乙醇/水溶液對天然棕色棉色素提取的影響

羅少宏, 馬明波， 傅科杰， 唐志榮， 周文龍

(1. 浙江理工大學 材料與紡織學院, 浙江 杭州 310018; 2. 寧波出入境檢驗檢疫局， 浙江 寧波 315192)

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乙醇/水溶液對天然棕色棉色素提取的影響

羅少宏1, 馬明波1， 傅科杰2， 唐志榮1， 周文龍1

(1. 浙江理工大學 材料與紡織學院, 浙江 杭州 310018; 2. 寧波出入境檢驗檢疫局， 浙江 寧波 315192)

為研究天然棕色棉色素的有效提取條件，對乙醇/水溶液體系提取天然棕色棉色素的組分進行了研究。不同濃度乙醇溶劑對棕色棉色素的提取組分有明顯影響。研究表明：棕色棉色素提取物的有色成分分為較易分離(保留時間1～5 min)和難分離(保留時間7～17 min)2部分；棕色棉色素具有很強的親水特性，體積分數為90%以上乙醇水溶液的提取效率很低，不適宜對棕色棉色素物質的提取；純水溶液適合保留時間為1.4 min色素物質的提??；體積分數為30%乙醇/水溶液適合保留時間為1.7、2.2和9.6 min色素物質的提??；體積分數為50%乙醇/水溶液適合保留時間為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； 高效液相色譜

天然棕色棉是目前應用較廣的天然彩色棉，其色澤較穩定，具有抗菌以及一定的阻燃和紫外線防護性能[1-3]。對天然棕色棉色素組分、結構的研究是非常有意義的課題。王學德等采用HNO3/乙醇(體積比為1∶4)對天然彩色棉色素進行提取，建立了一種定性測定天然彩色棉色素含量的方法[4]，并通過化學和紫外線圖譜分析，判定天然棕色棉色素含有黃酮化合物[5]。詹少華等用NaOH水溶液對棕色棉色素進行提取和結構的化學和圖譜分析，認為棕棉色素含有單寧物質氧化形成的醌類化合物[6-7]，是棉纖維發育后期縮合單寧接觸空氣氧化的結果。馬明波等采用70%乙醇/水溶液，成功實現了對部分天然棕色棉色素的提取[8-9]，并證明了提取物具有縮合單寧的性質。研究表明聚酰胺柱可對天然棕色棉色素分段富集，通過高效液相色譜(HPLC)和柱分離技術，證明天然棕色棉色素具有2類不同性質的組分，一類是反相HPLC可分離的2種有色物質和1種無色物質，另一類是反相HPLC不可分離的結構十分相似的多酚類化合物[9]，進一步確認了天然棕色棉色素的復雜性。天然棕色棉可由水溶液提取獲得，在pH=14的情況下可實現棕色棉色素的高效提取，但高堿性條件會使棕色棉色素組分產生結構不可回復的變化[10]。HNO3作為一種具有氧化性能的化學制劑，HNO3/乙醇提取物顯然將使色素的組分發生變化，研究獲得的結果反映的可能并不是色素的原始結構[4]。研究結論不同，顯然與提取方法、研究方法以及天然棕色棉色素的結構復雜性及不穩定性有關，可能只是反映了棕色棉色素的一方面性質。如何使天然棕色棉色素在有效提取的情況下又不發生結構的變化，是研究天然棕色棉色素結構組分的關鍵。從現有的研究方法看，中性水溶液是比較安全的一種提取方法，70%乙醇/水溶液不僅可實現色素的提取[6-7]，而且提取物被證明具有抗菌性[1]，因而乙醇/水溶液體系對天然棕色棉色素的提取性能獨特，本文對其提取組分影響的研究，可為天然棕色棉色素的提取、分離和結構研究提供重要參考。

