方麗梅，劉星星，江　穎，王　蜀，張同華

(西南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院 重慶市生物質(zhì)纖維材料與現(xiàn)代紡織工程技術(shù)研究中心,重慶 400715)

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棕櫚纖維黑色素提取工藝及性質(zhì)

方麗梅，劉星星，江穎，王蜀，張同華

(西南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院 重慶市生物質(zhì)纖維材料與現(xiàn)代紡織工程技術(shù)研究中心,重慶 400715)

采用鹽酸和乙醇混合液為提取液對棕櫚纖維黑色素進(jìn)行提取并優(yōu)化其提取工藝，對其基本性質(zhì)進(jìn)行了研究.結(jié)果表明，最佳提取條件為提取時(shí)間4 h、提取溫度80 ℃、料液質(zhì)量比1∶25、乙醇的體積分?jǐn)?shù)80%、鹽酸乙醇體積比2∶8，此時(shí)黑色素得率為34.64%.紅外光譜圖和紫外吸收光譜圖表明，棕櫚纖維黑色素的結(jié)構(gòu)特征與合成黑色素基本一致，棕櫚纖維黑色素溶于堿液但不溶于水、酸及一般的有機(jī)溶劑.

棕櫚纖維；黑色素；提取工藝；性質(zhì)

黑色素是一類結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣的酚類或吲哚類生物大分子色素的總稱[1]，至今尚無一個(gè)嚴(yán)格的定義.科學(xué)研究表明，黑色素具有廣泛的生物學(xué)功能，如降低生物體受紫外線輻射的程度、抗菌抑菌、抗氧化、延緩機(jī)體衰老、防癌及提高生物體在某些惡劣環(huán)境下的生存力[2]， 它是目前所知的唯一能保護(hù)生物體免受輻射傷害的天然內(nèi)源生物聚合體[3].目前，已從黑木耳、香蕉種皮、茶葉、山杏種皮、桂花種子皮[4-7]等天然植物中提取出了黑色素，而從纖維中直接提取黑色素并開發(fā)利用的研究報(bào)道還很少.棕櫚纖維屬于葉鞘纖維，早期常被用作紡織制品，如蓑衣、地毯、床墊、坐墊、井繩等，具有較強(qiáng)的耐日曬和抗紫外線性能[8].本課題以棕櫚纖維為原材料提取黑色素并優(yōu)化其提取工藝，進(jìn)一步探討了棕櫚纖維的抗紫外線性能，以期擴(kuò)大棕櫚纖維的應(yīng)用范圍并提升其價(jià)值.

1　材料與方法

1.1材料與試劑

圖1　棕櫚纖維黑色素提取工藝流程Fig.1　Sketch of melanin extraction process from palm fiber

材料：棕櫚纖維粉末(粒徑約200 μm)、黑色素(醇溶).

試劑：無水乙醇(AR)、鹽酸(AR)、氫氧化鈉(AR)、氯仿、丙酮、二甲基亞砜.

1.2儀器與設(shè)備

TU-1901雙光束紫外可見分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)，傅里葉變換紅外光譜儀(美國PE公司)，恒溫水浴鍋，DHG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海齊欣科學(xué)儀器有限公司)，真空抽濾器，分析天平.

1.3實(shí)驗(yàn)

1.3.1棕櫚纖維黑色素的制取

以棕櫚纖維粉末為原材料、鹽酸和乙醇混合液為提取液，棕櫚纖維黑色素的提取工藝流程見圖1.

1.3.2單因素實(shí)驗(yàn)

以黑色素得率為評價(jià)指標(biāo)，以提取時(shí)間、提取溫度、料液質(zhì)量比、乙醇體積分?jǐn)?shù)、鹽酸乙醇體積比為單因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn).黑色素得率計(jì)算公式如下：

(1)

1.3.3正交實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選用L16(45)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以提取時(shí)間、提取溫度、料液質(zhì)量比、乙醇體積分?jǐn)?shù)、鹽酸乙醇體積比為考察因素，鹽酸的濃度為0.5 mol/L，以黑色素得率為指標(biāo)，優(yōu)化提取工藝參數(shù)，從中篩選最優(yōu)的工藝條件和技術(shù)參數(shù)，因素水平見表1.

