馬錢苷結構修飾產物對真絲綢的染色性能

于 穎

(遼東學院化工與機械學院，遼寧丹東 118000)

已有研究表明環烯醚萜類化合物能夠與蛋白質纖維發生呈色反應[1-2]，形成底物-染料-顏色的“三位一體”[3]，染色牢度很高。但由于環烯醚萜類化合物種類有限，到目前為止有關其作為蛋白質纖維染料的研究卻較少，所以深入研究并開發天然環烯醚萜類染料對紡織印染行業具有現實意義。大宗植物山茱萸中含有的主要環烯醚萜類化合物馬錢苷[4-5]，是最常見的環烯醚萜類糖苷之一，分子式如圖1所示，因具有較強的抗炎功效，被廣泛的應用在醫藥領域中。山茱萸在中國很多地區均有分布，為馬錢苷的產業化制備提供了豐富的材料來源。

圖1 馬錢苷分子式Fig.1 Molecular formula Longanin

環烯醚萜類化合物結構比較簡單，可修飾性強。本文嘗試將馬錢苷通過苯甲酰氯酰化反應進行簡單的結構修飾，在其分子中引入新的助色基團，以改變其與底物發生交聯反應所呈現的顏色[6]，獲得與天然產物母核相似的衍生物后用于真絲綢的染色，從而達到增加環烯醚萜類化合物種類和拓寬此類染料色譜范圍的目的。本文的研究旨在為蛋白質纖維天然染色材料來源提供新的途徑，為開發具有抑菌效果的功能型染色紡織品提供數據支撐。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

實驗材料：100%柞蠶絲織物(平方米質量 71 g/m2，杭州方大絲綢有限公司)。馬錢苷和馬錢苷元(純度不少于98%，成都普瑞法科技開發有限公司)；β-葡萄糖苷酶(上海生化試劑有限公司)，PBS(上海逍鵬生物科技有限公司)；苯甲酰氯(上海麥克林生化科技有限公司)；AgNO3、氫氧化鈉、醋酸、苯甲酰氯、三乙胺、二氯甲烷、鹽酸、無水硫酸鈉、乙醚，均為分析純，購自武漢三合順化工有限公司。

實驗儀器：MicrOTOF-Q III電噴霧質譜儀(深圳市鴻永精儀科技有限公司)；752N型紫外可見分光光度計(濟南好來寶醫療器材有限公司)；YS6010 臺式分光測色儀(上海驕雷自動化科技有限公司)；FA224電子分析天平(迅特爾(南通)科學儀器有限公司)；PHS-3C型實驗室數顯式酸度計(鄭州宏創環保科技有限公司)；AS-24型常溫小樣染色機(武漢榮測儀器有限公司)；THZ-312臺式恒溫水浴振蕩器(常州潤華電器有限公司)；G238E型摩擦色牢度儀(江蘇富紅科技有限公司)；YG611型日曬色牢度儀(常州新紡檢測儀器設備有限公司)；YN-SX-8耐水洗牢度測試儀(東莞市南粵實驗設備有限公司)；DHP-9052電熱恒溫培養箱(無錫馬瑞特科技有限公司)；BKQP-50L高壓蒸汽滅菌器(濟南來寶醫療器械有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 馬錢苷的結構修飾

將馬錢苷、苯甲酰氯和三乙胺按摩爾比1.0∶1.1∶1.1依次投入250 mL三口瓶中(其中馬錢苷為0.4 g，已用100 mL二氯甲烷溶解)，在冰水浴中磁力攪拌至完全反應后減壓回收溶劑。產物溶解于蒸餾水中，用150 mL二氯甲烷分3次萃取，再用1.5 mol/L 的鹽酸溶液洗滌中和有機相體系中的三乙胺，用無水硫酸鈉干燥0.5 h，減壓回收溶劑，即得馬錢苷結構修飾產物(見圖2)。

圖2 馬錢苷修飾產物的合成Fig.2 Synthesis of Loganin modification products

1.2.2 馬錢苷結構修飾產物酶水解

稱取馬錢苷結構修飾產物4 g，加入pH=5.0 的醋酸鹽緩沖溶液50 mL，溶解后再加入80 mg β-葡萄糖苷酶于50 ℃水浴2 h，用乙醚將水解液萃取3次,每次50 mL，合并有機相，再經飽和氯化鈉溶液洗滌，無水硫酸鈉干燥、濃縮、重結晶后得到產物(見圖3)；采用ESI-MS[7]對產物分子質量進行測定，如果所測分子質量與馬錢苷結構修飾產物苷元分子質量吻合，則可以判斷為目標產物。

