超声条件对天然棕色棉色素提取的影响

范文瑞 马明波 周文龙

摘 要：为探究超声条件（时间、温度、料液比）对提取的天然棕色棉色素成分的影响，采用高效液相色谱（HPLC）法检测提取的色素，研究超声提取条件对色素提取物成分及相对含量的变化规律。结果表明，保留时间前5 min强极性物质受超声提取条件影响较大，表现为色谱峰强度和峰面积变化较大，比如短时间、低温、高料液比的提取条件下不能提取到1.9 min的物质；保留时间7～20 min的色素物质受提取条件影响较小，在不同提取条件下只是提取效率有所不同。本研究的结果显示超声提取对色素不同成分的提取是有选择性的，选择体积分数30%乙醇为提取溶剂时提取棕棉色素最佳的条件是：超声时间4 h、温度55 ℃、料液比1∶50（g/mL）。

关键词：天然彩色棉；棕色棉；色素；液相色谱；超声提取

中图分类号：TS 190.2

文献标志码：A

文章编号：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织行业中应用最广泛的棉花之一。因其天然的色彩，在纺织加工过程中可省略染色工序，并且棕色棉纤维具有抗紫外线、抗氧化性、抗虫性、抗菌性[1]等特性，可在种植过程中减少农药的喷洒，减少了对环境的污染，是最具发展潜力的绿色纺织品之一[2]。然而，天然棕色棉纤维颜色并不稳定，在纺织加工以及穿着使用过程中会有褪色、变色的现象[3]。因此，研究其色素物质成为当前棕色棉研究的主要方向之一。

棕色棉色素成分复杂，有研究表明色素主要是缩合单宁类的混合物，各成分间化学性质相似[4-5]，对棕色棉色素的提取多采用超声波辅助提取法。棕色棉色素存在于纤维中腔[6]，要提取出色素就必须破坏细胞壁，而超声波产生的振动、空化、粉碎、搅拌等综合效应，可以实现对细胞壁的破坏，从而加快提取过程，提高提取效率，并且可避免高温对有效成分的破坏[7]。天然棕色棉色素的多组分性使得不同色素组分溶解到提取溶剂中的速率可能有所不同，或者受不同超声提取条件的影响得到的色素组分可能会发生变化，但目前没有相关学者研究证实。

本文采用超声波辅助萃取技术，在不同超声提取时间、温度、料液比3种条件下提取色素，并采用高效液相色谱（HPLC）法对色素提取物进行检测，从色谱图中探究超声提取条件对提取色素成分的影响，并探索提取最多色素成分时的超声条件。

1 实验部分

1.1 实验材料

材料与试剂：天然棕色棉（浙江省农业科学院）；乙醇（分析纯，杭州高晶精细化工有限公司），甲醇（色谱纯，杭州高晶精细化工有限公司），超纯水。

1.2 实验方法

1.2.1 色素提取液的制备

1.2.1.1 超声时间

天然棕色棉纤维用FZ102微型植物粉碎机粉碎到150目，用OHRUS电子分析天平准确称取纤维粉末各2 g，按料液比1∶50（g/mL）浸没于30%乙醇溶液中，在JP-100S型单槽一体式超声波清洗机中（55 ℃，300 W）分别超声辅助萃取1、2、4、6、8 h，抽滤。将提取的色素溶液在R201D型旋转蒸发仪浓缩至2 mL，经0.45 μm过滤膜过滤，备用。

1.2.1.2 超声温度

棕色棉纤维粉末各称取2 g，按料液比1∶50（g/mL）浸没于30%乙醇溶液中，在超声波清洗机中（300 W）超声辅助萃取4 h，超声温度分别为25、35、45、55、65 ℃，抽滤。按1.2.1.1方法浓缩。

1.2.1.3 料液比

棕色棉纤维粉末各取2 g，分别浸没于50、100、150、200、250 mL乙醇（30%）溶液，在超声波清洗机中（55 ℃，300 W）超声辅助萃取4 h，抽滤。按1.2.1.1方法浓缩。

1.2.2 色素HPLC检测

参考马明波[4]的检测方法，采用Agilent-1200高效液相色谱仪进行测试，分离条件：色谱柱Agilent ZORBAX Eclipse XDB-C18，4.6 nm×150 nm，3.5 μm，柱温30 ℃，流速1.0 mL/min，进样量20 μL，紫外检测波长280 nm.流动相为甲醇（A相）、10 mmoL/L甲酸水溶液（B相），梯度洗脱。流动相配比：0～3 min，4%A；3～20 min，4%～100%A；20～30 min，100%A。

2 结果与分析

马明波等[5]对棕色棉色素进行紫外扫描，发现在波长202 nm和280 nm分别出现了芳香族化合物特有的强E2吸收带和较弱B吸收带，且与黑荆树皮单宁的紫外光谱特点相似[8]，又结合棕色棉与化学试剂的显色反映推测棕色棉色素为缩合單宁类物质。由于202 nm在末端吸收范围，容易产生误差，故确定检测波长为280 nm。

2.1 超声时间对提取色素组分的影响

不同超声提取时间下得到色素多酚类物质的HPLC色谱图如图1所示。

在280 nm紫外检测波长下，色素提取物的HPLC色谱峰可以分为两部分：保留时间在0～5 min强极性部分，主要有保留时间1.4、1.9、2.5、2.7 min和3.5 min这5种；和7～20 min保留时间跨度较大，峰形较差的部分，该部分色素物质是结构相似的一类多聚体，分离难度很大。从图1可以看出，随着提取时间的变化，7～20 min峰形变化不明显，而前5 min强极性部分色谱峰发生了较大变化：提取1 h时色谱峰数较少，色谱峰高相对较低；随超声时间延长，色谱峰数增多，色谱峰逐渐变高。实验过程中样品采用相同纤维质量进行提取，色素溶液浓缩至相同体积，因此色谱峰面积可以用来表征对应组分的含量。各色谱峰面积变化如图2所示。

