双发色结构栀子蓝染料的合成

唐 旺，牟春琳，周张扬，姚金波，姜会钰

（生物质纤维及生态染整湖北省重点实验室，湖北武汉 430200）

天然色素绿色、健康、安全，日益受到关注。自然界中蓝色色素较稀少，栀子蓝来源天然，与人体相容性好，安全性高，被广泛应用于食品加工行业。栀子蓝色素主要采用微生物发酵法与两步法制备［1］。微生物发酵法将水解与合成一步完成，产品质量不高，浪费原料［2-3］；两步法以栀子苷为原料，在β-葡萄糖苷酶的作用下水解转变为京尼平，再与氨基酸发生一系列聚合、重排反应，经提纯制得栀子蓝色素。京尼平由栀子苷［4］在β-葡萄糖苷酶作用下转化生成，相对分子质量为226.23，溶点为120～121 ℃，可入药，在抗肿瘤、抗炎、治疗肝病和糖尿病方面疗效显著［5-6］；细胞毒性低、生物相容性好、抗降解能力强，可作为新型生物交联剂应用于生物材料［7］。赖氨酸是人体必需的氨基酸之一，分子式为C6H14N2O2，相对分子质量为146.19，能促进人体发育，增强免疫功能，提高中枢神经组织功能［8-9］。栀子蓝色素虽然在食品加工行业应用广泛，但是应用于纺织品上色牢度很差，难以作为染料使用［10］。

为提高栀子蓝色素在纺织品上的应用性能，在栀子蓝色素合成理论的基础上，本实验以京尼平和赖氨酸为原料合成双发色结构的栀子蓝染料。与传统栀子蓝色素相比，双发色结构的栀子蓝染料相对分子质量更大，结构对称性更好，理论上能提高与纤维的亲和力和色牢度，因此开发双发色结构的栀子蓝染料具有重要意义。

1 实验

1.1 材料和仪器

材料：京尼平（之信生物科技有限公司），赖氨酸（上海阿拉丁生化科技股份有限公司），十二水合磷酸氢二钠、二水合磷酸二氢钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、明矾（分析纯，国药集团化学试剂有限公司），羊毛织物。仪器：ZNCL-T 智能磁力搅拌器（武汉科尔仪器设备有限公司），HITACHI 液相色谱仪［天美（中国）科学仪器有限公司］，冷冻干燥机（上海豫明仪器有限公司），常温染色机（厦门瑞比精密机械有限公司），Thermo scientific Q Exactive 液质联用质谱仪（长沙新盛仪器设备有限公司），布鲁克Tensor 27 红外光谱仪（德国Bruker 公司），Specord 210 plus 紫外-可见分光光度计（德国Analytikjena 公司）。

1.2 双发色结构栀子蓝的合成

向250 mL 三口烧瓶中加入京尼平，再加入75 mL缓冲溶液，搅拌升温至30 ℃。完全溶解后，缓慢滴加25 mL 赖氨酸水溶液。升温至反应温度后搅拌一定时间，每隔1 h取样，测试吸光度。反应式如下：

1.3 染色工艺

预媒染色［羊毛织物2 g，媒染剂1%（omf），浴比1∶20，50 ℃，30 min］→充分水洗后染色［浴比1∶20，提纯后的染料0.5%（omf），pH 4，70 ℃，60 min］→水洗、皂洗、烘干。

1.4 测试

吸光度：采用紫外-可见分光光度计测定，扫描波长为200～700 nm。

纯度：采用液相色谱仪测试。

结构表征：采用红外光谱仪测试红外光谱，扫描范围为4 000～400 nm，分辨率为4 cm-1；用液质联用质谱仪测试质谱，喷涂电压为3 200 V，鞘气40 psi，离子源温度350 ℃，离子源ESI+-ms。

K/S值和颜色特征值：采用电脑测配色仪测试，D65光源，10°视角。

色牢度：耐摩擦色牢度按GB/T 3920—2008《纺织品色牢度试验耐摩擦色牢度》测定；耐日晒色牢度按GB/T 8427—2008《纺织品 色牢度试验 耐人造光色牢度：氙弧》测定；耐皂洗色牢度按GB/T 3921—2008《纺织品色牢度试验耐皂洗色牢度》测定。

