花青素的提取及對織物染色的應用進展

王繼真，姜 展

(青島大學，山東 青島266071)

1 引言

在經濟快速發展的今天，人們對自身健康和環境保護等方面的關注度越來越高。化學染料會對人體的安全健康和自然環境造成嚴重的危害，另外煤炭、石油為不可再生資源，隨著資源的日益枯竭，化學染料的原材料受到限制。植物染料提取于植物的根、莖、葉等，大部分無毒性、可自然降解、可再生且具有一定的保健性能，日益受到人們的關注。

1.1 花青素的種類 結構與性質

花青素，又稱花色素，廣泛存在于植物的花、莖、葉中，其含量會隨著品種、季節、氣候、成熟度等因素的變化而改變[1]。在27個科，73個屬植物中均含花青素，如紫薯、紫甘藍、洋蔥、桑葚、茄子、蘿卜、黑米、玫瑰茄、野陽合等。

花青素的基本結構母核是2-苯基苯并吡喃，即花色基元。大多數花青素在花色基元的3-，5-，7-碳位上有取代羥基。由于B環各碳位上取代基的不同(羥基或甲氧基)，形成了各種各樣的花青素，自然界已知的花青素有22大類，250多種[2]?；ㄇ嗨厝苡谒耙掖?，不溶于乙醚、氯仿等有機溶劑，遇醋酸鉛試劑會沉淀，并能被活性炭吸附，其顏色隨pH值的不同而會改變[3]?；ㄇ嗨胤譃榭梢姽鈪^和紫外光區兩個吸收波長范圍，可見光區吸收波長為465 nm～560 nm，在紫外光區吸收波長為270 nm～280 nm[4]。

1.2 花青素的功能

1.2.1抗氧化性

花青素屬于生物類黃酮物質，具有很好的抗氧化性，可以減緩人體衰老。張文彥等人[5]以墨江紫米為原料，提取紫米中的花青素，研究其還原和清除DPPH自由基的能力。研究表明，墨江紫米花青素是一種較好的食用色素，具有抗氧化活性和捕捉自由基的性能，該試驗也對食用色素的研究提供了一定的理論參考。王燕等人[6]以紫娟茶為原料，采用FRAP法、ABTS法和DPPH法，研究紫娟茶花青素的抗氧化能力和貯藏條件對其穩定性能的影響。結果表明，紫娟茶花青素的總抗氧化能力隨著花青素濃度的增加而增加。紫娟茶花青素的穩定性受溫度、光照、貯藏時間、pH值、H2O2及Cu2+、Ca2+等金屬離子的影響，穩定性的變化會影響紫娟茶花青素抗氧化活性的發揮。Qiu Z.等人[7]用乙醇為提取劑，從蘇麥葉中提取色素，研究其抗氧化性。研究證明了蘇麥葉中的色素具有較強的體內外抗氧化活性，具有較強的抗遺傳毒性，但無遺傳毒性。

1.2.2抗炎抑菌性

大量的研究表明花青素具有促進傷口愈合、殺滅菌類、調節炎癥的功效，對于金黃色葡萄球菌、關節炎、中風等具有很好抑制和治療效果。梁珊等人[8]采用酶法提取胭脂蘿卜中的花青素，對其抑菌性進行研究。結果表明，胭脂蘿卜花青素對枯草芽孢桿菌、大腸桿菌、白色念珠菌、金黃色葡萄球菌和黑曲霉具有不同的抑制作用。對枯草芽孢桿菌、大腸桿菌、白色念珠菌抑制效果較好，對金黃色葡萄球菌抑制效果一般，對黑曲霉無抑制作用。Torri E.等人[9]用乙醇提取藍莓中的花青素，研究藍莓花青素的抗炎作用。研究表明，藍莓粗提物具有抗炎作用，食用藍莓粗提物有助于炎癥性疾病的治療。王靜等人[10]分別用AmberliteXAD-7和D101兩種大孔吸附樹脂對藍莓果花青素進行純化。實驗發現AmberliteXAD-7純化后花青素含量大于D101。研究證實，經純化的花青素對小鼠的鎮痛和抗炎有更明顯的作用。

