油溶性胭脂红酸衍生物的制备及性质评价

刘兰香,郑 华,李 凯,李 坤,徐 涓,张雯雯,张 弘

(中国林业科学研究院资源昆虫研究所,国家林业局特色森林资源工程技术研究中心,云南昆明 650224)

油溶性胭脂红酸衍生物的制备及性质评价

刘兰香,郑 华,李 凯,李 坤,徐 涓,张雯雯,张 弘*

(中国林业科学研究院资源昆虫研究所,国家林业局特色森林资源工程技术研究中心,云南昆明 650224)

胭脂虫红色素是一种水溶性极好却不溶于大多数有机溶剂及油脂类的天然红色素,为了改善其油溶性从而拓展其运用领域,可对胭脂红色素的有效染色成分胭脂红酸进行结构修饰。本文通过对胭脂红酸进行甲酯化、酰化两步化学反应制备了5种胭脂红酸衍生物,应用傅里叶变换红外光谱(FTIR)对5种产物进行了结构的初步表征,借助紫外-可见(UV-Vis)光谱等方法考察了产物的溶解性及酸、碱、光、热、金属离子对产物稳定性的影响。结果表明5种产物的主要成分中增加了酯基和烷基;产物可溶于有机溶剂和油类物质,在玉米油中的溶解度从高至低的顺序为CE5>CE2>CE4>CE1>CE3,其中产物CE5在玉米油中可溶解12.8 g/L;产物在中性溶液中较稳定,光及热稳定性良好,金属离子Cu2+、Fe3+和Al3+可使色素产物褪色,而Na+和Mg2+却能增色。5种胭脂红酸衍生物油溶性及稳定性良好,且保留了胭脂虫红色素的优良染色能力,具有潜在的应用价值和前景。

胭脂虫红色素,油溶性,稳定性,染色能力

胭脂虫红色素(Cochineal extract)来源于胭脂虫(Dactylopiuscoccuscosta)雌成虫干体[1-3],其主要成分是胭脂红酸,是一种天然的优质染料,可将产品染成猩红色、深红色、橙色和其他的色彩。胭脂虫红色素理化性质非常稳定,安全性高且具有生理活性,被人们广泛地运用于食品、化妆品、医药及纺织品等行业中,已有较长的历史[4-6]。

胭脂虫红色素的主要成分胭脂红酸分子是含有1个羧基、2个α-羟基、2个β-羟基的蒽醌苷类化合物,具有蒽醌类化合物的特性,酸性较强,水溶性极好[7-10]。然而,胭脂虫红色素不溶于大多数的有机溶剂,更不溶于油脂类物质,这使得其运用范围受到限制。目前,国内外关于胭脂红酸的研究主要在分离纯化、分析测定、应用等方面,有关胭脂虫红色素改性的工作较少,本课题组在前期的工作中探索了蒽醌类色素的溶解性改性方法和工艺,但是未对改性的方法及产物的相关性质进行系统报道[8-12]。

本文对胭脂红酸先进行甲酯化,然后再分别以2种酸酐和3种酰氯为酰化剂进行反应,制备5种胭脂红酸衍生物,对比研究两类酰化剂对改善胭脂虫红色素油溶性的效果,并筛选出在玉米油中溶解度最好的胭脂红酸衍生物。同时,对5种产物的光谱性质、溶解性、稳定性等进行评价,期望得到得率高、油溶性好,且稳定性良好的胭脂红酸衍生物,为胭脂虫红色素的高效利用提供一种有效的技术。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

胭脂虫红色素 国家林业局特色森林资源工程技术研究中心提供;醋酸酐、十二烯基丁二酸酐、乙酰氯、己酰氯、肉豆蔻酰氯 阿拉丁试剂;二氯甲烷、乙酸乙酯、碳酸氢钠、丙酮、乙醇、甲醇、乙醚 广东光华科技股份有限公司,分析纯;对甲苯磺酸、三乙胺 上海将来实业股份有限公司;猪油 市售;玉米油 益海嘉里有限公司。

AB204-型精密型电子天平瑞士 Mettler toledo公司;AC-MAGHS-7型磁力搅拌器 德国IKA公司;TY742X2A型纯水机 美国Barnstead公司;N1000 Rotavapor Rll型旋转蒸发仪,VOS-450VD型真空干燥箱 日本东京理化器械株式会社;TENSON27型傅立叶变换红外光谱仪 德国布鲁克光谱仪器有限公司;紫外-可见光分光光度计 美国安捷伦科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 胭脂红酸衍生物的制备方法 取1.0 g胭脂虫红色素(胭脂红酸含量为58%)加入至20.0 mL甲醇溶液中,在冰浴条件下搅拌10 min,然后加入0.02 g对甲苯磺酸搅拌30 min,撤去冰浴后将反应液加热至40 ℃条件下反应12 h。待反应结束,反应混合液冷却至室温,加入0.12 g碳酸氢钠(NaHCO3)搅拌5 min,过滤,滤液经减压蒸馏得到的即是甲酯化产物[13-14]。

