生物酶輔助提取橘皮色素及其對羊絨染色的性能

摘 要：為擴(kuò)寬天然染料色譜并利用廢棄物染色，通過生物酶輔助醇水提取橘皮中的天然色素，并將該色素應(yīng)用于羊絨染色，分析該色素對羊絨染色的性能。首先分別用纖維素酶、果膠酶以及兩種酶的組合對橘皮進(jìn)行提取，通過單因素試驗(yàn)，探討生物酶用量、乙醇濃度、提取溫度、提取時(shí)間對提取效果的影響；然后采用橘皮色素對羊絨進(jìn)行直接染色發(fā)現(xiàn)日曬牢度為2級，進(jìn)一步研究提高日曬牢度的方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明用金屬媒染劑、單寧-金屬復(fù)合媒染劑、固色劑M對染色后羊絨進(jìn)行后處理，以提高橘皮色素染色羊絨的耐日曬色牢度、耐皂洗色牢度。結(jié)果表明：橘皮色素最佳提取工藝為生物酶用量1%（o.w.f），其中纖維素酶和果膠酶質(zhì)量比為"2∶1，乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%，提取溫度80 ℃，提取時(shí)間100 min，料液比1∶20。橘皮色素對羊絨染色具有較高的KS值，耐皂洗色牢度和耐日曬色牢度可達(dá)3級以上。從廢棄物中提取天然染料色素，有著較高的應(yīng)用價(jià)值和附加價(jià)值，為廢棄資源再利用提供了一條有效途徑。

關(guān)鍵詞：橘皮色素；生物酶提取；單寧-金屬復(fù)合媒染劑；染色；羊絨

中圖分類號：TS193.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2024）03-0073-08

收稿日期：20230815

網(wǎng)絡(luò)出版日期：20231102

基金項(xiàng)目：寧波市科技創(chuàng)新2025重大專項(xiàng)（2022Z100）

作者簡介：陳秋霖（1999—），女，福建泉州人，碩士研究生，主要從事生態(tài)染整技術(shù)方面的研究。

通信作者：余志成， E-mail：yuzhicheng8@aliyun.com

天然染料作為一種綠色生態(tài)染料，具備生物可降解性、保健功能［1］，深受消費(fèi)者青睞。然而，天然染料同時(shí)存在一些短板，例如天然染料色譜不夠豐富，價(jià)格較高，染色面料耐日曬色牢度、耐皂洗色牢度較低等［2］，很大程度上制約了天然染料的應(yīng)用。因此降低天然染料成本，開發(fā)較高色牢度的天然染料是必然趨勢。

橘子果實(shí)營養(yǎng)豐富，鮮美可口，果皮被大量廢棄容易造成資源的浪費(fèi)和環(huán)境污染。橘皮中富含豐富的天然黃色素、黃酮類化合物、揮發(fā)油、果膠和纖維素等生物活性成分［3］。同時(shí)，橘皮色素具有良好的著色功能，具有一定抗菌消炎、抗病毒和抗氧化等作用［4］。

本文以橘皮為原料，利用生物酶技術(shù)對橘皮中的天然色素進(jìn)行提取，采用紫外分光光度計(jì)對橘皮色素最大吸收波長進(jìn)行測試，通過單因子試驗(yàn)，提高橘皮色素提取效率。將橘皮提取液應(yīng)用于羊絨染色，借助金屬媒染劑、單寧-金屬復(fù)合媒染劑和固色劑后處理有效提高羊絨染色色牢度，實(shí)現(xiàn)橘皮廢棄物的有效利用，同時(shí)為植物染料開發(fā)創(chuàng)立新的途徑。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及儀器

實(shí)驗(yàn)材料：羊絨（單根纖維平均1.5 dtex，強(qiáng)力5.87 cN）；橘皮；冰醋酸、無水碳酸鈉、中性皂片、乙醇（杭州高晶精細(xì)化工有限公司）；纖維素酶、果膠酶（寧波康賽妮新纖維科技有限公司）；明礬、硫酸亞鐵（前衍化學(xué)科技有限公司）。

