板栗殼色素在棉/苧麻面料染整中的應(yīng)用

張 鈺

（江西服裝學(xué)院，江西南昌 330201）

天然植物染料品種豐富且易降解，是一種可持續(xù)資源，在我國用于面料染色已有幾千年的歷史［1］。隨著合成染料在應(yīng)用過程中造成的污染問題逐漸顯現(xiàn)，綠色環(huán)保的植物染料重新得到了消費者的青睞［2］。近幾年，關(guān)于植物染料提取及其在面料染色和功能整理方面的學(xué)術(shù)成果被大量報道，不僅包含靛藍、茜草、姜黃及紫草等常規(guī)植物染料，還有部分小眾植物染料［3］。這些研究驗證了部分植物染料用于面料染色，不僅可降低染整過程中的環(huán)境污染，還能使面料具有部分其他功能［4］。棉/苧麻面料服用性能好且具有抑菌效果，我國已有豐富的植物染料染色實踐經(jīng)驗，至今在客家人分布的地區(qū)仍保持著用植物染料印染苧麻、棉面料的風(fēng)俗，但色彩偏素，以黑、藍為主［5］。同時苧麻纖維因較高的模量導(dǎo)致植物染料上染面料的深度及色牢度不佳［6］。將苧麻面料進行陽離子改性可有效提升Ramazol活性染料的染色效果［7］。

板栗殼色素是一種多酚類植物色素，呈棕色，分子結(jié)構(gòu)上有酚羥基、苯環(huán)等［8］，性能與黃酮類色素相似，不僅可用于棉、麻、毛、真絲等面料染色，還能賦予面料一定的抑菌和抗氧化效果［9-11］。本研究利用纖維素酶可以水解板栗殼細胞中的纖維素，將其和40%的乙醇（體積分數(shù)）混合作為提取溶劑，超聲輔助提取板栗殼色素，并對陽離子改性棉/苧麻面料進行染色。

1 實驗

1.1 材料及儀器

材料：棉/苧麻（55/45）面料（市售），板栗殼粉（自制），大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌（江西中醫(yī)藥大學(xué)實驗室），纖維素酶（食品級，蘇州佰億鑫生物科技有限公司），2,3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨（廣東翁江化學(xué)試劑有限公司），平平加O（南通辰潤化工有限公司），無水乙醇、硫酸亞鐵、硫酸鋁和氯化亞錫（國藥集團化學(xué)試劑有限公司）。

儀器：UV-2100 紫外可見分光光度計（尤尼柯儀器有限公司），SG-5404 系列恒溫磁力攪拌器（上海碩光電子科技有限公司），TGL-10C 高速離心機（上海精密儀器儀表有限公司），Color-Eye 7000A 型電腦測配色系統(tǒng)（美國X-Rite 公司）。

1.2 棉/苧麻面料的陽離子改性

參考文獻［12］，以15 g/L 2,3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨作為陽離子改性劑，二浸二軋對棉/苧麻面料進行改性，120 ℃焙烘180 s。

1.3 板栗殼色素的提取

取8.0 g 板栗殼粉放入燒杯中，加入纖維素酶和40%的乙醇溶液，在一定溫度下超聲提取一段時間，離心分離，上清液即為板栗殼色素提取液。

1.4 染色工藝

直接染色：配制板栗殼色素染液，將陽離子改性棉/苧麻面料浸入其中（浴比1∶25），35 ℃入染，以2 ℃/min 升至80 ℃續(xù)染1 h，取出試樣清洗、晾干。優(yōu)化染色工藝下所得試樣編號為1#。

后媒染色：將在優(yōu)化直接染色工藝下所得試樣投入5%（omf）的硫酸亞鐵、硫酸鋁和氯化亞錫溶液中（浴比1∶50），勻染劑平平加O 1 g/L，60 ℃續(xù)染30 min。得到的染色試樣編號分別為2#、3#和4#。

1.5 測試

顏色特征值L*、a*、b*、c*及K/S值：由電腦測配色系統(tǒng)測試。

色牢度：耐曬色牢度按GB/T 8427—2008《紡織品色牢度試驗?zāi)腿嗽旃馍味入　窚y試；耐摩擦色牢度按GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度試驗 耐摩擦色牢度》測試；耐皂洗色牢度按GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗?zāi)驮硐瓷味取窚y試。