表1　L16(45)正交因素水平表

1.3.4傅里葉紅外光譜掃描

采用溴化鉀壓片法，加入純化的棕櫚纖維黑色素和溴化鉀，研磨成細(xì)粉壓片，在 400～4 000 cm-1測定其紅外吸收光譜.

1.3.5紫外-可見光譜掃描

取少量純化的棕櫚纖維黑色素粉末配制成黑色素溶液，利用雙光束紫外可見分光光度計(jì)在200～400 nm波段對棕櫚纖維黑色素溶液進(jìn)行光譜掃描.

1.3.6溶解性實(shí)驗(yàn)

分別稱取0.010 0 g 純化棕櫚纖維黑色素置于7個(gè)試管中，在室溫(20 ℃)條件下分別加入蒸餾水、氫氧化鈉溶液、 鹽酸、無水乙醇、二甲基亞砜、丙酮、氯仿各10 mL攪拌混勻，靜置30 min，觀察其溶解性.

2　結(jié)果與分析

2.1單因素提取工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2　不同提取時(shí)間對棕櫚纖維黑色素得率的影響Fig.2　Effect of time on the extraction yield of melanin

2.1.1提取時(shí)間的影響

不同提取時(shí)間對棕櫚纖維黑色素得率的影響如圖2所示，酸醇混合提取并非時(shí)間越長黑色素的得率越高，得率在3～4 h呈上升趨勢，但超過4 h后，隨著提取時(shí)間的延長，黑色素得率呈下降趨勢.這是因?yàn)樘崛r(shí)間過長可能會(huì)導(dǎo)致黑色素分解，也會(huì)帶來其他雜質(zhì)[9]，從而會(huì)增加后續(xù)純化處理的步驟，所以黑色素提取的最佳時(shí)間為4 h.

2.1.2溫度的影響

不同提取溫度對棕櫚纖維黑色素得率的影響如圖3所示，隨著提取溫度的升高，黑色素得率也逐漸上升，但當(dāng)溫度超過80 ℃以后，黑色素得率急劇下降.這是因?yàn)樽貦袄w維黑色素含有大量的酚羥基，前人研究表明，在氧化過程中酚羥基會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轷春谏亟Y(jié)構(gòu)被破壞，這說明溫度不一定越高越好，所以黑色素提取的最佳溫度為80 ℃.

2.1.3料液質(zhì)量比的影響

不同料液質(zhì)量比對棕櫚纖維黑色素得率的影響如圖4所示，隨著料液質(zhì)量比的增加，得率最初是提高的，但料液質(zhì)量比大于1∶30后，下降趨勢明顯，因雜質(zhì)不斷增加使黑色素得率不斷降低，不利于下一步的黑色素酸沉，會(huì)造成不必要的浪費(fèi).當(dāng)料液質(zhì)量比在1∶40到1∶50時(shí)，黑色素得率偏低且趨于穩(wěn)定值.這是因?yàn)楫?dāng)提取溶劑太少時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)黑色素的溶解達(dá)到平衡，不利于黑色素的進(jìn)一步溶出[10].綜合以上因素考慮，料液質(zhì)量比1∶30為最佳提取條件.

圖3　不同提取溫度對棕櫚纖維黑色素得率的影響Fig.3　Effect of temperature on the extraction yield of melanin

圖4　不同料液質(zhì)量比對棕櫚纖維黑色素得率的影響Fig.4　Effect of material-to-liquid ratio on the extraction yield of melanin

2.1.4乙醇的體積分?jǐn)?shù)的影響

乙醇的體積分?jǐn)?shù)對棕櫚纖維黑色素得率的影響如圖5所示.隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，黑色素得率大致呈上升趨勢，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)為80%～90%時(shí),黑色素得率的上升速度最快;當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)達(dá)到90%，黑色素得率明顯提高許多.這是因?yàn)橐掖际侵饕崛?，乙醇的濃度提高使黑色素得率大大增加，但考慮到乙醇的揮發(fā)性及試劑的浪費(fèi)，故乙醇的最佳體積分?jǐn)?shù)應(yīng)為90%.