1.2.3抗癌作用

花青素具有清除自由基的功效，有助于預防多種與自由基有關的疾病?；ㄇ嗨啬荛g接地幫助人們對抗癌癥，其在抗癌方面的研究較多。Huang H. P.等人[11]采用實驗性AGS胃癌異種移植模型來驗證桑樹花青素的抑制作用。研究表明，桑樹花青素抑制了AGS細胞的存活和腫瘤發生，誘導了AGS細胞凋亡和生長。Cvorovic J.等人[12]的研究發現花青素在惡性細胞中可以清除活性氧簇(ROS)和觸發線粒體凋亡，從而起到抗癌的作用；也可以起到自由基清除劑的作用，并保護低基礎代謝率的細胞免受氧化應激。Nancy N Zikri等人[13]研究了乙醇提取的黑樹莓花青素和兩組分-3-O-葡萄糖苷和氰基-3-O-葡萄糖苷對食管上皮細胞生長、凋亡和基因表達的影響。研究表明，花青素苷、氰基-3-O-葡萄糖苷和氰基-3-O-蘆丁苷選擇性地抑制了RE-149 DHD細胞的生長，并刺激了細胞凋亡。

1.2.4其他功能

大量的研究表明花青素除了上述提到的功能外，還具有保護視力、降血糖血脂、保護心血管等功效。此外，花青素還在食品、化妝品及紡織品中得到了廣泛應用。

2 花青素的提取

花青素作為一種無毒、可降解、水溶性天然色素，與人體健康有著密切關系且在眾多行業都有獨特的優勢，因此在植物中提取花青素并將其應用，受到了越來越多的關注。有關花青素的提取方法的研究很多，如溶劑提取法、超聲輔助提取法、微波輔助提取法、酶輔助提取法等。

2.1 溶劑提取法

天然染料中的有效色素物質多易溶于水或極性小的有機溶劑，故可直接使用溶劑提取法進行提取分離?；ㄇ嗨匾兹苡谒?、甲醇、乙醇、稀堿與稀酸等極性溶劑中，因此可以用溶劑提取法進行提取。蔡榮榮等人[14]以十個品種的桑葚為材料，通過溶劑濃度的選擇、浸泡次數、提取溶劑pH值及料液比4個因素，設計L9(34)的正交試驗對桑葚花青素進行提取，為桑葚花青素的產品開發提供科學依據。J.Chandrasekhar等人[15]研究了從大白菜中提取和純化花青素的方法。為了得到純化形式的花青素，用六種不同的吸附劑進行了吸附。研究表明，6種吸附劑中，XAD7HP的吸附量最大，洗脫率為92.85%；酸化純乙醇對花青素提取效果最好。

溶劑提取法操作簡單、技術易掌握、適用范圍最廣、對設備要求簡單，是目前較普遍采用的方法，但也有提取效率低、耗時長的缺點。

2.2 超聲輔助提取法

超聲波輔助萃取是近年來新興的萃取技術，利用超聲波產生的強烈空化作用、機械振動和攪拌作用來提高花青素提取率的影響。Zhan C.等人[16]以紫甘薯為原料，研究了常規萃取法、加速溶劑萃取法和超聲輔助萃取法對紫甘薯中花青素提取效率的影響。試驗表明，提取方法影響花青素的純度、得率和組成；超聲輔助提取法有利于提取紫甘薯中熱不穩定的花青素。武中庸等人[17]在單因素試驗的基礎上，采用響應面中心復合試驗設計優化了紫色馬鈴薯中花青素提取的料液比、超聲溫度、時間、功率等條件。研究表明，超聲波功率380 W、料液比為28 mL/g、提取時間18 min、提取溫度47℃為提取最佳條件。Rodrigues S.等人[18]優化了超聲輔助提取法對巴西嘉寶果皮中花青素的提取工藝。研究發現，pH值為1，料液比 1∶20(g/mL)，乙醇體積分數46%，為最佳提取條件，在此條件下，花色苷提取率為4.8 mg/g干重。

