超聲條件對天然棕色棉色素提取的影響

范文瑞 馬明波 周文龍

摘 要：為探究超聲條件（時間、溫度、料液比）對提取的天然棕色棉色素成分的影響，采用高效液相色譜（HPLC）法檢測提取的色素，研究超聲提取條件對色素提取物成分及相對含量的變化規律。結果表明，保留時間前5 min強極性物質受超聲提取條件影響較大，表現為色譜峰強度和峰面積變化較大，比如短時間、低溫、高料液比的提取條件下不能提取到1.9 min的物質；保留時間7～20 min的色素物質受提取條件影響較小，在不同提取條件下只是提取效率有所不同。本研究的結果顯示超聲提取對色素不同成分的提取是有選擇性的，選擇體積分數30%乙醇為提取溶劑時提取棕棉色素最佳的條件是：超聲時間4 h、溫度55 ℃、料液比1∶50（g/mL）。

關鍵詞：天然彩色棉；棕色棉；色素；液相色譜；超聲提取

中圖分類號：TS 190.2

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2017）03-0001-04

Effect of Ultrasonic Conditions on Extraction of Naturally Brown Cotton Pigment

FAN Wenrui， MA Mingbo， ZHOU Wenlong

（Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology， Ministry of

Education， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：To explore the effect of ultrasonic conditions （ultrasonic time， temperature， solid-liquid ratio） on the compositions of extracted pigments of naturally brown cotton， high performance liquid chromatography （HPLC） was used to detect the compositions of extracted pigments and research the variation law of compositions and relative content of extracted pigment with the change of ultrasonic extraction conditions. The results show that strong polar substances are greatly influenced by ultrasonic conditions before 5 min retention time； chromatographic peak intensity and peak area change a lot. For example， the substance at 1.9 min retention time can not be extracted under short ultrasonic time， low temperature， high solid-liquid ratio； the pigment substance at the retention time between 7～20 min is little influenced by extraction conditions； under different ultrasonic conditions， the extract efficiency is different. The results of the study show that ultrasonic extraction is selective for the pigment with different compositions. When 30% ethanol is used as the extraction solvent， the optimum ultrasonic conditions as as follows： ultrasonic time 4 h， temperature 55℃， solid-liquid ratio 1∶50 （g/mL）.

Key words：naturally colored cotton； brown cotton； pigment； HPLC； ultrasonic extraction

天然棕色棉是彩色棉在紡織行業中應用最廣泛的棉花之一。因其天然的色彩，在紡織加工過程中可省略染色工序，并且棕色棉纖維具有抗紫外線、抗氧化性、抗蟲性、抗菌性[1]等特性，可在種植過程中減少農藥的噴灑，減少了對環境的污染，是最具發展潛力的綠色紡織品之一[2]。然而，天然棕色棉纖維顏色并不穩定，在紡織加工以及穿著使用過程中會有褪色、變色的現象[3]。因此，研究其色素物質成為當前棕色棉研究的主要方向之一。

棕色棉色素成分復雜，有研究表明色素主要是縮合單寧類的混合物，各成分間化學性質相似[4-5]，對棕色棉色素的提取多采用超聲波輔助提取法。棕色棉色素存在于纖維中腔[6]，要提取出色素就必須破壞細胞壁，而超聲波產生的振動、空化、粉碎、攪拌等綜合效應，可以實現對細胞壁的破壞，從而加快提取過程，提高提取效率，并且可避免高溫對有效成分的破壞[7]。天然棕色棉色素的多組分性使得不同色素組分溶解到提取溶劑中的速率可能有所不同，或者受不同超聲提取條件的影響得到的色素組分可能會發生變化，但目前沒有相關學者研究證實。

本文采用超聲波輔助萃取技術，在不同超聲提取時間、溫度、料液比3種條件下提取色素，并采用高效液相色譜（HPLC）法對色素提取物進行檢測，從色譜圖中探究超聲提取條件對提取色素成分的影響，并探索提取最多色素成分時的超聲條件。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

