羅少宏, 馬明波， 傅科杰， 唐志榮， 周文龍

(1. 浙江理工大學(xué) 材料與紡織學(xué)院, 浙江 杭州 310018; 2. 寧波出入境檢驗(yàn)檢疫局， 浙江 寧波 315192)

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乙醇/水溶液對(duì)天然棕色棉色素提取的影響

羅少宏1, 馬明波1， 傅科杰2， 唐志榮1， 周文龍1

(1. 浙江理工大學(xué) 材料與紡織學(xué)院, 浙江 杭州 310018; 2. 寧波出入境檢驗(yàn)檢疫局， 浙江 寧波 315192)

為研究天然棕色棉色素的有效提取條件，對(duì)乙醇/水溶液體系提取天然棕色棉色素的組分進(jìn)行了研究。不同濃度乙醇溶劑對(duì)棕色棉色素的提取組分有明顯影響。研究表明：棕色棉色素提取物的有色成分分為較易分離(保留時(shí)間1～5 min)和難分離(保留時(shí)間7～17 min)2部分；棕色棉色素具有很強(qiáng)的親水特性，體積分?jǐn)?shù)為90%以上乙醇水溶液的提取效率很低，不適宜對(duì)棕色棉色素物質(zhì)的提?。患兯芤哼m合保留時(shí)間為1.4 min色素物質(zhì)的提??；體積分?jǐn)?shù)為30%乙醇/水溶液適合保留時(shí)間為1.7、2.2和9.6 min色素物質(zhì)的提??；體積分?jǐn)?shù)為50%乙醇/水溶液適合保留時(shí)間為14.9 min色素成分的提取。

天然棕色棉； 棕色棉色素； 乙醇/水溶液； 高效液相色譜

天然棕色棉是目前應(yīng)用較廣的天然彩色棉，其色澤較穩(wěn)定，具有抗菌以及一定的阻燃和紫外線防護(hù)性能[1-3]。對(duì)天然棕色棉色素組分、結(jié)構(gòu)的研究是非常有意義的課題。王學(xué)德等采用HNO3/乙醇(體積比為1∶4)對(duì)天然彩色棉色素進(jìn)行提取，建立了一種定性測(cè)定天然彩色棉色素含量的方法[4]，并通過(guò)化學(xué)和紫外線圖譜分析，判定天然棕色棉色素含有黃酮化合物[5]。詹少華等用NaOH水溶液對(duì)棕色棉色素進(jìn)行提取和結(jié)構(gòu)的化學(xué)和圖譜分析，認(rèn)為棕棉色素含有單寧物質(zhì)氧化形成的醌類化合物[6-7]，是棉纖維發(fā)育后期縮合單寧接觸空氣氧化的結(jié)果。馬明波等采用70%乙醇/水溶液，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)部分天然棕色棉色素的提取[8-9]，并證明了提取物具有縮合單寧的性質(zhì)。研究表明聚酰胺柱可對(duì)天然棕色棉色素分段富集，通過(guò)高效液相色譜(HPLC)和柱分離技術(shù)，證明天然棕色棉色素具有2類不同性質(zhì)的組分，一類是反相HPLC可分離的2種有色物質(zhì)和1種無(wú)色物質(zhì)，另一類是反相HPLC不可分離的結(jié)構(gòu)十分相似的多酚類化合物[9]，進(jìn)一步確認(rèn)了天然棕色棉色素的復(fù)雜性。天然棕色棉可由水溶液提取獲得，在pH=14的情況下可實(shí)現(xiàn)棕色棉色素的高效提取，但高堿性條件會(huì)使棕色棉色素組分產(chǎn)生結(jié)構(gòu)不可回復(fù)的變化[10]。HNO3作為一種具有氧化性能的化學(xué)制劑，HNO3/乙醇提取物顯然將使色素的組分發(fā)生變化，研究獲得的結(jié)果反映的可能并不是色素的原始結(jié)構(gòu)[4]。研究結(jié)論不同，顯然與提取方法、研究方法以及天然棕色棉色素的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及不穩(wěn)定性有關(guān)，可能只是反映了棕色棉色素的一方面性質(zhì)。如何使天然棕色棉色素在有效提取的情況下又不發(fā)生結(jié)構(gòu)的變化，是研究天然棕色棉色素結(jié)構(gòu)組分的關(guān)鍵。從現(xiàn)有的研究方法看，中性水溶液是比較安全的一種提取方法，70%乙醇/水溶液不僅可實(shí)現(xiàn)色素的提取[6-7]，而且提取物被證明具有抗菌性[1]，因而乙醇/水溶液體系對(duì)天然棕色棉色素的提取性能獨(dú)特，本文對(duì)其提取組分影響的研究，可為天然棕色棉色素的提取、分離和結(jié)構(gòu)研究提供重要參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與測(cè)定方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

