马钱苷结构修饰产物对真丝绸的染色性能

于 颖

(辽东学院化工与机械学院，辽宁丹东 118000)

已有研究表明环烯醚萜类化合物能够与蛋白质纤维发生呈色反应[1-2]，形成底物-染料-颜色的“三位一体”[3]，染色牢度很高。但由于环烯醚萜类化合物种类有限，到目前为止有关其作为蛋白质纤维染料的研究却较少，所以深入研究并开发天然环烯醚萜类染料对纺织印染行业具有现实意义。大宗植物山茱萸中含有的主要环烯醚萜类化合物马钱苷[4-5]，是最常见的环烯醚萜类糖苷之一，分子式如图1所示，因具有较强的抗炎功效，被广泛的应用在医药领域中。山茱萸在中国很多地区均有分布，为马钱苷的产业化制备提供了丰富的材料来源。

图1 马钱苷分子式Fig.1 Molecular formula Longanin

环烯醚萜类化合物结构比较简单，可修饰性强。本文尝试将马钱苷通过苯甲酰氯酰化反应进行简单的结构修饰，在其分子中引入新的助色基团，以改变其与底物发生交联反应所呈现的颜色[6]，获得与天然产物母核相似的衍生物后用于真丝绸的染色，从而达到增加环烯醚萜类化合物种类和拓宽此类染料色谱范围的目的。本文的研究旨在为蛋白质纤维天然染色材料来源提供新的途径，为开发具有抑菌效果的功能型染色纺织品提供数据支撑。

1 实 验

1.1 材料与仪器

实验材料：100%柞蚕丝织物(平方米质量 71 g/m2，杭州方大丝绸有限公司)。马钱苷和马钱苷元(纯度不少于98%，成都普瑞法科技开发有限公司)；β-葡萄糖苷酶(上海生化试剂有限公司)，PBS(上海逍鹏生物科技有限公司)；苯甲酰氯(上海麦克林生化科技有限公司)；AgNO3、氢氧化钠、醋酸、苯甲酰氯、三乙胺、二氯甲烷、盐酸、无水硫酸钠、乙醚，均为分析纯，购自武汉三合顺化工有限公司。

实验仪器：MicrOTOF-Q III电喷雾质谱仪(深圳市鸿永精仪科技有限公司)；752N型紫外可见分光光度计(济南好来宝医疗器材有限公司)；YS6010 台式分光测色仪(上海骄雷自动化科技有限公司)；FA224电子分析天平(迅特尔(南通)科学仪器有限公司)；PHS-3C型实验室数显式酸度计(郑州宏创环保科技有限公司)；AS-24型常温小样染色机(武汉荣测仪器有限公司)；THZ-312台式恒温水浴振荡器(常州润华电器有限公司)；G238E型摩擦色牢度仪(江苏富红科技有限公司)；YG611型日晒色牢度仪(常州新纺检测仪器设备有限公司)；YN-SX-8耐水洗牢度测试仪(东莞市南粤实验设备有限公司)；DHP-9052电热恒温培养箱(无锡马瑞特科技有限公司)；BKQP-50L高压蒸汽灭菌器(济南来宝医疗器械有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 马钱苷的结构修饰

将马钱苷、苯甲酰氯和三乙胺按摩尔比1.0∶1.1∶1.1依次投入250 mL三口瓶中(其中马钱苷为0.4 g，已用100 mL二氯甲烷溶解)，在冰水浴中磁力搅拌至完全反应后减压回收溶剂。产物溶解于蒸馏水中，用150 mL二氯甲烷分3次萃取，再用1.5 mol/L 的盐酸溶液洗涤中和有机相体系中的三乙胺，用无水硫酸钠干燥0.5 h，减压回收溶剂，即得马钱苷结构修饰产物(见图2)。

图2 马钱苷修饰产物的合成Fig.2 Synthesis of Loganin modification products

1.2.2 马钱苷结构修饰产物酶水解

称取马钱苷结构修饰产物4 g，加入pH=5.0 的醋酸盐缓冲溶液50 mL，溶解后再加入80 mg β-葡萄糖苷酶于50 ℃水浴2 h，用乙醚将水解液萃取3次,每次50 mL，合并有机相，再经饱和氯化钠溶液洗涤，无水硫酸钠干燥、浓缩、重结晶后得到产物(见图3)；采用ESI-MS[7]对产物分子质量进行测定，如果所测分子质量与马钱苷结构修饰产物苷元分子质量吻合，则可以判断为目标产物。

