（高分子化学与物理专业论文）木麻黄生物质中活性物质的提取与高值化利用.pdf

福建师范大学学位论文使用授权声明 本人( 姓名) 廑蘧学号2 q 堕丛窆专业直盆王丝堂皇物理所呈交的 论文( 论文题目：木麻黄生物质中活性物质的提取与高值化利用) 是 我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果。本人了解福建师范大学有关保留、使用学位 论文的规定，即：学校有权保留送交的学位论文并允许论文被查阅和 借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容；学校可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名垫：疰盎 指导教师签名 签名日期塑壁显：垒：三 7 6 福建师范大学硕士学位论文 摘要 为了高值化利用木麻黄废弃物中的活性物质，本文研究了木麻黄中活性物质的提取 及其对金属离子的吸附性能，阻垢性能及自由基消除性能。研究结果表明，p h 值为7 时 木麻黄提取液的胶体滴定值与单宁质量的线性关系良好，胶体滴定法可用于木麻黄废弃 物单宁含量的快速测定。木麻黄不同部位的单宁含量差别大，树皮中单宁含量随着树龄 的增加而增加。凝胶渗透色谱一激光散射联用仪测定提取物的结果显示提取液的组成对 木麻黄提取物的得率和组分影响大。醛的交联作用可使单宁分子在木麻黄树皮内原位固 化，原位固化木麻黄树皮x 寸c r ( v i ) 和f e ( i i i ) 有良好的吸附能力，有望开发成高容量低成本 的金属离子吸附剂。木麻黄树皮提取物的磺化和氧化产物对碳酸钙具有一定的分散和阻 垢能力。木麻黄提取物具有强的消除氢氧自由基的能力，对漂白机械浆的光致黄化有较 大抑制能力。 关键词：木麻黄：单宁；原位固化；吸附；金属离子；阻垢；自由基消除 福建师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt om a k eh i g hu t i l i z a t i o no ft h ea c t i v ec o m p o u n di nc a s u a r i n ae q u i s e t i f o l i a r e s i d u e s ，t h ep a p e ri n v e s t i g a t e di t se x t r a c t 、i t sm e t a li o n s a d s o r p t i o np r o p e r t i e s 、s c a l ei n h i b i t i n g p r o p e r t i e sa n de l i m i n a t i o nf u n c t i o no fs c a v e n g i n gr a d i c a le f f e c t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tv a l u e s o fc o l l o i d a lt i t r a t i o no ft h ee x t r a c t sw e r er e l a t e dl i n e a r l yw i t ht a n n i nc o n t e n t sa tp h7 c o l l o i d a l t i t r a t i o nw a saq u i c km e t h o du s dt oc a s u a r i n ae q u i s e t i f o l i ar e s i d u e s d i f f e r e n tr e g i o n a lt a n n i n c o n t e n t sv a r ya n dt h et a n n i ni nt h eb a r ki n c r e a s e dw i t hi n c r e a s eo ft r e ea g e s g p c - l a s e rl i g h t s c a t t e r i n gw a su s e dt om e a s u r et h em o l e c u l a rw e i g h td i s t r i b u t i o n ，t h er e s u l td i s c l o s e dt h a tt h e c o m p o s i t i o no fc a s u a r i n ae q u i s e t i f o l i ae x t r a c th a sg r e a te f f e c to ny i e l d sa n dc o n s t i t u e n t so f c a s u a r i n a e q u i s e t i f o l i ae x t r a c t t h ei n s i t ui m m o b i l i z e dc a s u a r i n ae q u i s e t i f o l i ab a r kw a s o b t a i n e dt