技术领域
本发明涉及从软木原料中回收的天然木素的衍生物及其工业应 用。更特别地，本发明涉及具有特定化学性能的天然木素衍生物及 其用途、加工、方法和组合物。
背景技术
天然木素是天然存在的无定形的复合的交联有机大分子，其构 成所有植物生物质的组成部分。就不同的结构单元(如，苯基丙烷单 元)未以任何系统的顺序彼此连接而言，木素的化学结构是不规则的。 已知天然木素包含多数的两种被甲氧基化至各种程度的单木质醇 (monolignol)单体(反式-松柏醇和反式-芥子醇)和第三种非甲氧基化 的单木质醇(反式-p-香豆醇)。这些单木质醇的各种组合包括三种苯 丙素(phenylpropanoid)结构的构建块，即分别为愈创木基单木质醇、 紫丁香基单木质醇和对-羟基苯基单木质醇，其通过特殊的连接聚合 以形成天然木素大分子。
在制浆过程中从木质纤维素生物质提取天然木素通常导致木素 碎裂成不规则成分的众多混合物。此外，木素片段可能与制浆过程 使用的任何化学物质发生反应。因此，产生的木素部分可以被称为 木素衍生物和/或工业木素(technical lignin)。由于很难去阐明和表征 这样复杂的分子混合物，因此木素衍生物通常以使用的木质纤维素 植物材料、其从木素植物材料回收和制备的方法进行描述，即、硬 木木素、软木木素和一年生纤维木素(annual fibre lignin)。
天然木素在制浆过程中部分解聚成溶于制浆液中的木素片段， 随后从纤维素浆中分离。含有木素和多糖片段及其他提取物的制浆 后液体通常被称为“黑液”或“废液”，其取决于制浆过程。这样 的液体通常被视为副产物，且通常的做法是将其燃烧以在回收蒸煮 化学物质(cooking chemicals)之外回收一些能量价值。然而，也可能 从这些液体中沉淀和/或回收木素衍生物。用于将纤维素浆与其他木 质纤维素成分分离的各类型的制浆过程产生物理化学、生物化学和 结构性质方面非常不同的木素衍生物。
考虑到木素衍生物可以从可再生的生物质来源获得，将这些衍 生物用于某些工业应用中是有利的。例如，通过有机溶剂(organosolv) 提取得到的木素衍生物，如Alcell方法(Alcell是丽格诺创新有限 公司，burnaby，BC，CA的注册商标)，已经被用于橡胶产品、粘结剂、 树脂、塑料、沥青、水泥、注塑树脂、农产品、油田产品中和用作 生产精细化工产品的原料。
然而，这些提取的木素衍生物的大规模商业应用，尤其是从传 统的用于纸张生产的制浆过程中分离的木素衍生物，由于例如其化 学和功能特性的不一致性而受到限制。这种不一致性可能是因为， 例如，原料供应和特定的提取/产生/回收条件的改变。这些问题由于 通过各种提取方法产生的木素衍生物的分子结构的复杂性和对回收 的木素衍生物的分子结构一致性和完整性进行可靠的常规分析的难 度被进一步复杂化。例如，木素衍生物已知具有抗氧化剂性能(如 Catignani G.L.，Carter M.E.，Antioxidant Properties of Lignin，Journal of Food Science，Volume 47，Issue 5，1982，p.1745；Pan X.等，J.Agric. Food Chem.，Vol.54，No.16，2006，pp.5806-5813)，但至今为止，这 些性能的高度可变性使得木素衍生物用作抗氧化剂存在问题。
热塑性塑料和热固性材料具有广泛的用途。热塑性塑料的实例 包括聚酯、聚碳酸酯、聚乳酸酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚 醋酸酯、聚丙烯酸酯、聚丙烯等类。聚烯烃例如聚乙烯和聚丙烯代 表一个巨大的市场，共计每年超过1亿公吨。在生产、加工和使用 过程中，某些热塑性塑料的物理和化学性质可以受到各种因素-例如 暴露于热、紫外辐射、光、氧、机械应力或杂质存在-的负面影响。 很明显，减轻或避免这些问题是有利的。此外，对原材料回收利用 的增长已经导致了进一步解决这些问题的需求。
由自由基、暴露于紫外辐射、热、光和环境污染物导致的降解 是负面影响的常见原因。稳定剂例如抗氧化剂、抗臭氧剂或紫外线 阻断剂常常被包含在热塑性树脂中以用于辅助生产过程和延长产品 的使用寿命。稳定剂和抗氧化剂的常见实例包括胺类、酚类、酚烷 类、亚磷酸盐类等。这些添加剂伴随其应用常常产生不希望的或甚 至不可接受的环境、健康和安全、经济和/或处置问题。此外，这些 稳定剂/抗氧化剂中的某些可以降低产品的生物降解性。