實(shí)驗(yàn)儀器：DYE-24型可調(diào)向式打色機(jī)（上海千立自動化設(shè)備有限公司）；雷磁pH計(jì)（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）；RE-2000B旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器（鞏義瑞德儀器設(shè)備有限公司）；

賽多利斯BSA124S電子分析天平（濟(jì)南歐萊博科學(xué)儀器有限公司）；SW-24E型耐皂洗色牢度試驗(yàn)機(jī)；DR6000紫外-可見光分光光度計(jì)（美國哈希公司）；WF611M日曬氣候色牢度儀（溫州市萬豐檢測設(shè)備有限公司）；SF600 PLUS型計(jì)算機(jī)測色配色儀（美國Data color公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 橘皮色素的提取工藝

將橘皮洗凈后烘干，稱取10 g的橘皮置于一定用量的酶和醇水溶液中，然后將提取液在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中得到濃縮液，定容至10 mL，即為染料原液。

1.2.2 羊絨染色工藝

1.2.2.1 直接染色

羊絨在浴比1∶50、pH值為7、染料原液3%（o.w.f）、95 ℃條件下染色60 min。

1.2.2.2 媒染工藝

將直接染色的羊絨在浴比1∶50，媒染劑0%～5%，溫度為60～80 ℃條件下處理30～45 min。

1.2.2.3 固色工藝

將上述媒染處理后的羊絨在浴比1∶50，固色劑M 10%，80 ℃條件下處理30 min。

1.3 測試與表征

1.3.1 吸收光譜

配制一定濃度的橘皮色素染液，采用DR600紫外-可見分光光度計(jì)，測其波長在200～760 nm范圍內(nèi)的吸光度，繪制紫外-可見吸收光譜圖。

1.3.2 KS值

利用Datacolor 600型精密臺式測色配色儀，在染色織物上任意選取3個(gè)點(diǎn)測試KS值，最后取平均值。

織物表觀得色量可用庫克耳卡-蒙克函數(shù)值來表示，即：

KS=（1-R∞）22R∞

式中：K為被測物的吸收系數(shù)；R∞為試樣趨近無限厚的反射因數(shù)；S為被測物的散射系數(shù)。

1.3.3 染色牢度

參照《GBT 3921—2008紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐皂洗色牢度》，采用皂洗牢度測試儀測定羊絨的皂洗牢度，并用標(biāo)準(zhǔn)灰色樣卡評定褪色牢度等級。

參照GBT 8427—2019《紡織品色牢度試驗(yàn) 耐人造光色牢度：氙弧》，用標(biāo)準(zhǔn)灰色樣卡評定織物的耐光牢度等級。

2 結(jié)果與討論

2.1 橘皮色素的提取

2.1.1 乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)對橘皮色素提取效果的影響

固定料液比1∶20、生物酶用量1%（o.w.f），其中纖維素酶和果膠酶質(zhì)量比2∶1，乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%～70%在80 ℃浸提120 min，探究乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)對橘皮色素提取效果的影響，在最大吸收波長325 nm處記錄吸光度，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，隨著乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，吸光度先增大后減小。根據(jù)色素與溶劑相似相溶原理，橘皮色素易溶于乙醇。因此，當(dāng)乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%提高到50%，有機(jī)溶劑的增加促進(jìn)了橘皮色素溶出，吸光度逐漸增大。當(dāng)乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過50%，吸光度反而下降，是因?yàn)橐掖假|(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，溶液極性過大導(dǎo)致生物酶失活，色素溶出率反而降低。故提取效果最佳乙醇濃度為50%。

2.1.2 生物酶對橘皮色素提取效果的影響

選用纖維素酶、果膠酶以及混合酶體系對橘皮色素進(jìn)行提取，在料液比1∶20、乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%、生物酶用量1%（o.w.f），80 ℃下提取120 min，分析生物酶對橘皮色素提取效果的影響。在最大吸收波長325 nm處記錄吸光度，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在醇水體系中加入果膠酶、纖維素酶后吸光度有所提高，是因?yàn)殚倨ず幸欢〝?shù)量的果膠和維生素等成分，其中纖維素酶的加入可以軟化纖維素、破壞細(xì)胞壁有利于橘皮色素的溶出，果膠酶的加入可以分解橘皮中的果膠成分有利于色素的溶出。在醇水溶液體系中加入混合酶，纖維素酶和果膠酶共同發(fā)揮作用，吸光度進(jìn)一步提高，這是因?yàn)殚倨げ粌H有纖維素還有果膠，同時(shí)加入纖維素酶和果膠酶二者協(xié)同使用更有利于色素溶出［5］。

