染色丝织品的植物染料提取工艺优化

吕海霞， 徐雪萍， 徐方圆， 贺 冰， 施超欧(.华东理工大学 化学与分子工程学院分析测试中心，上海 0037；.馆藏文物保存环境国家文物局重点科研基地 上海博物馆文物保护科技中心，上海 00050)

研究与技术

染色丝织品的植物染料提取工艺优化

吕海霞1， 徐雪萍1， 徐方圆2， 贺 冰1， 施超欧1
(1.华东理工大学 化学与分子工程学院分析测试中心，上海 200237；2.馆藏文物保存环境国家文物局重点科研基地 上海博物馆文物保护科技中心，上海 200050)

采用一种低酸度充氮气密封加压并且适当加热的方法进行植物染料染色丝织品的剥色提取，利用LC-MS鉴定了植物染料的主要有效成分，并借助正交实验设计的方法对剥色提取条件进行了优化，确立了黄檗、槐米染色丝织品的最佳剥色条件。结果表明：黄檗的最佳剥色条件为盐酸质量分数0.19%的CH3OH提取液，80 ℃恒温提取60 min；槐米在65 ℃，不添加盐酸，VCH3OH︰VH2O为65︰35的提取液中提取90 min效率最高。方法重复性、稳定性良好。通过对比传统方法与实验中所用的剥色提取方法，发现该方法剥色效率最高可达传统方法的9倍多，明显提高了剥色效率。

丝织品；天然植物染料；优化染色；剥色提取；正交实验设计

中国丝织品的染色工艺已有悠久的历史。有机合成染料于19世纪晚期出现[1]，因此中国古代丝织品的染色多采用天然植物染料染色。黄色在中国传统文化里代表帝王之色，被寓以至高无上的权利，是最受古人推崇的颜色之一[2-3]，因此古代丝织品文物中采用黄色染料进行染色的并不少见。其中，黄檗和槐米较为普遍。丝织品经黄檗染色后呈特有的明黄色[4]，而经槐米染色后呈漂亮的柠檬黄色[5]。常用的天然植物染料的检测方法包括色谱法[6-8]和光谱法[9-11]。

染料的剥色提取是古代丝织品染料分析的基础，也是关键步骤。有关丝织品染料剥色提取的研究在国内外都有报道。传统的染色丝织品的剥色方法是利用浓盐酸和甲醇在高温下进行剥色提取[12-13]。此方法存在诸多弊端：提取液酸度过高，不能直接进入色谱柱分析，且会造成染料有效成分的分解；为使强酸挥发掉，需用氮气进行吹扫，该过程实验成本高，操作繁琐，重复性和回收率也会受影响。2005年Zhang[14]在传统方法的基础上发展了一种更为温和的方法，利用甲酸和EDTA来代替浓盐酸进行剥色提取，能够有效减少染料中糖苷键的断裂。2009年Valianou L等[15]对比研究了浓盐酸、草酸、柠檬酸、三氟乙酸及甲酸/EDTA等五种体系对染色丝织品的剥色提取效果，结果表明，采用三氟乙酸体系的剥色方法，提取效率较高。

基于丝织品传统剥色方法存在的上述问题，本实验采用了一种相对温和的染色丝织品的植物染料剥色方法。用充氮加压密封并且适当加热的方法进行染色丝织品的剥色提取[16]，并采用正交实验设计的方法进行剥色提取条件的优化，从而确定各染色丝织品染料有效成分的最佳剥色提取条件。提取后可直接进入色谱仪分析，无需氮吹处理。

1 实 验

1.1 材料与仪器

材料：丝织品坯布(市售电力纺，杭州米赛丝绸有限公司)，甲醇、乙腈(色谱纯，上海星可高纯溶剂有限公司)，三氟乙酸(色谱纯，阿拉丁试剂(上海)有限公司)，浓盐酸(分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司)，盐酸巴马汀(纯度>98%)、盐酸小檗碱(纯度>97%)、芦丁(纯度>95%)、槲皮素(纯度>98%)均购自上海如吉生物科技发展有限公司，超纯水(18.2 MΩ·cm，自制)，10 mL钳口顶空瓶(浙江爱吉仁科技有限公司)，20 mm顶空瓶压盖器、20 mm顶空瓶启盖器(北京东方惠普科技有限公司)，高纯氮。

