的LCC（LD-LCC-Cr）和富含木质素的LCC（LD-LCC-Lr）。所有粗产品最终经乙醚和石油醚反复洗涤后真空干燥。作为对照，SLE方法重复了上述分级步骤，但省略了在LiCl/DMSO溶剂中室温溶解24小时的过程，所得样品相应标记为SL-RL、SL-LCC-Cr和SL-LCC-Lr。
为探明结构变化，研究采用了一系列先进表征技术。化学成分通过两步酸水解结合高效液相色谱（HPLC）系统进行分析。乙酰化木质素组分的分子量使用凝胶渗透色谱（Gel Permeation Chromatography, GPC）测定。热稳定性则通过热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）和差热分析进行，测试在氮气氛围下从30摄氏度升温至800摄氏度。最关键的是，所有样品的化学结构通过核磁共振波谱（NMR）技术进行了多维度解析，包括定量碳13核磁共振（¹³C NMR）、磷31核磁共振（³¹P NMR）以及二维异核单量子相干（2D HSQC）NMR，以精确鉴定和量化关键的化学键和官能团。最后，通过测量样品对2,2-二苯基-1-苦肼基（DPPH）和2,2’-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS）自由基的清除率来评估其抗氧化活性。
四、主要研究结果
研究结果显示，LDSF方法显著提升了产物得率。LD-LCC-Lr、LD-LCC-Cr和LD-RL的得率（分别为8.4%、6.6%和7.1%）均显著高于对应SLE样品的得率。化学成分分析表明，LDSF并未造成化学成分的根本性改变，但LD-LCC样品的木质素相对含量略有下降，而碳水化合物含量略有上升。值得注意的是，纯化后的木质素样品（LD-RL和SL-RL）的碳水化合物含量很低，这有利于后续的结构分析。
分子量测定结果揭示了LDSF导致了解聚作用。与SLE样品相比，LDSF样品的重均分子量（Mw）显著降低，例如，LD-LCC-Lr的Mw从SL-LCC-Lr的12,100道尔顿（Da）降至11,500道尔顿，而LD-RL的Mw更是比SL-RL低了超过4,000道尔顿。同时，所有样品的多分散性指数均较小，表明其具有良好的均一性。
NMR分析深入阐释了分子量降低背后的结构变化。定量¹³C NMR和2D HSQC NMR光谱分析共同证实，LDSF过程主要导致了木质素中关键的β-O-4’连接键发生断裂。例如，在LD-LCC-Lr和LD-RL中，醚化β-O-4’连接的信号峰强度明显减弱，而非醚化S和G型单元的信号增强。定量数据显示，LD-RL中β-O-4’键的含量（25.1%）远低于SL-RL（32.9%）。伴随这一裂解过程，木质素的缩合程度增加，形成了更多的碳-碳（C-C）键，如β-5’和β-β’连接键。同时，紫丁香基（Syringyl, S）单元与愈创木基（Guaiacyl, G）单元的比例（S/G比）在LDSF样品中更高，表明LDSF能更有效地抽提出源自次生壁的、富含S单元的木质素。关于LCC连接键，研究发现苯基糖苷键（PhGlc）和苯甲基醚键（BE）等主要连接形式在LDSF过程中所受影响较小。
定量³¹P NMR分析进一步量化了官能团的变化。结果明确显示，LDSF导致脂肪族羟基（Aliphatic –OH）含量降低，而酚羟基和羧基（–COOH）含量显著增加。具体而言，LD-RL的酚羟基含量高达0.94毫摩尔/克，远超SL-RL的0.68毫摩尔/克；其羧基含量（0.92毫摩尔/克）同样在所有样品中最高。这证实了在解聚过程中，β-O-4’键断裂释放出新的酚羟基，同时侧链上的部分脂肪族羟基被氧化为羧基。
热稳定性分析（TGA）结果显示，经LDSF处理的样品最大热失重温度（Tm）降低，这与它们较低的分子量和β-O-4’键含量相符。然而，由于形成了更多热稳定的C-C缩合结构，LDSF样品在高温下的残炭率（Residue Char）则更高。
最后，抗氧化活性评估表明，所有样品的自由基清除能力均随浓度增加而增强，且LDSF样品的抗氧化活性整体优于SLE样品。其中，LD-RL对DPPH和ABTS自由基的清除率分别高达87%和96%。这种显著增强的活性被归因于LDSF带来的三项关键结构变化：更高的酚羟基和羧基含量、更高的S/G比（S单元含两个甲氧基，有助于酚羟基的亲核反应），以及更低的分子量，这些因素协同提升了供氢和稳定自由基的能力。
五、结论与研究价值
本研究得出结论，LiCl/DMSO溶剂分级是一种高效、绿色且便捷的方法，能在温和条件下同步实现小麦秸秆中木质素和LCC的分离与改性。该方法通过催化断裂β-O-4’键实现适度解聚，有效降低了产物分子量，并显著增加了具有抗氧化活性的酚羟基和羧基含量，从而大幅提升了最终产物的抗氧化性能。该工作不仅为制备高抗氧化活性的木质素基材料提供了全景式的视角和理论基础，也为生物精炼过程中木质素的高值化利用提供了一种有前景的技术路线，具有重要的科学价值和应用潜力。
六、研究亮点
本研究的首要亮点在于揭示了LiCl/DMSO溶剂体系的三重作用机制：它同时作为溶解纤维素的溶剂、提供酸性环境的酸源以及催化解聚反应的金属氯化物催化剂，这一体多功能的特质极大地简化了工艺流程。其次，研究系统地建立了“加工方法-化学结构变化-抗氧化性能”之间的清晰逻辑关联，通过多种NMR技术的联合应用，从分子层面精准阐明了抗氧化活性增强的根本原因，特别是对β-O-4’键断裂、缩合结构形成以及S/G比变化等关键细节提供了量化证据。最后，该策略在温和条件下实现了分离与化学改性的同步完成，克服了传统方法难以有效增加官能团和降低分子量的局限，为便捷生产高性能木质素基天然抗氧化剂提供了崭新的科学路径。