抑菌性能：參照AATCC 100—2012《抗菌紡織品的評價方法》進行測試，抑菌率按下式計算：其中，A為棉/苧麻面料的細菌數(shù)；B為板栗殼色素上染棉/苧麻面料的細菌數(shù)。抗菌紡織品對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌率分別不低于70%、70%和60%。

抗氧化性：參照文獻［13］的方法進行測定，指標為DPPH 自由基清除率。

2 結(jié)果與討論

2.1 板栗殼色素提取工藝

由表1 可看出，在超聲輔助提取板栗殼色素的過程中，各因素對色素提取效果的影響顯著性從大到小為：C提取溫度、B料液比、A纖維素酶質(zhì)量濃度、D提取時間。板栗殼色素較優(yōu)提取工藝為C2B2A3D3，即提取溫度60 ℃，料液比1∶20，纖維素酶質(zhì)量濃度10 g/L，提取時間120 min。

表1 板栗殼色素提取的正交實驗

溫度在一定范圍內(nèi)升高有助于纖維素酶活性的提高，可更高效地提取色素，但溫度過高會造成酶失活。在板栗殼粉用量不變的條件下，乙醇用量增大，雖然板栗殼色素提取效率提高，但色素在整個提取液中的濃度因稀釋而下降，所以在料液比為1∶25 時色素的吸光度有所下降。與此同時，纖維素酶質(zhì)量濃度的增大及提取時間的延長也有利于板栗殼色素提取效果的進一步提高。

2.2 板栗殼色素直接染色工藝

2.2.1 染液質(zhì)量濃度

由圖1 可知，隨著板栗殼色素質(zhì)量濃度的增加，陽離子改性棉/苧麻面料直接染色的K/S值逐漸增大，尤其是當(dāng)板栗殼色素質(zhì)量濃度未超過40 g/L 時，K/S值增幅較大；超過40 g/L 時，K/S值趨于平緩。這是因為陽離子改性棉/苧麻面料吸附板栗殼色素是一個可逆過程，增加板栗殼色素質(zhì)量濃度有助于其被面料吸附。當(dāng)染色達到平衡時，再繼續(xù)增加板栗殼色素質(zhì)量濃度不會明顯提升染色效果。

圖1 染液質(zhì)量濃度對K/S 值的影響

2.2.2 染色溫度

由圖2 可知，隨著染色溫度的升高，陽離子改性棉/苧麻面料直接染色的K/S值先增大后減小。這是因為染色溫度在一定范圍內(nèi)升高會使板栗殼色素分子動能增大，陽離子改性棉/苧麻面料吸附色素的速率也會變大，進而板栗殼色素在面料上的吸附量增大，K/S值也相應(yīng)增大。當(dāng)染色溫度超過80 ℃時，板栗殼色素的分子結(jié)構(gòu)及性能可能會受到影響，反而不利于色素在陽離子改性棉/苧麻面料上的吸附，因此K/S值有所下降。

圖2 染色溫度對K/S 值的影響

2.2.3 染色時間

由圖3 可知，隨著染色時間的延長，陽離子改性棉/苧麻面料直接染色的K/S值逐漸增大，但染色時間超過75 min 后，K/S值趨于平緩。這是因為陽離子改性棉/苧麻面料起初吸附板栗殼色素的速率較快，待吸附過程接近平衡時，繼續(xù)延長染色時間，K/S值只略微增大（畢竟陽離子改性棉/苧麻面料對板栗殼色素的吸附能力有限）。同時，染色時間過長會降低染色效率。

圖3 染色時間對K/S 值的影響

2.2.4 染液pH

由圖4 可看出，隨著染液pH 的增大，陽離子改性棉/苧麻面料直接染色的K/S值逐漸減小。這是因為板栗殼色素呈陰離子性，棉/苧麻面料經(jīng)陽離子改性后更容易吸附板栗殼色素。染液pH 較小更有利于2,3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨發(fā)生電離吸附更多的板栗殼色素。當(dāng)pH 逐漸增大時，2,3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨電離效果減弱，板栗殼色素的上染率下降，K/S值降低。