材料與試劑：天然棕色棉（浙江省農業科學院）；乙醇（分析純，杭州高晶精細化工有限公司），甲醇（色譜純，杭州高晶精細化工有限公司），超純水。

1.2 實驗方法

1.2.1 色素提取液的制備

1.2.1.1 超聲時間

天然棕色棉纖維用FZ102微型植物粉碎機粉碎到150目，用OHRUS電子分析天平準確稱取纖維粉末各2 g，按料液比1∶50（g/mL）浸沒于30%乙醇溶液中，在JP-100S型單槽一體式超聲波清洗機中（55 ℃，300 W）分別超聲輔助萃取1、2、4、6、8 h，抽濾。將提取的色素溶液在R201D型旋轉蒸發儀濃縮至2 mL，經0.45 μm過濾膜過濾，備用。

1.2.1.2 超聲溫度

棕色棉纖維粉末各稱取2 g，按料液比1∶50（g/mL）浸沒于30%乙醇溶液中，在超聲波清洗機中（300 W）超聲輔助萃取4 h，超聲溫度分別為25、35、45、55、65 ℃，抽濾。按1.2.1.1方法濃縮。

1.2.1.3 料液比

棕色棉纖維粉末各取2 g，分別浸沒于50、100、150、200、250 mL乙醇（30%）溶液，在超聲波清洗機中（55 ℃，300 W）超聲輔助萃取4 h，抽濾。按1.2.1.1方法濃縮。

1.2.2 色素HPLC檢測

參考馬明波[4]的檢測方法，采用Agilent-1200高效液相色譜儀進行測試，分離條件：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，紫外檢測波長280 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；20～30 min，100%A。

2 結果與分析

馬明波等[5]對棕色棉色素進行紫外掃描，發現在波長202 nm和280 nm分別出現了芳香族化合物特有的強E2吸收帶和較弱B吸收帶，且與黑荊樹皮單寧的紫外光譜特點相似[8]，又結合棕色棉與化學試劑的顯色反映推測棕色棉色素為縮合單寧類物質。由于202 nm在末端吸收范圍，容易產生誤差，故確定檢測波長為280 nm。

2.1 超聲時間對提取色素組分的影響

不同超聲提取時間下得到色素多酚類物質的HPLC色譜圖如圖1所示。

在280 nm紫外檢測波長下，色素提取物的HPLC色譜峰可以分為兩部分：保留時間在0～5 min強極性部分，主要有保留時間1.4、1.9、2.5、2.7 min和3.5 min這5種；和7～20 min保留時間跨度較大，峰形較差的部分，該部分色素物質是結構相似的一類多聚體，分離難度很大。從圖1可以看出，隨著提取時間的變化，7～20 min峰形變化不明顯，而前5 min強極性部分色譜峰發生了較大變化：提取1 h時色譜峰數較少，色譜峰高相對較低；隨超聲時間延長，色譜峰數增多，色譜峰逐漸變高。實驗過程中樣品采用相同纖維質量進行提取，色素溶液濃縮至相同體積，因此色譜峰面積可以用來表征對應組分的含量。各色譜峰面積變化如圖2所示。

從圖2可以看出，保留時間7～20 min峰面積最大，遠大于前5 min色譜峰面積之和，說明色素主要成分是保留時間7～20 min處化學結構類似的一類物質。隨超聲時間的延長，7～20 min峰面積逐漸增大，4 h后面積有所減小，說明超聲4 h提取出該部分物質含量最多。保留時間前5 min物質中，超聲提取1 h能夠得到保留時間在1.4、2.5、2.7 min以及3.5 min的色素組分，隨超聲時間的延長，這些組分的峰面積逐漸升高，當超聲時間超過4 h后面積值逐漸趨于平穩，說明這些保留時間處的色素組分相對易提取。而保留時間1.9 min組分超聲時間1 h無法提取出來，超聲時間到達2 h也只提取出微量，說明該物質提取較困難。超聲時間超過6 h各峰面積有減小的趨勢，說明過長時間的提取色素會有一部分損失。在超聲達到4 h色素各組分含量達到最大值，說明該時間足以提取出較多含量的色素物質，為了節約資源，節能環保，沒有必要更長時間的提取，因此超聲提取的最佳時間為4 h。

2.2 超聲溫度對提取色素組分的影響

不同超聲溫度下提取的色素溶液HPLC圖譜如圖3所示。從圖3中可以看出，在較低溫度下前5 min強極性物質的色譜峰數量明顯較少，7～20 min峰形較扁平。隨超聲溫度的提升，保留時間前5 min的色譜峰數變多，7～20 min峰形逐漸明顯。這是因為溫度升高時，超聲空化核體積膨脹，受周圍溶劑分子的作用力突然崩潰裂解成更多的空化核[9]，空化作用增強，提取效率升高。