超聲波提取具有提取效率高、提取時間短、雜質少和適應性廣等優點。但其難以保證器件的安全性，也無法實現在線不停機維修。

2.3 微波輔助提取法

微波可使植物細胞壁破裂或結構疏散，溶劑易滲透到細胞內，因此微波輔助提取法在花青素的提取中發揮著重要作用。Fazaeli M.等人[19]采用常規加熱和微波加熱濃縮黑桑葚和石榴中的花青素，研究不同加熱方式對果汁中總花青素含量和抗氧化性的影響。研究表明，旋轉蒸發法比微波加熱法對花青素的降解和抗氧化活性的降低更為明顯。Pap N.[20]等用微波輔助萃取法從黑醋栗中提取花青素，并與檸檬酸和鹽酸、檸檬酸和水的提取結果進行比較。結果表明，微波輔助萃取法提取黑醋栗渣中有價值的化合物比傳統的鹽酸萃取法提高了20%。

微波輔助提取具有穿透力強、加熱均勻、溶劑消耗量少、提取時間短、結果不受物質含水量的影響等優點，已經被廣泛應用于花青素的提取研究。但由于微波輔助提取法的提取溶劑要求為極性溶劑，容易使熱敏性物質變性或失活，且設備價格昂貴，所以僅限于實驗室研究，生產應用少。

2.4 酶輔助提取法

在植物中，有一些花青素被植物細胞壁包圍，不容易直接被溶劑提取出來，酶提取法建立在溶劑提取法的基礎上，可以提高花青素的提取率。張輝青花等人[21]優化了酶法提取洛神花中花青素的工藝，提高了花青素的提取效率。實驗證明，單一果膠酶、果膠酶組合和微波輔助酶提取法均可提高洛神花花青素得率，微波輔助酶提取法提取效果優于果膠酶組合，果膠酶組合比單一果膠酶提取效果好。石文娟等人[22]通過考察料液比、pH值、酶解時間、酶用量等因素，研究提取篤斯越桔中花青素的最佳工藝條件。研究表明，在料液比1∶50、酶解時間1 h、pH值為1.5,加酶量2%,溫度60℃條件下,得到最佳提取率為6.105%。

酶輔助提取法適用于干燥或浸濕的原料，具有提取條件溫和、提取成本低、操作安全等優點。但是分離后的物質濃度低，需經過濃縮等提高純度。

2.5 其他

除上述常用方法外，提取花青素的方法還有超臨界流體萃取、亞臨界水提取、高壓脈沖電場輔助提取、響應面法、超臨界CO2等方法。

3 花青素的純化

由于提取得到的花青素純度較低且穩定性差，所以對花青素提取液進行純化是一項很重要的研究。目前，花青素的純化方法有大孔樹脂吸附法、高速逆流色譜法、固相萃取法、薄層層析法等。

3.1 大孔樹脂吸附法

預處理后的大孔樹脂是利用樣品中不同組分在固定相和流動相中分配系數不同，經過多次分配將花青素中雜質去除。樹脂純化法是花青素純化技術中應用最廣泛的一種方法。楊青等人[23]研究了不同樹脂分離純化山竹殼原花青素的靜態吸附和解吸性能。研究表明，大孔吸附樹脂XDA-7具有很好的吸附和解吸性能，條件為吸附流速為2 BV/h，解吸液乙醇濃度為60%，解吸流速為2 BV/h，解吸液體積為6 BV時，吸附和解吸效果最佳。該研究為山竹殼原花青素的純化提供了有效的理論依據。孫浩然等人[24]利用乙醇溶劑對藍莓中的花青素進行提取，用AB-8大孔樹脂對提取的花青素進行純化。實驗得出，在140 min時，樹脂可吸附均衡花青素，樣液pH值為2，速度1.0 mL/min，濃度為 8 g/L時吸附效果最好。