圖3 馬錢苷結構修飾產物酶水解Fig.3 Enzymatic hydrolysis of structure modified products of Loganin

1.2.3 絲素蛋白溶液的制備

將1 g柞蠶絲投入裝有20 mL 0.05mol/L NaHCO3溶液的錐形瓶中，在100 ℃水浴中煮3次，每次4 min，完全去除絲膠后，清水洗凈烘干，再放入50 mL(CaCl2、水、乙醇的摩爾比為1∶8∶2)三元溶液，80 ℃水浴完全至溶解，自然冷卻后透析96 h，以除去CaCl2、乙醇等雜質，得到的純絲素蛋白溶液在轉速為4000 r/min的離心機中離心0.5 h，去除溶解透析過程中產生的雜質。AgNO3檢測合格后，溶液濃度用Bradford法[8]測定。

1.2.4 馬錢苷結構修飾產物苷元染色真絲綢

稱取每份1 g的真絲綢樣品于45 ℃蒸餾水中浸泡20 min，取出分別置于三角瓶中，再分別加入50 mL不同pH值溶液(pH值為3.0～6.5選取醋酸溶液；pH值為7.0～8.5選取PBS緩沖溶液；pH值為9.0～11.0在碳酸氫鈉和氫氧化鈉溶液中進行)，在馬錢苷結構修飾產物苷元質量分數1%～10%(以真絲綢干質量為計)，染色溫度25～50 ℃、染色時間0.5～6 h條件下進行染色試驗，清洗后晾干。測定染色樣品K/S值，以確定最佳染色條件。

1.2.5 UV-vis分析

稱取馬錢苷元和馬錢苷結構修飾產物苷元各15 mg置于試管中，分別用5 mL蒸餾水溶解后，再分別加入由1.2.4實驗中篩選出的pH值溶液 5 mL，在35 ℃水浴震蕩20 min后，分別加入濃度為1 mg/mL的絲素蛋白水溶液3 mL，繼續震蕩6 h，觀察顏色變化。采用UV-vis測量不同反應時間內吸收波長變化情況。通過對比，考察馬錢苷元及馬錢苷結構修飾產物苷元與絲素蛋白溶液在同樣的呈色反應體系中特征吸收波長的變化。

1.2.6 測試方法

a)K/S值測試

染后樣品折疊4層，利用YS6010分光測色儀測定K/S、L*、a*、b*、c*、h*值。

b)染色真絲綢色牢度的測試

皂洗牢度按照GB/T 3921-2008《紡織品 色牢度試驗 耐皂洗色牢度》進行測定。試樣大小為 100 mm×40 mm，皂洗條件: 中性洗滌液2 g/L，溫度40 ℃，時間15 min，浴比1∶20。采用國標GB/T 251-2008《紡織品色牢度試驗 評定褪色用灰色樣卡》對織物進行沾色評定。

摩擦色牢度按照GB/T 3920-2008《紡織品 色牢度試驗 耐摩擦色牢度》測定。摩擦用布選擇同樣的柞蠶絲綢，采用國標GB/T 251-2008《紡織品 色牢度試驗 評定褪色用灰色樣卡》對摩擦用布進行沾色評定。

日曬牢度按照GB/T 8427-2008《紡織品 色牢度試驗 耐人造光色牢度：氙弧》測定。在測試溫度43 ℃，濕度52%條件下，將100 mm×50 mm大小的試樣，一半遮蓋起來，另一半在人造光下照射40 h，采用國標GB/T 251-2008《紡織品色牢度試驗 評定褪色用灰色樣卡》對摩擦用布進行沾色評定。

c)抗菌性測試

染色真絲綢的抗菌性按照GB/T 20944.3-2008《紡織品抗菌性能的評價第3部分：振蕩法》進行測定。

2 結果與討論

2.1 馬錢苷結構修飾原理

天然環烯醚萜化合物可通過酯水解、苷交換等簡單的結構修飾，獲得與天然產物母核相似的衍生物。馬錢苷屬于閉環環烯醚萜，含有烯-醚鍵六元環結構。如圖2所示，本研究中馬錢苷結構修飾主要是通過苯甲酰氯酰化反應后分子中引入了一個π-π發色基團，生成了C-6位的衍生物，與天然環烯醚萜母體相比，結構修飾衍生物的呈色基團的共軛體系會變長，分子能量會降低，所以在同樣的呈色反應體系中，生成色素的顏色卻不相同，即助色基團改變了馬錢苷與底物發生交聯反應所呈現的顏色，從而達到擴充色譜范圍的目的。