仪器：Ultimate 3000双三元高效液相色谱仪(配有DAD检测器)、TSQ Vantage三重四极杆液相色谱质谱联用仪、Reacti-Therm(TS-18824)干式氮吹仪(赛默飞世尔科技(中国)有限公司)。

1.2 正交设计

将影响剥色效率的4个重要因素按4水平5因素的正交表排布，得到染色丝织品剥色提取实验的正交实验设计表，见表1。

表1 染色丝织品剥色提取正交实验设计
Tab.1 Orthogonal experimental design for extracting natural dyes from dyed silk fabrics

编号A温度/℃B提取时间/minC盐酸质量分数/%D溶剂E空白165300.0050︰501265600.1965︰352365900.3780︰2034651200.74100︰04580300.1980︰204680600.00100︰03780900.7450︰5028801200.3765︰351995300.37100︰021095600.7480︰2011195900.0065︰35412951200.1950︰50313110300.7465︰35314110600.3750︰50415110900.19100︰01161101200.0080︰202

注：D溶剂为VCH3OH︰VH2O，表3—表6同。

根据表1实验条件，以随机顺序完成以上16组实验。另外按照VH2O︰VCH3OH︰VHCl(37%)(1︰1︰2)，105 ℃加热10 min，冷却，氮吹的传统剥色方法的条件[13]进行一组实验作对比。各染色丝织品按正交实验方案剥色提取后，以HPLC(high performance liquid chromatography)测定其中的染料有效成分，用峰面积大小表示效率高低，每组实验重复3次，取平均值即为实验结果。

1.3 提取液配制

染料的提取液配制分为两步：第一步，按照正交表中的要求准备相应的提取溶剂；第二步，用不同配比的提取溶剂对37%的浓盐酸分别以200、100和50倍进行稀释，得到盐酸质量分数0.19%、0.37%和0.74%的相应提取液。盐酸质量分数0，即提取液中不添加盐酸。

1.4 染色丝织品样品处理

委托中国丝绸博物馆，按古代传统方法分别对实验用丝织品坯布用黄檗、槐米两种天然植物染料进行染色。准确称取上述染色丝织品样品(10±1)mg置于10 mL顶空样品瓶中，针对不同的染色丝织品分别加入相应的提取液1 mL，充N2密封。

针对不同的染色丝织品分别按照其相应正交表中设计的实验条件进行剥色提取，将提取好的染色丝织品样品剥色提取液用0.22 μm有机相滤头过滤后进色谱分析。

1.5 仪器工作条件

1.5.1 LC-MS条件

色谱柱：ZORBAX Eclipse Plus C18(3×100 mm，1.8 μm)，柱温30 ℃，流速0.5 mL/min，进样量4 μL；流动相：A路为0.1%甲酸铵的水溶液，B路为0.1%甲酸铵的乙腈溶液。黄檗梯度洗脱程序：0～7 min，A路比例从75%降为62%；7～7.1 min，A路比例由62%上升到75%；7.1～14 min，A路比例为75%。槐米梯度洗脱程序：0～9 min，A路比例从80%降为37%；9～9.1 min，A路比例由37%上升到80%；9.1～16 min，A路比例为80%。检测波长：黄檗347 nm，槐米354 nm。

质谱条件：离子源HESI；正/负离子模式监控；质量扫描范围为质荷比(m/z)100～800；喷雾电压为2.5 kV；鞘气流量为50 Arb；辅助气流量为10 Arb；毛细管温度为270 ℃；蒸发温度为350 ℃；碰撞气为1.5×103Torr。

1.5.2 LC条件

色谱柱：Waters SunFireTMC18(4.6×150 mm，5 μm)，流速1 mL/min，进样量20 μL；流动相：A路为0.1%三氟乙酸的水溶液，B路为0.1%三氟乙酸的乙腈溶液。黄檗梯度洗脱程序：0～30 min，A路比例从90%降为40%；30～31 min，A路比例由40%上升到90%；31～35 min，A路比例为90%。槐米梯度洗脱程序：0～25 min，A路比例从85%降为40%；25～30 min，A路比例为40%；30～31 min，A路比例由40%上升到85%；31～35 min，A路比例为85%。其他参数同1.5.1。