h r o u g hc r o s s - l i n k i n gr e a c t i o no fa l d e h y d e t h ea d s o r p t i o n p r o p e r t i e so fi n - s i t u i m m o b i l i z e dc a s u a r i n ae q u i s e t i f o l i ab a r kw e r er e s e a r c h e d t h er e s u l t sw e r et h a tt h ea d s o b e n th a s g o o da d s o r p t i o nc a p a c i t yt oc r ( v i ) a n df e ( i i i ) i ti se x p e c t e dt ob eu s e da sh i g hc a p a c i t ya n dl o w c o s tm e t a l i o na d s o r b e n t t h ee x t r a c tt r e a t e db ys u l f o n a t i o no ro x i d a t i o nh a v ec e r t a i ns c a t t e r i n g a n ds c a l ei n h i b i t i n gp r o p e r t i e st oc a c 0 3 t h es c a v e n g i n g o hf r e er a d i c a le f f e c t so fa c t i v e c o m p o u n di nc a s u a r i n ae q u i s e t i f o l i ab a r kw a sr e s e a r c h e d ，a n di th a sc o m p a r a t i v e l yl a r g e i n h i b i t i n gc a p a c i t yt ol i g h t - i n d u c e dy e l l o w i n gp r o p e r t i e so fm e c h a n i c a lp u l pb l e a c h e d k e y w o r d sc a s u a r i n ae q u i s e t i f o l i a ；t a n n i n ；i n s i t ui m m o b i l i z a t i o n ；a d s o r p t i o n ；m e t a li o n s ；s c a l e i n h i b i t i n g ；f r e er a d i c a le l i m i n a t i o n l l 福建师范大学硕士学位论文 中文文摘 木麻黄( c a s u a r i n ae q u i s e t i f o l i a ) 是我国沿海防护林的主要树种，在防风固沙、改善生态 环境、防灾减灾等方面起重要作用。木麻黄树3 0 - 5 0 年后因自然衰老需砍伐重植，仅福建 省每年木麻黄重植量达1 万公顷。木麻黄木材可作为造纸原料和薪炭材等，但其树皮、枝 桠和树叶等生物质一直没有合理的利用途径，几乎被废弃，不仅造成巨大的资源浪费，而 且污染环境。因此开展木麻黄树废弃物的高值化利用有重要的社会、生态和经济意义。 木麻黄树废弃物中富含多糖和多酚等组分，而植物单宁对金属离子具有特征吸附、抗 蚀防垢和很高的清除氢氧自由基活性等特性，有望开发成高容量低成本金属离子吸附剂和 氢氧自由基抑制剂等产品。 本研究通过醛的交联作用，将单宁原位固化在木麻黄树皮内，从而实现单宁的原位固 化，研究了其对c r ( v i ) 、f e ( i i ) 的吸附特性，制得了高效、低成本、无污染的金属离子吸 附剂；研究了木麻黄生物质的阻垢性能，为开发绿色阻垢剂提供基础数据；研究了木麻黄 树皮的提取条件及提取液对自由基的抑制活性，探寻木麻黄提取液组成与对自由基抑制活 性的关系，为木麻黄树废弃物高值化利用提供技术支持，并用对漂白机械浆光致黄化抑制 作用来验证，从而探索和开发经济、合理的返黄抑制技术，对于推动高得率制浆技术的发 展具有十分重要的意义。 1 木麻黄生物质中单宁的分析研究 单宁的提取和含量分析是决定木麻黄废弃物高值化利用的一个重要前提，国内外对植 物单宁含最的常规分析多数采用皮粉法，但该法存在着操作繁琐、费时、分析的准确性及 重现性易受分析条件和皮粉质量的影响等问题。胶体滴定法由日本学者寺山宏提出后，经 许多研究者的不断改进，已成为最简单的定量分析聚电解质的方法，单宁溶液在一定的条 件下呈半胶体状态，胶粒带负电荷，所以胶体滴定法可以用来测定单宁含量。第二章研究 了用胶体滴定法快速测定木麻黄废弃物中单宁含量，考察提取条件对单宁含量和组成的影 响：并采用凝胶渗透色谱激光散射联用仪测定提取物的色谱图和分子量分布。 结果表明： ( 1 ) p h 值为7 时木麻黄单宁溶液的胶体滴定值与单宁质量的线性关系良好，可用于 快速测定木麻黄废弃物的单宁含量。