在装有甲酯化产物的圆底烧瓶中加入40.0 mL二氯甲烷,然后加入0.8 mL三乙胺,混合液于冰浴条件下搅拌10 min后再缓慢滴加醋酸酐(C4H6O3,6.0 mmol,0.6 mL),或十二烯基丁二酸酐(C16H26O3,6.0 mmol,1.6 mL),或乙酰氯(C2H3ClO,6.0 mmol,0.5 mL),或己酰氯(C6H11ClO,6.0 mmol,0.9 mL)或肉豆蔻酰氯(C14H27ClO,6.0 mmol,1.7 mL)。加料结束后使反应液在0 ℃条件下保持30 min,然后在35 ℃条件下加热回流2～12 h,当TLC显示原料点消失即为反应完成[10,13]。反应混合液冷却后过滤,有机相经减压蒸馏得到红色的固体即为目标产物胭脂红酸衍生物,分别为CE1、CE2、CE3、CE4、和CE5。

1.2.2 UV-Vis测试 准确称取3份等质量的色素样品,将样品分别溶解于100.0 mL 95%乙醇、溶液a(99.0 mL 95%乙醇+1.0 mL醋酸)及溶液b(99.0 mL 95%乙醇+1.0 mL三乙胺),然后对溶液进行全波长扫描并测定它们在可见光区最大吸收波长处的吸光度。

式(1)

式中:0.01-换算系数;a-稀释后试样溶液的吸光度;c-稀释后试样溶液的浓度,g/mL。

产物的相对得率(Y)按公式(2)计算[17]:

式(2)

式中:Y-产物的相对得率,%;E1-胭脂虫红色素的色价;m1-胭脂红色素的质量,g;E2-产物的色价;m2-产物的质量,g。

1.2.4 FTIR表征 采用KBr压片法进行FTIR,对比胭脂虫红色素及色素产物的谱图变化,从而判断重要官能团的变化。

1.2.5 产物的溶解性鉴定 室温条件下,将色素样品分批定量溶解于水、乙醚、丙酮、乙酸乙酯等不同的溶剂及玉米油中(10.0 mL),计算色素样品的溶解度并评价溶解性。

1.2.6 光稳定性测试 将样品溶解于95%乙醇溶液,密封保存,并将装有溶液的无色瓶子置于室内,使其置于室内自然光散射的状态,每隔5 d取出测试溶液的吸光度,利用公式(3)计算保存率并评价其光稳定性[18]。

式(3)

式中:Rp-保存率;A1-初始加入样品时的吸光度;An-加入样品一段时间后的吸光度。

1.2.7 热稳定性 配制质量浓度相同的样品溶液,并测定溶液位于可见光区最大吸收波长处的吸光度;然后分别取固体色素样品置于温度为4 ℃的冰箱和100 ℃的烘箱中保持24 h,再测定等浓度溶液的吸光度,根据保存率来评价色素产物的热稳定性。

1.2.8 金属离子对产物的影响 配制一系列金属离子浓度为0.1 mol/L的氯化钠、氯化镁、氯化铁、氯化铜及氯化铝溶液,配制100.0 mL质量浓度相等的色素样品乙醇溶液于锥形瓶中。分别测定色素样品溶液加入1.0 mL含金属离子溶液前、后的吸光度,根据吸光度的变化来评价金属离子对产物的影响。

2 结果与讨论

2.1 胭脂红酸衍生物的制备

酯化反应是常见的化学合成方法,通过甲酯化反应以及酰氯或酸酐的酰化共两步反应制备得到了5种胭脂红酸衍生物CE1～5。如图1及表1所示,将产物溶解于乙醇溶液中,与胭脂虫红色素相比,它们在可见光区的最大吸收波长都向短波长方向移动,且色价降低。另外,对比发现酰化剂种类相同时,产物的色价、质量与酰化剂的碳原子数有关:酰化剂为酸酐时,碳原子数较多的产物CE2的色价比CE1低了26,但是产物质量比CE1多了0.2718 g;酰化剂为酰氯时,色价由高至低的顺序为CE3>CE4>CE5,质量由少到多的顺序为CE3

表2 产物在可见光区的λmax(nm)及吸光度Table 2 λmax(nm)and absorbance of products in visible region