2.1.3 混合酶質(zhì)量比對橘皮提取效果的影響

在生物酶用量1%（o.w.f），在料液比1∶20，80 ℃"條件下浸提120 min，探究混合酶質(zhì)量比對橘皮色素的提取效果，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著纖維素酶果膠酶質(zhì)量比的增加，吸光度先上升后下降。在纖維素酶和果膠酶混合質(zhì)量比為2∶1的時(shí)候，吸光度達(dá)到最大值，因?yàn)殚倨?nèi)部結(jié)構(gòu)中纖維素含量相對于果膠含量較多，因此需要纖維素酶活性中心結(jié)合的位點(diǎn)較多，所需纖維素酶較多。當(dāng)纖維素酶過量時(shí)，過量纖維素酶會占據(jù)橘皮表面空間，使果膠酶無法接觸到果膠的結(jié)合點(diǎn)，不能發(fā)生酶解反應(yīng)［6］，導(dǎo)致提取效率不佳，因此吸光度下降。故提取效果最佳纖維素酶和果膠酶質(zhì)量比為2∶1。

2.1.4 提取溫度對橘皮提取效果的影響

固定料液比1∶20，生物酶用量1%（o.w.f），其中纖維素酶和果膠酶質(zhì)量比2∶1，乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%，在60～100 ℃下浸提120 min，探究提取溫度對橘皮色素提取效果的影響，在最大吸收波長325 nm處記錄吸光度，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著溫度升高，橘皮色素吸光度增大，這是因?yàn)樯郎剡^程中，溶液內(nèi)部分子的熱動能變大，溶劑分子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部的速度加快，同時(shí)導(dǎo)致纖維素酶和果膠酶活力提高，加速細(xì)胞壁破裂，有利于橘皮色素的溶出。當(dāng)溫度為80 ℃，吸光度達(dá)到最大值。溫度繼續(xù)升高吸光度反而下降，因?yàn)闇囟冗^高導(dǎo)致纖維素酶和果膠酶活力下降，提取效率下降［7］。故提取最佳溫度為80 ℃。

2.1.5 提取時(shí)間對橘皮提取效果的影響

固定料液比1∶20，生物酶用量1%（o.w.f），其中纖維素酶和果膠酶質(zhì)量比2∶1，乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%，在80 ℃下浸提60～140 min，探究提取時(shí)間對橘皮色素提取效果的影響，在最大吸收波長325 nm處記錄吸光度，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，隨著提取時(shí)間的增長，吸光度增大。當(dāng)提取時(shí)間為100 min時(shí)，吸光度增長趨于平緩，故提取最佳時(shí)間為100 min。

2.2 橘皮色素對羊絨染色性能分析

2.2.1 染色方法

在pH值為3、染料原液用量為3%條件下對羊絨分別進(jìn)行直接染色、預(yù)媒染和后媒染，探究媒染方法對染色KS值及染色牢度的影響，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，橘皮染羊絨直接染色的KS值為8.05，用明礬和硫酸亞鐵分別進(jìn)行預(yù)媒染、后媒染，染色羊絨KS值增加，是因?yàn)榻饘倜饺緞┛梢院腿玖稀⒀蚪q形成絡(luò)合物［8］，促進(jìn)橘皮色素上染羊絨纖維。明礬、硫酸亞鐵后媒染的KS值大于預(yù)媒染的KS值，且后媒染的明礬日曬牢度好于預(yù)媒染，因此選用后媒染作為后文主要染色手段。