胶体滴定法与常规的皮粉法相比，具有快速、简便、 样品用量少的优点。 ( 2 ) 木麻黄不同部位的单宁含量差别大，本研究的条件下木麻黄不同部位的单宁含 量的顺序依次为：树皮 树叶 树的粗枝 树的细枝。树皮中单宁含量随着树龄的增加而增 i l i 福建师范大学硕士学位论文 加。 ( 3 ) 提高提取液的盐酸或丙酮含量均提取更多的木麻黄单宁，但纯丙酮不能作为木 麻黄单宁的提取液。 ( 4 ) 随着树龄的增长，提取出的物质中，低分子量的组分越来越多；提取条件对分 子量的分布有影响，提取液的分子量分布趋势如下：丙酮盐酸提取液 盐酸提取液 水。 2 木麻黄单宁的原位固化及其对c r ( v i ) 吸附性能的研究 目前对单宁的利用大多数是将生物质中的单宁提取出来，再通过醛的交联反应，制备 单宁树脂；或者将单宁固化在某些水不溶介质上得到固化单宁。第三章通过醛的交联作用， 实现了单宁在木麻黄树皮内的原位固化，并研究了原位固化木麻黄树皮对c r ( v i ) 的吸附特 性。结果表明： ( 1 ) 通过醛的交联作用使单宁原位固化在木麻黄树皮内，从而解决了树皮中单宁被 溶出的问题。 ( 2 ) 原料比，盐酸浓度和固化剂对原位固化木麻黄树皮的收率有较大的影响。 ( 3 ) 原位固化木麻黄树皮吸附c r ( v i ) 的吸附容量与其用量、c r ( v i ) 初始浓度、金属 离子溶液的p h 值以及吸附温度密切相关，p h 值对吸附容量的影响最大，p h 值减小时， 原位固化木麻黄树皮对c r ( v i ) 的吸附容量增大。在3 0 3 k ，p h 为2 ，c r ( v i ) 的初始浓度为 1 0 0 m g t , 时，原位固化木麻黄树皮对c r ( ) 的吸附容量达到5 3 m g g 。 ( 4 ) 动力学研究结果表明，原位固化木麻黄树皮对c r ( v i ) 的吸附可用拟二级速率方 程来描述。 ( 5 ) 原位固化木麻黄树皮作为填料使用时，床层的有效利用率较高，吸附效果良好。 3 原位固化木麻黄树皮对f e ( i i i ) 吸附性能的研究 第四章研究了原位固化木麻黄树皮对f e ( i i i ) 的吸附性能以及各种条件对吸附性能的影 响。结果表明： ( 1 ) 原位固化木麻黄树皮吸附f c ( i i i ) f # j 附容量与金属离予溶液的初始p h 值和f e ( i i i ) 初始浓度密切相关。在3 0 3 k ，p h 为2 ，f c 0 h ) f r 勺初始浓度y e l 0 0 m g l 时，该吸附材料对f e ( i i i ) 的吸附容挝达n 6 8 7 m g g ，表明原位固化木麻黄树皮x c f e ( i i i ) 具有较强的吸附能力。 ( 2 ) 动力学研究结果表明，原位固化木麻黄树皮对f e ( i i i ) 的吸附可用拟二级速率方 程来描述。 ( 3 ) 原位固化木麻黄树皮作为填料使用时，床层的有效利用率较高，吸附效果良好。 4 木麻黄树皮提取液的阻垢性能研究 第五章对经过磺化氧化处理后的木麻黄树皮提取液的表面活性进行了研究，并考察了 i v 福建师范大学硕士学位论文 木麻黄树皮提取液的阻垢。i i d 工- - 套日匕e , ，为开发绿色阻垢剂提供基础数据。结果表明： ( 1 ) 磺化氧化处理能够显著改变木麻黄树皮提取液的表面活性。 ( 2 ) 经过磺化以后再进行氧化处理所得到的木麻黄树皮提取液的分散性能最高。 ( 3 ) 经过磺化处理再进行氧化处理以后可以显著提高木麻黄树皮提取液的阻垢性 能。 ( 4 ) 经过磺化处理和氧化处理都会使样品中弱酸基团数目明显地升高。 5 木麻黄树皮提取液抗自由基性能的研究 第六章分析了不同树种和不同提取条件对木麻黄提取液组成的影响，并用邻二氮菲 f e 2 + 氧化法研究了不同提取液对氢氧自由基清除作用，并考察了木麻黄树皮提取液对漂白 机械浆光致黄化的抑制作用。结果表明： ( 1 ) 木麻黄的不同部位及不同树种的木麻黄的单宁含量差别大。 ( 2 ) 含有1 0 h c l 的7 ：3 的丙酮水是提取单宁的最佳提取溶剂。 ( 3 ) 木麻黄树皮的提取液对羟自由基有强清除作用，用含有1 0 h c l 的7 ：3 的丙酮 水提取得到的木麻黄提取液的清除效果最佳。 v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 单宁的结构和化学性质 植物单宁是一类重要的天然活性物质，在植物界分布十分广泛。单宁概念最早提出时 是指植物体内产生的，能使生皮成革的复杂多酚【l 】，即鞣质。按b a t e s m i t h 的定义是指能沉 淀生物碱、明胶及其它蛋白质分子量为5 0 0 - - 3 0 0 0 的水溶性多酚化合物，因为分子量小于 5 0 0 的植物多酚几乎不能在皮胶原纤维间产生有效的交联作用；分子量大于3 0 0 0 的植物多 酚又难于渗透到皮纤维中。可见单宁作为一个功能性名词，反映了物质的一种属性。随着 人们对单宁结构和性质的逐步认识，以极其应用范围逐渐扩大到医药、食品、日用化工等 领域，单宁这一名词在应用时范围逐渐扩大。单宁作为植物的次生代谢产物广泛存在于植 物的根、叶、皮及果实中，在许多针叶树皮中单宁含量高达2 0 - 4 0 ，因此单宁是一种丰富 的绿色资源。 