从图2可以看出，保留时间7～20 min峰面积最大，远大于前5 min色谱峰面积之和，说明色素主要成分是保留时间7～20 min处化学结构类似的一类物质。随超声时间的延长，7～20 min峰面积逐渐增大，4 h后面积有所减小，说明超声4 h提取出该部分物质含量最多。保留时间前5 min物质中，超声提取1 h能够得到保留时间在1.4、2.5、2.7 min以及3.5 min的色素组分，随超声时间的延长，这些组分的峰面积逐渐升高，当超声时间超过4 h后面积值逐渐趋于平稳，说明这些保留时间处的色素组分相对易提取。而保留时间1.9 min组分超声时间1 h无法提取出来，超声时间到达2 h也只提取出微量，说明该物质提取较困难。超声时间超过6 h各峰面积有减小的趋势，说明过长时间的提取色素会有一部分损失。在超声达到4 h色素各组分含量达到最大值，说明该时间足以提取出较多含量的色素物质，为了节约资源，节能环保，没有必要更长时间的提取，因此超声提取的最佳时间为4 h。

2.2 超声温度对提取色素组分的影响

不同超声温度下提取的色素溶液HPLC图谱如图3所示。从图3中可以看出，在较低温度下前5 min强极性物质的色谱峰数量明显较少，7～20 min峰形较扁平。随超声温度的提升，保留时间前5 min的色谱峰数变多，7～20 min峰形逐渐明显。这是因为温度升高时，超声空化核体积膨胀，受周围溶剂分子的作用力突然崩溃裂解成更多的空化核[9]，空化作用增强，提取效率升高。

用峰面积表征各色谱峰的具体变化，如图4所示。图4显示，7～20 min峰面积在25 ℃时较小，温度达到35 ℃时面积迅速增大，随温度升高，峰面积变大，55 ℃时面积值达到最大，此时空化作用最强，提取效率最高。当温度达到65 ℃时面积有所减小，即体现出该部分色素物质含量有所下降。这是因为过高温度下，空化核内蒸汽压增大，空化核破裂时增强了缓冲作用使空化作用减弱[9]，提取效率下降。保留时间前5 min色谱峰中，1.4 min色谱峰面积随超声温度的提升而增大，超过35 ℃后其增大趋势较为平缓，温度高于55 ℃后面积值降低，说明35～55 ℃之间该组分提取效率较好；1.9 min色谱峰面积在超声温度达到55 ℃后出现，随温度的升高含量迅速增大，说明在较强空化作用下才能提取出该组分；2.5 min组分在45 ℃出现峰面积，且随超声温度的提升面积值变化不大，说明45 ℃条件下超声能够提取出该组分，温度继续升高提取出的组分含量变化不大；2.7 min组分随超声温度的升高面积逐渐增大，即提取出该组分含量逐渐增多；3.5 min组分在超声温度达到45 ℃时面积达到最大，温度继续上升面积变化不明显，高于65 ℃面积开始减少。以上现象说明，大部分色素组分在较高温度下能够更好的提取出来，所以超声提取色素一般在55 ℃。

2.3 料液比对提取色素组分的影响

不同溶剂体积的条件下提取色素溶液HPLC图谱如图5所示。

一般而言，溶剂用量越大对色素物质的溶解能力越强，越有利于色素在溶剂中扩散，提取效果越好。但是从图5中可以看出，料液比在1∶25（g/mL）和1∶50（g/mL）时，各色谱峰形较好，随料液比增大，色谱峰形变差，7～20 min峰形越扁平，前5 min色谱峰分离度越差。可能是由于已浸出的色素组分对未浸出组分具有浸提作用，过大料液比不利于协同浸提[10]，因此料液比超过1∶50（g/mL）后色谱峰反而减弱。各个峰面积变化如图6所示。

从图6中更可以看出，7～20 min峰面积在料液比1∶50（g/mL）时最大，随料液比增加，峰面积值减少，说明料液比1∶50（g/mL）时提取到的该物质含量最多，料液比再增大则不利于该部分物质的提取。保留时间前5 min物质中，1.4、1.9、2.5、2.7、3.5 min组分在料液比1∶50（g/mL）时峰面积达到最大，同样说明料液比1∶50（g/mL）能够提取到含量较多的色素组分；随料液比的增大峰面积逐渐减少，其中1.9 min组分在料液比为1∶100（g/mL）时峰面积已降为零，说明在此料液比条件下不能提取出来。色素物质间的协同浸提作用使色素的最佳提取料液比应为1∶50（g/mL）。

3 结 论

超声条件对提取的色素化学物质的组成是有影响的，体现在HPLC色谱图中，如保留时间1.4、2.5、2.7、3.5 min和7～20 min色谱峰在不同超声条件下都是存在的，只是峰形、峰强和峰面积发生规律性的变化，说明这些物质较易提取；而保留时间1.9 min色谱峰在超声时间少于2 h、溫度低于55 ℃、料液比超过1∶100（g/mL）条件下没有色谱峰，说明该物质较难提取。另外，保留时间在2.5 min组分在超声温度达到45 ℃才出现色谱峰，说明该组分也相对较难提取。总之，超声条件对不同色素组分的提取程度具有差异性，这一结论可用于色素目标组分分离时提取条件的选择；另外，用HPLC法说明了超声温度55 ℃、时间4 h、料液比1∶50（g/mL）是超声提取最多棕色棉色素物质种类及含量的最佳条件。

参考文献：

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