大孔樹脂法具有吸附速度快、解吸條件溫和、操作簡單且成本低等優點。但同時也存在著粒徑分布廣、分離效果差和提取物純度不高等缺點，因此對于純度要求高的試驗不適合采用此種方法。

3.2 高速逆流色譜法

高速逆流色譜法是基于組分在旋轉螺旋管內的相對移動而互不混溶的兩相溶劑間分布不同而獲得分離，是20世紀80年代發展起來的一種連續高效的液—液分配色譜分離技術。易建華等人[25]采用超聲波溶劑輔助法提取分離紫甘藍中的花青素，并對提取的花青素用高速逆流色譜法進行純化。研究結果，利用高速逆流色譜法從紫甘藍花青素中分離得到三種化合物，質量分別為84 mg、56 mg、13 mg，純度分別為76.24%、45.46%、91.46%。但是三化合物的結構，還需核磁共振鑒定。陸英等人[26]以紫甘薯為原料，采用高速逆流色譜法分離純化其花青素。實驗從450 g紫甘薯中獲得組分1為63 mg和組分2為48 mg，為紫甘薯花色苷分離純化提供了理論和方法。

與傳統的液固色譜相比，高速逆流色譜法具有適用范圍廣、快速、操作簡單、回收率高、重現性好等優點。但其純化量較小，在溶劑體系的選擇上還沒有非常成熟、系統的理論指導。

3.3 其他

除了大孔樹脂吸附法和高速逆流色譜法，紙層析、薄層層析、高效液相色譜、膜分離等方法也是花青素純化的常用方法。陳文良等人[27]以葡萄籽為原料，采用膜分離純化技術對其原花青素進行分離和提純。膜分離技術的工藝比現有的傳統提取分離工藝方法具有產率高、耗能小、綠色環保等優點。曹恒霞等人[28]采用50 nm、200 nm陶瓷微濾膜和DK、DL納濾膜對紫薯花青素進行除雜和濃縮處理。在壓力為2.5 MPa、常溫的條件下，二者對色素的截留均為100%，但為了節約成本，選用DL納濾膜。

4 對不同織物染色的應用進展

天然染料來源于植物、動物和礦物質，以植物染料為主。植物染料一般是從植物的根、莖、葉、花、果實、種子中提取而得，很少經過化學處理，染料具有無毒、無害、可自然降解等優點。植物染料的應用很廣泛，在紡織品、食品、化妝品、醫療保健等方面都有廣泛應用。天然染料不僅使紡織品具有鮮艷自然的色澤，而且還具有抗菌、消炎的功效。

花青素在自然界分布廣泛且具有優良的化學特性和保健功能，與人體健康有著密切關系，受到越來越多的關注。隨著提取工藝的日益成熟，其在織物中的應用越來越多，在棉、麻、絲、毛等織物染色方面取得了較大進展。