单宁根据化学结构主要分为水解类和缩合类1 1 ，2 】。水解类单宁在水解后主要产生桔酸 ( 没食子酸) 或鞣花酸，如单宁酸和仙鹤草素：缩合类单宁衍生于黄烷醇类化合物，分子 骨架为c 6 c 3 c 6 ，如黑荆树单宁、杨梅单宁和木麻黄单宁，结构如图1 1 所示1 1 1 。 h o h o ( a ) 水解单宁 ( a ) s t r u c t u r eo fh y d r o l y s a b l et a n n i n 福建师范大学硕士学位论文 i l o o h u h ( b ) 缩合单宁 ( b ) s t r u c t u r eo fc o n d e n s e dt a n n i n 图1 1 植物单宁结构示意图 f i 9 1 1s t r u t u r eo fp l a n tt a n n i n s 1 2 单宁的固化 固化单宁最早在上世纪7 0 年代由日本学者提出，用于啤酒、白酒、果酒等饮料去除蛋 白质和金属离子。最近国内也开始了这方面的研究，并有论文发表【3 羽。单宁可以特异性地 吸附溶液中的蛋白质和重金属离子：固化单宁具有良好的不溶性，克服了单宁会引起二次 浑浊的缺点。 1 2 1 固化方式 固化方式【5 ，6 】指单宁以何种键与底物进行接枝，可以分为两类，一是以氢键接枝或疏水 键接枝；二是以共价键接枝。单宁因其酚羟基结构和苯环的疏水性，可以与蛋白质、聚乙 烯吡咯烷酮、纤维素等高分子材料发生有效的非共价键结合，即疏水键或氢键结合。这种 固化方式的特点：结合不如共价键结合牢固，田下的活性基团和反应部位相对较少。但是 方法简单易行，去除单宁也容易。 与非共价键结合相比共价键结合会更加牢固，结合以后能够剩余更多的活性基团和反 应部位，更有利于充分地利用单宁的各种性质。所以共价键接枝是固化单宁中使用最多最 有效的方式。 2 第1 犟绪论 1 2 2 载体、单宁种类及桥键的选择 1 2 2 1 载体 单宁可以在各种高分子底物上进行固化。天然高分子如蛋白质、纤维素、琼脂糖、壳 质素，合成高分子如聚丙烯酸、聚苯乙烯，聚乙烯乙酸酯、聚乙烯吡咯烷酮，无机物如硅 胶、硅藻土等均可作为固化载体。载体不仅影响固化单宁产物的物理状态和机械性能，还 影响其化学活性，同时也是合成方法的决定因素之一，因此需要根据产品实际应用情况来 选择固化载体。 当选择柔性载体如纤维素、壳质素粉末时，所得的固化单宁也是一类柔性的可压缩材 料。当采用刚性的合成树脂或纤维，如聚苯乙烯，得到的产物具有优良的机械性能。琼脂 糖作为载体所得到的固化产物被广泛地用作柱填料，因为它具有强亲水性的多孔结构，对 各种化学试剂和微生物相对稳定，也具有良好的机械性能。 1 2 2 2 配基 从理论上讲，所有的单宁都可以采用合适的方法固化。但是常用的仅有单宁酸、柿子 单宁、茶单宁等几种常见的单宁，这是因为这些单宁化学结构得到了澄清，且易于获取和 纯化。不同分子结构单宁的固化产物性能差异很大。由于水解单宁比缩合单宁具有更好的 柔曲性和更多的活性基团，绝大多数的固化单宁都采用水解单宁的代表单宁酸为配基。 1 2 2 3 手臂 为了保持单宁的活性，减少单宁分子活动的空间位阻，在载体和单宁之间最好应用一 段柔性链作为手臂。有无桥健对固定化单宁的活性影响很大。桥键的长度也是固定化反应 的选择因素。 对于制备金属离子吸附剂而言，最好选择带胺基的手臂，因为胺基和附近的单宁羟基 之间所具有的协同螯合作用，使得固化单宁对金属离子有更强的捕捉能力。 1 2 3 固化方法 固化方法取决于底物的性质与所具有的基团。共价键接枝的方法一般有环氧激活法、 氰尿酰氯偶合法、重氮偶合法、辐射引发甲基丙烯酸缩水甘油酯g m a 活化法、酯键结合法 虚打 气手o 1 2 3 1 环氧氯丙烷环活化法 对于纤维素、琼脂糖、聚乙烯醇等多差羟基或多胺基底物，最常用的固化方法是环氧 氯丙烷( e c h ) 活化法，通常包括5 个步骤：载体的碱处理叶e c h 激活_ 插入桥键- - ，e c h 激活_ 单宁偶合。 制备过程如图1 2 所示： 3 福建师范大学硕士学位论文 圈 分散 激活 5 0 环氧活化纤维素 分散 桥键 6 0 1 r 胺烷基纤维素 匝囹 分散于 单宁佃合 加入少 用0 0 1 1 i 纤维素固定化单宁 图1 2 环氧活化法制备纤维素骨架固定化单宁 f i 9 1 2p r e p a r a t i o no fi m m o b i l i z e dt a n n i no nc e l l u l o s em a t r i xb ye p i c h l o m h y d r i nc o u p l i n g 1 2 3 2 氰尿酰氯偶合法 氰尿酰氯易于与胺基、羟基生成稳定的酯键。根据这一性质可以将单宁固定化于纤维 素、琼脂糖、壳质素等底物上。所生成的固化单宁因桥键n 原子与多酚羟基相邻，对金属 离子有强烈的螫合性。 1 2 3 3 重氮偶合法 对含n h 2 的底物，可以利用重氮化反应生成重氮盐，再与多酚的苯环发生偶合反应。 以胺基聚苯乙烯作为载体的合成方法为：胺基聚苯乙烯分散于含2 0 n a n 0 2 的4 m h a 中进 行重氮化，再于冰水中与5 的单宁酸偶合，过滤，用0 1 m h c l 和去离子水彻底清洗，即得 到固定化单宁。 