已经提出木素可以提供合适的聚合天然抗氧化剂，该抗氧化剂 具有可以接受的毒性、功效和环境特性。参见A.Gregorova等，木 素的自由基清除能力及其对virgin和回收的聚丙烯的稳定处理的影 响(Radical scavenging capacity of lignin and its effect on processing stabilization of virgin and recycled polypropylene)，Journal of Applied Polymer Science 106-3(2007)pp.1626-1631；C.Pouteau等，聚丙烯中 的木素的抗氧化剂性能(Antioxidant Properties of Lignin in Polypropylene，Polymer Degradation and Stability)，Polymer Degradation and Stability 81(2003)9-18。尽管木素具有所述优点，基 于多种原因，木素作为抗氧化剂还没有得到广泛应用。例如，提供 抗氧化剂活性方面具有一致性的木素存在问题。而且，木素的加工 可能引入对于与化学物质例如聚烯烃共同使用不相容的物质。此外， 对木素的生产和/或纯化的费用可能使其对于某些应用是不经济的。
发明概述
本发明提供一种具有一定脂肪族羟基含量的来自软木源中的天 然木素的衍生物。令人惊奇的是，发现通过选择具有一定脂肪族羟 基含量的天然木素衍生物可以提供一致的和可预测的抗氧化剂活 性。
如本文中所用，术语“天然木素”是指以其植物材料中的天然 状态存在的木素。
如本文中所用，术语“木素衍生物”和“天然木素衍生物”是 指从木质纤维素生物质中提取的木素物质。通常，这样的物质是在 提取过程中产生的化学化合物的混合物。
附图的简要说明
图1显示非乙酰化的软木木素衍生物的定量13C NMR谱图。
图2显示乙酰化的软木木素衍生物的定量13C NMR谱图。
详细说明
本发明提供一种具有一定脂肪族羟基含量的天然木素衍生物。 现发现，木素衍生物的脂肪族羟基含量可以与自由基清除指数(RSI， 一种抗氧化剂活性的量度)相关。因此，选择具有一定脂肪族羟基含 量的天然木素衍生物产生具有较高一致性的抗氧化剂活性水平的产 物。发现，从软木原料中得到的具有脂肪族羟基含量从约2.5mmol/g 至约7mmol/g的天然木素衍生物具有可预测的抗氧化剂活性水平。
自由基清除指数(RSI)是一种自由基清除能力的量度。试验采用 2，2-二苯基-1-苦基肼(DPPH)(在515nm处具有强的光吸收的稳定自 由基)来测量化合物的自由基清除指数(RSI)。以其自由基形式存在 时，DPPH·在515nm下强烈吸收并具有深紫颜色。随着DPPH将其 自由电子递交给自由基清除剂，其失去了紫色且其吸收平移到520 nm处。在受试化合物加入到DPPH溶液之后DPPH吸收在515nm 处下降得越大，则化合物的自由RSI就越高，其抗氧化剂活性也就 越高。在本发明中，维生素E(Vit.E)和丁基化羟基甲苯(BHT)用作阳 性对照。通过将木素衍生物样品(1.0-2.0mg)、Vit.E对照样品 (1.0-2.0mg)和BHT对照样品(6.0-8.0mg)置于微离心管中，然后各用 1.0mL的90％(v/v)的二氧六环水溶液稀释，涡旋，将其转移至新的 微离心管管中并进一步用90％的二氧六环水溶液以50/50稀释，以产 生对于样品和维生素E为0.5-1.0mg/mL和对于BHT为3.0-4.0mg/ml 的原液浓度而制备样品用于测试。通过溶解3.78mg DPPH于100ml 的90％二氧六环中(95.9μM)来制备指示的(紫色)DPPH稳定自由基 溶液。样品和标准品被连续稀释以填充96-孔石英板的列(8个稀释 度)。通过将样品原液等份试样置于96-孔平板的两行的孔中来进行 试验。第一行用作参考行而第二行接受DPPH等份试样。各孔中加 入165μL的90％二氧六环并混合。各行中等份的混合样品转移至相 邻行中，其进一步在各孔中用165μL的90％二氧六环稀释。重复混 合、转移和稀释直到最后一行的孔被配置。从最后一行中移除同样 体积的等份试样。该96-孔板还包含仅接受90％二氧六环的一行孔。 在制备过程的最后一步，165μL的DPPH溶液通过使用8-通道自动 移液器和Eppendorr试剂储存器尽可能快地加入至所有的对照和分 析列中。一旦所有的试剂被加入，将板置于读板分光光度计(Spectra Max Plus，Molecular Devices，Sunnyvale，CA，USA)中，并进行吸光度 测量。用于分光光度计的程序(SOFTmax软件)包括16分钟的定时序 列和在515nm处的对整个板的读数。RSI定义为在515nm处对DPPH 吸收产生50％抑制的浓度的倒数。然后通过将样品RSI除以BHT对 照的RSI值来对结果进行标准化。标准化的RSI用缩略词″NRSI″来 代表。