材料：天然棕色棉纖維(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供)。

試劑：無(wú)水甲醇、無(wú)水乙醇和甲醇，均為杭州高晶精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)(分析純)。

1.2 乙醇/水溶劑體系對(duì)棕色棉色素的提取

用FZ-102微型植物粉碎機(jī)(天津市泰斯特儀器有限公司)將纖維粉碎，精確稱量粉碎后的棕色棉纖維粉末15.0 g放置于燒杯中，按浴比1∶30分別加入一定體積比的乙醇/水溶液。于55 ℃、300 W下(JK-3200DB超聲波清洗機(jī)，合肥金尼克機(jī)械制造有限公司)連續(xù)超聲3 h輔助提取，抽濾，收集濾液。之后量取300 mL用R201D型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海亞榮生化儀器廠)減壓濃縮至干后，以少量30%乙醇/水溶液溶解，轉(zhuǎn)移到容量瓶后定容至50 mL備用。

1.3 HPLC測(cè)試

采用Agilent-1200高效液相色譜儀(美國(guó)安捷倫科技有限公司)進(jìn)行HPLC測(cè)試。HPLC分離條件為：色譜柱Agilent ZORBAX Eclipse XDB-C18，4.6 nm×150 nm，3.5 μm，柱溫30 ℃，流速1.0 mL/min，進(jìn)樣量20 μL，檢測(cè)波長(zhǎng)280、400和500 nm。流動(dòng)相為甲醇(A相)、10 mmol/L甲酸水溶液(B相)，梯度洗脫。流動(dòng)相配比：0～3 min，4% A；3～20 min，4%～100% A；20～25 min，100% A。

2 結(jié)果與討論

不同濃度乙醇/水溶液提取物的HPLC分離效果(檢測(cè)波長(zhǎng)為280 nm)如圖1所示。

圖1 不同濃度乙醇/水溶液的棕色棉色素提取物的HPLC圖Fig.1 HPLC chromatograms of pigments in brown cotton extracted by different ratios of ethanol-water solution

從圖中的曲線看，不同體積分?jǐn)?shù)乙醇/水溶液對(duì)天然棕色棉提取物組分產(chǎn)生較大的影響。共同的特點(diǎn)為：保留時(shí)間3 min之內(nèi)，物質(zhì)的分離性能好，峰形都比較完整獨(dú)立；但在7～17 min的保留時(shí)間之內(nèi)，出現(xiàn)1個(gè)物質(zhì)沒(méi)有得到很好分離的饅頭峰，基本驗(yàn)證了文獻(xiàn)[7]研究獲得的2類色素組分的定性結(jié)果。保留時(shí)間在3 min之內(nèi)，不同的乙醇/水溶液提取物的組分有較大的差異。以水(不含乙醇)為提取溶劑時(shí)，保留時(shí)間為1.4 min時(shí)有一明顯的物質(zhì)流出，但沒(méi)有其他明顯物質(zhì)。以30%乙醇/水溶液提取時(shí)，保留時(shí)間為1.4 min時(shí)的物質(zhì)有所減少，但在保留時(shí)間為2.2 min時(shí)突然出現(xiàn)了明顯的物質(zhì)流出。隨著提取溶劑中乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，保留時(shí)間為1.4 min和2.2 min時(shí)物質(zhì)含量都逐漸減少，以90%以上乙醇溶液提取時(shí)，已完全提取不到保留時(shí)間為1.4 min時(shí)的物質(zhì)。在7～17 min保留時(shí)間范圍內(nèi)，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的提高，饅頭峰的高度逐漸減少。在饅頭峰上有一系列的毛刺峰，提取溶液中含有乙醇后，毛刺峰有增多的趨勢(shì)，其中在保留時(shí)間為14.9 min時(shí)，出現(xiàn)明顯的對(duì)形毛刺峰，該毛刺峰在乙醇體積分?jǐn)?shù)為30%～70%時(shí)保持了基本穩(wěn)定的峰形，值得注意。從本文實(shí)驗(yàn)的條件看，純水溶液是保留時(shí)間為1.4 min時(shí)物質(zhì)的較好提取條件，而30%乙醇/水溶液是保留時(shí)間為2.2 min時(shí)物質(zhì)的較好提取條件，同時(shí)該條件還出現(xiàn)了保留時(shí)間為14.9 min的毛刺峰。