1 實驗材料與測定方法

1.1 實驗材料

材料：天然棕色棉纖維(浙江省農業科學院提供)。

試劑：無水甲醇、無水乙醇和甲醇，均為杭州高晶精細化工有限公司生產(分析純)。

1.2 乙醇/水溶劑體系對棕色棉色素的提取

用FZ-102微型植物粉碎機(天津市泰斯特儀器有限公司)將纖維粉碎，精確稱量粉碎后的棕色棉纖維粉末15.0 g放置于燒杯中，按浴比1∶30分別加入一定體積比的乙醇/水溶液。于55 ℃、300 W下(JK-3200DB超聲波清洗機，合肥金尼克機械制造有限公司)連續超聲3 h輔助提取，抽濾，收集濾液。之后量取300 mL用R201D型旋轉蒸發儀(上海亞榮生化儀器廠)減壓濃縮至干后，以少量30%乙醇/水溶液溶解，轉移到容量瓶后定容至50 mL備用。

1.3 HPLC測試

采用Agilent-1200高效液相色譜儀(美國安捷倫科技有限公司)進行HPLC測試。HPLC分離條件為：色譜柱Agilent ZORBAX Eclipse XDB-C18，4.6 nm×150 nm，3.5 μm，柱溫30 ℃，流速1.0 mL/min，進樣量20 μL，檢測波長280、400和500 nm。流動相為甲醇(A相)、10 mmol/L甲酸水溶液(B相)，梯度洗脫。流動相配比：0～3 min，4% A；3～20 min，4%～100% A；20～25 min，100% A。

2 結果與討論

不同濃度乙醇/水溶液提取物的HPLC分離效果(檢測波長為280 nm)如圖1所示。

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

從圖中的曲線看，不同體積分數乙醇/水溶液對天然棕色棉提取物組分產生較大的影響。共同的特點為：保留時間3 min之內，物質的分離性能好，峰形都比較完整獨立；但在7～17 min的保留時間之內，出現1個物質沒有得到很好分離的饅頭峰，基本驗證了文獻[7]研究獲得的2類色素組分的定性結果。保留時間在3 min之內，不同的乙醇/水溶液提取物的組分有較大的差異。以水(不含乙醇)為提取溶劑時，保留時間為1.4 min時有一明顯的物質流出，但沒有其他明顯物質。以30%乙醇/水溶液提取時，保留時間為1.4 min時的物質有所減少，但在保留時間為2.2 min時突然出現了明顯的物質流出。隨著提取溶劑中乙醇體積分數的增加，保留時間為1.4 min和2.2 min時物質含量都逐漸減少，以90%以上乙醇溶液提取時，已完全提取不到保留時間為1.4 min時的物質。在7～17 min保留時間范圍內，隨著乙醇體積分數的提高，饅頭峰的高度逐漸減少。在饅頭峰上有一系列的毛刺峰，提取溶液中含有乙醇后，毛刺峰有增多的趨勢，其中在保留時間為14.9 min時，出現明顯的對形毛刺峰，該毛刺峰在乙醇體積分數為30%～70%時保持了基本穩定的峰形，值得注意。從本文實驗的條件看，純水溶液是保留時間為1.4 min時物質的較好提取條件，而30%乙醇/水溶液是保留時間為2.2 min時物質的較好提取條件，同時該條件還出現了保留時間為14.9 min的毛刺峰。