在本发明中，“脂肪族羟基含量”是指脂肪族羟基在木素衍生 物中的量，且是伯羟基和仲羟基量的算术和(OHal＝OHpr+OHsec)。 脂肪族羟基含量可以采用乙酰化和非乙酰化的木素衍生物的定量 13C高分辨率NMR谱来测量，使用例如1，3，5-三噁烷和四甲基硅烷 (TMS)作为内标。对于数据分析，使用在软件包TopSpin 2.1.4中的 ″BASEOPT″(DIGMOD设定为baseopt)程序来预测在使用的数字化 过滤数据中13C r.f.脉冲的中点处向后(back)的第一个FID数据点。对 于NMR谱记录，使用运行TopSpin 2.1的Bruker AVANCE II数字 式NMR谱。该谱计使用在14.1特斯拉(对于1H为600.13MHz，对 于13C为150.90MHz)下操作的Bruker 54mm孔Ultrashield磁体。光 谱仪与Bruker QNP低温探针(5mm NMR样品，13C在内线圈上直接 观察，1H在外线圈上)偶联，其两个线圈通过氦气冷却到20K且全 部前置放大器冷却到77K以获得最高灵敏度。样品温度使用Bruker BVT 3000温度装置和Bruker BCU05冷却器保持在300K±0.1K，大 约95％氮气以800L/h的速率流过样品管。
乙氧基的定量通过高分辨率13C NMR谱类似于脂肪族羟基的定 量来进行。乙氧基的确认通过2D NMR HSQC谱来证实。2D NMR 谱通过配备具有反向几何特性的灵敏的低温冷却5mm TCI梯度探 针的Bruker 700MHz UltraShield Plus标准孔磁体谱仪记录。采集参 数如下：标准Bruker脉冲程序hsqcetgp，298K的温度，90°脉冲， 1.1秒脉冲延迟(dl)和60毫秒的采集时间。
本发明提供在对木质纤维素软木原料的制浆过程中或之后回收 得到的天然木素衍生物。该浆料可以来自任何合适的软木原料。
软木原料的实例包括南洋杉(例如肯氏南洋杉(A. cunninghamii)、南美杉(A.angustifolia)、智利南洋杉(A.araucana))；软 木雪松(例如铅笔柏(juniperus virginiana)、北美乔柏(Tjuja plicata)、 北美香乔柏(Thuja occidentalis)、美国尖叶扁柏(Chamaecyparis thyoides)、阿拉斯加黄扁柏(Callitropsis nootkatensis))；柏树(例如扁 柏属(Chamaecyparis)、柏木属(Cupressus)、落羽松属(Taxodium)、绿 干柏(Cupressus arizonica)、落羽杉(Taxodium distichum)、日本扁柏 (Chamaecyparis obtusa)、美国扁柏(Chamaecyparis lawsoniana)、地中 海柏(Cupressus semperviren))；落基山花旗松(Rocky Mountain Douglas fir)；欧洲紫杉；冷杉(如：香脂冷杉(Abies balsamea)、欧洲银 冷杉(Abies alba)、壮丽冷杉(Abies procera)、太平洋冷杉(Abies amabilis))；铁杉(如，加拿大铁杉(Tsuga canadensis)、大果铁杉(Tsuga mertensiana)、异叶铁杉(Tsuga heterophylla))；贝壳杉；非洲楝属 (Kaya)；落叶松(如，欧洲落叶松(Larix decidua)、日本落叶松(Larix kaempferi)、美洲落叶松(Larix laricina)、西部落叶松(Larix occidentalis))；松木(如，欧洲黑松(Pinus nigra)、短叶松(Pinus banksiana)、扭叶松(Pinus