2.1.5鹽酸乙醇體積比的影響

鹽酸乙醇體積比對棕櫚纖維黑色素得率的影響如圖6所示.隨著鹽酸乙醇體積比的增大，黑色素得率呈下降趨勢，達(dá)到3∶7后又有回升的趨勢.這是因?yàn)?加酸是為了除去與黑色素相連的蛋白質(zhì)、糖類及脂質(zhì)[11]，同時(shí)起到穩(wěn)定的作用，但是黑色素又會(huì)在酸性條件下沉淀[12]，當(dāng)鹽酸含量過大時(shí)會(huì)使提取液中黑色素的含量減少，所以提取工藝中鹽酸乙醇最佳配比為1∶9.

圖5　乙醇的體積分?jǐn)?shù)對棕櫚纖維黑色素得率的影響Fig.5　Effect of the volume fraction of alcohol on the extraction yield of melanin

圖6　鹽酸乙醇體積比對棕櫚纖維黑色素得率的影響Fig.6　Effect of the ratio of acid and alcohol on the extraction yield of melanin

2.2正交實(shí)驗(yàn)提取工藝優(yōu)化結(jié)果分析

綜合以上單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，提取時(shí)間、提取溫度、料液質(zhì)量比、乙醇的體積分?jǐn)?shù)、鹽酸乙醇體積比對實(shí)驗(yàn)結(jié)果均有一定影響，將上述因素設(shè)計(jì)成5因素4水平的正交表，以黑色素得率為指標(biāo)，確定酸醇混合提取棕櫚纖維黑色素的最佳工藝條件.實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果見表2.

表2　L16(45)正交設(shè)計(jì)及結(jié)果分析表

由表2可知，根據(jù)極差R值的大小進(jìn)行因素影響的主次排序?yàn)锳(提取時(shí)間)>B(提取溫度)>C(料液質(zhì)量比)>E(乙醇體積分?jǐn)?shù))>D(鹽酸乙醇體積比)，這說明提取時(shí)間對黑色素得率的影響最大，為主要的影響因素.從平均值k來看，A因素中第2水平最好，B因素中第3水平最好，C因素中第3水平最好，D因素中第1水平最好，E因素中第2水平最好，所以5種影響因素的最佳組合為A2B3C3D1E2,即提取時(shí)間為4 h，提取溫度為80 ℃，料液質(zhì)量比為1∶25，乙醇的體積分?jǐn)?shù)為80%，鹽酸乙醇體積比為2∶8.在最佳提取工藝條件下，實(shí)驗(yàn)中黑色素的得率為34.64%.

2.3黑色素性質(zhì)探究

2.3.1紅外特征光譜

圖7　合成黑色素(A)與棕櫚纖維黑色素(B)的傅里葉變換紅外掃描圖譜Fig.7　Infrared spectra of synthetic melanin (A) and the melanin extracted from palm fiber (B)

圖7為棕櫚纖維黑色素與合成黑色素的紅外光譜圖，其中A為合成黑色素，B為棕櫚纖維黑色素.由于黑色素是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生物大分子，所含官能團(tuán)很多，所以其FTIR 譜圖是一系列寬而強(qiáng)的吸收峰，每一寬峰都是由多種官能團(tuán)振動(dòng)形成的.在波數(shù)3 400 cm-1處都有較寬而強(qiáng)的吸收峰，說明存在—OH和—NH2結(jié)構(gòu)，吸收峰寬而且強(qiáng)可能是由于—OH和—NH2之間存在氫鍵的作用；725～538 cm-1處的吸收帶很弱，表明苯環(huán)被取代，形成共軛體系；1 147 cm-1處的吸收峰是C—CH3的彎曲和骨架振動(dòng)吸收參與形成[13]；1 646 cm-1處的吸收峰是由芳香C═C、酰胺I中的C═O和(或)—COOH的振動(dòng)引起的，可以推測其結(jié)構(gòu)中存在吲哚結(jié)構(gòu)單元和醌式結(jié)構(gòu)單元,不含噻嗪環(huán)結(jié)構(gòu)[14].上述分析表明，棕櫚纖維黑色素與合成黑色素在結(jié)構(gòu)上基本相同.