1 2 3 4 辐射引发甲基丙烯酸缩水甘油酯g m a 活化 这种方法适用于聚乙烯底物。先利用辐射引发的方法将g m a 接枝在多孔聚乙烯中空纤 4 第1 章绪论 维上，然后将单宁偶合上去。g m a 在聚乙烯上引入环氧基起环氧活化的作用，同时又本身 作为桥键。此法比环氧氯丙烷环氧活化法中间过程少，接枝率高。 1 2 3 5 酯键结合 此法适用于分子结构中含有羧基的底物。单宁的羟基与羧基发生酯化反应从而固着在 底物上。 关于固化单宁的制备方法也有一些改进的方法。s a i t o 等人发明了一种简便的固化单宁 制备方法，这里称为聚阳离子法：用聚阳离子试剂作为中介，使单宁吸附到亲水性多糖表 面，然后用交联剂使单宁固定到多糖骨架上去。这种方法的特点是操作简单，耗时短。制 备过程如图1 3 。 l 球形纤维索( 3 9 ) 分散于 中，与 4 0 9 1 聚乙烯亚胺 6 0 m l e c h 混合 加入2 09 5 单宁水溶液， 室温下搅拌3 0 r a i n 依次用0 1m n a o h , 0 1m h c l 及水洗涤、过滤 滴下2 0m l 5 戊二醛水溶液， 温到7 0 c 。保温搅拌9 0 m i n ，冷却到室温 加入少 反应6 ( i 纤维素固定化单宁 图1 3 聚阳离子法制备球开纤维素固定化单宁 f i 9 1 3p r e p a r a t i o no fi m m o b i l i z e dt a n n i no i ls p h e r i c a lc e l l u l o s ew i t hp o l y - c a t i o nm e t h o d 1 2 4 固化单宁的性能及评价 单宁经过固化后仍然保持了对蛋白质的吸附选择性。对于用图1 3 中方法制备所得的纤 维素固化单宁，各种蛋白质在其上有不同的吸附量。吸附量取决于蛋白质的种类和溶液p h 值。蛋白质的浓度、吸附温度、时间、盐浓度也对吸附有很大影响。低温时可以得到较高 5 ，丫v 福建师范大学硕士学位论文 的吸附速率；盐浓度过高会降低吸附速率。这种固化单宁，除对蛋白质外，对糖、氨基酸、 核酸、有机酸及生物碱都不吸附，因此可以说是蛋白质的专一吸附剂，它克服了以往常用 吸附剂的缺陷。 固化单宁对铁、铝、铅离子具有良好的吸附，而对其它离子稍次。固化单宁对金属离 子的吸附能力与溶液的p h 、温度有关，通常提高温度或p h 有利于提高吸附率，用酸化的方 法即可解吸，对- 于f e ( i i i ) ，用0 5 m 盐酸溶液可以达g u l 0 0 的解吸效果。 固化单宁的性能评价包括【4 】： ( 1 ) 不溶性和化学稳定性 固化单宁的不溶性能由于食品工业使用的聚乙烯树脂及其他离子交换树脂。可按照树 脂的国标进行检验。 ( 2 ) 安全性 应进行安全性毒性学动物实验，证明其属实际无毒物。 ( 3 ) 吸附的选择性 固定化单宁对各类化合物具有选择性吸附的特性。容易吸附的是高分子蛋白质、高级 脂肪酸酯，而对低分子的氨基酸、有机酸、低级脂肪酸酯、醇类及碳水化合物则不吸附。 ( 4 ) 吸附重金属离子的特性 固化单宁对重金属离子铁、铜、铅有较强的亲和性，能选择性地吸附它们，而对其它 一些离子如锰、锌、镍几乎不吸附。 ( 5 ) 吸附容量 ( 6 ) 再生性能 被固化单宁吸附的高分子化合物、重金属离子可在较温和的条件下用洗脱剂洗出，剩 下的固化单宁能再重复使用。常用的洗脱剂为0 0 1 m h c l 和0 0 1 m n a o h 。 ( 7 ) 机械性能 1 3 植物单宁的分析和鉴定 单宁的定性可通过使明胶溶液变混浊或生成沉淀以及与三价铁盐反应星蓝色来进行。 其他一些方法可以对单宁的类别进行初步判断。水解单宁与醋酸铅醋酸产生沉淀；与三价 铁盐反应呈绿色，与甲醛盐酸共沸产生沉淀，与溴水产生沉淀，与浓硫酸变红色可能为缩 合单宁；有间苯三酚型环的缩合单宁，遇香草醛盐酸呈红色，遇茴香醛硫酸呈橙色；六 羟基联苯二酰酯遇亚硝酸钠醋酸呈红色。 单宁的定量方法很多，有重量法，容量法，紫外可见分光光度法，红外光谱法，原子 吸收光度法，化学发光法，电化学法，1 3 c 核磁共振法等。皮粉法是公认的重量测定法， 6 第1 覃绪论 _ - _ - l _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - l _ _ _ _ _ - _ _ - _ l _ - - - _ _ - _ _ _ _ _ - l - _ _ - _ _ - _ - _ - _ _ i _ - l _ _ l _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - - _ _ _ - - 一i i _ _ _ _ - _ _ _ - _ - 一 利用皮粉蛋白质与单宁的结合来测定单宁，此法的缺点是测定时间长，耗用样品多【1 , a l 。容 量法包括k m n 0 4 氧化法，锌离子络合滴定法 7 1 ，铜氨沉淀氧化法【8 】，碱性醋酸铅沉淀法， 明胶沉淀法，e d t a 滴定法【9 】等，这些方法均存在操作繁杂，滴定终点难以判断的缺点， 可考虑根据其采取的原理氧化还原或金属络合而采取光度法进行测定。