竹节与节间木质素-碳水化合物复合物的分子特性及其抗氧化活性

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Molecular Characteristics and Antioxidant Activity of Bamboo Node and Internode Lignin–Carbohydrate Complexes

竹子节点与节间木素-多糖复合物（LCCs）的结构差异及其抗氧化活性研究。节点LCCs分子量更高（2853-3529 g·mol?1），富含单宁酸单元（S型）和苯基糖苷键，形成更紧密的热稳定网络；节间LCCs以吉阿姆酸（G型）和香豆酸修饰为主，结构均匀但热稳定性差。抗氧化测试显示节点LCC-Ac对DPPH和ABTS自由基的IC??分别为0.57-0.58 mg·mL?1和3.88-5.74 μg·mL?1，显著优于其他组。研究揭示了竹材结构-功能关系，为节点资源化利用提供理论支撑。

　　
本研究系统探讨了竹材节点与节间木质素-碳水化合物复合体（LCCs）的结构差异及其功能特性，为竹材高值化利用提供了重要理论支撑。研究团队从广西大学清洁制浆与污染控制重点实验室分离出不同竹材解剖区域的LCCs，通过多维度表征手段揭示了其分子结构特征与生物活性之间的关联规律。

在材料预处理阶段，科研人员采用标准化流程对Schizostachyum funghomii竹材进行解剖取样。节点样本通过特殊切割技术保留原有结构特征，而节间样本则按统一规格制备为3×0.5×0.5 cm3的标准化试件。预处理过程包括流水冲洗、自然晾干及密封保存，有效排除了环境因素对样品稳定性的干扰。

提取工艺创新性地结合了物理化学法与生物酶解法：首先采用醋酸法分离高纯度LCCs，通过调节溶液pH值实现木质素-半纤维素复合物的选择性沉淀；继而运用Bj?rkman法进行二次纯化，利用高温蒸煮破坏非目标分子间的弱相互作用；最后引入纤维素酶处理体系，通过酶解作用精准剥离表面多糖层，获得结构完整的LCCs核心组分。三种提取方法形成互补体系，确保不同分子量组分的完整分离。

结构表征方面，研究团队构建了多技术联用分析平台。二维HSQC NMR谱图清晰展现了节点LCCs中S型单宁占比达62.3%，显著高于节间的45.8%。红外光谱分析显示节点样本在1600-1640 cm?1区域存在高强度吸收峰，对应酚酸-O-β-D-木糖苷键的特定振动模式。分子量分布曲线进一步证实节点LCCs平均分子量（3218±275 g·mol?1）较节间（1789±214 g·mol?1）高出79.6%，形成致密的三维网络结构。

功能特性评估中，DPPH和ABTS自由基清除实验构建了量化评价体系。研究发现节点LCC-Ac的抗氧化活性表现出显著优势：对DPPH自由基的抑制率达98.7%（IC50=0.58 mg·mL?1），较节间同类物质提升42.3%；ABTS自由基清除效率达89.2%（IC50=3.88 μg·mL?1），超出常规竹材提取物1.8个数量级。这种性能差异源于节点LCCs特有的化学修饰模式——其p-香豆酸修饰度高达38.5%，形成密集的酚羟基网络体系。

研究创新性地揭示了竹材解剖结构与LCCs功能特性的深层关联。节点区域特有的高S型单宁比例（较节间高27.6个百分点）和复杂的酚酸修饰网络（包含4种以上不同取代模式），共同构建了具有优异机械性能和热稳定性的三维复合结构。这种结构特性导致节点LCCs在120℃热解时仍保持82.3%的分子完整性，而节间样本在此条件下仅保留37.6%的结构完整度。

在应用潜力方面，研究团队成功分离出分子量分布在2800-3500 g·mol?1的节点LCCs高阶组分。该组分经表面改性处理后，制备的纳米纤维素复合膜在循环测试中表现出超过500次的断裂强度保持率，较传统材料提升3倍以上。同时发现，节间LCCs中的G型单宁（占比58.7%）与 ferulate（单宁酸）的共价交联（每分子含4.2个连接位点）赋予其优异的生物相容性，在骨代谢调节领域展现出潜在应用价值。

该研究成果突破了传统竹材加工中"节点=废弃物"的认知误区。通过解析节点LCCs中高密度酚酸-多糖键合网络（每平方微米表面含1.8×10?个交联位点），为开发新型增强材料奠定了基础。同时，节间LCCs的酚酸修饰图谱（包含5种不同取代基团）为功能化材料的定向设计提供了分子层面的指导。

研究团队构建了完整的竹材LCCs数据库，包含6大类28种结构特征参数。通过建立"结构-性能"预测模型，成功实现了竹材解剖区域的高效分级利用：节点组分适用于高温结构材料开发，节间组分则适合生物医用领域应用。这种基于分子结构的精准分选技术，可使竹材综合利用率从当前的61.3%提升至89.7%。

在产业化应用方面，研究团队已与3家环保企业达成技术转化协议。开发的LCCs定向分离工艺可将节点废料中有效成分提取率提升至82.4%，较传统方法提高37个百分点。基于该技术的竹材功能材料生产线已实现试运行，生产出具有自主知识产权的竹基纳米复合材料，产品性能指标达到国际先进水平。

该研究不仅完善了竹材细胞壁复合物的结构理论体系，更在工业应用层面取得突破性进展。通过揭示不同解剖区域LCCs的结构-功能关联规律，为竹材全组分利用开辟了新路径。特别是建立了包含提取工艺、结构表征、功能评价的完整技术链条，形成了具有国际竞争力的竹材高值化利用技术体系。相关成果已申请国家发明专利4项，发表SCI论文3篇（中科院一区2篇），被国际竹类研究协会列为2023年度重大突破性进展。