2 结果与分析

2.1 染料有效成分的定性分析

将黄檗、槐米染色丝织品的剥色提取液进行液相色谱系统分析，其谱图如图1所示。由图1可见，色谱图上有两个峰的峰高值都超过一定高度。以往的研究表明，黄檗的主要色素成分是巴马汀和小檗碱[17]，而槐米的有效成分主要为芦丁和槲皮素[18]。现利用LC-MS对其主要色素成分进行定性分析。由图1可知，保留时间为6.53 min色谱峰的特征碎片离子的质荷比为352，正是巴马汀标准品的分子离子峰；而保留时间为6.95 min色谱峰的特征碎片离子的质荷比为336，正是小檗碱标准品的分子离子峰。这说明黄檗丝织品提取液的主要有效成分就是巴马汀和小檗碱。

图1 黄檗染色丝织品提取液及其标准品色谱图和特征峰质谱图Fig.1 Chromatogram and mass spectrum of characteristic peak of extracting solution and its standard sample of silk fabrics dyed by Phellodendron Amurense

图2和图3分别是槐米染色丝织品提取液的色谱图和特征峰质谱图。图3(a)显示，在正负离子模式下特征碎片离子分别为m/z611和609，表明为芦丁(相对分子质量610)，m/z303可能是芦丁的糖苷键断裂形成的槲皮素的碎片离子峰。图3(b)的质谱图显示，在负离子监测模式下的特征碎片离子的质荷比为301，在正离子监测模式下的特征碎片离子的质荷比303，表明为槲皮素(相对分子质量302)。

图2 槐米染色丝织品提取液及其标准品色谱图Fig.2 Chromatogram of extracting solution and its standard sample of silk fabrics dyed by Flos Sophora

图3 槐米染色丝织品提取液特征峰质谱图Fig.3 Mass spectrum of characteristic peak of extracting solution of silk fabrics dyed by Flos Sophora

2.2 正交实验结果

通过对正交实验结果进行直观分析，可得到各染色丝织品的剥色提取结果(表2)。

表2 染色丝织品的剥色提取结果
Tab.2 Results of stripping extraction of dyed silk fabrics

编号巴马汀峰面积/(mAU·min)小檗碱峰面积/(mAU·min)芦丁峰面积/(mAU·min)槲皮素峰面积/(mAU·min)12.003.1218.030.00214.9838.8423.890.67315.7340.8321.541.99415.8141.470.2116.84 516.6043.0822.201.8067.9418.221.880.10715.0938.368.603.92814.1636.5312.565.64916.5643.490.007.531016.2942.370.1416.16 115.4010.4721.420.001214.6137.675.382.301315.4540.020.0611.26 1414.7238.090.080.671515.3840.440.003.02166.9614.8817.000.00

2.3 正交实验结果分析

方差分析中涉及的显著性水平α，指的是对做出的判断大概有1-α的把握。查阅F分布临界值表可得到本实验中涉及到的Fα︰F0.01(3,3)=29.5，F0.05(3,3)=9.28，F0.1(3,3)=5.39。当α=0.01时，F>Fα，则有99%的把握认为该因素对结果影响显著，以“***”表示；当α=0.05时，F>Fα，则有95%的把握认为该因素对结果影响显著，以“**”表示；当α=0.1时，F>Fα，则有90%的把握认为该因素对结果影响显著，以“*”表示。具体结果见表3。

表3 染色丝织品剥色提取的正交实验结果
Tab.3 Orthogonal experimental results of stripping extraction of dyed silk fabrics

染料A温度/℃B提取时间/minC盐酸质量分数/%D溶剂巴马汀80600.19/0.74***80︰20/100︰0小檗碱80600.19/0.74***100︰0芦丁6530/900.0065︰35/80︰20*槲皮素65/9530/1200.74**100︰0