图3 马钱苷结构修饰产物酶水解Fig.3 Enzymatic hydrolysis of structure modified products of Loganin

1.2.3 丝素蛋白溶液的制备

将1 g柞蚕丝投入装有20 mL 0.05mol/L NaHCO3溶液的锥形瓶中，在100 ℃水浴中煮3次，每次4 min，完全去除丝胶后，清水洗净烘干，再放入50 mL(CaCl2、水、乙醇的摩尔比为1∶8∶2)三元溶液，80 ℃水浴完全至溶解，自然冷却后透析96 h，以除去CaCl2、乙醇等杂质，得到的纯丝素蛋白溶液在转速为4000 r/min的离心机中离心0.5 h，去除溶解透析过程中产生的杂质。AgNO3检测合格后，溶液浓度用Bradford法[8]测定。

1.2.4 马钱苷结构修饰产物苷元染色真丝绸

称取每份1 g的真丝绸样品于45 ℃蒸馏水中浸泡20 min，取出分别置于三角瓶中，再分别加入50 mL不同pH值溶液(pH值为3.0～6.5选取醋酸溶液；pH值为7.0～8.5选取PBS缓冲溶液；pH值为9.0～11.0在碳酸氢钠和氢氧化钠溶液中进行)，在马钱苷结构修饰产物苷元质量分数1%～10%(以真丝绸干质量为计)，染色温度25～50 ℃、染色时间0.5～6 h条件下进行染色试验，清洗后晾干。测定染色样品K/S值，以确定最佳染色条件。

1.2.5 UV-vis分析

称取马钱苷元和马钱苷结构修饰产物苷元各15 mg置于试管中，分别用5 mL蒸馏水溶解后，再分别加入由1.2.4实验中筛选出的pH值溶液 5 mL，在35 ℃水浴震荡20 min后，分别加入浓度为1 mg/mL的丝素蛋白水溶液3 mL，继续震荡6 h，观察颜色变化。采用UV-vis测量不同反应时间内吸收波长变化情况。通过对比，考察马钱苷元及马钱苷结构修饰产物苷元与丝素蛋白溶液在同样的呈色反应体系中特征吸收波长的变化。

1.2.6 测试方法

a)K/S值测试

染后样品折叠4层，利用YS6010分光测色仪测定K/S、L*、a*、b*、c*、h*值。

b)染色真丝绸色牢度的测试

皂洗牢度按照GB/T 3921-2008《纺织品 色牢度试验 耐皂洗色牢度》进行测定。试样大小为 100 mm×40 mm，皂洗条件: 中性洗涤液2 g/L，温度40 ℃，时间15 min，浴比1∶20。采用国标GB/T 251-2008《纺织品色牢度试验 评定褪色用灰色样卡》对织物进行沾色评定。

摩擦色牢度按照GB/T 3920-2008《纺织品 色牢度试验 耐摩擦色牢度》测定。摩擦用布选择同样的柞蚕丝绸，采用国标GB/T 251-2008《纺织品 色牢度试验 评定褪色用灰色样卡》对摩擦用布进行沾色评定。

日晒牢度按照GB/T 8427-2008《纺织品 色牢度试验 耐人造光色牢度：氙弧》测定。在测试温度43 ℃，湿度52%条件下，将100 mm×50 mm大小的试样，一半遮盖起来，另一半在人造光下照射40 h，采用国标GB/T 251-2008《纺织品色牢度试验 评定褪色用灰色样卡》对摩擦用布进行沾色评定。

c)抗菌性测试

染色真丝绸的抗菌性按照GB/T 20944.3-2008《纺织品抗菌性能的评价第3部分：振荡法》进行测定。

2 结果与讨论

2.1 马钱苷结构修饰原理

天然环烯醚萜化合物可通过酯水解、苷交换等简单的结构修饰，获得与天然产物母核相似的衍生物。马钱苷属于闭环环烯醚萜，含有烯-醚键六元环结构。如图2所示，本研究中马钱苷结构修饰主要是通过苯甲酰氯酰化反应后分子中引入了一个π-π发色基团，生成了C-6位的衍生物，与天然环烯醚萜母体相比，结构修饰衍生物的呈色基团的共轭体系会变长，分子能量会降低，所以在同样的呈色反应体系中，生成色素的颜色却不相同，即助色基团改变了马钱苷与底物发生交联反应所呈现的颜色，从而达到扩充色谱范围的目的。