注:吸光度降低百分比:δA(%)=[(A乙醇-A酸或碱)/A乙醇]×100。

图1 UV-Vis 光谱图Fig.1 UV-Vis spectroscopy

表1 产物的相对得率Table 1 The relative yield of products

2.2 UV-Vis光谱性质

进一步探究色素在酸碱性不同的溶液中的变化,结果如表2所示,与原料胭脂虫红色素相比,在酸性或碱性溶液中,5个产物的λmax均向短波长方向移动。伴随着可见光区λmax的变化,溶液呈现的颜色依次为橙色(酸性溶液)、红色至深红色(中性溶液)、紫色(碱性溶液)。它们在可见光区的λmax及颜色变化规律与胭脂虫红色素一致,说明得到的5种色素产物仍然属于红色素。

此外,在不同的酸碱性溶液中,色素产物不仅最大吸收波长发生了变化,在λmax处的吸光度也不同程度地降低,它们的吸光度在碱性溶液中降低值明显大于酸性溶液。在酸性溶液中,CE2降低了16.8%,是五个产物中变化最大的;在碱性溶液中,变化最大的是CE5。虽然产物的变化趋势与原料胭脂虫红色素的变化一致,但是它们变化的原因可能不相同:原料中胭脂红酸的酚羟基、羧基在酸性溶液中的电离减弱,碱性溶液中可与碱成盐可能是影响吸光度变化的主要原因;而产物的吸光度受酸碱性影响的主要原因可能是产物中残留的有机酸在酸或碱的作用下对吸光度产生了影响[20-21]。因此,色素产物保存及使用时应避免强碱性环境,尽量在弱酸或中性环境中使用。

2.3 FTIR

红外是分子振动光谱,通过谱图分析各种官能团的特征吸收可判断胭脂虫红色素及产物间的差异[22]。如图2所示,胭脂虫红色素在波数为3000～3500 cm-1区间有宽而强的吸收峰;而5种产物在此区间的吸收变弱甚至消失,说明产物的主要成分分子中-OH的数目减少;同时,5种产物在2810～2960 cm-1区间的吸收增强,说明-CH3和-CH2的数目增加。更为特征的是,产物在FTIR谱图中都出现了明显的酯基吸收峰,产物CE1至CE5的-C=O吸收分别为位于1726、1724、1715、1712和1714 cm-1,同时,酯基中-C-O-C-的吸收可在1150～1300 cm-1区间找到。此外,胭脂虫红色素及产物在1500～1650 cm-1区间都有芳族化合物的特征吸收,说明它们的主要成分分子中的芳香结构并未改变。

图2 产物的FTIR图Fig.2 FTIR spectra of products

2.4 溶解性鉴定

如表3所示,5种色素产物的溶解性与胭脂虫红色素存在着较大的差异:胭脂虫红色素极易溶于水而5种产物均不溶于水;5种产物在有机溶剂中的溶解度显著提高,它们可微溶于乙醚,极易溶于丙酮、乙酸乙酯等有机溶剂,溶解质量大于10.0 g/L;而胭脂虫红色素却不溶于这些有机溶剂也不溶于玉米油。5种色素产物在玉米油中的溶解度由大到小的顺序为CE5>CE2>CE4>CE1>CE3,其中溶解性最好的CE5为12.8 g/L;而溶解性较差的产物CE3相比原料胭脂虫红色素提高了1.9 g/L。通过分析产物在玉米油中的溶解度可发现,酰化剂种类相同时,酰化剂中的碳原子数越多,产物的油溶性越好:酸酐为酰化剂的产物溶解度大小顺序为CE2>CE1,酰氯为酰化剂的产物溶解度大小顺序为CE5>CE4>CE3。这可能是因为酰化剂的碳原子数越多,产物的极性越接近玉米油[23-24]。

表3 产物的溶解度(g/L)Table 3 Solubility of products(g/L)

表4 温度对产物稳定性的影响Table 4 Effects of temperature on stability of products

将25.0 mg产物溶解于50.0 mL的玉米油中,其颜色效果如图3所示,溶有色素产物的玉米油呈红色或橙色,放置一算时间后不会产生沉淀,没有明显的褪色,说明这5种色素产物对玉米油有较好的染色效果,胭脂虫红色素的油溶性明显改善。

图3 产物在玉米油中的照片Fig.3 Image of products in corn oil

2.5 稳定性

2.5.1 光稳定性 色素在使用过程中,一般会受自然光或其它照明灯光的影响,可能会影响其着色效果。如图4所示,胭脂虫红色素在室内自然光的条件下保存5 d,不做其它的固色,其保存率为90%,但之后其保存率迅速降低;第30 d,其保存率仅为20%左右。在同样环境下,5种色素产物的保存率明显高于胭脂虫红色素,且随时间的变化不显著,保存30 d后,它们的平均保存率比胭脂虫红色素高出约60%,说明5种色素产物的光稳定较好,光照条件下不易褪色。究其原因可能是胭脂红酸分子中有较多活泼的羟基,在光照条件下易发生某些化学变化,从而导致吸光度降低,保存率降低;而色素产物是经胭脂红酸分子甲酯化、酰化两步反应后得到,产物中的羟基减少,增加的酯基和烷基在光照条件相对羟基来说,化学性质更稳定,保存率更高[21,25]。