contorta)、辐射松(Pinus radiata)、西黄松 (Pinus ponderosa)、多脂松(Pinus resinosa)、欧洲赤松(Pinus sylvestris)、北美乔松(Pinus strobus)、加州山松(Pinus monticola)、糖 松(Pinus lambertiana)、火炬松(Pinus taeda)、长叶松(Pinus palustris)、 刚松(Pinus rigida)、萌芽松(Pinus echinata))；红杉；芮木泪柏；云杉 (如，欧洲云杉(Picea abies)、黑云杉(Picea mariana)、红果云杉(Picea rubens)、北美云杉(Picea sitchensis)、白云杉(Picea glauca))；日本雪 松；及其组合/杂种。
例如，本发明可以使用的软木原料包括雪松；冷杉；松木；云杉 及其组合。用于本发明的软木原料可以选自火炬松(Pinus taeda)、辐 射松、短叶松、云杉(如，白云杉、interior spruce、黑云杉)、花旗松、 欧洲赤松(Pinus silvestris)、欧洲云杉及其组合/杂种。本发明的软木 原料可以选自松木(如，辐射松，火炬松)；云杉；及其组合和杂种。
本发明的来自软木原料的天然木素衍生物的脂肪族羟基含量可 以为例如，约2.5mmol/g或更多，约2.6mmol/g或更多，约2.7mmol/g 或更多，约2.8mmol/g或更多，约2.9mmol/g或更多，约3mmol/g 或更多。
本发明的来自软木原料的天然木素衍生物的脂肪族羟基含量可 以为例如，约7mmol/g或更少，约6.5mmol/g或更少，约6mmol/g 或更少，约5.8mmol/g或更少，约5.6mmol/g或更少，约5.5mmol/g 或更少，约5mmol/g或更少。
根据本发明的来自软木原料的天然木素衍生物可以具有例如从 约10至约40的标准化的RSI。
天然木素衍生物会随着用于从纤维素和其他生物质组分分离天 然木素的方法类型而改变。非常类似于天然木素的制品可以通过如 下方法获得：(1)溶剂提取细磨的木材(磨制木素，MWL)或(2)木材的 酸性二氧六环提取(酸解)。天然木素衍生物也可以从经如下方法预处 理的生物质分离：(3)蒸汽喷发，(4)稀酸水解，(5)氨纤维膨胀，(6) 自动水解法。天然木素衍生物可以在对木质纤维素制浆(包括工业运 行的(3)硫酸盐和(4)碱法制浆(及其改进形式)和(5)亚硫酸盐制浆)之 后回收。此外，已经开发了大量不同的制浆方法但还未在工业上引 入。其中，四种主要的“有机溶剂”制浆方法倾向于生产高度纯化 的木素混合物。第一种有机溶剂方法使用乙醇/溶剂制浆(也称为 Alcell法)；第二种有机溶剂方法使用碱性亚硫酸盐蒽醌甲醇制浆 (也称为″ASAM″法)；第三种有机溶剂方法使用甲醇制浆，然后用甲 醇、NaOH和蒽醌制浆(也称为“有机单元(Organocell)”法)；第四种 有机溶剂方法使用乙酸/盐酸或甲酸制浆(也称为“乙酸溶剂 (Acetosolv)”法)。
应当注意到：硫酸盐制浆、亚硫酸盐制浆和ASAM有机溶剂制 浆将产生包含有大量可能使其不适于某些用途的有机结合硫的天然 木素衍生物。酸解、碱法制浆、蒸汽喷发、Alcell制浆、有机单元 制浆和乙酸溶剂制浆将产生无硫的或含少量无机硫的天然木素衍生 物。
有机溶剂法，尤其是Alcell法，倾向于较少侵蚀性，且能够用 于从生物质中分离高度纯化的木素衍生物和其他有用的材料，而没 有过度的改变或破坏天然木素的构建块。因此这样的方法能够用于 最大化构成生物质的组分的价值。然而，有机溶剂提取法相对于其 他工业方法通常涉及在高温和高压下用易燃溶剂进行提取，因此一 般被认为是更复杂和更昂贵的。