圖4 染液pH 對K/S 值的影響

2.3 染色效果

由表2 可以看出，以未經(jīng)過陽離子改性的棉/苧麻面料作為對照試樣（0#），板栗殼色素直接上染后K/S值僅為1.623，染色均勻性及色牢度均較差。這主要是因為苧麻纖維的結(jié)晶度比棉纖維大，導(dǎo)致棉/苧麻面料直接用板栗殼色素染色效果較差，整個面料的染色效果存在一定的差異。棉/苧麻面料經(jīng)過陽離子改性后，板栗殼色素直接染色的K/S值增至3.284，染色牢度也有不同程度的提高，只有耐曬色牢度低于3～4 級，同時染色效果差異變小。這是因為棉纖維和苧麻纖維經(jīng)過陽離子改性后都可以通過靜電吸引作用吸附板栗殼色素，兩者之間的染色均勻性提升。在該條件下分別采用硫酸亞鐵、硫酸鋁和氯化亞錫作為媒染劑進行后媒染色，染色棉/苧麻面料的K/S值雖然有所提高，但幅度較小。這是因為棉/苧麻面料經(jīng)過陽離子改性后可以很好地吸附板栗殼色素，后媒染色并不能有效提高面料對色素的吸附效果。后媒染色面料的色牢度提高是因為棉/苧麻面料經(jīng)直接染色后，部分板栗殼色素已經(jīng)擴散到纖維內(nèi)部，媒染劑加入后被吸附到纖維的無定形區(qū)，與板栗殼色素發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)固著在棉/苧麻面料上，有助于染色面料色牢度的提高。棉/苧麻面料經(jīng)后媒染色后，顏色特征值存在一定的變化，其中以硫酸亞鐵作為媒染劑的棉/苧麻面料K/S值最大（4.725），且染色牢度最好（均高于3～4級），面料色光偏向藍綠。

表2 板栗殼色素對陽離子改性棉/苧麻面料的染色效果

2.4 抑菌和抗氧化效果

板栗殼色素作為一種天然的植物多酚類物質(zhì)，其大分子上的酚羥基易與細菌結(jié)構(gòu)中的肽基、氨基及羧基結(jié)合，且色素分子中的疏水性苯環(huán)結(jié)構(gòu)會對蛋白質(zhì)大分子的生存環(huán)境造成嚴重破壞，導(dǎo)致細菌細胞因無法正常代謝而失活。此外，植物多酚類物質(zhì)顯示出較強的還原性，也具有一定的去除DPPH 自由基效果。由表3 可看出，棉/苧麻面料對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌率分別為46.8%、38.5%和20.2%，說明具有一定的抑菌效果，這主要歸功于苧麻纖維的天然抑菌功能。但是根據(jù)測試標準，棉/苧麻面料并不是抗菌紡織品。同時，棉/苧麻面料對DPPH 自由基的清除率僅為24.16%，并不具備較好的抗氧化性。板栗殼色素直接上染經(jīng)過陽離子改性的棉/苧麻面料，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌率分別提高至84.3%、77.2%和64.4%，對DPPH 自由基的清除率也增加到44.30%，這說明板栗殼色素有助于提高抑菌性和抗氧化性。陽離子改性棉/苧麻面料后媒染色后抑菌性和抗氧化性得到進一步增強，因為后媒染色可以提高板栗殼色素的上染率，更多色素的存在賦予棉/苧麻面料更明顯的功能效果。以硫酸亞鐵作為媒染劑所染棉/苧麻面料的K/S值最大，相應(yīng)抑菌性和抗氧化性最強（對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的抑菌率分別為94.1%、89.6%和78.3%，對DPPH 自由基的清除率高達83.12%）。

表3 板栗殼色素上染陽離子改性棉/苧麻面料前后的抑菌和抗氧化效果

3 結(jié)論

（1）以纖維素酶和40%的乙醇（體積分數(shù)）混合溶液為提取溶劑，超聲輔助提取板栗殼色素的優(yōu)化工藝為：料液比1∶20，纖維素酶質(zhì)量濃度10 g/L，溫度60 ℃，時間120 min。

（2）板栗殼色素直接上染陽離子改性棉/苧麻面料的優(yōu)化工藝為：板栗殼色素質(zhì)量濃度40 g/L，pH 4，溫度80 ℃，時間75 min。

（3）板栗殼色素直接上染陽離子改性棉/苧麻面料可獲得較高的K/S值，色牢度也有小幅提升。在此基礎(chǔ)上進行后媒染色雖然不能明顯提升K/S值，但可提高色牢度。板栗殼色素染色陽離子改性棉/苧麻面料具有較好的抑菌性和抗氧化性。