木质素在动物生产中应用价值揭秘

 　　一、木质素简介

　　木质素是构成植物细胞壁的成分之一，木质素填充于纤维素构架中增强植物体的机械强度，利于输导组织的水分运输和抵抗不良外界环境的侵袭。是植物界中储量仅次于纤维素的第二大生物质资源(占木质纤维生物量的15-35%)。木质素是由苯丙烷单元通过碳-碳键和醚键连接而成的一种复杂的酚类聚合物，含有丰富的芳环结构、脂肪族和芳香族羟基以及醌基等活性基团。苯丙烷是木质素基本的结构单元，其源自3种芳香醇前体，分别是β-香豆醇、松柏醇和芥子醇，分别对应3类木质素，即对羟苯基木质素(para-hydroxy-phenyl lignin，H-木质素)、紫丁香基木质素(syringyl lignin，S-木质素)和愈创木基木质素(guaiacyl lignin，G-木质素)。不同植物木质素的组成差异很大，其中裸子植物主要为愈创木基木质素(G)，双子叶植物主要含愈创木基-紫丁香基木质素(G-S)，单子叶植物则为愈创木基-紫丁香基-对-羟基苯基木质素(G-S-H)。

　　二、木质素是惰性的吗?

　　木质素由于其聚合物性质和嵌入细胞壁，通常被认为在消化道中是惰性的，不能被动物消化，也难以被肠道微生物发酵。然而，有研究表明，木质素可以被肠道菌群代谢，形成对动物体健康至关重要的哺乳动物木脂素。

　　哺乳动物木脂素中最重要的两种是肠内酯(enterolactone ，ENL) 和肠二醇 (enterodiol)，这两种木脂素在动物内具有调节免疫应答和炎症反应的重要作用(Corsini等， 2010)。虽然动物体内的肠内酯和肠二醇也可以由食物中摄取的木脂素转化而来，但研究发现，绝大部分的肠内酯和肠二醇并非来自食物中木脂素(Juntunen等，2000)。Begum(2004)研究表明，木质素是哺乳动物木脂素的重要来源。木质素在结构上与木脂素相关性很高。在木质素中的松脂醇和落叶松烯醇结构(下图中圈起来的部分)最有可能由肠道菌群代谢为肠内酯(ENL)。

　　木质素存在于所有高等植物组织中。因此，它们存在于各种各样的食物中，但它们的聚合性质和在植物中的分布不同，被肠道菌群分解代谢的难易程度也有差异。一些木质素可代谢性较高，例如Begum(2004)使用结构中富含松脂醇和落叶松烯醇结构的木质素饲喂小鼠后，在尿液中检测到了较高含量的肠内酯和肠二醇。而谷物木质素结构中松脂醇和落叶松烯醇则含量较少。此外，谷物木质素富含对羟基苯基丙烷 (H) 单元且结构稳定，较不容易被分解代谢。

　　另外这一项肉鸡的试验中发现，饲喂纯的木质素，可以增加盲肠双歧杆菌和乳酸杆菌的数量，降低粪便中大肠杆菌的数量(Baurhoo等，2007)显示了类似益生元(MOS)的作用。可见木质素并非惰性的，而是可以被肠道微生物所代谢利用，产生有益的代谢产物，并促进肠道有益菌的增殖。

　　三、木质素在动物生产中应用潜力

　　长期以来木质素被认为在动物消化道中是惰性的，因此在动物生产中通常被认为是无用的东西，最多作为日粮不溶纤维的组分起到物理作用(如促进胃肠蠕动)。但越来越多的研究表明，木质素具有多种生物学活性，如抗肿瘤、抗菌、抗病毒、抗氧化和抗炎活性，鉴于木质素的这些生物学活性，木质素在动物生产中应该具有重要的应用价值。

　　1.抗肿瘤活性

　　Lu等人报道(1998)木质素可以在预防结肠癌方面发挥作用。鬼臼毒素是一种木脂素，被认为是最活跃的细胞毒性天然产物，用作合成抗癌药物足叶乙甙和替尼泊苷的起始化合物。一项关于脱氧鬼臼毒素在异种移植模型中研究证实了其对胃癌细胞抑制作用(Wang等，2015)。Wang等(2015)细胞毒性试验表明，从桦褐孔菌提取物中的木质素化合物可诱导癌细胞凋亡并抑制核转录因子NF-κB在癌细胞中的激活。

