乙醇/水溶液对天然棕色棉色素提取的影响

罗少宏, 马明波， 傅科杰， 唐志荣， 周文龙

(1. 浙江理工大学 材料与纺织学院, 浙江 杭州 310018; 2. 宁波出入境检验检疫局， 浙江 宁波 315192)



乙醇/水溶液对天然棕色棉色素提取的影响

罗少宏1, 马明波1， 傅科杰2， 唐志荣1， 周文龙1

(1. 浙江理工大学 材料与纺织学院, 浙江 杭州 310018; 2. 宁波出入境检验检疫局， 浙江 宁波 315192)

为研究天然棕色棉色素的有效提取条件，对乙醇/水溶液体系提取天然棕色棉色素的组分进行了研究。不同浓度乙醇溶剂对棕色棉色素的提取组分有明显影响。研究表明：棕色棉色素提取物的有色成分分为较易分离(保留时间1～5 min)和难分离(保留时间7～17 min)2部分；棕色棉色素具有很强的亲水特性，体积分数为90%以上乙醇水溶液的提取效率很低，不适宜对棕色棉色素物质的提取；纯水溶液适合保留时间为1.4 min色素物质的提取；体积分数为30%乙醇/水溶液适合保留时间为1.7、2.2和9.6 min色素物质的提取；体积分数为50%乙醇/水溶液适合保留时间为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； 高效液相色谱

天然棕色棉是目前应用较广的天然彩色棉，其色泽较稳定，具有抗菌以及一定的阻燃和紫外线防护性能[1-3]。对天然棕色棉色素组分、结构的研究是非常有意义的课题。王学德等采用HNO3/乙醇(体积比为1∶4)对天然彩色棉色素进行提取，建立了一种定性测定天然彩色棉色素含量的方法[4]，并通过化学和紫外线图谱分析，判定天然棕色棉色素含有黄酮化合物[5]。詹少华等用NaOH水溶液对棕色棉色素进行提取和结构的化学和图谱分析，认为棕棉色素含有单宁物质氧化形成的醌类化合物[6-7]，是棉纤维发育后期缩合单宁接触空气氧化的结果。马明波等采用70%乙醇/水溶液，成功实现了对部分天然棕色棉色素的提取[8-9]，并证明了提取物具有缩合单宁的性质。研究表明聚酰胺柱可对天然棕色棉色素分段富集，通过高效液相色谱(HPLC)和柱分离技术，证明天然棕色棉色素具有2类不同性质的组分，一类是反相HPLC可分离的2种有色物质和1种无色物质，另一类是反相HPLC不可分离的结构十分相似的多酚类化合物[9]，进一步确认了天然棕色棉色素的复杂性。天然棕色棉可由水溶液提取获得，在pH=14的情况下可实现棕色棉色素的高效提取，但高碱性条件会使棕色棉色素组分产生结构不可回复的变化[10]。HNO3作为一种具有氧化性能的化学制剂，HNO3/乙醇提取物显然将使色素的组分发生变化，研究获得的结果反映的可能并不是色素的原始结构[4]。研究结论不同，显然与提取方法、研究方法以及天然棕色棉色素的结构复杂性及不稳定性有关，可能只是反映了棕色棉色素的一方面性质。如何使天然棕色棉色素在有效提取的情况下又不发生结构的变化，是研究天然棕色棉色素结构组分的关键。从现有的研究方法看，中性水溶液是比较安全的一种提取方法，70%乙醇/水溶液不仅可实现色素的提取[6-7]，而且提取物被证明具有抗菌性[1]，因而乙醇/水溶液体系对天然棕色棉色素的提取性能独特，本文对其提取组分影响的研究，可为天然棕色棉色素的提取、分离和结构研究提供重要参考。