2.2 馬錢苷結構修飾產物對真絲綢染色影響因素

2.2.1 pH值對染色效果的影響

設定馬錢苷結構修飾產物苷元用量為真絲綢質量的7%，在染色溫度35 ℃，染色時間6 h條件下，考察pH值對真絲綢染色效果的影響，結果見表1。從表1可以看出，pH值對染色效果的影響十分明顯，在不同的pH值溶液中，馬錢苷結構修飾產物苷元染色真絲綢的顏色差異較大。在醋酸溶液中，pH值為3.0～4.0之間染色真絲綢的顏色沒有變化，說明沒有發生反應。這是因為馬錢苷結構修飾產物苷元在強酸條件下不穩定，在溶液中發生了聚合，失去了染色功能。當pH值達到4.5時染色真絲綢的顏色呈現淺藍色，K/S值較小，pH值達到5.0時染色真絲綢的顏色變為藍色，K/S值明顯增大，之后K/S值增長趨勢均較為緩慢，染色真絲綢顏色由藍色變為藍紫色。這是因為馬錢苷結構修飾產物苷元在弱酸性條件下也不太穩定，有微量的聚合，影響了呈色反應。在pH值為7.0～8.5的PBS緩沖溶液中，染色真絲綢的顏色由淺綠色變為穩定均勻的綠色，染色樣品的K/S值達到最大；在pH值為9.0～11.0的碳酸氫鈉與氫氧化鈉溶液中，K/S值逐漸減小，直至pH值為11.0時，染色真絲綢無色，說明呈色反應不再進行。雖然試驗結果表明馬錢苷結構修飾產物苷元在弱酸性或弱堿性的條件下均可與真絲綢進行呈色反應，但在弱堿性pH值7.5～8.0的PBS緩沖溶液中染色真絲綢的K/S值最高，勻染性更好，顏色更純正。所以，馬錢苷結構修飾產物苷元更適合在pH值7.5～8.0的PBS緩沖溶液中對真絲綢進行染色。

表1 真絲綢在不同pH值溶液中的顏色特征值Tab.1 Colour characteristic values of real silk in different pH solutions

2.2.2 馬錢苷結構修飾產物苷元用量對染色效果的影響

設定馬錢苷結構修飾產物苷元染色溫度35 ℃，在pH=7.5的PBS緩沖溶液中將真絲綢樣品染色6 h，考察馬錢苷結構修飾產物苷元用量對真絲綢染色效果的影響，結果見表2。由表2可知，當馬錢苷結構修飾產物苷元的用量小于真絲綢質量的3%時，修飾產物六元環上受真絲綢中氨基親核基團攻擊的C原子數較少，形成的能與真絲綢中氨基反應的醛基活性基團很少，K/S值較小，染色真絲綢的顏色由無色逐漸變為淺綠色；當馬錢苷結構修飾產物苷元的用量為真絲綢質量的4%～5%時，K/S值增加幅度較大，染色真絲綢的顏色變為綠色，之后增加馬錢苷結構修飾產物苷元的用量染色真絲綢的K/S值穩定不變。說明在此范圍用量下，上染到真絲綢的染料趨于飽和，與真絲綢中氨基反應的醛基活性基團數已足夠多，分子無新的過渡態中間體形成，這些中間體也就不存在因自身的不穩定與氨基進一步反應而形成新的發色基團，染色織物呈現出均勻穩定的綠色。考慮到馬錢苷結構修飾產物苷元用量少，真絲綢達不到染色效果，同時還要避免馬錢苷結構修飾產物苷元用量過多而造成的染料浪費，所以選擇馬錢苷結構修飾產物苷元的用量為真絲綢質量的5%。

表2 不同馬錢苷結構修飾產物苷元的用量下染色織物的顏色特征值Tab.2 Colour characteristic values of dyed fabrics at different amounts of Loganin structural modification product aglycone