2.2 马钱苷结构修饰产物对真丝绸染色影响因素

2.2.1 pH值对染色效果的影响

设定马钱苷结构修饰产物苷元用量为真丝绸质量的7%，在染色温度35 ℃，染色时间6 h条件下，考察pH值对真丝绸染色效果的影响，结果见表1。从表1可以看出，pH值对染色效果的影响十分明显，在不同的pH值溶液中，马钱苷结构修饰产物苷元染色真丝绸的颜色差异较大。在醋酸溶液中，pH值为3.0～4.0之间染色真丝绸的颜色没有变化，说明没有发生反应。这是因为马钱苷结构修饰产物苷元在强酸条件下不稳定，在溶液中发生了聚合，失去了染色功能。当pH值达到4.5时染色真丝绸的颜色呈现浅蓝色，K/S值较小，pH值达到5.0时染色真丝绸的颜色变为蓝色，K/S值明显增大，之后K/S值增长趋势均较为缓慢，染色真丝绸颜色由蓝色变为蓝紫色。这是因为马钱苷结构修饰产物苷元在弱酸性条件下也不太稳定，有微量的聚合，影响了呈色反应。在pH值为7.0～8.5的PBS缓冲溶液中，染色真丝绸的颜色由浅绿色变为稳定均匀的绿色，染色样品的K/S值达到最大；在pH值为9.0～11.0的碳酸氢钠与氢氧化钠溶液中，K/S值逐渐减小，直至pH值为11.0时，染色真丝绸无色，说明呈色反应不再进行。虽然试验结果表明马钱苷结构修饰产物苷元在弱酸性或弱碱性的条件下均可与真丝绸进行呈色反应，但在弱碱性pH值7.5～8.0的PBS缓冲溶液中染色真丝绸的K/S值最高，匀染性更好，颜色更纯正。所以，马钱苷结构修饰产物苷元更适合在pH值7.5～8.0的PBS缓冲溶液中对真丝绸进行染色。

表1 真丝绸在不同pH值溶液中的颜色特征值Tab.1 Colour characteristic values of real silk in different pH solutions

2.2.2 马钱苷结构修饰产物苷元用量对染色效果的影响

设定马钱苷结构修饰产物苷元染色温度35 ℃，在pH=7.5的PBS缓冲溶液中将真丝绸样品染色6 h，考察马钱苷结构修饰产物苷元用量对真丝绸染色效果的影响，结果见表2。由表2可知，当马钱苷结构修饰产物苷元的用量小于真丝绸质量的3%时，修饰产物六元环上受真丝绸中氨基亲核基团攻击的C原子数较少，形成的能与真丝绸中氨基反应的醛基活性基团很少，K/S值较小，染色真丝绸的颜色由无色逐渐变为浅绿色；当马钱苷结构修饰产物苷元的用量为真丝绸质量的4%～5%时，K/S值增加幅度较大，染色真丝绸的颜色变为绿色，之后增加马钱苷结构修饰产物苷元的用量染色真丝绸的K/S值稳定不变。说明在此范围用量下，上染到真丝绸的染料趋于饱和，与真丝绸中氨基反应的醛基活性基团数已足够多，分子无新的过渡态中间体形成，这些中间体也就不存在因自身的不稳定与氨基进一步反应而形成新的发色基团，染色织物呈现出均匀稳定的绿色。考虑到马钱苷结构修饰产物苷元用量少，真丝绸达不到染色效果，同时还要避免马钱苷结构修饰产物苷元用量过多而造成的染料浪费，所以选择马钱苷结构修饰产物苷元的用量为真丝绸质量的5%。

表2 不同马钱苷结构修饰产物苷元的用量下染色织物的颜色特征值Tab.2 Colour characteristic values of dyed fabrics at different amounts of Loganin structural modification product aglycone