1 实验材料与测定方法

1.1 实验材料

材料：天然棕色棉纤维(浙江省农业科学院提供)。

试剂：无水甲醇、无水乙醇和甲醇，均为杭州高晶精细化工有限公司生产(分析纯)。

1.2 乙醇/水溶剂体系对棕色棉色素的提取

用FZ-102微型植物粉碎机(天津市泰斯特仪器有限公司)将纤维粉碎，精确称量粉碎后的棕色棉纤维粉末15.0 g放置于烧杯中，按浴比1∶30分别加入一定体积比的乙醇/水溶液。于55 ℃、300 W下(JK-3200DB超声波清洗机，合肥金尼克机械制造有限公司)连续超声3 h辅助提取，抽滤，收集滤液。之后量取300 mL用R201D型旋转蒸发仪(上海亚荣生化仪器厂)减压浓缩至干后，以少量30%乙醇/水溶液溶解，转移到容量瓶后定容至50 mL备用。

1.3 HPLC测试

采用Agilent-1200高效液相色谱仪(美国安捷伦科技有限公司)进行HPLC测试。HPLC分离条件为：色谱柱Agilent ZORBAX Eclipse XDB-C18，4.6 nm×150 nm，3.5 μm，柱温30 ℃，流速1.0 mL/min，进样量20 μL，检测波长280、400和500 nm。流动相为甲醇(A相)、10 mmol/L甲酸水溶液(B相)，梯度洗脱。流动相配比：0～3 min，4% A；3～20 min，4%～100% A；20～25 min，100% A。

2 结果与讨论

不同浓度乙醇/水溶液提取物的HPLC分离效果(检测波长为280 nm)如图1所示。

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

从图中的曲线看，不同体积分数乙醇/水溶液对天然棕色棉提取物组分产生较大的影响。共同的特点为：保留时间3 min之内，物质的分离性能好，峰形都比较完整独立；但在7～17 min的保留时间之内，出现1个物质没有得到很好分离的馒头峰，基本验证了文献[7]研究获得的2类色素组分的定性结果。保留时间在3 min之内，不同的乙醇/水溶液提取物的组分有较大的差异。以水(不含乙醇)为提取溶剂时，保留时间为1.4 min时有一明显的物质流出，但没有其他明显物质。以30%乙醇/水溶液提取时，保留时间为1.4 min时的物质有所减少，但在保留时间为2.2 min时突然出现了明显的物质流出。随着提取溶剂中乙醇体积分数的增加，保留时间为1.4 min和2.2 min时物质含量都逐渐减少，以90%以上乙醇溶液提取时，已完全提取不到保留时间为1.4 min时的物质。在7～17 min保留时间范围内，随着乙醇体积分数的提高，馒头峰的高度逐渐减少。在馒头峰上有一系列的毛刺峰，提取溶液中含有乙醇后，毛刺峰有增多的趋势，其中在保留时间为14.9 min时，出现明显的对形毛刺峰，该毛刺峰在乙醇体积分数为30%～70%时保持了基本稳定的峰形，值得注意。从本文实验的条件看，纯水溶液是保留时间为1.4 min时物质的较好提取条件，而30%乙醇/水溶液是保留时间为2.2 min时物质的较好提取条件，同时该条件还出现了保留时间为14.9 min的毛刺峰。