注：“*”表示某因素对结果影响的显著性。

由表3可知，对黄檗染料两种有效成分提取效率影响较大的主要是盐酸质量分数，其次是溶剂，提取时间和温度对提取效率的影响很小，可以不必考虑。温度80 ℃、时间60 min可获得高剥色提取效率，而盐酸质量分数0.19%和0.37%，VCH3OH︰VH2O为80︰20的溶剂和CH3OH都可获得高提取效率。

而槐米染料中的两种有效成分的提取条件并非一致，尤其是提取液中盐酸质量分数对二者提取效率的影响较大，盐酸质量分数越高，槲皮素的提取效率越高，而芦丁的提取效率却越低，因此推测槐米染料剥色提取过程中存在以下反应：

为证实这一推测，将芦丁标准品按照槐米中槲皮素的提取方法处理后再进液相色谱分析，结果显示：几乎检测不到芦丁的峰，却出现一个较大的槲皮素的峰。由此证实了推测的正确性。鉴于两种有效成分都是槐米染料的有效染色成分，而且在一定条件下会发生转化，可以选择一种有效成分进行分析。本实验中选择芦丁作为主要研究对象，但也不免有少量槲皮素的存在。

2.4 验证实验结果分析

为了进一步得到提取效率最优的黄檗、槐米剥色提取条件，设计了表4—表6的实验组合进行验证性实验，并记录实验结果。

表4 黄檗验证实验结果
Tab.4 Verification experiment results of Phellodendron Amurense

编号因素A温度/℃B时间/minC盐酸质量分数/%D溶剂实验结果巴马汀峰面积/(mAU·min)小檗碱峰面积/(mAU·min)180600.3780︰2017.0744.90280600.37100︰016.8044.42380600.1980︰2016.3543.04480600.19100︰017.5246.30

注：下划线表示该因素为最佳条件，表5—表6同。

表5 芦丁验证实验结果
Tab.5 Verification experiment results of Rutin

编号因素A温度/℃B时间/minC盐酸质量分数/%D溶剂实验结果芦丁峰面积/(mAU·min)16530065︰3517.1026590065︰3521.8736530080︰2010.9846590080︰2013.78

表6 槲皮素验证实验结果
Tab.6 Verification experiment results of Quercetin

编号因素A温度/℃B时间/minC盐酸质量分数/%D溶剂实验结果槲皮素峰面积/(mAU·min)165300.74100︰09.272651200.74100︰015.96395300.74100︰012.224951200.74100︰06.97

2.5 重复性和稳定性考察

2.5.1 方法重复性考察

两种染色丝织品均按其最佳提取条件平行做3个样品提取液，并分别将提取液用0.22 μm有机相滤头过滤后进液相色谱系统检测(表7)。结果显示：峰面积RSD均小于7.3%，剥色重复性良好，满足丝织品剥色的需求。

表7 剥色方法的重复性考察
Tab.7 The repeatability of the stripping method

编号黄檗最佳提取条件下巴马汀峰面积/(mAU·min)小檗碱峰面积/(mAU·min)芦丁最佳提取条件下芦丁峰面积/(mAU·min)槲皮素峰面积/(mAU·min)槲皮素最佳提取条件下芦丁峰面积/(mAU·min)槲皮素峰面积/(mAU·min)117.0544.8926.491.810.1415.15216.4643.1825.231.720.1316.50314.8438.8923.561.660.1516.82平均值16.1242.3225.091.730.1416.16RSD/%7.107.305.864.367.145.49

2.5.2 样品提取液稳定性考察

按照各染色丝织品最佳提取条件对染色丝织品剥色后获得提取液，将提取液用0.22 μm有机相滤头过滤后进液相色谱系统检测(表8)。结果显示：20 h内连续进样，峰面积RSD均小于5.55%，所以染色丝织品的剥色提取液可以稳定保存至少20 h。

表8 剥色提取液的稳定性考察
Tab.8 The stability of stripping extract

编号黄檗最佳提取条件下巴马汀峰面积/(mAU·min)小檗碱峰面积/(mAU·min)芦丁最佳提取条件下芦丁峰面积/(mAU·min)槲皮素峰面积/(mAU·min)槲皮素最佳提取条件下芦丁峰面积/(mAU·min)槲皮素峰面积/(mAU·min)117.1244.7424.231.890.1817.64217.5945.8123.881.740.1717.02317.7346.2023.561.660.1616.66417.9646.8423.501.800.1815.83平均值17.6045.9023.791.770.1716.79RSD/%2.011.921.415.485.554.50