圖2示出檢測(cè)波長(zhǎng)分別為400 nm和500 nm獲得的HPLC譜圖。由于檢測(cè)波長(zhǎng)處在可見(jiàn)區(qū)，圖2的HPLC譜圖特性和天然棕色棉色素具有更緊密的相關(guān)性。在圖2(a)中，保留時(shí)間為1.4 min時(shí)的物質(zhì)比保留時(shí)間2.2 min時(shí)的物質(zhì)具有更強(qiáng)的相對(duì)吸收峰，保留時(shí)間為1.7 min時(shí)出現(xiàn)了明顯的較小的吸收峰。保留時(shí)間1.7 min時(shí)物質(zhì)在圖1中并不明顯，說(shuō)明1.7 min時(shí)的物質(zhì)在可見(jiàn)光區(qū)比在紫外光區(qū)具有更強(qiáng)的相對(duì)吸收，表現(xiàn)出更強(qiáng)的色素特性。保留時(shí)間為7～17 min范圍內(nèi)饅頭峰依然存在，但饅頭峰上的毛刺峰明顯減少，只有保留時(shí)間為14.9 min時(shí)的毛刺峰依然明顯存在，而且轉(zhuǎn)化成三形峰。這說(shuō)明14.9 min處的三形峰物質(zhì)對(duì)400 nm光依然具有明顯的吸收特性。而其他毛刺峰在400 nm處吸收不明顯，說(shuō)明它們代表的物質(zhì)并不是有色物質(zhì)。在圖2(b)中，保留時(shí)間為1.4和2.2 min的物質(zhì)吸收依然明顯，但保留時(shí)間為1.7 min的吸收消失，同時(shí)消失的還有保留時(shí)間為14.9 min的毛刺峰。另外，保留時(shí)間為9.6 min時(shí)出現(xiàn)了明顯的吸收峰。從圖2可看出，保留時(shí)間為1.4、1.7和2.2 min時(shí)的物質(zhì)對(duì)天然棕色棉的色澤均有貢獻(xiàn)，其中保留時(shí)間1.7 min時(shí)的物質(zhì)吸收波長(zhǎng)范圍更窄(僅在400 nm吸收波長(zhǎng)時(shí)明顯出現(xiàn))，從色素顯色的原理看，對(duì)色澤尤其是黃色的貢獻(xiàn)會(huì)大一些。500 nm吸收?qǐng)D譜中，9.6 min處的毛刺峰物質(zhì)可能對(duì)紅色光澤更大一些。圖2的數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明了天然棕色棉色素的多組分復(fù)雜特性。

圖2 不同乙醇含量提取的棕色棉色素HPLC圖Fig.2 HPLC chromatograms of pigments in brown cotton extracted by different ratios of ethanol-water solution. (a) Detection wavelength 400 nm; (b) Detection wavelength 500 nm

另外，在波長(zhǎng)為400 nm和500 nm檢測(cè)時(shí)，體積分?jǐn)?shù)為90%以上乙醇溶液提取物吸收很小，說(shuō)明將表現(xiàn)出無(wú)色，這和目測(cè)一致，說(shuō)明90%以上乙醇的色素提取效率很低，不適合提取天然棕色棉色素。王學(xué)德等在用甲醇嘗試提取棕色棉色素時(shí)，同樣未獲得滿意的效果[4]，與本文實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果一致。