分光光度法中最常 用的是f o l i n d e n i s 法【1 0 】和i s o 9 6 4 8 柠檬酸铁胺比色法【1 1 l 等。 在单宁的结构测定中，近年来大量使用紫外可见光谱【1 2 】红外光谱，质谱，圆二色谱， x 射线衍射，核磁共振，高效液相色谱，薄层色谱等方法【1 3 d 7 l 。 1 4 单宁的特性 1 4 1 单宁与金属离子络合性能 1 4 1 1 概论 单宁分子内含有的活性基团主要为酚羟基( - o h ) ，另外水解类单宁中还有羧基 ( - c o o h ) 。沉淀金属离子是单宁最重要的特性之一，其能力主要源于单宁分子内的大量邻 位酚羟基及单宁较高的分子量【1 1 。单宁中大量的酚羟基使其可以与大多数三价的金属离子 和过渡金属离子发生络合，通过紫外手段可以检测络合物的形成。在五桔酰基单宁酸溶液 中加入c a ( i i ) 后，五桔酰基单宁酸的紫外吸收在k - 3 2 0 3 4 0 n m 处产生新的吸收峰【1 l 杨梅单 宁、黑荆树单宁及落叶松单宁的水溶液在2 8 0 n m 左右有特征吸收峰，但加入c u ( i i ) 反应后， 这一特征吸收峰基本消失【1 8 】。这些现象表明单宁中的多酚羟基和金属离子进行了络合反 应，生成新的络合物能够吸收可见光区或紫外区的某一部分波长的光而发生电荷跃迁，电 子从酚氧基配体的p 轨道跃迁到金属离子的某一轨道，从而使多酚在紫外可见区域的吸收 发生改变【1 1 。 酚类物质具有和金属离子络合的共性。然而和其它小分子酚类化合物相比，单宁与金 属离子的配位络合能力要高出很多，多酚金属离子配位化合物的稳定常数( 培固【1 9 】见表1 1 。 无论是水解类单宁( 如单宁酸) 还是缩合类单宁( 如木麻黄单宁) ，其与金属离子的配位络合能 力比小分子的苯酚及邻苯二酚要高出几个数量级。而且对于缩合类单宁经过磺化处理后， 由于大分子被降解，分子量变小，与金属离子配位时的位阻减小，同时c 环被打开，使单 宁与金属离子络合能力提高很多。 7 福建师范大学硕士学位论文 袭1 1 多酚金属离子配位化合物的稳定常数( 1 9 k , 2 9 7 k ) t a b l e l 1 t h es t a b i l i t yc o n s t a n to fc o m p l e x a t i o nb e t w e e nm e t a li o i la n dp o l y p h e n o l s 金属离子苯酚邻苯二酚桔酸单宁酸木麻黄单宁磺化木麻黄单宁 ca(11) 6702 5 1 0 z n ( 1 1 ) 4 0 1 6 4 27 5 01 4 7 01 4 4 53 1 6 0 c u ( 1 1 ) 5 5 71 0 6 71 3 6 01 8 3 01 8 8 03 3 0 0 坠f ! 12墨：翌! 主：翌垫：2 q丝：塑兰z ：垒q兰：i q 单宁对金属离子具有强的络合能力的原因在于其分子中多个酚羟基之间的协同作用。 络合反应主要发生在单宁分子中两个相邻的酚羟基上，这两个苯环上的羟基与金属离子之 间形成稳定的五元环螯合物，尤其是桔酸酯类多酚的桔酰基和黄烷醇类多酚的b 环。对于 黄烷醇类多酚来说，由于其a 环上的间苯二酚或间苯三酚结构不能形成稳定的螯合环，在 络合中不起作用。另外梧酰基上相邻的两个酚羟基与金属离子配位时，第三个酚羟基不参 与络合，但是对前两个酚羟基的离解有促进作用，使络合更稳定。这就是水解类单宁络合 金属离子的能力高于缩合类单宁的原因。多酚羟基一般是以氧负离子的形式与金属离子络 合。未电离的酚羟基虽然也可以参与配位，但其络合的稳定性比离解的氧负离子差得多。 因此单宁与金属离子的络合可以看成由两步反应组成，首先是酚羟基的离解，如式1 - 1 。 r o h r o 。+ h + ( 1 - 1 ) 然后氧负离子( r 0 3 作为配体与金属离子进行配位络合，如式1 2 。 r o 。+ m 叶 r o m 1 ( n 。1 _ ) +( 1 2 ) 单宁与金属离子络合物的结构取决于体系的p h 和多酚的结构。单宁中的两个邻位酚 羟基一般以单离解或双离解的形式进入金属离子水合物的内界，取代水分子形成单配体络 合物。当p h 升高时，由于金属离子水解配聚为多核结构，易形成双取代或三取代的络合 物。f e ( i i i ) 与单宁络合后形成的单取代、双取代及三取代络合物的分子结构【1 1 。 利用单宁沉淀金属离子的特性，可以将单宁作为金属离子脱除材料。如早期的锅炉供 水中通过加入l k g 的坚木栲胶及1 3 k g 的石灰、碳酸钠和碳酸钾，可以防止c a ( 1 i ) 和m g ( i i ) 离子在锅底形成坚硬水垢【2 0 j ：利用橡梳单宁对水体中的铅、镉及三价铬进行脱除，脱除率 可达8 0 以上【2 1 j ：利用柿子单宁对发酵液中的铁进行脱除，脱除率可达9 9 【勿。 但是单宁常以一种无定型状态存在，并且易溶解于水、乙醇和丙酮等溶剂，一般不能 直接作为水处理材料使用，必须通过化学改性或将其固化在某些介质上，才能获得基于单 宁的金属离子吸附材料。 1 4 1 2 以植物单宁为原料的吸附材料的研究进展 h a r u h i k oy a m a g u c h i 等【2 3 】研究发现，对单宁原材料的磺化，三氯乙酸预处理及间苯二 8 第1 章绪论 酚化对球状单宁树脂的重金属离子吸附性能有影响。 