2.3.2紫外-可見光特征圖譜(圖8)

從圖8的紫外掃描圖譜可知，合成黑色素(A)與棕櫚纖維黑色素(B)的最大吸收波長都在206 nm處，與報(bào)道的不同來源的黑色素的最大吸收波長在210 nm左右一致[15].在掃描范圍(200～400 nm)內(nèi)呈現(xiàn)了一致的吸收變化規(guī)律，在紫外區(qū)具有強(qiáng)吸收峰，從最大吸收峰位置開始，隨波長的逐漸增大吸光度呈現(xiàn)下降的變化趨勢，是典型的黑色素紫外吸收圖像 .

2.3.3理化性質(zhì)

合成黑色素與棕櫚黑色素的溶解性見表3.由表3可知，棕櫚纖維在不同的溶劑中溶解性不同，而且棕櫚黑色素和合成黑色素都不溶于水、酸溶液及氯仿、丙酮等常見有機(jī)溶劑中，微溶于乙醇溶液，可溶于強(qiáng)極性溶劑二甲基亞砜和堿溶液.

圖8　合成黑色素(A)與棕櫚纖維黑色素(B )的紫外掃描圖譜Fig.8　UV-Vis spectra of synthetic melanin (A) and melanin extracted from palm fiber (B)

溶劑 合成黑色素棕櫚黑色素蒸餾水 --無水乙醇 ++氯仿 --丙酮 --二甲基亞砜++++鹽酸 --氫氧化鈉 ++++

3　結(jié)論

本課題從棕櫚纖維中成功提取出黑色素，采用鹽酸乙醇混合提取棕櫚纖維，最佳工藝條件為提取時(shí)間4 h、提取溫度80 ℃、料液質(zhì)量比1∶25、乙醇的體積分?jǐn)?shù)80%、鹽酸乙醇體積比2∶8.從棕櫚纖維黑色素的FTIR圖譜可以推測，其結(jié)構(gòu)中存在吲哚和醌式結(jié)構(gòu)單元,不含噻嗪環(huán)結(jié)構(gòu),與合成黑色素在結(jié)構(gòu)上基本相同；紫外掃描圖譜結(jié)果表明，棕櫚纖維黑色素在紫外波段有較好的吸收峰，與合成黑色素的紫外吸收性質(zhì)基本一致；溶解性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，棕櫚纖維黑色素溶于堿但不溶于水、酸及常見的有機(jī)溶劑，與合成黑色素的溶解性一致.

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Extraction technology and characterization of melanin from palm fiber

FANG Limei, LIU Xingxing, JIANG Ying, WANG Shu, ZHANG Tonghua

(College of Textiles & Garments, Southwest University, Chongqing Engineering Research CenterofBiomaterialFiberandModernTextile,Chongqing400715,China)

Mixed acid and alcohol were used to extract the palm fiber melanin, the extraction process was optimized and the basic properties of the palm fiber were studied. The one-factor-at-a-time and orthogonal array design methods were used to optimize the extraction technology of palm fiber melanin. The optimum extraction temperature, extraction time, ratio of solid to liquid, the volume faction of alcohol and the ratio of acid and alcohol were 80 ℃,4 hours,25 g/mL, 80% and 2∶8, and the crude extract yield reached up to 34.64% under these optimum conditions. The UV and infrared spectral characterization indicated that the melanin had a structure identical to that of synthetic melanin. The palm fiber melanin was soluble in alkaline solution, but insoluble in water, acid solution and organic solvents.

palm fiber; melanin; extraction technology; property

2016-03-16

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510635047)

方麗梅(1994-)，女，湖北仙桃人，本科生，主要研究方向?yàn)樘烊焕w維的結(jié)構(gòu)與性能.

張同華(1971-)，男，山東德州人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)槔w維材料的結(jié)構(gòu)與性能.E-mail：zhtonghua@aliyun.com.

TS102.2

A

1674-330X(2016)03-0010-06