1、2013年第2期天津造纸2022年第3期天津造纸2013年第2期天津造纸2022年第3期天津造纸桉木半纤维素与苯氧乙醇作为化妆品成分的实验探究张馨予1，刘海棠1,2（1.中国轻工业造纸与生物质精炼重点实验室，天津市制浆造纸重点实验室，天津科技大学轻工科学与工程学院，天津300457；2.江苏省生物质能源与材料重点实验室，南京210042）摘要：以桉木预水解液为原料，采用醇沉法分离出半纤维素，并对半纤维素进行羧甲基化改性研究。通过响应曲面法获得最佳改性条件为反应温度65、碱用量1.5 g、氯乙酸用量1.37 g。对改性前后的半纤维素进行性能表征，结果显示改性成功，且二者的水解产物含有较多木糖。生
2、物活性测定表明，改性后半纤维素的抗氧化性、吸湿保湿性以及抗菌性都有所提高。通过与苯氧乙醇复配使用，验证了多糖作为化妆品防腐剂使用的可行性。关键词：半纤维素；桉木预水解液；羧甲基化改性；生物活性全球能源需求正不断增长，预计到2040年，能源需求将在现有基础上再增加28%1。其中，化石能源是当前消耗的最主要能源，是人类社会生存和发展的重要物质。随着化石能源的逐渐消耗，各国开始发展生物质能源，其不仅环保可再生，还能重复利用2-3。桉木属于阔叶木，生长周期短，质轻，易折4。在桉木溶解浆的生产过程中，预水解液是重要产物，其组成成分复杂，大部分是木糖，也存在少量乙酸、木素和糠醛等5。通过生物质精炼将半纤维
3、素转化为有利的产品，则对经济效益和制浆造纸的绿色发展都具有重要意义6。含有丰富的营养成分是化妆品最重要的特性之一，但在为皮肤提供养分的同时，脂类、蛋白质等有机组分也会为侵入的微生物提供营养物质。因此，需要在化妆品中添加防腐剂，从而抑制、杀灭侵染的微生物，延长使用期限，保护化妆品在生产、储存、运输和使用的过程中免受细菌的污染7-8。苯氧乙醇（Phenoxyethanol）是一种液体有机化合物，无色，略有芳香气味，具有较好的抗菌功效且致敏性低。自20世纪50年代初，苯氧乙醇就经常被作为防腐剂添加到化妆品中，是相对较安全的防腐剂之一9。随着防腐体系变得越来越安全、环保，目前对防腐剂的研究有两个方向：
4、一是研究复合防腐剂体系，根据其性质，添加两种或以上的防腐增效剂，使它们相互促进，提高对微生物抑制效果；二是研究天然防腐剂，即从动植物及微生物中直接提取用于化妆品、食品、药品等领域的防腐剂10。本文从桉木预水解液中提取半纤维素，并对其进行羧甲基化改性，探究了其改性前后的抗氧化性、吸湿性、保湿性以及抗菌性。1材料与方法1.1原料与试剂桉木预水解液，山东太阳纸业股份有限公司；氢氧化钠、浓硫酸、无水乙醇、氯乙酸、五氧化二磷、硫酸亚铁、过氧化氢、水杨酸、硫酸铵、硫酸钾、氯化钠，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；溴化钾，光谱纯，国药集团化学试剂有限公司；DPPH（质量分数96%）、苯氧乙醇有机试剂，上海麦
5、克林生化科技有通信作者：刘海棠，。132013年第2期纸天津造2022年第3期纸天津造2013年第2期纸天津造2022年第3期纸天津造限公司；蛋白胨、酵母浸粉、琼脂粉，生物试剂，北京奥博星生物技术有限责任公司。1.2实验设备SJ-3100型精密PH计，奥豪斯仪器有限公司；RH basic磁力搅拌器，德国IKA公司；PL602-S型电子天平、AR2140型分析天平、SL-200PL型移液枪，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；TG18G型台式高速离心机、50 mL PE离心管，成都天奇仪器设备有限公司；VOS-60A型真空干燥箱，上海施都凯仪器设备有限公司；N-1100型旋转蒸发仪，上海爱郎仪器