　　2.抗病毒活性

　　Matsuhisa等(2015)发现木质素的碱性水解物强烈抑制丙型肝炎病毒进入培养细胞。最近，Srisapoome等(2018)评估了牛皮纸木质素对黑虎虾黄头病毒免疫应答和抗病毒功能的调节作用。他们得出结论，1-20 mg/L的最终浓度的硫酸盐木质素作为饲料，可以增强巨噬细胞的吞噬活性，控制和降低该病毒感染的风险。Raghuraman等人(2007)描述了木质素通过与病毒包膜成分结合抑制HIV和HSV的机制，导致侵入宿主细胞的能力降低。与HSV和HIV相似，YHV也是一种包膜病毒，可能含有某些作为木质素结合靶点的包膜成分，使病毒颗粒难以感染虾细胞。Lee等人(2011)证明，茴香青椒(芹菜科)的木质素-碳水化合物-蛋白质复合物通过诱导一氧化氮(NO)的产生和IL-1β的mRNA表达，对HSV 1和2具有抗病毒活性。此外，从小花松球果中提取的高分子量木质素相关部分通过阻止病毒RNA合成抑制流感病毒的增殖(Nagata等，1990)。Nakashima等人(1992)证明了木质素组分的抗HIV活性，与可水解(单、双、三、四聚)和缩合单宁相比，木质素组分的抗HIV活性更高。Suzuki等人(1989a，1989b)报道，浓度为50μg/mL的木质素在体外有效抑制人类免疫缺陷病毒(HIV)的逆转录酶。

　　3.维持血糖作用(抗糖尿病)

　　木质素酚可通过抑制烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(磷酸)氧化酶减轻血管氧化应激和/或炎症。这可能导致糖尿病血管损害的改善(Mukai等，2011)。一项研究结果表明，木质素磺酸与葡萄糖一起服用，从而延迟葡萄糖的摄取，从而有可能治疗糖尿病(Hasegawa 等，2015)，由于木质素磺酸是α-葡萄糖苷酶的非竞争性抑制剂，因此木质素磺酸可以抑制α-葡萄糖苷酶活性，延缓肠道葡萄糖吸收，有利于维持餐后血糖的稳定。Chen等人(2015)比较了木质素和阿卡波糖对α-葡萄糖苷酶的抑制能力，发现木质素对该酶有极强的抑制作用。结果表明，木质素通过疏水作用通过氢键与α-葡萄糖苷酶连接，形成1:1的复合物，诱导酶的构象发生转变。木质素的这种作用，在限制饲喂的妊娠母猪使用，对于维持血糖稳定，提高胰岛素敏感性，减少饥饿应激，促进胎儿均衡发育等方面具有重要作用。

　　4.抗菌作用

　　多年来，木质素的抗菌性能得到了相当深入的研究(Nada等，2004;Zemek等，1979)。据报道，木质素的酚类成分可抑制大肠杆菌、酿酒酵母、地衣芽孢杆菌和黑曲霉等微生物的生长(Zemek等人，1979年)。然而，最低抑菌浓度表明不同酚片段的抗菌活性存在差异。据报道，在小鼠体内，松木木质素具有抗病原体大肠杆菌和假单胞菌的抗菌特性(Oh Hara等人，1990年)。根据Marulasiddeshwara等人的研究(2017)，木质素包覆的银纳米颗粒显示出对人类病原体金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和黑曲霉的抗菌和抗真菌活性，以及抗氧化活性。研究表明以桦木木质素为原料制备的纤维素-木质素微珠，对金黄色葡萄球菌具有巨大的抗菌潜力(Gabov等，2017)。Kim等(2013)在壳聚糖纳米颗粒中加入木质素磺酸盐后，发现溶菌酶降解的稳定性、抗菌活性以及与人体细胞的生物相容性得到了提高。其他研究证实(Yang等，2018)，与革兰氏阳性(金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌)菌株相比，聚乙烯醇/壳聚糖水凝胶中的木质素纳米颗粒对革兰氏阴性细菌(大肠杆菌)更有效。Nelson等人(1994年)报告，木质素减少了烧伤鼠致病菌的肠道移位，并抑制了大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和假单胞菌。鉴于木质素展现出的良好的抗菌性能，其有望在替代抗菌素方面发挥重要的作用。

　　木质素其抗细菌活性归因于其酚片段，该酚片段在侧链的Cα=Cβ位置具有双键，在γ位置具有甲基(Zemek等，1979;Ndaba等，2020;Kai等，2016)。一般认为，木质素的抗菌活性是通过酚类化合物与细菌接触导致细胞膜受损和细菌分解而实现的(Espinoza-Acosta 等，2016;Shweta等，2016;Sriroth等，2018)。此外，木质素的抗菌性能可能作为一种阻止细菌粘附的方式发挥作用。据Larraneta等人(2018)报道，由脱碱木质素合成的用于生物医学应用木质素水凝胶，与典型的医用材料聚氯乙烯(PVC)相比，其抗金黄色葡萄球菌和奇异芽胞杆菌的细菌粘附能力高达五倍。