用峰面積表征各色譜峰的具體變化，如圖4所示。圖4顯示，7～20 min峰面積在25 ℃時較小，溫度達到35 ℃時面積迅速增大，隨溫度升高，峰面積變大，55 ℃時面積值達到最大，此時空化作用最強，提取效率最高。當溫度達到65 ℃時面積有所減小，即體現出該部分色素物質含量有所下降。這是因為過高溫度下，空化核內蒸汽壓增大，空化核破裂時增強了緩沖作用使空化作用減弱[9]，提取效率下降。保留時間前5 min色譜峰中，1.4 min色譜峰面積隨超聲溫度的提升而增大，超過35 ℃后其增大趨勢較為平緩，溫度高于55 ℃后面積值降低，說明35～55 ℃之間該組分提取效率較好；1.9 min色譜峰面積在超聲溫度達到55 ℃后出現，隨溫度的升高含量迅速增大，說明在較強空化作用下才能提取出該組分；2.5 min組分在45 ℃出現峰面積，且隨超聲溫度的提升面積值變化不大，說明45 ℃條件下超聲能夠提取出該組分，溫度繼續升高提取出的組分含量變化不大；2.7 min組分隨超聲溫度的升高面積逐漸增大，即提取出該組分含量逐漸增多；3.5 min組分在超聲溫度達到45 ℃時面積達到最大，溫度繼續上升面積變化不明顯，高于65 ℃面積開始減少。以上現象說明，大部分色素組分在較高溫度下能夠更好的提取出來，所以超聲提取色素一般在55 ℃。

2.3 料液比對提取色素組分的影響

不同溶劑體積的條件下提取色素溶液HPLC圖譜如圖5所示。

一般而言，溶劑用量越大對色素物質的溶解能力越強，越有利于色素在溶劑中擴散，提取效果越好。但是從圖5中可以看出，料液比在1∶25（g/mL）和1∶50（g/mL）時，各色譜峰形較好，隨料液比增大，色譜峰形變差，7～20 min峰形越扁平，前5 min色譜峰分離度越差?？赡苁怯捎谝呀龅纳亟M分對未浸出組分具有浸提作用，過大料液比不利于協同浸提[10]，因此料液比超過1∶50（g/mL）后色譜峰反而減弱。各個峰面積變化如圖6所示。

從圖6中更可以看出，7～20 min峰面積在料液比1∶50（g/mL）時最大，隨料液比增加，峰面積值減少，說明料液比1∶50（g/mL）時提取到的該物質含量最多，料液比再增大則不利于該部分物質的提取。保留時間前5 min物質中，1.4、1.9、2.5、2.7、3.5 min組分在料液比1∶50（g/mL）時峰面積達到最大，同樣說明料液比1∶50（g/mL）能夠提取到含量較多的色素組分；隨料液比的增大峰面積逐漸減少，其中1.9 min組分在料液比為1∶100（g/mL）時峰面積已降為零，說明在此料液比條件下不能提取出來。色素物質間的協同浸提作用使色素的最佳提取料液比應為1∶50（g/mL）。

3 結 論

超聲條件對提取的色素化學物質的組成是有影響的，體現在HPLC色譜圖中，如保留時間1.4、2.5、2.7、3.5 min和7～20 min色譜峰在不同超聲條件下都是存在的，只是峰形、峰強和峰面積發生規律性的變化，說明這些物質較易提取；而保留時間1.9 min色譜峰在超聲時間少于2 h、溫度低于55 ℃、料液比超過1∶100（g/mL）條件下沒有色譜峰，說明該物質較難提取。另外，保留時間在2.5 min組分在超聲溫度達到45 ℃才出現色譜峰，說明該組分也相對較難提取?？傊?，超聲條件對不同色素組分的提取程度具有差異性，這一結論可用于色素目標組分分離時提取條件的選擇；另外，用HPLC法說明了超聲溫度55 ℃、時間4 h、料液比1∶50（g/mL）是超聲提取最多棕色棉色素物質種類及含量的最佳條件。

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