2.2.3 染色溫度對染色效果的影響

設定馬錢苷結構修飾產物苷元用量為真絲綢質量的5%，在pH=7.5的PBS緩沖溶液中將真絲綢染色6 h，考察溫度對染色真絲綢K/S值的影響，結果見表3。由表3可知，馬錢苷結構修飾產物苷元在30 ℃以下，染色真絲綢的K/S值較小，這是由于溫度低，反應沒有進行完全，馬錢苷結構修飾產物苷元上染真絲綢的量較少。繼續升高溫度，K/S值增加的幅度較大，在溫度35～40 ℃之間，馬錢苷結構修飾產物苷元染色真絲綢的K/S值達到最大，染色真絲綢呈現均勻穩定的綠色，說明呈色反應已進行完全。之后升高溫度，K/S值下降幅度較大，至50 ℃ 染色真絲綢無色。這是因為馬錢苷結構修飾產物苷元在常溫下比較穩定，超過40 ℃其穩定性變差，對真絲綢的上染率下降較為明顯，導致染色真絲綢的K/S值大幅度降低，直至50 ℃馬錢苷結構修飾產物苷元徹底失去染色能力。可見溫度是影響染色效果的一個關鍵因素，不僅影響了呈色反應的進程，還影響到染色真絲綢的顏色，原因是修飾產物苷元與蛋白質纖維在呈色反應中，受到溫度的影響，分子形成的過渡態中間體不穩定，與蛋白質分子間形成新的發色基團，呈現了不同的顏色變化。試驗結果表明反應溫度控制在35～40 ℃之間，真絲綢的染色效果最好。

表3 不同染色溫度下染色織物的顏色特征值Tab.3 Colour characteristic values of dyed fabrics at different dyeing temperatures

2.2.4 染色時間對染色效果的影響

設定馬錢苷結構修飾產物苷元用量為真絲綢質量的5%，在溫度35 ℃，pH=7.5的PBS緩沖溶液中染色，考察染色時間對染色真絲綢K/S值的影響，結果見表4。由表4可知，在0.5～3.0 h 時間內，染色真絲綢的K/S值緩慢增大，顏色由淺黃色變為橙黃色。隨著染色時間進一步延長，染色真絲綢的K/S值增大趨勢較為明顯，顏色也不斷加深，當染色時間為5.0 h時K/S值達到最大，染色真絲綢呈現均勻穩定的綠色，之后染色真絲綢的K/S值無變化。試驗結果說明了馬錢苷結構修飾產物苷元與真絲綢染色反應5.0 h就已經完成，延長染色時間對染色效果無影響。

表4 不同染色時間下染色織物的顏色特征值Tab.4 Colour characteristic values of dyed fabrics at different dyeing times

2.3 馬錢苷結構修飾產物苷元與絲素蛋白反應產物的UV-vis分析

馬錢苷元及馬錢苷結構修飾產物苷元與絲素蛋白水溶液呈色反應UV-vis光譜分析結果如圖4和圖5所示：反應前，馬錢苷元的特征吸收峰在 239 nm 處，馬錢苷結構修飾產物苷元的特征吸收峰則在241 nm處，絲素蛋白溶液在215 nm和280 nm處具有肽鍵吸收峰及典型的蛋白質吸收峰，可見光區均無吸收[9]。反應進行初期，兩種反應液的吸收光譜變化基本一致，即呈色反應進行30 min后，原來各自的紫外吸收峰降低，反應液由無色變為淺黃色；60 min后反應液在239 nm和241 nm處的特征吸收峰完全消失，反應液呈現黃色。當反應進行至180 min后，兩種呈色反應吸收光譜有了較大區別，馬錢苷元與絲素蛋白反應液在430 nm處出現新的吸收峰，反應液呈現橙黃色。5.0 h后，在650 nm處又出現一處新的特征吸收峰，反應液呈現最終的黃綠色；而馬錢苷結構修飾產物苷元與絲素蛋白則于180 min后在465 nm處出現新的吸收峰，反應液呈現橙黃色，5.0 h后，在670 nm處出現新的特征吸收峰，溶液呈現綠色，隨著時間的進一步延長465 nm和670 nm處的2個吸收峰不再變化，溶液呈綠色。

圖4 馬錢苷元與絲素蛋白溶液反應紫外可見光譜Fig.4 UV-Vis spectra of the reaction between Loganin and silk protein solution

圖5 馬錢苷結構修飾產物與絲素蛋白溶液反應紫外可見光譜Fig.5 UV-Vis-spectra of the reaction between Loganin and silk protein solution