6、有限公司；DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限公司；FTIR-650型红外光谱分析仪，天津港东科技股份有限公司；HHS-21-4型电热恒温水浴锅，上海博迅医疗设备厂；T6新世纪紫外可见光分光光度计，北京普析通用仪器责任有限公司；HCB-1300V型超净工作台，青岛海尔特种电器有限公司；DSX-24L-I型手提式高压蒸汽灭菌器，上海申安医疗器械厂。1.3半纤维素（HC）提取称取连带离心管共85 g的预水解液，8000 r/min离心15 min，取400 mL上清液倒入旋蒸瓶，60 旋转蒸发至溶液原体积的约三分之一，将剩余液体转移至烧杯中；滴加浓硫酸，调pH至2，放入4
7、的冰箱静置一夜；通过抽滤去除沉淀的木素，获得上清液，加入4倍体积的无水乙醇，使半纤维素醇沉，搅拌均匀后，静置12 h，倒去上清液，多次加无水乙醇洗涤沉淀，直至沉淀变为淡黄色；将沉淀的半纤维素通过抽滤的方式分离出来，放入40 的真空干燥箱烘干12 h，获得半纤维素。1.4半纤维素羧甲基化实验利用响应曲面法11确定实验条件，根据实验条件制备羧甲基半纤维素并测定产品的取代度，探究最佳实验条件。称取1 g半纤维素加入100 mL的三颈烧瓶中，用10 mL蒸馏水溶解50%的NaOH（占所需加入NaOH的量）加入烧瓶，在45 下搅拌30 min；加入40 mL无水乙醇，再加入氯乙酸和剩下50%的NaOH，
8、放入80 的水浴锅中加热，在全部反应时间2 h中的前1 h要用搅拌器进行搅拌，转速为100 r/min；反应结束后除去上清液，加入一定量85%的乙醇清洗沉淀后倒出，重复清洗3次，然后抽滤得到沉淀，放入真空干燥器中干燥12 h，得到羧甲基半纤维素（CMHC）。参考文献15的方法测量样品的取代度：称取0.2 g CMHC样品放入烧杯，在烧杯中加入50 mL蒸馏水，用浓度为0.05 mol/L的稀硫酸和氢氧化钠将pH调节至8.0。缓慢往溶液中滴定0.05 mol/L的硫酸标准溶液，直至溶液pH达到3.74，记录滴定所消耗的硫酸标准溶液的量，根据式（1）计算取代度DS。DS=0.132n1-0.08n
9、（1）其中n=2cVm（2）式中：m为羧甲基半纤维素的质量，单位g；c为硫酸溶液的浓度，mol/L；V为滴定消耗的硫酸标准溶液的体积，mL；n为1 g样品所抵消的酸的物质的量，mmol/g。将结果输入Design-Expert软件，使用响应曲面法计算半纤维素最佳醚化条件。1.5性能表征1.5.1傅里叶红外光谱（FTIR）检测用傅里叶红外光谱仪对半纤维素（HC）和羧甲基半纤维素（CMHC）进行结构分析。将待测的HC、CMHC和溴化钾（KBr）放入105 烘箱烘干4 h后取出备用。称量1 mg样品和100 mg溴化钾，以m（待测样）m（KBr）=1100的比例放入玛瑙研钵充分研磨，取适量粉末进行压
10、片制样，然后用傅里叶变换红外光谱分析仪进行分析，检测扫描范围4004000 cm-1的波长。1.5.2扫描电子显微镜（SEM）分析将羧甲基化改性前后得到的冻干样品（HC和CMHC）用导电胶粘在样品台上，使用10 mA的喷金电流处理60 s后，用扫描电子显微镜观察其微观结构。1.6抗氧化活性测定采用DPPH自由基清除能力、羟基自由基清除能力、ABTS自由基清除能力来评价半纤维素和羧甲基半纤维素的抗氧化活性。1.6.1 DPPH自由基清除能力测定配制0.06 mmol/L的DPPH溶液；将样品配制成4 mg/mL的样液，取15个试管分别编号A1A7、B1B7和A0，在试管A1A7中分别加入3 mL
11、梯度稀释的样液，再在每个试管中分别加入3 mLDPPH溶液；试管B1B7中则使用3 mL无水乙醇代替配制的DPPH溶液；A0试管为空白对照，用3 mL142013年第2期天津造纸2022年第3期天津造纸2013年第2期天津造纸2022年第3期天津造纸蒸馏水代替样液，再加入3 mL配制的DPPH溶液。最后，将所有试管于25 水浴避光反应30 min。用紫外分光光度计于517 nm波长处测定样液吸光度。根据式（3）计算样品对DPPH自由基的清除率。清除率=A0-AA+ABA0100%（3）式中：A0为空白对照的吸光度；AA为A组各浓度样品的吸光度；AB为B组各浓度样品的吸光度。1.6.2羟基自由基