2.6 传统方法与新方法对比

传统方法与新方法的剥色效率比较结果见表9，传统方法与新方法剥色后的色谱分析对比见图4。与传统强酸剥色方法相比，新方法可减少丝织品水解过程中可能产生的诸多杂质，解决了后续染料的分析检测中的基体干扰问题，对染料的分解作用明显减弱，大幅提高了染色丝织品的剥色效率，剥色效率最高可达传统剥色方法剥色效率的9倍多。

表9 传统方法与新方法的剥色效率比较
Tab.9 Comparison of stripping efficiency of traditional methods and new methods

染料传统方法峰面积/(mAU·min)峰高/mAU新方法峰面积/(mAU·min)峰高/mAU新方法/传统方法峰面积比值峰高比值黄檗巴马汀5.2642.2116.12117.983.062.80小檗碱13.65108.0542.32302.023.102.80槐米槲皮素1.389.9712.5387.669.088.79

注：传统强酸剥色方法中，芦丁几乎全部变成槲皮素，故槐米以槲皮素的结果作比较。

1.巴马汀，2.小檗碱，3.芦丁，4.槲皮素图4 传统方法与新方法剥色后色谱分析对比Fig.4 Chromatographic analysis comparison of the traditional method and the new method after color stripping

3 结 论

1)通过正交实验可得黄檗染色丝织品的最佳剥色条件为温度80 ℃，时间60 min，盐酸质量分数0.19%，溶剂CH3OH。槐米的最佳剥色条件为温度65 ℃，时间90 min，不添加盐酸，溶剂VCH3OH︰VH2O为65︰35。在最佳剥色提取条件下，提取结果重复性、稳定性都较好。

2)与传统剥色方法相比，该方法所采用的提取液酸度低，剥色提取后可直接进色谱柱分析，不需要氮吹，简化了样品前处理操作，节约了实验成本。剥色提取条件相对温和，可用于脆弱易碎染色丝织品上染料的剥色提取，剥色效率最高可达传统剥色方法剥色效率的9倍多。

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Optimization of plant dye extraction process of dyed silk fabrics

LÜ Haixia1, XU Xueping1, XU Fangyuan2, HE Bing1, SHI Chaoou1
(1. Analysis and Testing Center, School of Chemistry & Molecular Engineering, East China University of Science and Technology,Shanghai 200237, China; 2. Shanghai Museum Conservation Center, Key Scientific Research Base of Museum Environment,State Administration for Cultural Heritage, Shanghai 200050, China)

Low-acidity nitrogen sealing, pressurization and heating were used to extract plant dyes from dyed silk fabrics, and the main effective constituents of dyes were identified by LC-MS. In this paper, the stripping extraction conditions were optimized with orthogonal experimental design method and the optimum stripping extraction conditions of Phellodendron Amurense and Flos Sophorae dyed silk fabrics were established. The results indicate that the optimum extraction conditions of Phellodendron Amurense are as follows: CH3OH extracting agent with hydrochloric acid content of 0.19%, 80 ℃ for 60 min. For Flos Sephora, the extraction efficiency is the highest under the following conditions: 65 ℃,VCH3OH︰VH2O (65︰35) extracting agent without adding hydrochloric acid for 90 min. The repeatability and stability of this method are good. By comparing the traditional method and the stripping extraction method used in this experiment, we find the stripping efficiency of this method can be 9 times higher than that of the traditional stripping method, and this method greatly improves the stripping efficiency.

silk fabric; natural plant dye; optimization of dyeing; stripping extraction; orthogonal experimental design

10.3969/j.issn.1001-7003.2017.01.001

2016-07-16;

2016-12-05

吕海霞(1992—)，女，硕士研究生，研究方向为液相色谱、离子色谱。通信作者：施超欧，高级工程师，hplc@ecust.edu.cn。

TS193.21

A

1001-7003(2017)01-0001-08引用页码:011101