　　木质素的抗菌性能取决于木质素类型和微生物种类(Lee等，2017)。Dong等人(2011)对从玉米秸秆残渣中提取的木质素进行了抗菌活性的研究，结果表明，其对革兰氏阳性细菌和酵母具有特异性，但对革兰氏阴性细菌或噬菌体MS2没有特异性。同样，Nada等人(2004)报告，从制浆液中沉淀的木质素对革兰氏阳性细菌(如枯草杆菌和分枝杆菌)具有特异性效力，但对革兰氏阴性细菌(如大肠杆菌)没有特异性效力。由于木质素的异质性，其抗菌性能也会受到提取条件和植物来源的影响(Ndaba等，2020;Dong等，2011;Wang等，2019)。Alzagameem等人(2019)发现，不同种类的木质素在抗菌活性上呈现出这样一种趋势：针叶木的有机溶剂>针叶木的硫酸盐>草的有机溶剂。由于碳水化合物含量和脂肪族OH基团的存在，硫酸盐木质素通常对革兰氏阳性菌的抗菌活性降低。另一方面，有机溶剂木质素通常具有较高的甲氧基含量，这可能作为抗自由基替代源。通过乙酰化、环氧化和羟甲基化反应进行化学改性的甘蔗渣木质素的应用研究证明(Kaur等，2017)，与乙酰化和环氧木质素相比，未改性木质素和羟甲基木质素具有更高的抗氧化活性，而在未改性和改性木质素中，环氧木质素对芽孢杆菌和克雷伯菌的抑制效果最好。作者得出结论，酚羟基和甲氧基在抗氧化活性中具有重要作用，而发现甲氧基和环氧基则对其抗菌活性负责。

　　5.抗氧化作用

　　许多科学家长期以来一直在研究木质素令人感兴趣的自由基清除(抗氧化)活性(Dizhbite等，2004，Lu等，1998)。Faustino等人(2010)和Azadfar等人(2015)报告了木质素具有惊人的高抗氧化活性。Azadfar等人的发现表明，木质素的抗氧化活性与商业使用的抗氧化剂、愈创木酚和丁基羟基甲苯相当。因此，木质素这样具有高度生物相容性的天然抗氧化剂有望取代目前使用的有害合成抗氧化剂(如BHT、BHA)。

　　木质素的抗氧化性能通常归因于木质素中存在大量酚基和含氧官能团(Ogan等，2020;Alzagameem等，2019;Kaur等，2017;Guilhen等，2017)。木质素中的这些官能团能够通过与系统中存在的自由基有效反应来终止氧化链式反应(Majira, 等，2019)。木质素中的酚羟基(ArO–H)允许它通过氢转移和单电子转移反应清除自由基(R•)，木质素清除自由基的方式为：ArO–H+R•→ ArO•+R–H(Alzagameem 等，2019)。木质素的抗氧化能力取决于酚羟基的可用性，其抗氧化力根据可用酚官能团的数量而变化。此外，一些研究报告称，木质素的抗氧化活性取决于其来源、提取方法和后处理反应(Alzagameem 等，2019;Kaur等，2017;Wang等，2018)。例如，Kaur等人发现，甘蔗渣中未改性的木质素比通过乙酰化和环氧化进行化学改性的木质素具有更高的抗氧化活性。此外，在Wang等人(2018)的一项研究中，通过对乙醇生产副产物酶解后连续分馏获得了的三种木质素组分(EHL)进行分析，发现分子量较低的木质素组分具有较高的抗氧化活性。这是由于分子量较小的木质素馏分中存在更多的酚基。由于木质素的清除自由基的活性与其多酚结构有关，Wang等人在其研究中提出，抗氧化活性随着木质素组分分子量的减少而增加。

　　6.抗炎作用

　　Matsuhisa等(2015)报道了木质素磺酸在治疗炎症性肠病中具有积极作用。木质素可以增强紧密连接的屏障功能，减轻炎性细胞因子TNF-α和IFN-γ诱导的肠道屏障功能障碍。

　　香豆醇是一种木质素前体，具有抗炎和抗伤害的特性。Choi等(2004)研究发现香豆醇抑制脂多糖诱导的巨噬细胞产生一氧化氮、前列腺素E2(前列腺素)和TNF-α;并以浓度依赖性方式降低诱导型一氧化氮合酶和环氧合酶(COX)-2的表达。Greco等(2019)以多层体外皮肤细胞模型，评估了木质素水解物对皮肤细胞保护作用，发现0木质素抑制十二烷基硫酸钠(SLS)等刺激剂引起的炎症反应方面的作用，显著降低IL-1α的释放量。

　　四、结语

　　木质素来源广，成本低，兼容性好，与其他植物活性成分相比具有巨大的优势。随着木质素及其衍生物生物学活性不断发现和深入研究，其应用必将受到越来越多的重视。木质素是一类复杂的酚类聚合物，其生物学活性受木质素来源，提取获得方式以及改性反应的不同有很大的差异，因此在今后的选择应用上需要进行差异化分析以实现其价值最大化。