2.2.3 染色温度对染色效果的影响

设定马钱苷结构修饰产物苷元用量为真丝绸质量的5%，在pH=7.5的PBS缓冲溶液中将真丝绸染色6 h，考察温度对染色真丝绸K/S值的影响，结果见表3。由表3可知，马钱苷结构修饰产物苷元在30 ℃以下，染色真丝绸的K/S值较小，这是由于温度低，反应没有进行完全，马钱苷结构修饰产物苷元上染真丝绸的量较少。继续升高温度，K/S值增加的幅度较大，在温度35～40 ℃之间，马钱苷结构修饰产物苷元染色真丝绸的K/S值达到最大，染色真丝绸呈现均匀稳定的绿色，说明呈色反应已进行完全。之后升高温度，K/S值下降幅度较大，至50 ℃ 染色真丝绸无色。这是因为马钱苷结构修饰产物苷元在常温下比较稳定，超过40 ℃其稳定性变差，对真丝绸的上染率下降较为明显，导致染色真丝绸的K/S值大幅度降低，直至50 ℃马钱苷结构修饰产物苷元彻底失去染色能力。可见温度是影响染色效果的一个关键因素，不仅影响了呈色反应的进程，还影响到染色真丝绸的颜色，原因是修饰产物苷元与蛋白质纤维在呈色反应中，受到温度的影响，分子形成的过渡态中间体不稳定，与蛋白质分子间形成新的发色基团，呈现了不同的颜色变化。试验结果表明反应温度控制在35～40 ℃之间，真丝绸的染色效果最好。

表3 不同染色温度下染色织物的颜色特征值Tab.3 Colour characteristic values of dyed fabrics at different dyeing temperatures

2.2.4 染色时间对染色效果的影响

设定马钱苷结构修饰产物苷元用量为真丝绸质量的5%，在温度35 ℃，pH=7.5的PBS缓冲溶液中染色，考察染色时间对染色真丝绸K/S值的影响，结果见表4。由表4可知，在0.5～3.0 h 时间内，染色真丝绸的K/S值缓慢增大，颜色由浅黄色变为橙黄色。随着染色时间进一步延长，染色真丝绸的K/S值增大趋势较为明显，颜色也不断加深，当染色时间为5.0 h时K/S值达到最大，染色真丝绸呈现均匀稳定的绿色，之后染色真丝绸的K/S值无变化。试验结果说明了马钱苷结构修饰产物苷元与真丝绸染色反应5.0 h就已经完成，延长染色时间对染色效果无影响。

表4 不同染色时间下染色织物的颜色特征值Tab.4 Colour characteristic values of dyed fabrics at different dyeing times

2.3 马钱苷结构修饰产物苷元与丝素蛋白反应产物的UV-vis分析

马钱苷元及马钱苷结构修饰产物苷元与丝素蛋白水溶液呈色反应UV-vis光谱分析结果如图4和图5所示：反应前，马钱苷元的特征吸收峰在 239 nm 处，马钱苷结构修饰产物苷元的特征吸收峰则在241 nm处，丝素蛋白溶液在215 nm和280 nm处具有肽键吸收峰及典型的蛋白质吸收峰，可见光区均无吸收[9]。反应进行初期，两种反应液的吸收光谱变化基本一致，即呈色反应进行30 min后，原来各自的紫外吸收峰降低，反应液由无色变为浅黄色；60 min后反应液在239 nm和241 nm处的特征吸收峰完全消失，反应液呈现黄色。当反应进行至180 min后，两种呈色反应吸收光谱有了较大区别，马钱苷元与丝素蛋白反应液在430 nm处出现新的吸收峰，反应液呈现橙黄色。5.0 h后，在650 nm处又出现一处新的特征吸收峰，反应液呈现最终的黄绿色；而马钱苷结构修饰产物苷元与丝素蛋白则于180 min后在465 nm处出现新的吸收峰，反应液呈现橙黄色，5.0 h后，在670 nm处出现新的特征吸收峰，溶液呈现绿色，随着时间的进一步延长465 nm和670 nm处的2个吸收峰不再变化，溶液呈绿色。

图4 马钱苷元与丝素蛋白溶液反应紫外可见光谱Fig.4 UV-Vis spectra of the reaction between Loganin and silk protein solution

图5 马钱苷结构修饰产物与丝素蛋白溶液反应紫外可见光谱Fig.5 UV-Vis-spectra of the reaction between Loganin and silk protein solution