图2示出检测波长分别为400 nm和500 nm获得的HPLC谱图。由于检测波长处在可见区，图2的HPLC谱图特性和天然棕色棉色素具有更紧密的相关性。在图2(a)中，保留时间为1.4 min时的物质比保留时间2.2 min时的物质具有更强的相对吸收峰，保留时间为1.7 min时出现了明显的较小的吸收峰。保留时间1.7 min时物质在图1中并不明显，说明1.7 min时的物质在可见光区比在紫外光区具有更强的相对吸收，表现出更强的色素特性。保留时间为7～17 min范围内馒头峰依然存在，但馒头峰上的毛刺峰明显减少，只有保留时间为14.9 min时的毛刺峰依然明显存在，而且转化成三形峰。这说明14.9 min处的三形峰物质对400 nm光依然具有明显的吸收特性。而其他毛刺峰在400 nm处吸收不明显，说明它们代表的物质并不是有色物质。在图2(b)中，保留时间为1.4和2.2 min的物质吸收依然明显，但保留时间为1.7 min的吸收消失，同时消失的还有保留时间为14.9 min的毛刺峰。另外，保留时间为9.6 min时出现了明显的吸收峰。从图2可看出，保留时间为1.4、1.7和2.2 min时的物质对天然棕色棉的色泽均有贡献，其中保留时间1.7 min时的物质吸收波长范围更窄(仅在400 nm吸收波长时明显出现)，从色素显色的原理看，对色泽尤其是黄色的贡献会大一些。500 nm吸收图谱中，9.6 min处的毛刺峰物质可能对红色光泽更大一些。图2的数据进一步证明了天然棕色棉色素的多组分复杂特性。

图2 不同乙醇含量提取的棕色棉色素HPLC图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，在波长为400 nm和500 nm检测时，体积分数为90%以上乙醇溶液提取物吸收很小，说明将表现出无色，这和目测一致，说明90%以上乙醇的色素提取效率很低，不适合提取天然棕色棉色素。王学德等在用甲醇尝试提取棕色棉色素时，同样未获得满意的效果[4]，与本文实验研究结果一致。

从图2的数据还可看出，天然棕色棉色素的亲水性非常强，在乙醇/水体系中，提取物的突变为30%乙醇/水溶液。和纯水提取相比，明显出现了保留时间为1.7、2.2和14.9 min左右的物质。而这些物质的提取数量，随着乙醇体积分数的提高又有所减少(保留时间为14.9 min时的物质要在乙醇体积分数超过70%时才会明显减少)。故体积分数在30%左右的乙醇提取溶液提取物质较多，综合提取效率较高。

根据液相色谱的自动峰形面积积分功能，将图1中各特征峰形进行面积积分，并将数据进行归一化处理(将同一保留时间吸收峰中的最大面积定义为1)。提取液乙醇体积分数和提取物相对含量关系结果如图3所示。从图中可明显看出，各组分提取的最高含量都在乙醇体积分数低于50%的条件下，其总体亲水性大于乙醇。用低于乙醇极性的溶剂将很难提取到棕色棉的色素物质。

图3 提取液乙醇体积分数和提取物相对含量的关系Fig.3 Relationship between relative amount of specific substances extracted and ethanol-water ratio of extracting solution

根据图3可获得各种物质的较佳提取条件。在本文的实验条件下，水溶液对保留时间为1.4 min时的物质提取最为高效，30%乙醇/水溶液对保留时间为1.7、2.2和9.6 min时的物质提取最为高效，50%乙醇/水对保留时间为14.9 min时的物质提取最为高效。这些条件可供某类棕色棉色素的较高量富集提取提供参考，但对保留时间为9.6和14.9 min时的物质，由于处于馒头峰的位置，本文实验的HPLC条件不能进行有效分离，其富集分离需要寻求更好的分离条件。

3 结 论

天然棕色棉的色素是亲水性极强的物质，体积分数为90%以上的乙醇溶液不能对色素进行有效的提取。在用乙醇/水溶液提取体系下，保留时间为1.4 min时的物质适合用水溶液提取，保留时间为1.7、2.2和9.6 min时的物质适合用30%乙醇/水溶液提取，保留时间为14.9 min时的物质适合用50%乙醇/水溶液提取。本文实验的HPLC条件仍然对一大类结构类似的物质无法进行分离，有待于进一步研究。

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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

国家自然科学基金资助项目(51373156)

罗少宏(1987—)，男，硕士。主要从事纺织品及其生态加工技术研究。周文龙，通信作者：E-mail:wzhou@zstu.edu.cn。

TS 190.2

A