y o s h i on a k a n o 等【2 4 】利用黑荆树单宁与甲醛反应得到单宁凝胶，对c r ( ) 的最大吸附容量 为2 8 7m g g ( 初始浓度1 0 2 2m g l ) 。并研究单宁凝胶吸附c r ( ) 的机制，表明单宁对铬的 吸附过程分为四步：首先是铬与单宁分子酯化，其次是c r ( w ) 降为c r ( i i i ) ，再次是单宁分子 氧化形成羧基，最后c r ( i i i ) 与羟基或羧基进行离子交换，单宁对铬的吸附能力受p h 影响。 s a n t a n ajl 【2 5 j 研究了不同p h 条件下单宁树脂对c e 、c u ( i i ) 、u ( v 1 ) 、e u 、f e ( i i i ) 、t h 、 n d 的吸附性能，实验表明该单宁树脂对锕类元素及稀有元素表现出很好的吸附性能，并通 过放射性示踪剂显示单宁中大量儿茶素亚基形成单宁金属络合物。 l i a o x u e p i n 等 2 6 】用杨梅、落叶松固化单宁回收四价金属钍，实验结果显示两种固化单 宁能有效回收钍，杨梅单宁因b 环上有桔西酰基结构而该结构与钍有较强的反应活性，比 落叶松单宁吸附能力更强，更适宜做吸附剂。 a k i r an a k a i i m a 【2 7 1 等将柿子单宁用甲醛和过氧化钾固化，得到甲醛凝胶和过硫化凝胶。 固化后的柿子单宁可以有效的吸附和去除铁离子。 廖学品【2 8 1 等通过将杨梅单宁固化在胶原纤维上来制得吸附剂，然后加入醛交联剂来增 强单宁与胶原纤维之间的固定作用，固化后的单宁用来吸附铋，在酸性条件下3 0 3 k 时的吸 附容量是0 3 4 8 m m o l g ，并且随着温度的升高而增长。他们【2 9 删还根据制革化学原理，通过 醛类化合物交联作用，将缩合单宁固化在皮胶原纤维( 膜) 上，其获得的( 膜) 固化单宁吸 附材料对水体c u ( i i ) 、p t ( i i ) 、p b ( i i ) 、c d ( i i ) 、h g ( i i ) 、u o f f i i ) 、a u ( 1 1 1 ) 和u ( ) 具有 很好的吸附作用。 b i l a la c e m i o g l u l 3 5 】研究c a l a b r i 强松树皮对f e ( i i ) 的吸附，动力学研究表明吸附过程符合 一级动力学模型和粒内扩散动力学，吸附等温线遵循l a n g m u i r 和f r e u n d l i c h 模式，热力学参 数表明树皮去除f e ( i i ) 是一个物理过程。 g r a c i e l ap a l m a a 等【3 6 1 用酸化甲醛溶液改性松果松树皮和单宁并用于去除各种不同金属 离子和铜矿酸性废水，结果表明改性树皮比改性单宁有更好的吸附能力，这可能是因为在 实验条件下，单宁改性程度比树皮深，酚羟基减少，另外树皮中含有其它可吸附的聚酚物 质( 如木质素、聚酚酸和鞣酐) 。改性松树皮处理工业废水1 9 8 m g l ( 1 0 m l ，l g ) 的f e ( m ) 溶液， 去除率可达4 6 9 。 v a z q u e zg 等【3 7 】研究甲醛改性的松果松树皮对c d ( i i ) 和h g ( i i ) 吸附的动力学和等温曲 线，结果表明吸附顺序为h g ( i i ) c d ( i i ) ，金属离子是与树皮中的单宁b 环上的羟基质子进 行离子交换。 g r a c i e l ap a l m a a 等【3 8 】用酸化甲醛溶液改性松果松树皮和单宁并用于去除各种不同金属 9 福建师范大学硕士学位论文 离子和铜矿酸性废水，结果表明改性树艘比改性单宁有更好的吸附能力，这可能是因为在 实验条件下，单宁改性程度比树皮深，酚羟基减少，另外树皮中含有其它可吸附的聚酚物 质( 如木质素、聚酚酸和鞣酐) 。改性松树皮处理工业废水1 9 8 m g l ( 1 0 m l ，l g ) 的f e ( m ) 溶液， 去除率可达4 6 9 。 c h a n d r as e k h a rk 等渊直接将i n d i a ns a r s a p a r i l l a 树皮吸附n 种金属离子，其中对p b 、z n 和e f 的吸附量较高。怎他们嘲又将此树皮固定化后用于对p b 的吸附，研究表明与p b 结合部 位是细胞壁，固定化没有改变结合点，但提高了结合能力。 人们发现树叶对金属离子也有良好的吸附。n a ms e o kc h o 纠4 1 l 研究 t 3 4 种松树叶对铬 的吸附，以落叶松为例探讨各影响因素。结果表明，c r ( v i ) 的最佳吸附p h 值为3 ，4 h 后吸附 量增大趋势减小，1 6 h 趋于平衡，柱吸附表明实际应用中吸酣量由废水p n 值控制。s h a r m a 等【4 2 】发现a z a d i r a c h t ai n d i c a 树时对c r ( v i ) 有良好的吸附能力，3 0 0 k 条件下，5 魏对1 4 1 m g a , 的c r ( w ) 溶液去除率达8 7 。 