圖2示出檢測波長分別為400 nm和500 nm獲得的HPLC譜圖。由于檢測波長處在可見區，圖2的HPLC譜圖特性和天然棕色棉色素具有更緊密的相關性。在圖2(a)中，保留時間為1.4 min時的物質比保留時間2.2 min時的物質具有更強的相對吸收峰，保留時間為1.7 min時出現了明顯的較小的吸收峰。保留時間1.7 min時物質在圖1中并不明顯，說明1.7 min時的物質在可見光區比在紫外光區具有更強的相對吸收，表現出更強的色素特性。保留時間為7～17 min范圍內饅頭峰依然存在，但饅頭峰上的毛刺峰明顯減少，只有保留時間為14.9 min時的毛刺峰依然明顯存在，而且轉化成三形峰。這說明14.9 min處的三形峰物質對400 nm光依然具有明顯的吸收特性。而其他毛刺峰在400 nm處吸收不明顯，說明它們代表的物質并不是有色物質。在圖2(b)中，保留時間為1.4和2.2 min的物質吸收依然明顯，但保留時間為1.7 min的吸收消失，同時消失的還有保留時間為14.9 min的毛刺峰。另外，保留時間為9.6 min時出現了明顯的吸收峰。從圖2可看出，保留時間為1.4、1.7和2.2 min時的物質對天然棕色棉的色澤均有貢獻，其中保留時間1.7 min時的物質吸收波長范圍更窄(僅在400 nm吸收波長時明顯出現)，從色素顯色的原理看，對色澤尤其是黃色的貢獻會大一些。500 nm吸收圖譜中，9.6 min處的毛刺峰物質可能對紅色光澤更大一些。圖2的數據進一步證明了天然棕色棉色素的多組分復雜特性。

圖2 不同乙醇含量提取的棕色棉色素HPLC圖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，在波長為400 nm和500 nm檢測時，體積分數為90%以上乙醇溶液提取物吸收很小，說明將表現出無色，這和目測一致，說明90%以上乙醇的色素提取效率很低，不適合提取天然棕色棉色素。王學德等在用甲醇嘗試提取棕色棉色素時，同樣未獲得滿意的效果[4]，與本文實驗研究結果一致。

從圖2的數據還可看出，天然棕色棉色素的親水性非常強，在乙醇/水體系中，提取物的突變為30%乙醇/水溶液。和純水提取相比，明顯出現了保留時間為1.7、2.2和14.9 min左右的物質。而這些物質的提取數量，隨著乙醇體積分數的提高又有所減少(保留時間為14.9 min時的物質要在乙醇體積分數超過70%時才會明顯減少)。故體積分數在30%左右的乙醇提取溶液提取物質較多，綜合提取效率較高。

根據液相色譜的自動峰形面積積分功能，將圖1中各特征峰形進行面積積分，并將數據進行歸一化處理(將同一保留時間吸收峰中的最大面積定義為1)。提取液乙醇體積分數和提取物相對含量關系結果如圖3所示。從圖中可明顯看出，各組分提取的最高含量都在乙醇體積分數低于50%的條件下，其總體親水性大于乙醇。用低于乙醇極性的溶劑將很難提取到棕色棉的色素物質。

圖3 提取液乙醇體積分數和提取物相對含量的關系Fig.3 Relationship between relative amount of specific substances extracted and ethanol-water ratio of extracting solution

根據圖3可獲得各種物質的較佳提取條件。在本文的實驗條件下，水溶液對保留時間為1.4 min時的物質提取最為高效，30%乙醇/水溶液對保留時間為1.7、2.2和9.6 min時的物質提取最為高效，50%乙醇/水對保留時間為14.9 min時的物質提取最為高效。這些條件可供某類棕色棉色素的較高量富集提取提供參考，但對保留時間為9.6和14.9 min時的物質，由于處于饅頭峰的位置，本文實驗的HPLC條件不能進行有效分離，其富集分離需要尋求更好的分離條件。

3 結 論

天然棕色棉的色素是親水性極強的物質，體積分數為90%以上的乙醇溶液不能對色素進行有效的提取。在用乙醇/水溶液提取體系下，保留時間為1.4 min時的物質適合用水溶液提取，保留時間為1.7、2.2和9.6 min時的物質適合用30%乙醇/水溶液提取，保留時間為14.9 min時的物質適合用50%乙醇/水溶液提取。本文實驗的HPLC條件仍然對一大類結構類似的物質無法進行分離，有待于進一步研究。

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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

國家自然科學基金資助項目(51373156)

羅少宏(1987—)，男，碩士。主要從事紡織品及其生態加工技術研究。周文龍，通信作者：E-mail:wzhou@zstu.edu.cn。

TS 190.2

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