2.2.2 金屬媒染劑對橘皮染色羊絨顏色特征值及染色牢度的影響

在pH值為3，染料原液用量為3%條件下對羊絨進(jìn)行染色，染色溫度為95 ℃，60 min，然后進(jìn)行后媒染處理，探究明礬、硫酸亞鐵對顏色特征值及其各項(xiàng)染色牢度的影響，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，橘皮直接染色羊絨的耐皂洗牢度為3級，耐日曬牢度只有2級，經(jīng)過明礬媒染后日曬牢度可提高半級。這是因?yàn)榻饘倜饺緞┑募尤耄煞忾]橘皮染料結(jié)構(gòu)中的酚羥基，形成穩(wěn)定的配位化合物，提高染料的穩(wěn)定性，從而提高染色色牢度［9］。經(jīng)硫酸亞鐵媒染后的日曬牢度反而有所降低，可能是因?yàn)槊饺救芤褐休^多的Fe2+會與羊絨中的巰基發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成的Fe3+會氧化橘皮色素從而導(dǎo)致日曬牢度下降［10］。

2.2.3 金屬媒染劑用量對橘皮染色羊絨顏色特征值及染色牢度的影響

在pH值為3，染料原液用量為3%條件下對羊絨進(jìn)行染色95 ℃，60 min，然后進(jìn)行后媒染處理，探究明礬、硫酸亞鐵用量對羊絨特征值及其染色牢度的影響，結(jié)果如表3所示。

由表3可知：隨著明礬用量增加，橘皮色素染色羊絨KS值增加，L值減小，a，b值均提高，織物黃光加深，日曬牢度從2級提高至2～3級；隨著硫酸亞鐵用量增加，KS值增加，染色織物L(fēng)值下降，織物變暗，a值提高紅光增加，b值下降黃光減弱。日曬牢度呈下降趨勢，這是因?yàn)镕e2+用量的增加使得更多的Fe2+和羊絨的巰基發(fā)生氧化還原反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為Fe3+，導(dǎo)致日曬牢度下降。

2.2.4 單寧-金屬復(fù)合媒染劑對橘皮染色羊絨顏色特征值及染色牢度的影響

對染色后的羊絨用單寧-金屬復(fù)合媒染劑進(jìn)行后媒染處理，探究單寧-金屬復(fù)合媒染劑對羊絨特征值及其染色牢度的影響，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，隨著單寧-金屬復(fù)合媒染劑中單寧酸用量的增加，KS值增加，a值增加，b值減小，染色羊絨KS值增加。橘皮染色后的羊絨經(jīng)單寧-明礬復(fù)合媒染劑后媒染，日曬牢度提高半級，是因?yàn)槊鞯\、單寧酸與羊絨纖維、橘皮色素作用形成氫鍵、配位鍵作用［11-12］。橘皮染色后的羊絨經(jīng)單寧-亞鐵復(fù)合媒染劑后媒染，日曬牢度從2～3級提高至3～4級，是因?yàn)閱螌幩峋哂幸欢ǖ倪€原性，可抑制Fe2+被氧化成Fe3+，從而提高日曬牢度。

2.3 固色劑對橘皮染色羊絨顏色特征值及染色牢度的影響

對經(jīng)過后媒染的羊絨進(jìn)行固色處理，探究固色劑M對羊絨特征值及其染色牢度的影響，結(jié)果如表5所示。

由表5可知，橘皮色素直接染色羊毛織物經(jīng)固色劑M處理后日曬牢度從2級提高至2～3級，經(jīng)過明礬、硫酸亞鐵媒染后再用固色劑M固色處理日曬牢度可達(dá)3級以上。因?yàn)樵谧贤夤庹丈湎麻倨ど匾装l(fā)生電子躍遷形成自由基而不穩(wěn)定，使得染料被分解而發(fā)生褪色［13］。固色劑M利用其還原性通過酚式結(jié)構(gòu)失去一個(gè)氫原子生成半醌自由基，進(jìn)一步被氧化成醌式結(jié)構(gòu)的電子轉(zhuǎn)移方式清除自由基，通過提供氫質(zhì)子與染料自由基結(jié)合使染料自由基恢復(fù)到穩(wěn)定基態(tài)，避免染料被氧化分解，從而提高日曬牢度［14］。