Alcell法的描述可在US专利4,764,596(通过引用引入本文)找 到。该方法通常包括用主要的乙醇/水溶剂的溶液在包括如下的条件 下制浆或预处理纤维性生物质原料：(a)60％乙醇/40％水(w/w)，(b) 约180℃至约210℃的温度，(c)约20atm至约35atm的压力，和(d)5 至120分钟的处理时间。天然木素在制浆过程中被降解，且其衍生物 溶于制浆液体中，该制浆液体还容纳溶解的半纤维素、其他糖类、碳 水化合物降解产物如糠醛、5-羟甲基糠醛、乙酸、乙酰丙酸、甲酸和 源自碳水化合物的其他有机酸及提取物如亲脂性提取物、酚类和鞣 质类。有机溶剂制浆液体常被称为″黑液″。有机溶剂制浆释放的有机 酸显著地酸化黑液至pH水平约为5或更低。在与制浆过程中产生的 纤维素浆分离之后，天然木素衍生物通过如下方法从黑液中回收： 减压，然后用冷水闪蒸(flashing)(其导致分级的天然木素衍生物沉淀， 从而使其能够通过标准的固/液分离方法回收)。例如US专利 7,465,791和PCT专利申请公开WO 2007/129921的各种公开描述了 Alcell有机溶剂工艺的改进，以用于提高在生物精制过程中从纤维 生物质原料回收的分级天然木素衍生物的产率。对Alcell有机溶剂 工艺条件的改进包括调节：(a)制浆液体中的乙醇浓度至选自 35％-85％(w/w)乙醇范围内的一个值；(b)温度到选自100℃-350℃ 范围内的一个值；(c)压力至选自5atm至35atm范围内的一个值； 和(d)处理时间至20分钟至约2小时或更长的一个时间段；(e)液体 与木头的比例为3∶1至15∶1或更高；(f)如果使用碱性催化剂，煮 液(cooking liquor)的pH至1至6.5或更高的范围。
本发明提供一种生产天然木素衍生物的方法，所述方法包括：
(a)用有机溶剂/水溶液对纤维性生物质原料制浆，
(b)从制浆液体或预处理溶液中分离纤维素浆或预处理的基质，
(c)回收天然木素衍生物。
有机溶剂可以选自短链伯醇和仲醇，例如，甲醇、乙醇、丙醇 及其组合。例如，溶剂可以为乙醇。浆液溶液可以包含约20重量％ 或更多，约30重量％或更多，约50重量％或更多，约60重量％或 更多，约70重量％或更多的乙醇。
所述方法的步骤(a)可以在从约100℃和更高，或约120℃和更 高，或约140℃和更高，或约160℃和更高，或约170℃和更高， 或约180℃和更高的温度下进行。该方法可以在约300℃和更低， 或约280℃和更低，或约260℃和更低，或约240℃和更低，或约 220℃和更低，或约210℃和更低，或约205℃和更低，或约200℃ 和更低的温度下进行。
所述方法的步骤(a)可以在约5atm和更高，或约10atm和更高， 或约15atm和更高，或约20atm和更高，或约25atm和更高，或约 30atm和更高的压力下进行。该方法可以在约150atm和更低，或约 125atm和更低，或约115atm和更低，或约100atm和更低，或约90atm 和更低，或约80atm和更低的压力下进行。
纤维性生物质可以用步骤(a)的溶剂溶液处理约1分钟或更长时 间，约5分钟或更长时间，约10分钟或更长时间，约15分钟或更 长时间，约30分钟或更长时间。纤维性的生物质可以用步骤(a)的溶 液在其操作温度下处理约360分钟或更短时间，约300分钟或更短 时间，约240分钟或更短时间，约180分钟或更短时间，约120分 钟或更短时间。
浆液的pH可以为，例如，从约1至约6，或从约1.5至约5.5。
浆液与生物质的重量比可以是任何合适的比率。例如，从约5∶ 1至约15∶1，从约5.5∶1至约10∶1，从约6∶1至约8∶1。
本发明提供一种用于生产具有约2.5mmol/g至约7mmol/g的脂肪 族羟基含量的软木木素衍生物的方法，所述方法包括：
a)在容器中用有机溶剂/水溶剂的溶液制浆或预处理纤维性生 物质原料以形成浆液，其中：
i.该溶液包含约30重量％或更高的有机溶剂，和
ii.所述浆液的pH为约1至约5.5；
b)加热所述浆液至约100℃或更高的温度；
c)提高容器内的压力至约5atm或更高；
d)将提高的温度和压力维持1分钟或更长时间；
e)从浆液分离纤维素浆；
f)回收天然木素衍生物。
本发明的天然木素衍生物能够被混入聚合物组合物中。本文的 组合物可以包含本发明的木素衍生物和聚合物形成组分。本文所用 的术语″聚合物形成组分″是指能够被聚合成聚合物的组分和早已经 形成的聚合物。例如，在某些实施方式中，聚合物形成组分可以包 括能够被聚合的单体单元。在某些实施方式中，聚合物组分可以包 括能够被聚合的低聚体单元。在某些实施方式中，聚合物组分可以 包括已经基本聚合的聚合物。
在本文中使用的聚合物形成组分可以导致热塑性和热固性聚合 物，例如环氧树脂、脲醛树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等等。例如， 聚烯烃如聚乙烯或聚丙烯。