試驗結果進一步驗證了，馬錢苷元結構中引入新的助色基團，使呈色基團的共軛體系變長，分子能量降低，生成色素的特征吸收波長向長波發生了偏移，特征吸收波長變大，顏色產物也發生了改變。

2.4 染色真絲綢色牢度測定

色牢度是評價染料染色效果的重要指標，最佳染色條件下的真絲綢色牢度測試結果如表5所示，馬錢苷修飾產物苷元與真絲綢發生呈色反應所生成的顏色產物除了耐曬色牢度為3～4級，其余各項牢度均達到了5級。馬錢苷修飾產物苷元染色真絲綢，是通過其與蛋白質纖維的交聯反應而形成纖維-染料-顏色的“三位一體”[10]，所以耐皂洗和耐摩擦染色牢度較高。而耐曬牢度稍差是因為環烯醚萜在呈色過程中通過顏色中間體偶聯形成的有色基團中含有大量的非芳香烴不飽和雙鍵，在光照時易發生不飽和雙鍵的斷裂，從而引起褪色[9]，但可以滿足服用牢度要求。

表5 染色真絲綢色牢度Tab.5 Colour fastness of dyed silk

2.5 染色真絲綢的抗菌性能分析

馬錢苷具有醫療保健作用，其修飾產物苷元作為染料所具有的抑菌性能對開發其功能性紡織產品具有重要意義。本研究對最佳染色條件下馬錢苷修飾產物苷元染色的真絲綢進行抗菌性能試驗，其大腸桿菌和金黃葡萄球菌洗滌次數和光照時間對抑菌率的影響分別見圖6和圖7。由圖6可知，馬錢苷修飾產物苷元對大腸桿菌和金黃葡萄球菌均具有抗菌作用，染色后的真絲綢的抗菌性能較好，金黃葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率分別為80.64%和 83.19%，高于標準規定的不低于70%，可見馬錢苷修飾產物苷元能夠使細菌失去活性，使染色真絲綢具有較好的抑菌效果，經過20次洗滌后，染色真絲綢的抑菌率仍有20%～30%以上的抗菌作用。由圖7可知，隨著光照時間的延長，染色真絲綢的抗菌性能也逐漸下降，染色真絲綢經60 min光照后，大腸桿菌的抑菌率由83.19%下降到57.52%，金黃葡萄球菌由80.64%下降到62.84%。光照10 h后，染色真絲綢對大腸桿菌和金黃葡萄球菌的抑菌率分別為16.41%和25.83%，染色織物抗菌性能的降低與生成的帶顏色的產物耐光照牢度稍差有直接的關系，長時間的光照使其穩定性受到影響，從而造成其抗菌性能降低。但染色真絲綢仍然具有一定的抗菌功效。

圖6 染色真絲綢洗滌抗菌性能試驗結果Fig.6 Results of dyeing silk washing and antibacterial performance tests

圖7 光照時間對染色真絲綢抗菌性能影響Fig.7 Effect of light time on the antibacterial properties of dyed silk

3 結 論

天然環烯醚萜類化合物結構修飾是開發其作為蛋白質染料的重要途徑。本文通過對環烯醚萜類化合物馬錢苷的結構修飾及染色真絲綢的研究得到如下結論：

a)馬錢苷通過苯甲酰氯酰化反應，得到了與環烯醚萜母體結構相似的目標衍生物，修飾方法十分簡單。π-π發色基團的引入，使呈色基團的共軛體系變長，分子能量降低，形成了不同顏色的色素，達到了擴充色譜范圍的目的。修飾產物苷元具備優良的染色性能，整個染色過程比較復雜，其實質是馬錢苷修飾產物苷元與蛋白質纖維中氨基反應過程中，形成了復雜的發色體，六元環上引入了的π-π發色基團在染色時起著助色基團的作用，對染色性能影響很大。

b)馬錢苷修飾產物苷元染色適宜的染色條件為：在pH為7.5～8.0的磷酸鹽緩沖溶液中，馬錢苷修飾產物苷元用量為真絲綢質量的5%，染色溫度35～40℃，染色時間為5h，染色真絲綢具有很高的色牢度和一定的抗菌效果，水洗和光照試驗結果表明金黃葡萄球菌的抑菌作用好于大腸桿菌。

c)馬錢苷修飾產物苷元染色真絲綢反應條件溫和，顏色穩定，環境污染少，可以開發成為具有一定抑菌效果的新型蛋白質纖維染料。