《International Journal of Biological Macromolecules》：Lignin microparticles from coconut fiber: Chemically alkaline extraction, antibacterial, antioxidant, and UV barrier properties
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椰纤维经碱水解首次成功制备木质素微颗粒（MPLs-CF），其结构疏松多孔且氧官能团含量高于商业样品（MPLs-C），热稳定性略低（初始降解温度249℃），但均具高碳残留（>25%）。MPLs-CF在0-20%浓度范围内展现出浓度依赖的抗氧化活性（15-20%达峰值）和广谱抗菌效果（对S.aureus和S.typhimurium抑制率最高），同时有效阻隔UV-C/-B辐射（>90%）且不影响可见光透度。
I. Wayan Arnata | Anak Agung Made Dewi Anggreni | Luh Putu Wrasiati | Bambang Admadi Harsojuwono | Ni Luh Yulianti | Gede Arda | I. Wayan Rai Widarta | Sayi Hatiningsih | Dewi Sartika | Nanang Masruchin | Afrinal Firmanda
印度尼西亚巴厘岛巴东乌达亚纳大学农业技术学院农业工业技术系，邮编80361
摘要
椰子纤维是一种富含木质纤维素的废弃物，其木质素含量较高，但将其转化为功能性材料的技术仍然有限。本研究首次报道了通过碱性水解从椰子纤维中分离出木质素微粒（MPLs-CF），并全面评估了其与商业木质素微粒（MPLs-C）在结构、热性能和多功能生物活性方面的差异。形态分析显示，MPLs-CF具有多孔结构，颗粒大小分布相对均匀。光谱和元素分析证实MPLs-CF中含有更多含氧官能团，这可能增强了其化学反应性。X射线衍射结果表明，这些木质素微粒主要呈非晶或半非晶结构。热重分析表明，MPLs-CF的初始降解温度（249°C）略低于MPLs-C（268°C），且两种材料均产生了较高的碳残留物（约25%），这表明它们适合作为可持续的碳前体。在0–20%（w/w）的浓度范围内系统研究了MPLs-CF的体外多功能性能。总酚含量和抗氧化活性随浓度增加而提高，在15–20%（w/w）时达到最大值。抗菌实验显示，随着浓度的增加，抗菌活性增强，对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）的抑制效果最显著，其次是大肠杆菌（Escherichia coli）和蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）。此外，MPLs-CF分散液具有优异的紫外线屏蔽性能，能有效阻挡UV-C和UV-B辐射，同时对可见光透明度影响较小。总体而言，在实验条件下，MPLs-CF展现出良好的结构、热性能、抗氧化性、抗菌性和紫外线屏蔽性能。这些发现表明，MPLs-CF可以作为一种环保的生物质基多功能材料进行进一步研究。
引言
椰子树在92多个国家种植，覆盖面积超过1100万公顷，全球年产量约为6250万吨。主要的椰子生产国包括印度尼西亚、菲律宾、印度、巴西、斯里兰卡和越南[1]。印度尼西亚的年产量约为290万吨。将椰子加工成油制品会产生大量的木质纤维素副产品，包括椰壳和椰纤维。椰子纤维约占椰子总重量的35%。全球每年生产的椰纤维量约为2400–3100万吨[1]。据报道，椰子纤维含有40–45%的纤维素、25–40%的木质素和0.15–21%的半纤维素[2]。Lebedeva等人[3]的研究指出，椰子纤维中木质素含量为35–54%（重量百分比），纤维素为23–43%，半纤维素为0.3–11.5%（重量百分比）。这表明椰子纤维是一种富含木质素的农业副产品，其利用有助于提高生物质利用率并减少废弃物。此外，木质素还具有抗氧化、抗菌和吸收紫外线的特性，使其成为多功能材料的有希望的候选材料。尽管椰子纤维的木质素含量高且产量大，但其作为高附加值木质素基材料的原料仍未能得到充分开发。特别是从椰子纤维中提取的木质素微粒（MPLs-CF）的结构特性和体外多功能性能尚未得到充分研究。
木质素的提取通常采用 soda、kraft、有机溶剂和亚硫酸盐工艺。然而，为了分离半纤维素和纤维素，需要进行一些预处理[4]。为此目的已应用了多种方法，包括碱性处理[5]、酸催化蒸汽爆炸[6]、臭氧处理[7]、超声波辅助碱性处理[9]、离子液体处理[1]和碱性硝基苯氧化[3]。此外，还使用了有机酸（如乙酸、草酸、马来酸和甲酸）以及各种浓或稀矿物酸（如硫酸、硝酸、盐酸和氢氟酸）进行木质纤维素预处理[10]。然而，这些酸可能具有毒性和腐蚀性；稀酸通常需要高温处理，而有机酸价格昂贵[11]。其中，碱性处理是最可行的方法，因为它具有强烈的预处理效果且实施相对容易，可以在较低的温度和压力下进行。通常使用氢氧化钠（NaOH）进行碱性处理，因为它能有效提高水解产率，成本较低，并能将木质素和半纤维素降解为可溶性溶液[12]。然而，碱性处理会影响木质素颗粒的物理、化学和热稳定性。不同原料制成的木质素颗粒性质各异，尤其是从椰子纤维中提取的木质素与商业木质素相比，其性质尚未得到充分表征，部分原因是木质素结构复杂，受植物来源和加工历史的影响较大。