典型地，木素衍生物占到组合物的约0.1重量％或更多，约0.5 重量％或更多，约1重量％或更多。典型地，木素衍生物占到组合物 的约80重量％或更少，约60重量％或更少，约40重量％或更少， 约20重量％或更少，约10重量％或更少。
所述组合物包含木素衍生物和聚合物形成组分，但可以包含多 种其它的任选成分，例如粘附促进剂、生物杀灭剂(抗菌剂、杀真菌 剂和杀霉菌剂(moldicide))、防雾剂、抗静电剂、粘结剂、发泡剂和 起泡剂、分散剂、填充剂和扩充剂、阻火剂和阻燃剂及防烟剂；冲 击改性剂；引发剂；润滑剂；云母；颜料、着色剂和染料；增塑剂； 加工助剂；脱模剂；硅烷、钛酸盐和锆酸盐；滑爽剂和防结块剂； 稳定剂；硬脂酸盐；紫外光吸收剂；发泡剂；消泡剂；硬化剂；加 味剂；除臭剂；防垢剂；粘度调节剂；蜡及其组合。
本发明提供本发明的木素衍生物作为抗氧化剂的用途。例如， 该用途可以是作为抗氧化添加剂用于热塑性聚合物，例如，聚乙烯、 聚丙烯、聚酰胺、苯乙烯-丁二烯、天然橡胶及其组合。
本发明提供制备脂肪族羟基含量为约2.5mmol/g至约7mmol/g 的软木天然木素衍生物的方法。
本发明提供制备具有5或更大，10或更大，12或更大，15或更 大的标准化RSI的软木天然木素衍生物的方法。
本发明提供制备具有40或更小，38或更小，35或更小的标准 化RSI的软木天然木素衍生物的方法。
本发明提供包含烷氧基的木素衍生物。例如，本发明的木素衍 生物可以具有2mmol/g或更少，约1.4mmol/g或更少，约1.2mmol/g 或更少，约1mmol/g或更少，约0.8mmol/g或更少，约0.7mmol/g 或更少，约0.6mmol/g或更少，约0.5mmol/g或更少，约0.4mmol/g 或更少，约0.3mmol/g或更少的烷氧基含量。本发明的木素衍生物可 以具有0.001mmol/g或更多，约0.01mmol/g或更多，约0.05mmol/g 或更多，约0.1mmol/g或更多的烷氧基含量。
本发明提供包含乙氧基的木素衍生物。例如，本发明的木素衍 生物可以具有2mmol/g或更少，约1.4mmol/g或更少，约1.2mmol/g 或更少，约1mmol/g或更少，约0.8mmol/g或更少，约0.7mmol/g 或更少，约0.6mmol/g或更少，约0.5mmol/g或更少，约0.4mmol/g 或更少，约0.3mmol/g或更少的乙氧基含量。本发明的木素衍生物可 以具有0.001mmol/g或更多，约0.01mmol/g或更多，约0.05mmol/g 或更多，约0.1mmol/g或更多的乙氧基含量。
本发明的木素衍生物可以具有任何合适的酚羟基含量，例如， 从约2mmol/g至约8mmol/g。例如，酚羟基含量可以是从约2.5mmol/g 至约7mmol/g；约3mmol/g至约6mmol/g。
本发明的木素衍生物可以具有任何合适的数均分子量(Mn)。例 如，Mn可以是从约200g/mol至约300g/mol；约350g/mol至约 2000g/mol；约500g/mol至约1500g/mol。
本发明的木素衍生物可以具有任何合适的重均分子量(Mw)。例 如，Mw可以是从约500g/mol至约5000g/mol；约750g/mol至约 4000g/mol；约900g/mol至约3500g/mol。
本发明的木素衍生物可以具有任何合适的多分散性(D)。例如， D可以是从约1至约5；从约1.2至约4；从约1.3至约3.5；从约1.4 至约3。
本发明的木素衍生物优选为疏水性的。疏水性可以用接触角测 量法来评价。
已经提出木素或木素衍生物可以用于营养补充剂中(例如 Baurhoo等，Purified Lignin：Nutritional and Health Impacts on Farm Animals-A Review，Animal Feed Science and Technology 144(2008) 175-184)。本发明的天然木素衍生物可以用于营养增补剂、保健食品、 功能食品等。稳定的和一致的抗氧化剂活性在配制这样的组合物时是 可能有利的。
本发明的天然木素衍生物可以用于其他用途，例如，层压板、 染剂、颜料、墨水、粘合剂、涂料、橡胶、弹性体、塑料、薄膜、 涂剂、碳纤维复合物、镶板、印刷电路板、润滑剂、表面活性剂、 油剂、动物饲料、食品和饮料等等。
实施例
实施例1：从硬木原料回收木素衍生物
