木质素抗紫外辐射能力的构效关系及其作用机制

As a highly abundant natural and renewable aromatic polymers, lignin has been proven to be a good UV-absorber and a nature broad-spectrum sun blocker. Using lignin as sunscreen additives can greatly promote the high-end applications of industrial lignins. However, the mechanism and structure-activity relationship of lignin under UV radiation remains unclear due to lignins’ complexity and heterogeneity. In this proposal, a series of model compounds representing structures both in industrial lignins and natural lignins will be designed and synthesized, and structure-activity relationship of lignin for anti-UV radiation and its mechanism will be conducted by using such compounds. In this study, each of these model compounds will be added into pure creams or SPF 15 commercial sunscreens as sun-screening agent, and its following UV absorbance will be evaluated by different methods. Subsequently, mechanism study of model compounds, together with the UV absorbance of certain industrial lignin preparations, for anti-UV radiation under UV radiation will be elucidated. This study will provide a theoretical basis for optimizing lignins as sun-screening agent in lignin-based sunscreens, which could be beneficial for utilization of lignocellulosic biomass.

木质素具有优异的紫外线吸收性能，可以对全波段紫外线起到防护作用。作为一种来源丰富、天然、可再生的广谱紫外线防护剂，木质素的抗紫外辐射功能具有重要的开发利用价值。由于木质素结构复杂，其抗紫外辐射能力的构效关系与作用机制研究尚属空白。本研究提出采用具有代表性的木质素模型物，进行抗紫外辐射能力构效关系及作用机制研究。研究中将兼顾工业木质素结构特征，进行模型物设计、合成及结构鉴定。采用结构明确的木质素模型物，分别添加至纯护肤霜或者市售SPF15防晒霜中，进行抗紫外辐射性能评价，揭示木质素模型物结构和抗紫外辐射能力之间的关系。进而选取适当的模型物，研究其在不同UV波段抗紫外辐射性能和结构变化机制。最后，结合特定结构木质素抗紫外辐射性能评价，阐明木质素抗紫外辐射作用机制。该项目的成功实施，可以明确木质素在防晒应用中的有效结构，为木质素基防晒霜的开发利用提供理论依据。

木质素具有全波段紫外线防护功能和优异的抗氧化能力，近年来木质素抗紫外辐射性能的开发应用备受关注。由于官能团复杂、结构不一，木质素抗辐射能力的构效关系及作用机制研究尚属空白，严重阻碍了其开发利用进度。本研究设计了并合成了具有β-O-4、β-β、β-5、5-5等一系列不同结构的代表性木质素模型物及衍生物，对木质素的抗紫外辐射能力构效关系及作用机制进行了研究。通过研究，揭示了β-芳基醚键（β-O-4）、苯基香豆满（β-5）、树脂醇（β-β）等木质素特征结构的抗紫外辐射性能构效关系。与其他模型物相比，具有β-O-4连接的木质素模型物紫外吸收性能相对较差，甲氧基在芳环上的存在形式显著影响了木质素的抗紫外辐射性能。提取工艺对木质素抗紫外辐射性能的影响较大，尤其是处理过程中β-O-4降解、新的共轭与缩合结构的形成，有利于木质素抗紫外辐射性能的提升；麦黄酮、阿魏酸等非典型结构的存在对木质素抗紫外辐射性能影响突出，在禾本科木质素分离过程中保留麦黄酮、阿魏酸等非典型结构对其抗紫外辐射性能有利，添加至防晒霜后相应的SPF值增幅优于常规木质素结构。在紫外线照射下，木质素或模型物的抗氧化性有利于延长其有效防护时间，而羧基等基团在紫外线照射过程中的稳定性较差。此外，通过对酚羟基含量调控制备了均匀的球形木质素纳米颗粒，揭示了不同酚化程度对木质素纳米化及抗紫外辐射性能的影响，拓展了木质素在增强、增韧、抗紫外复合材料方面的应用。发表学术论文11篇（SCI论文8篇、EI论文2篇以及中文核心论文1篇）、申请发明专利3项等，研究成果为木质素基紫外防护剂的开发提供了重要支撑。