2 结果与讨论

2.1 吸光度

由图1 可以看出，两种栀子蓝染料的吸光度曲线差异很大。二者均在590 nm 处有吸收峰，这是因为两种染料的发色结构相同，所以色光也相同。但两种染料结构不同，在200～350 nm 处的吸光度相差较大。二者色光差异不大，都为蓝色，但双发色结构栀子蓝在500～700 nm 处吸收明显增强，表明蓝光更强。

图1 单发色(a)、双发色(b)栀子蓝染料的吸光度

2.2 合成反应的工艺优化

2.2.1 投料比

由图2 可知，赖氨酸用量一定时，京尼平用量对合成影响较大。

图2 投料比对合成的影响

投料比为1.0∶1.0 时，吸收峰在590 nm 左右，吸光度约为0.3，表明在此条件下，生成物主要为单发色结构栀子蓝；投料比为1.5∶1.0 时，生成物开始有双发色结构栀子蓝；投料比为2.0∶1.0 和3.0∶1.0 时，吸收峰增幅不大，此时生成物以双发色结构栀子蓝为主。考虑成本因素，投料比选择2∶1。

2.2.2 pH

由图3 可以看出，随着pH 升高，590 nm 处的吸光度值逐渐降低，表明碱性条件不利于反应的进行。京尼平的酯基容易在碱性条件下水解，水解后的京尼平电子云密度改变，不能再与赖氨酸发生反应。因此pH 选择7。

图3 pH 对合成的影响

2.2.3 温度

由图4 可知，随着温度升高，吸光度随之升高，并在80 ℃达到最大值。此后，进一步升高温度，吸光度反而降低，原因是京尼平容易在高温下发生聚合反应［11］。因此温度选择80 ℃。

图4 温度对合成的影响

2.3 生成物的分离提纯

由图5可知，吸附后栀子蓝的纯度明显提高。

图5 吸附前(a)、后(b)的液相色谱图

图5a 中的杂峰是单发色结构的栀子蓝，可与双发色结构的栀子蓝一起析出。因两种物质结构相似，较难分离，用大孔吸附树脂吸附后只有一个单峰（见图5b），说明大孔吸附树脂可以有效分离单发色与双发色结构的栀子蓝。

2.4 结构表征

2.4.1 IR

由图6 可知，单发色和双发色结构栀子蓝大部分基团相同，均在3 400、1 590、1 350 nm 处有强吸收峰。3 400 nm 处为O—H 的伸缩振动峰，1 590 nm 处为C—N 的伸缩振动峰，1 350 nm 处为—CH2—的弯曲振动峰。单发色结构栀子蓝在1 622 nm 处有—NH2的弯曲振动峰，而双发色结构栀子蓝没有这个吸收峰，表明赖氨酸的两个氨基均已发生反应。

图6 双发色(a)、单发色(b)结构栀子蓝的红外光谱

2.4.2 MS

栀子蓝的质谱见图7。

图7 栀子蓝的质谱

图7 中出现质荷比为527.238 的强峰，由于测试条件为正离子源，真实质荷比为526.000，是双发色结构栀子蓝的相对分子质量，509.228 的峰为双发色结构栀子蓝的碎片离子峰，337.175 的强峰为单发色结构栀子蓝的相对分子质量，真实质荷比为336.000。

2.5 染色效果

双发色结构栀子蓝染色羊毛织物的K/S值为1.288 4，L值 为67.880 0，a值 为-2.790 0，b值 为-8.200 0。由表1 可知，耐摩擦色牢度、耐皂洗色牢度都已达标，只有耐日晒色牢度有待提升。

表1 双发色结构栀子蓝的染色牢度

3 结论

双发色结构栀子蓝优化合成工艺：投料比n（京尼平）∶n（赖氨酸）=2∶1，pH 7，温度80 ℃；染料经大孔吸附树脂吸附后提纯效果较好；分析IR 与MS 可准确表达双发色结构栀子蓝的结构特点；合成的双发色结构栀子蓝上染羊毛织物效果较好。未来应着眼于提高双发色结构栀子蓝的溶解性，提升染色后织物的耐日晒色牢度。