4.1 花青素在棉織物中的應用進展

棉織物因具有吸收透氣性好、手感柔軟、染色性好等優點，在紡織行業中占據重要地位。邱亞靜等人[29]以NaOH為溶劑，對桑葚中的花青素進行提取，采用自制陽離子固色劑和交聯劑預處理，研究花青素對棉纖維的染色性能。研究表明，用交聯劑和固色劑可有效提高桑葚花青素對棉織物的染色性能。烘焙溫度85℃、烘焙時間5 min、濃度16 g/L為固色劑的最佳處理條件。交聯劑處理的最佳工藝參數為烘焙溫度80℃、烘焙時間2 min、固色劑30 g/L。李小寧等人[30]以山竹為原料提取花青素染液對棉織物進行染色，通過分析溫度、pH值、染色時間和染液用量等參數，選擇出最佳工藝條件。并測試了染色棉織物的勻染性、色牢度及頂破強力。實驗得出，當提取液為8.5%、浴比1∶40、溫度85℃、pH值為6、染色時間為70 min時，棉織物的染色性較好。經天然樹脂松香粉固色后的織物耐皂洗色牢度和耐摩擦色牢度均有所提升。徐靜等人[31]用乙醇溶劑提取葡萄皮中的花青素并對棉織物進行染色，通過單因素和正交實驗探討棉織物染色方式和染色效果。研究表明，乙醇90%、浸取時間110 min、pH為2、料液比1∶6、浸提溫度80℃為最佳工藝，后媒染要優于預媒染和同浴媒染。張晨等人[32]首先對棉織物進行改性，然后從上染率、色深值、染色牢度等探討了花青素對棉織物改性前后的染色性能。研究表明，在陽離子改性劑用量為10%、處理溫度60℃、pH值為10、處理時間45 min時，改性后的棉織物上染率和色深值均比未改性的有所提升。

4.2 花青素在麻織物中的應用進展

焦林等人[33]用從紫蘇中提取的花青素對亞麻織物進行染色，并自制固色劑進行固色，研究花青素對亞麻織物的無媒染效果。研究表明，提取最佳工藝為NaOH 30 g/L、紫蘇90 g/L、60℃、90 min。紫蘇色素直接染色上色率和色牢度都不佳，固色后均有所提升且不會給環境帶來危害。孫麗等人[34]利用洋蔥皮為原料，提取花青素并對亞麻織物進行染色，用稀土、鋁鹽和鐵鹽進行媒染，研究花青素對亞麻織物的染色性能。實驗得到最佳工藝條件為染料濃度30 g/L、pH值為4、染色溫度70℃、時間30 min，直接染色可得到鮮艷的粉紅色，后媒染優于預媒染，提取液對亞麻織物染色的摩擦色牢度較好、皂洗色牢度較差。陳浩等人[35]研究紫甘薯花青素對棉麻織物的染色工藝和染色性能。研究表明，媒染法比直接染色效果好，先媒染效果最佳；最佳工藝為媒染浴比和染色浴比均為1∶25，媒染溫度分別為50℃和60℃，媒染時間45 min，染色溫度分別為70℃和60℃，染色時間60 min。

4.3 花青素在絲織物中的應用進展

我國不僅是世界上最早養蠶繅絲的國家，也開辟了古代絲綢之路，并且正在建設“絲綢之路經濟帶”，絲綢在某種意義上說，代表了中國悠久燦爛的文化。將天然染料應用到絲織品上，迎合了綠色環保理念。敬凌霄等人[36]從胭脂蘿卜中提取花青素，在蠶絲織物上進行染色，研究顏色特征值、染色牢度、抗紫外輻射性能。實驗得出，胭脂蘿卜色素具有很好的染色性能，在不同的pH值中顏色會有變化；蠶絲織物經過花青素染色后具有很好的抗紫外性能。JIA Yanmei等人[37]利用板栗殼和黑米糠提取花青素對絲織物進行染色，研究pH值對染色性能的影響。研究表明，在染料浴pH值接近3的情況下，用兩種天然萃取物染色可獲得深色絲織物。板栗殼和黑米糠提取物適合作為天然著色劑和多功能整理劑，用于制備彩色多功能絲綢材料。徐靜等人[38]采用超聲波輔助法提取紫甘藍花青素，通過單因素試驗和正交試驗研究色素的提取工藝；對真絲織物進行染色，探討染色后織物的色深、色牢度。研究表明，選擇75%乙醇溶劑、功率250 W、料液比1∶8、pH=1、80℃時超聲波提取70 min，紫甘藍的提取效果較好；以MgCl2為媒染劑，用預媒染色法對真絲織物進行染色，色牢度較好；紫甘藍花青素在不同的pH值下會呈現不同的顏色。于學智等人[39]對黑米中的花青素進行提取，提取后的色素，通過直接染色和媒染染色對桑蠶絲織物進行染色。結果表明，冰醋酸調節pH=4，溫度100℃，時間80 min為直接染色較適宜的條件；硫酸亞鐵媒染得色量最高，媒染后織物的耐皂洗及耐摩擦色牢度都有所提高，但耐日曬色牢度不高。