软木原料碎片由：(1)生长在不列颠哥伦比亚省的杂交云杉树， (2)生长在智利的辐射松；(3)生长在美国东南部的火炬松制备。杂交 云杉木屑的四个样品单独地使用酸催化的乙醇有机溶剂制浆工艺进 行制浆，其中，对于各个样本使用不同的一组制浆条件(表1)。辐射 松碎片的四个样品的制浆工艺条件如表2中所示。火炬松碎片的四 个样品的制浆工艺条件如表3中所示。
表1：杂交云杉木屑样品的制浆条件，以6∶1的浆液-木材比例。
表2：辐射松木屑样品的制浆条件，以6∶1的浆液-木材比。
表3：火炬松木屑样品的制浆条件，以6∶1的浆液-木材比。
对于各个木屑样品，首先将乙醇制浆溶剂配制成指定的浓度， 随后用水部分稀释乙醇，然后加入适量的硫酸以获得目标最终酸度。 最后，用水进一步稀释乙醇溶液以获得目标乙醇浓度。
各纤维生物质子样品的原始木素含量使用在国家可再生能源实 验室(National Renewable Energy Laboratory)(NREL)标题为“生物质碳 水化合物和木素结构的确定(Determination of Structural Carbohydrates and Lignin in Biomass)”的技术报告-实验室分析程序(TP-510-42618 (25 April 2008))中描述的方法测定。然后，在将纤维生物质样品加入 到压力容器(2L或7L Parr反应器(Parr Instrument Company，Moline， IL，USA))(100-700g odw碎片)之后，pH值调整的基于乙醇的制浆溶 剂按6∶1的浆液∶木材比加入该容器中并记录pH。然后对容器增 压，并使目标温度升至如表1-3中所示(分别为云杉、辐射松、火炬 松)。然后将生物质样品“蒸煮”规定的一段时间，之后制浆过程停 止。制浆之后，压力容器中的内容物转移至一个20吨的手动液压机 (Airco，China)中。通过先压榨压机中的已制浆材料挤出浆液而使浆液 与固体分离。挤出的浆液然后通过一个粗丝筛过滤以将挤出的碎片 残渣与浆液流分离。接着，通过细滤纸(Whatman N°1)过滤将细颗粒 从液体流中分离出来。回收的细颗粒代表提取的和在制浆的生物质 冷却过程中自沉淀出来的木素衍生物。该颗粒状木素在本文中被称 为自沉淀木素衍生物(即″SPL″)。仍然保留在过滤的浆液中的溶解木 素衍生物通过用冷水稀释而沉淀出来。通过用冷水稀释沉淀出来的 木素衍生物被称为沉淀木素或″PL″。在测定SPL和PL木素衍生物的 干重之后，根据总的木素(克拉松木素(酸不溶的木素)和酸可溶的木 素的总和)值来确定各木素衍生物的相对产率(其对于制浆前的原始 生物质样本确定)。各样品的PL木素衍生物产率如表1-3所示，以相 对其原始木素(克拉松木素加酸可溶木素值)的重量％计。
实施例2：从三种软木物种回收的木素衍生物的脂肪族羟基含量 的表征
如上描述的从硬木生物质样品中回收的功能化木素衍生物进行 分析来确定伯羟基mmol/g样品的含量(OH-pr mmol/g)和仲羟基 mmol/g样品的含量(OH-sec mmol/g)。然后，用这些值来计算mmol 脂肪族羟基/g样本(OH-al mmol/g)。
羟基含量用定量13C NMR谱在配备有300K的Cryprobe的 Bruker 600MHz谱仪上，使用约30％样品溶液在DMSO-d6中测定。 化学位移参照TMS(0.0ppm)。为确保更精确的基线，尤其在羰基区 (215-185ppm)，记录在区间240-(-40)ppm的谱。以下条件用于定量 13C NMR：
1.反向门检测
2.90°脉冲
3.通过添加乙酰丙酮酸铬(III)(0.01M)实现所有核的完全弛豫 并采用1.2s的采集时间和1.7s的弛豫延迟采集参数。
该NMR谱进行傅立叶转换，定相，使用TMS信号作为基准(0ppm) 进行校准，并使用多项式函数对基线进行校正。使用如下调整至零 的区间参考值进行基线的校正： (220-215ppm)-(185-182ppm)-(97-92ppm)-(5-(-20)ppm)。没有其它区域 被强制至0。在定量13C NMR谱中的信号基于2D HSQC谱和已知数 据库赋值，然后使用内标(IS)(三噁烷)的面积作为参考来对该谱进行 积分。各谱至少处理(如上描述)两次以确保良好的定量重现性。在乙 酰化木素谱中，某些羰基和酯基在羟基的共振区(171.5-166.5ppm)中 发生共振。在区间(171.5-166.5ppm)内共振的羰基和酯基的量从非乙 酰化木素谱来确定。然后，通过从相应的羟基共振扣除羰基和酯基 的量来获得羟基的校正含量(表4)。对特定部分的量的计算按如下进 行：
