生物酶法黄檗小檗碱染料提取及其染色性能

张 磊，宋 德 坤，魏 春 艳，崔 永 珠

（1.大连工业大学 纺织轻工学院，辽宁 大连 116034；2.辽宁美麟集团有限公司，辽宁 铁岭 112000）

0 引言

近年来，随着人们环保意识的提高，合成染料在生产和应用过程中带来的污染问题越来越引起人们的关注，在全球性绿色革命的浪潮下，染整工业开始向生态、减排的方向发展，天然染料又开始被人们重视起来［1］。天然染料取代化学合成染料已是大势所趋，目前有关天然染料的研究文献报道很多［2］。

黄檗（Phellodenron）为芸香科植物黄树皮和黄檗的干燥树皮，它作为黄色系天然染料染，主要成分是小檗碱，它具有抗菌作用，临床上应用广泛［3］。小檗碱是黄檗的主要发色成分，它本身是一种季铵盐类的生物碱，是唯一一种阳离子型色素，水溶性良好，可以得到鲜艳的黄色［4］。目前小檗碱天然染料的提取主要有水浸提取法、酸水法［5］、石灰乳法［6］、醇提法和超声波法。水提取法、酸水法成本低，但提取周期长，提取液容易变质，提取率低；而用石灰乳法和醇法提取成本高；超声波法可以明显缩短提取时间，但是需要专用设备。针对上述不足，有关研究人员把生物酶技术应用于纺织用染料的提取工艺，以此降低温度，缩短时间，节约成本，同时提高了染料提取率。

本文利用纤维素酶对黄檗小檗碱色素的提取进行研究，通过改变提取时间、提取温度、溶液pH 值、纤维素酶的浓度来确定出小檗碱染料最佳提取工艺。

1 实验

1.1 材料与仪器

黄檗，干药材，市售；纤维素酶，肇东酶制剂厂，市售；柠檬酸、明矾、柠檬酸钠均为分析纯。

紫外-可见光分光光度计，756CM-UV 53WB型，上海光学仪器厂；全自动色差计，ADCI-60-C型，北京辰泰克仪器技术有限公司；纺织品摩擦色牢度仪，Y571W，无锡纺织机械厂；耐水洗色牢度检测仪，SW8A，无锡纺织机械厂。

1.2 黄檗小檗碱染料提取工艺

酶法提取工艺：把2.1g柠檬酸和2.9g柠檬酸钠加入盛有100mL水的烧杯中，制成柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，pH 4～5。将4g黄檗、0.06g纤维素酶以及蒸馏水放入缓冲液烧杯，使液体总量至200 mL。将上述烧杯放入50 ℃恒温水浴锅中，搅拌酶解1h。由于在萃取过程中，纤维素中的细胞壁、细胞间质受到纤维素酶的破坏，致使一些细胞内部的物质和一些杂质转移到溶液中，造成溶液混浊，因此，利用离心仪对混浊液进行离心处理，然后收集上清液作为染液。

水浸提取工艺：把4g黄檗放入缓冲液烧杯，使液体总量至200mL，并放入50 ℃恒温水浴锅中，搅拌煎煮1h，然后用纱布过滤，收集其滤液作为染液。

1.3 黄檗小檗碱酶法提取工艺参数确定

将4g黄檗、适量纤维素酶、缓冲液加入烧杯中，在改变提取介质的pH 值、温度、纤维素酶浓度的条件下绘制染色后布样的色差值和它们的关系曲线，对曲线进行分析，确定酶法提取的适宜工艺参数。

1.4 检测实验

为提高织物染色牢度，用明矾作为媒染剂，对织物进行媒染处理。对样品进行色牢度检测。

执行GB/T 3921.1—1997《耐洗色牢度的检测方法》和GB/T 3920—1997《耐摩擦色牢度》标准。

2 结果与讨论

2.1 黄檗吸光度的测定

取相同体积的酶法和水浸法的提取液，稀释10倍。在紫外-可见光分光光度计上测定溶液吸光度，结果如图1所示。

图1 酶法与水浸法分析谱图Fig.1 Absorbance of enzyme method and water extract method

由图1可见，无论水浸法还是生物酶法，黄檗提取液的最大吸收峰均出现在波长为330nm 附近，表明黄檗染液的结构并未受到生物酶法的影响。这是因为生物酶作为一种催化剂，从机理来看，它对底物的作用具有选择性和专一性，即只对纤维素起作用，而不会破坏细胞内的色素结构。

2.2 酶法与水浸法对小檗碱色素提取率的比较

2.2.1 吸光度的比较

取一定的提取液，稀释10倍。通过酶法和水浸法在最大吸收峰时吸光度的大小来判断提取率的高低。表1是利用酶法和水浸法分别经过3次平行实验得出的吸光度数据。由表1可见，酶法提取液的吸光度高于传统水浸法，其增量为21%～23%。从提取机理来看，传统水浸法主要通过加热形式促使水介质渗入到纤维素分子之间，削弱纤维素分子之间的结合力，从而提高黄檗色素对水介质的溶解能力，达到色素提取的目的。

表1 酶法和传统水浸法在峰值处吸光度的比较Tab.1 Comparation absorbance between enzyme and water extract method at absorbance peak

而对于纤维素酶，是通过对黄檗纤维素的作用，使黄檗内细胞壁及细胞间质中的纤维素、半纤维素等物质得到降解，引起细胞壁及细胞间质结构发生局部疏松、膨胀、崩溃等变化，从而增大细胞内有效成分（即小檗碱）向提取介质扩散的传质面积，减少传质阻力，促进小檗碱提取率的提高［7］。