4.4 花青素在毛織物中的應用進展

毛織物指用羊毛或特種動物毛為原料或以羊毛與其他纖維混紡或交織的紡織品。毛織物具有光澤自然、吸濕性好、保暖性好和抗皺性優良等特點?；ㄇ嗨貙γ椢镞M行染色不僅提高了產品的附加值，同時實現了服裝的生態化，是開發綠色紡織品的良好途徑[40]。殷雪等人[41]對紫甘薯中的花青素進行提取，采用直接染色法對羊毛織物進行染色，研究織物染色后的抗菌性。研究表明，采用紫甘薯花青素染色的羊毛織物不僅具有較好的耐洗和耐摩擦色牢度，并且具有較高的抑菌率，對大腸桿菌的抑菌率約82%，對金黃色葡萄球菌的抑菌率達98%。王雪梅等人[42]利用檸檬酸為媒染劑，采用同浴媒染法，將洋蔥皮中的花青素上染到羊毛纖維上，然后對染色纖維的強力和色牢度進行測試。得出洋蔥皮色素在熱水中溶解性較好，并隨著溫度的升高而增強；直接染色和媒染都能使洋蔥皮色素有很好的沾色牢度，檸檬酸媒染劑會使沾色牢度增強；pH對同浴媒染的染色結果影響很大。呂名秀等人[43]采用超聲波提取山竹殼花青素，并對提取液染羊毛后的色深、染色特征值及水洗牢度進行測試。研究表明，采用亞鐵離子同浴媒染處理，當溫度95℃、時間60 min、pH=7、媒染劑質量濃度為1 g/L時，試樣顏色K/S值顯著提高；試樣鮮艷程度與媒染劑用量在一定程度上呈正相關。

4.5 花青素在其他織物中的應用進展

花青素不僅在棉、毛、絲、麻等織物中有廣泛的應用，在竹漿纖維、牛奶蛋白織物等新型纖維(織物)上也有相應的研究。吳堅等人[44]以紫甘薯為原料提取花青素染料，染液采用直接染色、預媒染色、后媒染色上染牛奶蛋白纖維，用黃土、鐵鹽和鋁鹽為媒染劑進行媒染，探討花青素對牛奶蛋白織物的染色性能。研究表明，織物經過媒染后，色牢度、色差和上染率都有明顯的提高；直接染色可得到鮮艷的紫紅色，預媒染和后媒染相比，預媒染效果最佳，色彩紅艷。王雪梅[45]采用二浴二步法，以檸檬酸為媒染劑，用洋蔥皮花青素對竹漿纖維進行直接染色和后媒染固色。研究表明，洋蔥皮花青素染色采用檸檬酸為媒染固色劑，既提高了染色織物的耐洗色牢度，又避免了常規染色劑重金屬離子對環境的污染。

5 結語

植物的廣泛分布和可再生性為植物染料的研究奠定了堅實的基礎。植物染料色彩自然柔和、與環境有較好的相容性、可自然降解且具有抗菌、消炎等醫療功能，滿足了人們對于綠色環保紡織品的需求，發展前景廣闊。但天然染料因提純工藝、色牢度等問題，產業化難度較大，市場占有率還很低?；ㄇ嗨刈鳛樘烊簧氐囊环N，有很好的保健功效和藥用價值，但目前提取產量、純化程度都不高，色牢度也不穩定，易出現色花、染色不均等現象。因此研發花青素更高效可靠的提純方法，使其更好地應用到紡織品染色中是今后的發展重點。