3 結(jié) 論

本文選用橘子皮作為原料進(jìn)行提取工藝優(yōu)化研究，利用橘皮提取液對羊絨染色，對染色后羊絨纖維分別進(jìn)行金屬媒染劑處理、單寧-金屬復(fù)合媒染劑處理和固色劑固色處理來提高羊絨耐皂洗色牢度、耐日曬色牢度。具體結(jié)論如下：

a）醇水溶液與纖維素酶、果膠酶和混合酶的使用對橘皮進(jìn)行提取工藝優(yōu)化，提高了橘皮色素的提取效率，優(yōu)化后的提取工藝參數(shù)為：乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%，料液比1∶20，生物酶用量1%（o.w.f），其中m（纖維素酶）∶m（果膠酶）=2∶1，在80 ℃下提取100 min。

b）橘皮直接染色羊絨的耐皂洗色牢度為3級，耐日曬色牢度僅2級。明礬用量增加，媒染后羊絨日曬牢度從2級提高至2～3級；硫酸亞鐵增加，媒染后羊絨日曬牢度呈下降趨勢。單寧-金屬復(fù)合媒染劑中單寧酸用量在1%～3%（o.w.f）處理后，單寧-明礬復(fù)合媒染劑處理后的羊絨日曬牢度為2～3級，單寧-亞鐵復(fù)合媒染劑處理后羊絨日曬牢度達(dá)到3級。固色劑M進(jìn)一步處理明礬媒染后的羊絨耐皂洗牢度和耐日曬牢度均達(dá)到3級，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

天然染料因其日曬牢度較差應(yīng)用領(lǐng)域受限，本文工藝對促進(jìn)天然染料拓寬色譜以及企業(yè)生產(chǎn)具有一定指導(dǎo)意義。

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Bio-enzyme-assisted extraction of orange peel pigments and their cashmere dyeing properties

CHEN Qiulin1， ZHU Qiuyu1， ZHOU Fangyu1， WANG Yuhong2， CHEN Chao2， YU Zhicheng1

（1.College of Textile Science and Engineering， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China;

2.Ningbo Consinee New Fibre Technology Co.，Ltd.， Ningbo 315200， China）

Abstract：

With the development of science and technology， people's quality of life is constantly improving and at the same time they have higher requirements for quality of life. Natural dyestuffs are non-toxic， non-hazardous and can be used in a wide range of applications， including textile dyeing， textile functional finishing and batteries. Orange peel， a major by-product of the fruit， is non-toxic and non-hazardous and has certain health benefits， but its role is not fully exploited and is mostly regarded as waste. Therefore， it is imperative that waste is recycled to its full potential in line with today's green trends.

To broaden the chromatographic and waste recycling purposes， this article uses orange peel as a raw material for extraction and dyeing of wool to improve its dyeing performance as a research object. The maximum absorption wavelength of orange peel extracts was determined by using a UV spectrophotometer to determine the maximum absorption wavelength and the colour family of the dyestuff; the maximum absorption wavelength of the extracts was then used to adjust the concentration of ethanol in the extraction solvent system and to investigate the effect of the enzyme dosage and the enzyme at different temperatures and times on the extraction efficiency; finally， the colour fastness of the cashmere was improved by combining metal mordant， tannin-metal composite mordant， and color fixing treatment of dye-fixing agents.

Experiments show thatthe optimum extraction effect of orange peel pigments is achieved and the enzyme on cellulase and pectinase can give full play to their role when the ethanol concentration is 50%， the material-liquid ratio is 1：20， the cellulase and pectinase quality ratio is 2：1， the temperature is 80 ℃， and the extraction time is 100 min. At the same time， the light fastness of cashmere under the optimal dyeing process can be improved by half grade by using alum dyeing， and the sun fastness of cashmere can be improved to grade 3 or above by using tannin-metal composite mordant and fixing agent M.

Keywords：

orange peel pigments; bio-enzyme extraction; plant-metal complex mordant; dyeing; cashmere