從圖2的數(shù)據(jù)還可看出，天然棕色棉色素的親水性非常強(qiáng)，在乙醇/水體系中，提取物的突變?yōu)?0%乙醇/水溶液。和純水提取相比，明顯出現(xiàn)了保留時(shí)間為1.7、2.2和14.9 min左右的物質(zhì)。而這些物質(zhì)的提取數(shù)量，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的提高又有所減少(保留時(shí)間為14.9 min時(shí)的物質(zhì)要在乙醇體積分?jǐn)?shù)超過(guò)70%時(shí)才會(huì)明顯減少)。故體積分?jǐn)?shù)在30%左右的乙醇提取溶液提取物質(zhì)較多，綜合提取效率較高。

根據(jù)液相色譜的自動(dòng)峰形面積積分功能，將圖1中各特征峰形進(jìn)行面積積分，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理(將同一保留時(shí)間吸收峰中的最大面積定義為1)。提取液乙醇體積分?jǐn)?shù)和提取物相對(duì)含量關(guān)系結(jié)果如圖3所示。從圖中可明顯看出，各組分提取的最高含量都在乙醇體積分?jǐn)?shù)低于50%的條件下，其總體親水性大于乙醇。用低于乙醇極性的溶劑將很難提取到棕色棉的色素物質(zhì)。

圖3 提取液乙醇體積分?jǐn)?shù)和提取物相對(duì)含量的關(guān)系Fig.3 Relationship between relative amount of specific substances extracted and ethanol-water ratio of extracting solution

根據(jù)圖3可獲得各種物質(zhì)的較佳提取條件。在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，水溶液對(duì)保留時(shí)間為1.4 min時(shí)的物質(zhì)提取最為高效，30%乙醇/水溶液對(duì)保留時(shí)間為1.7、2.2和9.6 min時(shí)的物質(zhì)提取最為高效，50%乙醇/水對(duì)保留時(shí)間為14.9 min時(shí)的物質(zhì)提取最為高效。這些條件可供某類棕色棉色素的較高量富集提取提供參考，但對(duì)保留時(shí)間為9.6和14.9 min時(shí)的物質(zhì)，由于處于饅頭峰的位置，本文實(shí)驗(yàn)的HPLC條件不能進(jìn)行有效分離，其富集分離需要尋求更好的分離條件。

3 結(jié) 論

天然棕色棉的色素是親水性極強(qiáng)的物質(zhì)，體積分?jǐn)?shù)為90%以上的乙醇溶液不能對(duì)色素進(jìn)行有效的提取。在用乙醇/水溶液提取體系下，保留時(shí)間為1.4 min時(shí)的物質(zhì)適合用水溶液提取，保留時(shí)間為1.7、2.2和9.6 min時(shí)的物質(zhì)適合用30%乙醇/水溶液提取，保留時(shí)間為14.9 min時(shí)的物質(zhì)適合用50%乙醇/水溶液提取。本文實(shí)驗(yàn)的HPLC條件仍然對(duì)一大類結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)無(wú)法進(jìn)行分離，有待于進(jìn)一步研究。

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Extraction of pigment from naturally brown cotton using ethanol/water solution

LUO Shaohong1, MA Mingbo1, FU Kejie2, TANG Zhirong1, ZHOU Wenlong1
(1.CollegeofMaterialsandTextiles,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China; 2.NingboEntry-ExitInspectionandQuarantineBureau,Ningbo,Zhejiang315192,China)

In order to study effective extracting conditions, pigment components extracted from naturally brown cotton with an ethanol/water solution system were investigated. The ratio of ethanol to water solution had significant influence on the pigment components extracted from naturally brown cotton. It is showed that the components with a retention time of 1-5 min was easily separated, while those with the retention time of 7-17 min was hard to be separated. The pigments in naturally brow cotton are strongly hydrophilic and extracting efficiency of the pigments is very low if over 90% ethanol/water solution is used, which is not suitable for the pigment extraction. While 0% ethanol solution was suitable for extraction of components with the retention time of 1.4 min, 30% ethanol solution was suitable for extraction of components with the retention time of 1.7 min, 2.2 min and 9.6 min, and 50% ethanol solution was suitable for extraction of components with the retention time of 14.6 min.

naturally brown cotton; pigment of brown cotton; ethanol/water solution; high performance liquid chromatography

10.13475/j.fzxb.20141007004

2014-10-28

2015-03-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51373156)

羅少宏(1987—)，男，碩士。主要從事紡織品及其生態(tài)加工技術(shù)研究。周文龍，通信作者：E-mail:wzhou@zstu.edu.cn。

TS 190.2

A