对于非乙酰化木素：X(mmol/g木素)＝Ix*mIS/(30mLig*IIS)*1000
对于乙酰化木素：X(mmol/g木素)＝Ix*mIS/(30mLig*IIS-42*IOH总*mIS)*1000
其中，X是特定部分的量；IX、IIS和IOH总相应地为特定部分(表 4)、内标物和总羟基的共振值；mLig和mIS为木素和内标的质量。
记录的NMR谱数据被处理并在图1和图2中图示表示。图1表 示非乙酰化的软木木素衍生物的定量13C NMR谱。图2表示乙酰化 的软木木素衍生物的定量13C NMR谱。
表4：
来自云杉木屑的五个样品中各样品的PL木素衍生物的脂肪族 羟基含量如表5所示。该含量在样品1的2.60mmol/g至样品5的 3.04mmol/g的范围内变化。
表5：从杂交云杉木屑回收的PL木素的脂肪族羟基含量和标准化的自由 基清除指数
来自辐射松木屑四个样品中各样品的PL木素衍生物的脂肪族 羟基含量如表6所示。该含量在样品1的0.76mmol/g至样品4的 2.31mmol/g的范围内变化。
表6：从辐射松木屑中回收的PL木素的脂肪族羟基含量和标准化的自由 基清除指数
来自火炬松碎片四个样品中各样品的PL木素衍生物的脂肪族羟 基含量如表7所示。该含量在样品1的2.65mmol/g至样品4的 3.81mmol/g的范围内变化。
表7：从火炬松木材碎片中回收的PL木素的脂肪族羟基含量和基团清除 指数
实施例3：从三种软木物种回收的木素衍生物的NRSI的表征
评估如上制备的木素衍生物的自由基清除指数(RSI)。通过测定 其自由基清除能力来确定各PL木素衍生物的潜在的抗氧化剂活性。 该试验采用2，2-二苯基-1-苦基肼(DPPH)(一种在515nm处具有强烈 光吸收的稳定自由基)来测量化合物的自由基清除指数(RSI)。在其自 由基形式中，DPPH·在515nm处强烈吸收光且具有深紫颜色。随着 DPPH将其自由电子递交给自由基清除剂，其失去了紫色且其吸收平 移到520nm处。在受试化合物加入到DPPH溶液之后，DPPH吸收 在515nm处下降得越大，则化合物的RSI，其抗氧化活性就越高。 在本研究中，Vit.E和BHT用作阳性对照。通过将木素衍生物子样 品(1.0-2.0mg)、Vit.E对照样品(1.0-2.0mg)和BHT对照样本 (6.0-8.0mg)置于离心管(epitube)中，然后各用1.0mL的90％(v/v)的二 氧六环稀释水溶液，再涡旋，将其转移至新的离心管中，以及进一 步用90％的二氧六环水溶液以50/50稀释，以产生对于样品和维生素 E为0.5-1.0mg/mL和对于BHT为3.0-4.0mg/ml的原液浓度。通过溶 解3.78mg DPPH于100ml的90％二氧六环中(95.9μM)来制备指示的 (紫色)DPPH稳定自由基溶液。样品和标准品被连续稀释以填充石英 96-孔板的列中(8个稀释度)。通过将样品原液等份试样置于96-孔板 的两行的孔中来进行试验。第一行用作参考行而第二行接受DPPH 等份。各孔中加入165μL的90％的二氧六环并混合。各行中等份的 混合样品转移至相邻行中，其进一步在各孔中用165μL的90％的二 氧六环稀释。重复混合、转移和稀释直到最后一行的孔被配置。从 最后一行中移除同样体积的等份试样。该96-孔板还包含仅接受90％ 二氧六环的一行孔。在制备过程的最后一步，165μL的DPPH溶液 通过使用8-通道自动移液器和Eppendorr试剂储存器尽可能快地加 入至所有的对照和分析列中。一旦所有的试剂被加入，将板置于读 板分光光度计(Molecular Devices，Sunnyvale，CA，USA，Spectra Max Plus)中，并进行吸光度测量。用于分光光度计的程序(SOFTmax软件) 包括16分钟的定时序列和在515nm处对整个板的读数。RSI定义为 在515nm处对DPPH吸收产生50％抑制的浓度的倒数。然后通过将 样品RSI除以BHT对照的RSI值来对结果进行“标准化”(NRSI)。
从杂交云杉木屑回收的木素衍生物的NRSI值如表5中所示。从 辐射松木屑回收的木素衍生物的NRSI值如表6中所示。从火炬松木 屑回收的木素衍生物的NRSI值如表7中所示。