指甲花杆色素的提取及其对羊毛织物的染色

黄 艳，阎克路,2，李 戎,2，纪柏林,2，胡春艳,2

(1.东华大学 化学化工与生物工程学院，上海 201620； 2.国家染整工程技术研究中心，上海 201620)

植物色素来源广泛，可再生、生物降解性好，具有独特的香味和颜色。一部分植物色素还具有天然有益的特性，如抗菌、抗紫外线以及抗病毒等[1-3]。从目前人们对染色织物的要求来看，天然染料的各项指标与性能和环保要求越来越契合，因此天然植物染料的开发成为近些年来染料发展的热点方向之一[4-6]。贾丽霞等[7]采用传统水煮法对指甲花色素进行提取并对毛织物进行染色研究，发现传统水煮法存在提取效率低的问题。李瑞玲等[8]采用4种不同的溶剂对指甲花色素的提取工艺进行了研究，但有机溶剂的使用存在对环境污染严重的问题。本文研究采用亚临界水对指甲花色素进行提取，是由于水在亚临界条件下具有与有机溶剂相似的性质[9-11]。与传统的有机溶剂提取法相比较，该提取方法具有耗时短且不用有机溶剂的优势。由于指甲花及其花杆成分复杂，含有香豆素类、酮类、黄酮类等化学成分，并具有较强的生理活性，因此研究进一步将提取的天然指甲花色素用于羊毛织物的染色，安全无毒，同时可赋予羊毛织物抑菌和抗紫外性能，具有较好的开发应用前景。

1 实验部分

1.1 实验材料

羊毛坯布(144 g/m2，新疆如意纺织服装有限公司)，指甲花杆(新疆本草堂中药饮品有限公司)，蒸馏水。

1.2 实验仪器

RY-25012型常温型染样机(上海龙云电子科技有限公司)、DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器(巩义市予平仪器公司)、Datacolor型计算机测色配色仪(美国Datacolor公司)、Y571B型耐摩擦色牢度测试(温州大荣纺织仪器厂)、皂洗牢度试验仪(台湾Rapid公司)、FR224CN型电子天平(奥豪斯仪器常州有限公司)、TU-1901型双光束紫外分光光度计(北京普析通用仪器有限公司)、UV-1000F纺织品抗紫外因子测定仪(美国Labsphere公司)。

1.3 指甲花色素的提取工艺

将洗净的指甲花杆在烘箱中烘干，然后用粉碎机将烘干的指甲花杆粉碎成粉末。称取指甲花杆粉末2 g，加入50 mL去离子水，将混合物放入内衬聚四氟乙烯高温高压反应釜中，在5、10、15、20和25 min条件下以110、120、130、140和150 ℃的温度提取得到指甲花杆色素提取液。

1.4 羊毛织物的直接染色工艺

羊毛织物浸染染色→水洗→皂洗→水洗→晾干。将1 g羊毛织物投入到浴比为1∶50、pH值为4.0及用量为50 mL的指甲花杆色素提取液中，以 1 ℃/min升温至100 ℃后染色50 min，然后以 2 ℃/min降至常温，取出织物，水洗5 min，中性皂洗液皂洗10 min，水洗5 min，自然晾干。染色工艺曲线见图1。

图1 羊毛织物直接染色工艺曲线

1.5 性能测试

1.5.1 吸收波长

将提取的指甲花色素稀释一定倍数后，用紫外—可见分光光度计于400～800 nm范围内扫描，确定其最大吸收波长。

1.5.2 染色深度值(K/S值)

在Datacolor测色配色仪上测定染色织物的染色深度值(K/S值)，染色织物的K/S值越大，表明织物所染的颜色越深。测试条件为染色织物4层，D65光源，10°标准视场，扫描范围360～700 nm，读取最大吸收波长数据，读取4次取平均值。

1.5.3 色牢度

耐摩擦色牢度参照GB/T 3920—2008《纺织品 色牢度试验 耐摩擦色牢度》测试。

耐洗色牢度参照GB/T 3921—2008《纺织品 色牢度试验 耐皂洗色牢度》测试。

1.5.4 微生物抑制性能

参照GB/T 20944.3—2008 《纺织品 抗菌性能的评价 第3部分：振荡法》进行测试。首先剪取0.75 g 织物(剪碎至5 mm×5mm)放入250 mL烧瓶中，加入70 mL缓冲溶液和5 mL菌液(金黄色葡萄球菌，细菌浓度在2.5×105～3.0×105cfu/mL)，旋好瓶塞后放入恒温振荡器中，在 37 ℃条件下振荡0.5 h或18.0 h。然后以10倍稀释法系列稀释至合适倍数，用移液枪取100 μL滴在培养基上，37 ℃恒温恒湿培养18 h，记录菌落数量。以原布为对照样，按照下式计算其抑菌率R：

式中：N1为培养一定时间后对照样的菌落数量；N2为培养一定时间后试样的菌落数量。

1.5.5 抗紫外线性能

参照GB/T 18830—2009《纺织品 抗紫外线性能的评价》测试。

2 结果与讨论

2.1 指甲花杆色素提取液的吸收光谱曲线

称取2 g植物固体粉末，加入50 mL去离子水，将混合物放入内衬聚四氟乙烯高温高压反应釜中，在温度150 ℃条件下提取20 min得到植物色素提取液。通过测试得到提取液在400～800 nm范围内的吸光度值，并作出吸收光谱曲线，指甲花杆色素提取液吸收光谱曲线如图2所示。