1 4 。1 。3 基于对金属离子吸附性能的应用 随着有关单宁对金属离子吸附性能研究的不断深入，单宁对金属离子吸附方面的应用 研究也不断深入。例如在水处理方面的应用就是各种应用中的一个重要方面，在水处理中， 单宁可以作为阻垢荆。人们很翠就知道将单宁用做阻垢剂，世纪3 0 年代，美国、英国、 日本、前苏联就广泛使用过。现在邑不仅仅局限于传统上的用于锅炉防垢、除垢。还可用 于冷却水系统的预清洗、汽车水箱的防垢及内燃机水箱的抗冻防垢。单宁由于其以下特性 使之可以用作阻垢剂f 矧。 ( 王) 单宁含有许多酚羟基聚合度不同的物质( 包括一些单体的混合物) ，相对分予质量 一般2 0 0 0 以上，能与c a ( i i ) 、m g ( i i ) 等形成溶髂度较大的螫合物，抑制了垢的沉积； ( 2 ) 单宁具有分散性，能使污垢粒子较长时间地保持分散的悬浮状态，减少沉积的产 生： ( 3 ) 单宁破坏晶体使晶格畸变，单宁在水中可令形成水垢盐的晶体由原来的立方晶形 转变成正交晶形，厝者檄容易脱落，达到阻垢目的； ( 4 ) 单宁与晶体表面进行螯合形成的螫合物占据晶格位置使晶格不能正常生长，若晶 体继续生长，螫合物嵌入晶体中，使晶体易于破裂，阻碍了垢的生长。 1 4 2 单宁的生理活性 1 4 2 1 概论 植物单宁的生理活性研究是近凡年来的热点方岗之一，近年来关于植物单宁生理活性 及其楣关机理的研究结果有许多。从这些结果可以看出，植物单宁的生理活性与其酚羟基 1 0 第1 章绪论 的化学活性有关。酚羟基特别是邻位酚羟基的存在，使单宁能与蛋白质，酶结合( 这种反应 性质也称收敛性) ；与生物碱，多糖及其它生物大分子反应；与一些金属离子发生络合或静 电作用：具有较强的清除自由基和抗氧化性能。 新的研究表明，单宁与蛋白质除以酚羟基通过氢键结合外，疏水键也是一种重要的形 式。因此分子量较大，结构开放松散，疏水氨基酸含量较高的蛋白质对单宁亲和力强；对 单宁而言，分子量大于5 0 0 时与蛋白质产生较牢固地结合，酚羟基与疏水基越多收敛性越 强i l j 。对黑荆树皮单宁不同级分的研究发现，分子量越大的单宁级分与蛋白质发生沉淀的 程度越大，对某些水解酶活力的抑制作用越强：分子量适中的单宁级分，对一些细菌的抑 制作用最明显，这可能与渗透性有关烨】。单宁与生物碱，多糖，核糖的反应也与单宁一蛋 白质的结合相类似。 过剩的自由基是诱发组织器官老化和多种老化疾病的一种重要因素。单宁以大量的酚 羟基作为氢供体，可将单线态氧还原成活性较低的三线态氧，降低氧自由基产生的可能性， 可与环境中自由基结合，终止自由基引发的连锁反应，因而具有清除自由基和抗氧化性能， 对自由基引发的生物大分子损伤起到防护作用，维持细胞膜的流动性和蛋白质的构型构 象，防止辐射诱发的d n a 断裂【4 5 】并减少其对氧化反应的催化作用；与维c 协同抗氧化作 用：对氧化酶进行抑制【4 6 】；通过改变酶的构型，激活超氧化物歧化酶等。单宁的聚合程度 越大，酚羟基个数越多，对自由基的抑制作用越强。分子量大的单宁的抗氧化性能远比茶 多酚和没食子酸强。单宁分子量大小，桔酰基含量及酚羟基的立体构象是抗癌活性的必须 因素，含桔酰基最多的结构具有最强活性【4 7 】。 1 4 2 2 植物单宁的抗自由基性能的研究进展 c e s a r e t t i na l a s a l v a r l 4 8 1 等通过对不同提取条件下对不同植物的多酚化合物和缩合单宁 的提取，研究了它们的抗氧化性和对d p p h 自由基的清除作用，研究证明不同种类的多酚 化合物和缩合单宁都具有具有较强的抗氧化性和自由基消除作用是廉价高效的天然抗氧 化剂。 h i d c y ui t o l 4 9 】等用核磁共振分析了核桃中的各种水解单宁和多酚化合物的结构和化学 数据，并研究了每一种成份的抗氧化性和对d p p h 的自由基消除作用。证明了多酚羟基化 合物具有较强的抗氧化性，对自由基的消除作用各也比较强。 m k o s a r l 5 0 】等研究了漆树提取液中的多酚组分和它的抗氧化能力，研究证明花色苷和 水解单宁中富含具有抗氧化性的成分，与合成的抗氧化剂相比显示出适度的对类酯的过氧 化物的抑制效果，结果显示漆树可以作为天然的抗氧化剂。 v j e r ab i l u s 。i c v u n d a c ，【5 1 】等研究了七种c r o a t i a ns t a c h y st a x a 的活性化合物的含量和它 福建师范大学硕士学位论文 们的抗自由基化能力，结采显示它们都具有较高含量的多酚，并虽都具有抗瘩壶基能力， 因此可以作为提取自由基清除剂的重要材料。 a n t o n i al l o b e r a 5 2 】等研究证明葡萄酿酒的副产品：葡萄渣和茎有优异的抗氧化性和对 d p p h 自由基的良好的清除能力。 1 4 2 3 单宁对漂白机械浆光致黄化抑制作用 自豳基是带有来威对电子静分子或离子。由于具有缀高的反应活性，它们一屋产生将 很快与周围分子发生反应，嘲此导致各种破坏作用。现已盟确许多疾病，如肿瘤、炎症、 心脑缺血再灌损伤、动脉粥样硬化等都与自e i j 基有关；而自由基在食品和化工产品氧化中 的作用更是众所周知的。近些年来，高得率制浆技术和相