试验结果进一步验证了，马钱苷元结构中引入新的助色基团，使呈色基团的共轭体系变长，分子能量降低，生成色素的特征吸收波长向长波发生了偏移，特征吸收波长变大，颜色产物也发生了改变。

2.4 染色真丝绸色牢度测定

色牢度是评价染料染色效果的重要指标，最佳染色条件下的真丝绸色牢度测试结果如表5所示，马钱苷修饰产物苷元与真丝绸发生呈色反应所生成的颜色产物除了耐晒色牢度为3～4级，其余各项牢度均达到了5级。马钱苷修饰产物苷元染色真丝绸，是通过其与蛋白质纤维的交联反应而形成纤维-染料-颜色的“三位一体”[10]，所以耐皂洗和耐摩擦染色牢度较高。而耐晒牢度稍差是因为环烯醚萜在呈色过程中通过颜色中间体偶联形成的有色基团中含有大量的非芳香烃不饱和双键，在光照时易发生不饱和双键的断裂，从而引起褪色[9]，但可以满足服用牢度要求。

表5 染色真丝绸色牢度Tab.5 Colour fastness of dyed silk

2.5 染色真丝绸的抗菌性能分析

马钱苷具有医疗保健作用，其修饰产物苷元作为染料所具有的抑菌性能对开发其功能性纺织产品具有重要意义。本研究对最佳染色条件下马钱苷修饰产物苷元染色的真丝绸进行抗菌性能试验，其大肠杆菌和金黄葡萄球菌洗涤次数和光照时间对抑菌率的影响分别见图6和图7。由图6可知，马钱苷修饰产物苷元对大肠杆菌和金黄葡萄球菌均具有抗菌作用，染色后的真丝绸的抗菌性能较好，金黄葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率分别为80.64%和 83.19%，高于标准规定的不低于70%，可见马钱苷修饰产物苷元能够使细菌失去活性，使染色真丝绸具有较好的抑菌效果，经过20次洗涤后，染色真丝绸的抑菌率仍有20%～30%以上的抗菌作用。由图7可知，随着光照时间的延长，染色真丝绸的抗菌性能也逐渐下降，染色真丝绸经60 min光照后，大肠杆菌的抑菌率由83.19%下降到57.52%，金黄葡萄球菌由80.64%下降到62.84%。光照10 h后，染色真丝绸对大肠杆菌和金黄葡萄球菌的抑菌率分别为16.41%和25.83%，染色织物抗菌性能的降低与生成的带颜色的产物耐光照牢度稍差有直接的关系，长时间的光照使其稳定性受到影响，从而造成其抗菌性能降低。但染色真丝绸仍然具有一定的抗菌功效。

图6 染色真丝绸洗涤抗菌性能试验结果Fig.6 Results of dyeing silk washing and antibacterial performance tests

图7 光照时间对染色真丝绸抗菌性能影响Fig.7 Effect of light time on the antibacterial properties of dyed silk

3 结 论

天然环烯醚萜类化合物结构修饰是开发其作为蛋白质染料的重要途径。本文通过对环烯醚萜类化合物马钱苷的结构修饰及染色真丝绸的研究得到如下结论：

a)马钱苷通过苯甲酰氯酰化反应，得到了与环烯醚萜母体结构相似的目标衍生物，修饰方法十分简单。π-π发色基团的引入，使呈色基团的共轭体系变长，分子能量降低，形成了不同颜色的色素，达到了扩充色谱范围的目的。修饰产物苷元具备优良的染色性能，整个染色过程比较复杂，其实质是马钱苷修饰产物苷元与蛋白质纤维中氨基反应过程中，形成了复杂的发色体，六元环上引入了的π-π发色基团在染色时起着助色基团的作用，对染色性能影响很大。

b)马钱苷修饰产物苷元染色适宜的染色条件为：在pH为7.5～8.0的磷酸盐缓冲溶液中，马钱苷修饰产物苷元用量为真丝绸质量的5%，染色温度35～40℃，染色时间为5h，染色真丝绸具有很高的色牢度和一定的抗菌效果，水洗和光照试验结果表明金黄葡萄球菌的抑菌作用好于大肠杆菌。

c)马钱苷修饰产物苷元染色真丝绸反应条件温和，颜色稳定，环境污染少，可以开发成为具有一定抑菌效果的新型蛋白质纤维染料。