图2 指甲花杆色素提取液吸收光谱曲线

指甲花杆为棕黄色。由图2可见，指甲花杆色素在可见吸收区内无最大吸收峰，呈现平缓的下降趋势。当物质吸收波长为460 nm的光后所呈现的颜色为橙黄色，而将所提取的色素稀释至适当倍数测其吸光度时，溶液颜色也为棕黄色，故选择460 nm为测量波长。该研究中提取工艺的选择以及理化性质的测定方面，均以460 nm为测量波长进行讨论。

2.2 提取温度对提取液吸光度的影响

提取温度对指甲花杆色素提取液吸光度的影响如图2所示。提取条件：2 g指甲花杆粉末，50 mL蒸馏水，提取时间20 min。

图3 提取温度对提取液吸光度的影响

从图3可以看出，在提取温度分别为110、120、130、140和150 ℃时，吸光度平均值分别为0.456、0.499、0.537、0.589和0.577，随着提取温度的增加，提取液的吸光度在不断增加。但随着提取时间的梯度增加，吸光度的增幅不断下降，在140 ℃后几乎不变。由此可见，提取温度的增加能提高提取液的吸光度，但增幅在不断降低。因此，140 ℃为最佳提取温度，本文实验选用140 ℃作进一步研究。

2.3 提取时间对提取液吸光度的影响

提取时间对指甲花杆色素提取液吸光度的影响如图4所示。提取条件：2 g指甲花杆粉末，50 mL蒸馏水，提取温度140 ℃。

图4 提取时间对提取液吸光度的影响

从图4可以看出，随着提取时间的延长，提取液的吸光度在不断增加。在5、10和15 min时的吸光度平均值分别为0.449、0.511、0.577，但是随着提取时间的进一步延长，到达20 min后，吸光度不再显著增加。因此，考虑到实验的时间效率问题，选择15 min为指甲花杆色素提取液的最佳提取时间。实验选用15 min的提取时间作进一步研究。

2.4 指甲花杆粉末用量对提取液吸光度的影响

指甲花杆粉末用量对提取液吸光度的影响如图5所示。提取条件：50 mL蒸馏水，提取时间15 min，提取温度140 ℃。

从图5可以看出，指甲花杆粉末用量分别为1、2、3和4 g时的吸光度平均值分别为0.296、0.589、0.623和0.768，其吸光度值不断增加。但在粉末用量4 g后趋于平稳，粉末用量从1 g增加到2 g时，吸光度值增加率为98.9%；粉末用量从3 g增加到4 g时，吸光度值增加率为23.3%；粉末用量从4 g增加到5 g时，吸光度值几乎不再增加。可以看出吸光度值随指甲花杆粉末用量的增加而增加后趋于稳定。因此，提取的最佳粉末用量为4 g，本文实验将选取4 g粉末用量进行研究。

2.5 染色后羊毛织物的性能测试

2.5.1 染色后羊毛织物的K/S值及色牢度

将最佳条件下提取得到的染液，即指甲花杆粉末4 g，蒸馏水50 mL，提取时间15 min，提取温度140 ℃的条件下得到的染液，对羊毛织物进行直接染色。染色条件：染色温度100 ℃，染色时间50 min，pH值为4.0。在此条件下，分别对染后织物的耐干摩擦色牢度、耐湿摩擦色牢度以及耐皂洗色牢度进行测定，结果如表1所示。

表1 染色后羊毛织物的色牢度

从表1可以看出，染色后羊毛织物的K/S值为10。染色后织物的耐干湿摩擦色牢度和皂洗色牢度值都在4级及以上。可知染色后羊毛织物具有良好的色牢度。

2.5.2 染色后羊毛织物的微生物抑制性能

羊毛织物染色前后对微生物的抑制性能结果如图6所示。

图6 羊毛织物染色前后的微生物抑制性能

由图6可以看出，染色后的羊毛织物菌落数要少于未染色的羊毛织物菌落数。通过抑菌率公式计算得知，经过染色后的羊毛织物对金黄色葡萄球菌的抗菌率为25%。因此可以得出，经过指甲花杆提取液染色后的羊毛织物对微生物具有一定的抑制作用。

2.5.3 染色后织物的抗紫外线性能

按照1.4的实验步骤，对经过处理后的织物进行染色，然后测试染色后织物的抗紫外线性能。染色前后织物的抗紫外线性能测试结果见表2。

表2 染色前后织物的抗紫外线性能

由表2可以看出，经过指甲花杆提取液染色后的羊毛织物的UPF值远大于未染色的羊毛织物。未染色织物的T(UVA)和T(UVB)，分别为11.34%和1.56%，大于染色后的羊毛织物。染色后织物的UPF值为468，远大于50，T(UVA)远小于5%，说明经过指甲花杆提取液染色后的羊毛织物具有优良的抗紫外线效果。

3 结 论

①用亚临界水法提取指甲花杆色素操作简单、提取效果好。指甲花杆色素最佳提取工艺为：50 mL蒸馏水，指甲花杆粉末用量为4 g，提取时间为15 min，提取温度为140 ℃。

②指甲花杆色素提取液可以对羊毛进行直接染色，染色最佳工艺条件为：染色温度100 ℃、染色时间50 min，染液pH值为4.0。而且指甲花杆色素对羊毛染色织物的耐皂洗色牢度、耐干湿摩擦色牢度都比较好，达到4～5级。

③采用指甲花杆色素提取的染液染色后的羊毛织物对微生物具有一定的抑制作用，抗紫外线性能优良，UPF值达468。