2.2.2 染样色差的比较

表2是利用上述提取液对棉织物进行染色后得出的色差数据。

表2 酶法和水浸法色差值ΔE 的比较Tab.2 Comparation colour difference between enzyme and water extract method

由表2可以看出，酶法提取液染色后的染样色差平均值高。在黄檗染液的萃取实验过程中，由于纤维素酶对黄檗纤维素的水解作用，其显黄色成分的小檗碱的萃取量大为增加，显然所染织物的色差值有所提高。总之，酶法提取率大于传统水浸法，染色后染样的ΔE值也相应增大。

2.3 黄檗色素酶法提取工艺参数的确定

2.3.1 温度对酶法提取的影响

图2是在不同的温度下进行酶法提取并染色而得到的数据。

图2 温度与色差值间的关系曲线Fig.2 Relationship between temperature andΔE

由图2可以看出，随着温度的增高，ΔE也随着增加，当达到50 ℃以后，ΔE随着温度的升高而降低，ΔE存在一个最大值。

在酶解反应中，温度是一个很重要的影响因素。它不仅影响反应速度，而且影响酶的活性。当温度升高时，反应速度加快，有利于酶解反应的进行；随着温度的增高，酶蛋白逐步变性，反应速度随之下降。因此，酶存在一个最适温度［8］。

图2表明，当θ=50 ℃时，黄檗中的色素提取率最大，说明此温度下纤维素酶的酶活力最高，对植物材料的纤维素作用效果最佳。高于50℃时，酶会因为温度高而失去活性，低于50 ℃时，酶会因为温度低活性较低。因此，纤维素酶的最适温度为50 ℃。

2.3.2 pH 值对酶法提取的影响

图3是在温度为50 ℃的条件下，用不同pH值进行酶法提取并染色得到的数据。

图3 pH 与色差值间的关系曲线Fig.3 Relationship between pH andΔE

由图3可知，随着pH 值的增加，ΔE迅速增大，当pH 值超过一个定值后，ΔE随pH 的增加而降低。大部分酶的活性受环境pH 值的影响。pH 值的改变可以破坏酶空间构象，引起生物酶活力的降低，还影响酶活性中心催化集团的解离［8］。

实验结果表明，当提取介质pH=4.5时，染样的ΔE最高，即提取黄檗中色素含量最大。此时，纤维素酶的催化活性最高，为最适pH 值。

2.3.3 提取时间对酶法提取的影响

图4是在θ=50 ℃，pH=4.5，不同提取时间条件下提取并染色得到的数据。

图4 提取时间与色差值间的关系曲线Fig.4 Relationship between extraction time andΔE

由图4可知，随着时间的增加，色差值大幅提高，但到达一个定值后，随着提取时间的增加，色差值增加缓慢，增加值可以忽略不计。因为一定量的黄檗所能提取出来的色素是一定的，当提取量达到这个定值时，提取量已经接近最大值，即使延长提取时间，提取量也不会有太大的变化。

图4表明，当提取时间在60min以后，染色后布样的色差值几乎不再变化，所以最佳提取时间为60min。在这个提取时间下，提取率接近饱和值。

2.3.4 纤维素酶浓度对酶法提取的影响

图5是在θ=50 ℃，pH=4.5，不同纤维素酶用量条件下提取并染色得到的数据。

图5 纤维素酶用量与色差值间的关系曲线Fig.5 Relationship between the dosage of cellulase andΔE

由图5可知，ΔE随纤维素酶用量的增大而先升后降，存在一个最大值。这是因为纤维素分子能和酶分子结合到结合点的数量是有限的，当这些结合点全部被纤维素酶分子占据后再增加纤维素酶的用量，新增加的那部分酶分子无法和纤维素分子结合，起不到酯解作用［8］。

图5表明，当纤维素酶用量为40mg时，染样的ΔE达到最大，黄檗提取率达到最高值。因此纤维素酶与黄檗之间的最佳投料比为1∶100。

2.4 耐洗色牢度和耐摩擦色牢度的检测结果

用变色灰卡和沾色灰卡对染样进行等级评估，表3、4是染样耐水洗和耐摩擦的检测结果。

表3 黄檗染样织物耐洗色牢度检测结果Tab.3 Washing fastness of the phellodenron dyed samples

表4 黄檗染样织物耐摩擦色牢度检测结果Tab.4 Rubbing fastness of the phellodenron dyed samples

由表3、4可以看出，酶法提取与水浸法提取相比，酶法染样色牢度有所提高，但是效果不明显。因此，酶法只提高提取量，并不能显著提高色牢度。

3 结论

（1）纤维素酶法提取黄檗小檗碱的提取工艺，与传统水浸法相比，提取率有了提高，染料萃取率可提高21%～23%，具有高效、节能、减排特点。

（2）在纤维素酶提取的过程中，纤维素酶没有破坏色素，不影响产物，只是单纯作用于纤维素，加快植物内部色素的萃取速度，发挥生物酶的专一催化作用。

（3）纤维素酶受温度、pH、用量的影响比较大。酶法提取的适宜提取条件是：θ=50 ℃，pH=4.5，提取时间为60min，纤维素酶和黄檗的投料比为1∶100（质量比）。

（4）酶法与水浸法提取相比，染样色牢度有所提高，但效果不明显。