12、清除能力测定配制4.5 mol/L FeSO4溶液、3 mmol/L水杨酸溶液、2.9 mmol/L H2O2溶液；分别称取半纤维素和羧甲基半纤维素样品，配制成4 mg/mL的样液；取15个试管，分别编号为A1A7、B1B7和A0，在试管A组试管中分别加入3 mL梯度稀释的半纤维素样液，接着在A组每个试管加入1 mL亚硫酸铁溶液和1 mL水杨酸溶液，混合均匀，静置10 min。B组操作同上。A0试管为空白对照，用3 mL蒸馏水代替样液。再在A组每个试管中加入1 mL稀释10倍的H2O2溶液，B组每个试管中加入1 mL蒸馏水。放入37 水浴锅中水浴反应15 min，用紫外分光光度计于510 nm
13、波长处测量吸光度。根据式（3）计算羟基自由基的清除率。1.6.3 ABTS自由基清除能力测定配制7.4 mmol/L ABTS储备液；配制2.6 mmol/LK2S2O8储备液；配制磷酸盐缓冲液（pH=7.4）。制备ABTS自由基溶液：各取0.4 mL ABTS储备液和K2S2O8储备液，混合均匀后，至于黑暗处室温放置12 h，然后用配制好的磷酸盐缓冲液稀释，使其在紫外734 nm处的吸光度为0.70.02；称取一定量的样品，用蒸馏水配制4 mg/mL的样液，并梯度稀释。取13个试管，编号为A1A6、B1B6和A0，在A组试管中依次加入3 mL梯度稀释的样液，并加入3 mLABTS自由基溶液，
14、使其迅速混合，在室温下避光静置6 min；B组试管中以等体积的磷酸盐缓冲液代替ABTS自由基溶液，A0试管为空白对照，以3 mL蒸馏水代替样液，其他步骤同A组试管。用紫外分光光度计于734 nm波长处测定吸光度。根据式（3）计算ABTS自由基的清除率。1.6.4苯氧乙醇与CMHC复配时的羟基自由基清除能力测定配制4.5 mol/L FeSO4溶液、3 mmol/L水杨酸溶液和2.9 mmol/L H2O2溶液。配制4 mg/mL的羧甲基半纤维素样液。取11个试管，编号为A1A5、B1B5和A0，加入3 mL梯度稀释的羧甲基半纤维素样液，每个试管中再加入60 L 2%苯氧乙醇溶液，A0试管为空白
15、对照，用3 mL蒸馏水代替样液。在每个试管中加入1 mL亚硫酸铁溶液和1 mL水杨酸溶液，放置10 min后，在每个试管中加入1 mL稀释10倍的H2O2溶液，放入37 水浴锅中水浴反应15 min，用紫外分光光度计于510 nm波长处测量吸光度。根据式（3）计算羟基自由基的清除率。1.7吸湿性和保湿性实验1.7.1吸湿性实验配制碳酸钾溶液（相对湿度43%）和饱和硫酸铵溶液（相对湿度81%），各取100 mL倒入烧杯于干燥器内平衡一夜。精确称取2份0.5 g烘干的样品分别放入型号相同的称量瓶中，再放入干燥器中，分别记录放置0、4、8、12、24、48、72、96、144 h时样品的质量，根据式
16、（4）计算吸湿率。吸湿率=mt-m0m0100%（4）式中：m0为初始时的样品质量，g；mt为放置一段时间后的样品质量，g。1.7.2保湿性实验称取2份0.5 g样品，分别加入到烘至恒重的称量瓶中，再滴入约0.2 g去离子水，轻轻摇晃使样品充分浸湿，将称量瓶分别放入装有300 g变色硅胶和饱和碳酸钾（43%）的干燥器中，分别记录放置0、4、8、12、24、48、72、96、144 h时样品的质量，根据式（5）计算保湿率。保湿率=mtm0100%（5）式中：m0为刚添加去离子水时的样品质量，g；mt为放置一段时间后的样品质量，g。1.8抗菌活性实验分别测定半纤维素、羧甲基半纤维素以及苯氧乙醇的抑菌效果，并测定苯氧乙醇与羧甲基半纤维素复配后的抑菌效果。配制质量分数为4%的苯氧乙醇样液，样液在超净工作台紫外灯下杀菌30 min。将培养基、培养皿等实验操作仪器用121 C高压蒸汽灭菌30 min；将杀菌后的牛津杯放置在培养皿上，然后将加热并灭菌的牛肉膏蛋白胨培养基溶液在超净工作台上倒入平板；用移液枪吸取200 L菌液到凝固好的培152013年第2期纸天津造2022年第3期纸天津造2013年第2