木质素微粒（MPLs）已被用作粘合剂、杀菌剂、纸张添加剂、混凝土添加剂、分散剂、润滑剂和涂料[13]。它们还被用作抗氧化剂[14]、手部护理产品、生物燃料[15]、聚合物混合物以及化学品[16]。此外，木质素还应用于化妆品、伤口敷料生物打印[17]和生物复合材料[18]。值得注意的是，木质素具有抗菌性能[19]。先前的研究表明，不同形式的木质素具有抗菌效果。例如，10%的碱性木质素可抑制大肠杆菌（Escherichia coli）和溶血性葡萄球菌（Staphylococcus hemolyticus）的生长，抑制圈直径分别为9.8毫米和10.5毫米[20]；0.1%的有机溶剂木质素可抑制金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli），抑制圈直径分别为10.2毫米和11.0毫米[21]；0.3%的碱性木质素可抑制假单胞菌属（Pseudomonas）的生长，抑制圈直径为41.0毫米[22]。在复合膜中，3%的木质素对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）的抑制率分别达到99%和96%，而1%的木质素抑制率分别为66%和54%。然而，超过7%的浓度可能会因聚集或基质效应而降低抗菌活性[23]。木质素还具有良好的抗氧化性能，其抗氧化能力随浓度增加而增强。在0.56 mg/mL（0.056% w/v）的浓度下，木质素的2,2-二苯基-1-吡啶基肼（DPPH）自由基清除能力可达98%。当以1%至7%（w/w）的浓度掺入薄膜中时，木质素的抗氧化活性可达69%[24]。此外，即使在低浓度下，木质素也表现出优异的紫外线屏蔽性能。在薄膜中，0.9%至3%（w/w）的木质素几乎可以完全阻挡UV-B和UV-C辐射，同时保持可见光透明度。尽管在某些应用中会使用高达30%的浓度，但3%至5%的浓度通常足以提供全面的紫外线防护[23, 24]。
应用不同浓度的木质素可发现其具有不同的抗菌、抗氧化和紫外线屏蔽性能。然而，据我们所知，尚无研究同时表征从椰子纤维中提取的木质素微粒的结构特征和体外多功能活性（抗氧化、抗菌和紫外线屏蔽性能），并将其与商业木质素微粒进行直接比较。因此，本研究旨在：(i) 通过碱性处理从椰子纤维中提取木质素微粒；(ii) 将其结构和理化性质与商业木质素微粒进行比较；(iii) 评估不同浓度下的体外抗氧化、抗菌和紫外线屏蔽性能。更深入地了解这些性质有助于未来开发基于生物质的多功能材料。
材料
干燥的椰子纤维来自巴厘岛库塔地区的Jimbaran村。大肠杆菌（Escherichia coli）ATCC 25922、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）ATCC 6538、鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）ATCC 14028和蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）ATCC 10876的起始菌株由IPB大学微生物学和免疫学实验室提供。这些菌株被选为具有代表性的革兰氏阳性和革兰氏阴性食源性病原体。
化学组成
椰子纤维含有42.37±1.93%的木质素、35.61±5.01%的纤维素、16.27±3.02%的半纤维素、2.16±0.70%的灰分和3.58±1.31%的提取物。碱性提取后，椰子纤维中的木质素含量为14.62%，回收的MPL组分中木质素含量约为67.08%。其他研究报道，椰子纤维含有40–45%的纤维素、25–40%的木质素和0.15–21%的半纤维素[2]。Lebedeva等人[3]的研究指出，椰子纤维中木质素含量为35–54%（重量百分比），纤维素...
结论
通过碱性处理成功分离出了MPLs-CF，在测试条件下表现出独特的结构和生物功能特性。扫描电子显微镜（SEM）分析证实其具有多孔结构，颗粒大小分布较宽但可控，而非完全均匀。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和能谱仪（EDX）显示，MPLs-CF含有更多的含氧官能团（–OH和C=
O），这可能使其具有更高的化学反应性。
CRediT作者贡献声明
I. Wayan Arnata：方法论、研究设计、资金获取、数据分析、概念构思、初稿撰写。
Luh Putu Wrasiati：概念构思。
Bambang Admadi Harsojuwono：监督、审稿与编辑。
Dewi Sartika：概念构思、审稿与编辑。
Nanang Masruchin：监督、概念构思、审稿与编辑。
Afrinal Firmanda：数据分析、概念构思、审稿与编辑。
Sayi Hatiningsih：撰写。
利益冲突声明
作者声明与本文的发表不存在利益冲突。
致谢
作者感谢印度尼西亚共和国研究、技术和高等教育部（Kementerian Riset, Teknologi, dan Pendidikan Tinggi）在常规基础研究项目（合同编号：121/C3/DT.05.00/PL/2025，日期：2025年5月28日）以及乌达亚纳大学PNBP基金2025项目（项目编号：B/229.326/UN14.4.A/PT.01.03/2025）的支持。