图4 产物在自然光中的稳定性Fig.4 Stability of products in natural light

2.5.2 热稳定性 如表4所示,胭脂虫红色素及产物在低温(4 ℃)保存24 h,它们的保存率均大于99.00%,而在高温(100 ℃)条件下的保存率明显降低,其中胭脂虫红色素的保存率为80.01%,5种产物保存率最高的是产物CE1为83.77%,保存率最低的是产物CE5为81.13%,说明产物在高温条件下的稳定性好于胭脂虫红色素。

2.5.3 金属离子对稳定性的影响 金属离子常常会影响色素的着色效果。如图5所示,Cu2+、Fe3+和Al3+使胭脂虫红色素及5种产物的吸光度均降低,具有褪色作用,相反,加入Na+和Mg2+后5种色素产物的吸光度均增加。方差分析结果显示,产物CE3在Al3+存在的条件下,与空白样相比,存在显著性差异;除此以外,5种产物在其余各金属离子存在的条件下,与空白样相比,差异都极显著。结果表明,这些金属离子的加入,都会影响产物在溶液中的吸光度。因此,5种色素产物在保存及使用的过程中,应当避免接触Cu2+、Fe3+和Al3+等离子,却可适当加入Na+和Mg2+进行增色。

图5 金属离子对产物的影响Fig.5 Effect of metal ions on products

3 结论

3.1 胭脂虫红色素经甲酯化、酸酐或酰氯酰化共两步反应制备得到了5种胭脂红酸衍生物,制备方法简洁。通过FTIR表征,初步判定色素产物的主要成分中增加了酯基及烷基,这可能是色素产物油溶性较好的原因;5种产物均不溶于水,可溶于大多数有机溶剂及玉米油,油溶性最好的产物CE5在玉米油中可溶解12.8 g/L,说明胭脂虫红色素的油溶性得到了明显的改善。

3.2 两种酰化剂均随着酰化剂分子量增加,其产物质量和相对得率增加,而产物色价降低;5种产物中色价最高的CE3为99,最低的CE5为62;相对得率最高的产物CE2为60.5%,最低的CE3为51.2%。

3.3 通过UV-Vis表明色素产物在不同的酸碱溶液中λmax、吸光度及颜色会发生改变,但仍属于红色素;通过稳定性测试表明5种色素产物均具有较好的光、热稳定性,金属离子Cu2+、Fe3+和Al3+可使色素产物褪色,而Na+和Mg2+却能增色;5种产物的染色效果较好,放置一段时间不会产生沉淀、不褪色,具有应用前景。

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The preparation and properties of oil-soluble derivatives of carminic acid

LIU Lan-xiang,ZHENG Hua,LI Kai,LI Kun,XU Juan,ZHANG Wen-wen,ZHANG Hong*

(Research Institute of Resources Insects,Chinese Academy of Forestry,Research Center of Engineering and Technology on Forest Resources with Characteristics,State Forestry Administration,Kunming 650224,China)

Cochineal extract(Dactylopiuscoccuscosta)is one of the most valuable water-soluble natural red pigments. In order to improve its solubility in organic solvents and oil,the method of chemical structure modification was applied. Five oil-soluble derivatives of carminic acid which was the main ingredient of cochineal extract were designed and prepared through two-step reactions in this paper. The structure of the products was characterized by fourier transform infrared spectroscopy(FTIR),the solubility and stable properties in the presence of acid,alkali,light,heat,or metal ions had been investigated. The results showed that ester group and alkyl group were introduced to carminic acid which were proved by FTIR. The five products could easily be dissolved in organic solvents and oil. Descending order of their solubility in the corn oils was CE5>CE2>CE4>CE1>CE3. Solubility of the derivative CE5 reached 12.8 g/L. The products were stable in the presence of light and have excellent thermal stability. Metal ion Cu2+,Fe3+and Al3+could make products fade,but products graced in the presence of Na+and Mg2+. With the heritage of dyeing ability of cochineal extract,the five derivatives were proved with good stability and high solubility in oil,therefore,the search had become important to further application of cochineal extract.

cochineal extract;oil-soluble;stability;dyeing ability

2016-09-06

刘兰香(1986-)，女，助理研究员，研究方向：天然产物资源化学，E-mail:lanxiangliu@outlook.com。

*通讯作者:张弘(1963-)，男，博士，研究员，研究方向：林业生物资源化学与利用，E-mail:kmzhhong@163.com。

国家林业公益性行业科研专项(201204602)。

TS202.3

A

:1002-0306(2017)04-0300-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.04.048