基于pH响应的茶色素对蛋白质纤维染色研究

王富邦 张健飞 巩继贤 任燕飞

(1.天津工业大学纺织学院，天津　300387；2.天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津　300387)

目前纺织行业所使用的染料几乎都是合成染料，是由石油的下游原料制备而成[1]，在其制备及应用过程中造成了严重的环境污染问题，尤其是水污染和空气污染。随着环境问题的日益恶化，染料的可持续性和生态环保性受到人们广泛关注[2]。生物质色素在来源的可持续性方面、在制备过程的环保性和所染色纺织品的生态性方面都远优于目前正在使用的合成染料[3]。生物质色素在制备生态纺织品方面具有天然的、独到的优势，将生物质色素用于内衣等贴身衣物及要求更为严格的婴幼儿服装面料，将具有广阔的应用前景，同时为高端生态纺织品的制备提供了新的契机[4]。

生物制备是利用微生物产生的酶(酶系)的催化作用下将底物转化为所需产物的现代生物技术[5]。中国是茶叶的主产区，在茶叶加工过程中会产生许多茶梗等下脚料，利用生物加工技术可以将由茶产业的下脚料中提取的茶多酚转化为茶色素实现对织物染色，染后织物不仅具有较好的染色性能，且具有抗菌、防紫外等功能，对于解决废弃资源的高效利用具有重要意义。

1　实验

1.1　材料与仪器

材料：食品级无色茶多酚购买于广州利源食品添加剂有限公司，有效物质含量为99%；羊毛织物购买于江苏华西纺织有限公司，丝绸织物购买于杭州方大丝绸有限公司。

试剂：磷酸氢二钠和柠檬酸均为分析纯，由天津市科密欧化学试剂有限公司生产；漆酶由诺维信生物技术有限公司生产，标准酶活为120 LAMU/g，由黑曲霉基质发酵制备得到。

仪器：SW-CJ-1FD超净工作台(苏州净化设备有限公司)，ZWY-240生化恒温培养振荡器(上海智城分析仪器制造有限公司)，V-1200可见分光光度计(上海美普达仪器有限公司)，UV-2401PC紫外—可见分光光度计(日本岛津公司)，ECO红外染色机(美国Datacolor公司)，Y571B耐摩擦牢度仪(温州方圆仪器有限公司)，SF-600测色仪(Datacolor公司)，Xenotest150 S +日晒色牢度仪(美国ATLAS公司)等。

1.2　实验方法

将5g无色茶多酚加入到0.1mol/L柠檬酸和0.2mol/L磷酸氢二钠的缓冲液中，将pH值调到5.0，然后加入1.0g漆酶并定容至500mL，分别调pH值到3、5、7、9和11，然后按照浴比1: 50加入丝绸和羊毛织物，将其置于100℃的红外染色机中染色60 min，以3℃/min的速率升温，经水洗、皂洗及烘干后准备测色。

1.3　测试方法

1.3.1催化过程参数

利用紫外-可见分光光度计在波长为276nm和460nm处分别测试茶多酚和茶黄素的吸光度。

1.3.2颜色特征值

在Datacolor SF-600测色仪上测定染色蛋白质织物的Integ值及L*、a*、b*值。

1.3.3染色牢度

耐摩擦色牢度按照GB/T 3920-2008《纺织品色牢度试验耐摩擦色牢度》测试。

耐日晒色牢度按照GB/T 8427-2008《纺织品色牢度试验耐人造光色牢度：氙弧》测试。

耐皂洗色牢度按照GB/T 3921-2008《纺织品色牢度试验耐皂洗色牢度》测试。

2　结果与讨论

2.1　漆酶催化茶多酚转化为茶黄素

图1为茶多酚标准工作曲线。由图1可知，茶多酚溶液在质量浓度为0.0075g/L～0.040g/L范围内，其质量浓度与吸光度间的关系符合朗伯比耳定律，即吸光度值与浓度成正比。用线性回归法得到的标准曲线方程为Y = 23.4859X-0.0528, R2= 0.99972。式中：X为茶多酚质量浓度；Y为吸光度值。R2大于0.999。因此，该方程可以准确反映所测吸光度值与茶多酚质量浓度间的关系。在茶多酚和茶黄素的转化过程中，茶多酚的浓度根据此方程计算。

图1　茶多酚标准工作曲线

茶多酚的含量随反应时间延长有所下降，且在24h后降到最低(图2)。非酶促氧化的茶多酚的下降率是46.30%，而用漆酶催化氧化的茶多酚的下降率是87.99%，在前24h与非酶促氧化相比下降率提高了41.69%。

图2　茶多酚浓度与时间的变化关系

图3为茶黄素标准工作曲线。由图3可知，茶黄素溶液在质量浓度为0.05g/L～0.50g/L范围内，其质量浓度与吸光度间的关系符合朗伯比耳定律，即吸光度值与浓度成正比。用线性回归法得到的标准曲线方程为Y = 2.07008X-0.03345, R2= 0.99992。式中：X为茶黄素质量浓度，Y为吸光度值。R2大于0.999。因此，该方程可以准确反映所测吸光度值与茶黄素质量浓度间的关系。在茶多酚和茶黄素的转化过程中，茶黄素的浓度根据此方程计算。

图3　茶黄素标准工作曲线

茶黄素的含量随反应时间延长有所增加，且经漆酶催化的茶黄素含量24h后达到最大(图4)。非酶促氧化的茶黄素含量的增加率是74.75%，经漆酶催化的茶黄素增加率为94.22%，同比增长19.47%，说明茶多酚转化为茶黄素，且减少的茶多酚并没有完全转化为茶黄素。随着反应时间延长经漆酶催化的茶黄素的含量有所降低，可能的原因在于漆酶具有脱色作用或将其转化成了儿茶素或其他物质[6]。

图4　茶黄素浓度与时间的变化关系

2.2　基于pH响应的茶色素对蛋白质纤维染色

染色丝绸织物的表观颜色和颜色参数如表1和表2所示。当染液pH为3时染色织物的颜色强度最大，且随pH值逐渐增大颜色强度逐渐减小。

表1　茶多酚自然氧化染丝绸织物颜色参数

表2　漆酶催化茶多酚染丝绸织物颜色参数

染色丝绸织物的颜色强度随染液pH值的增大而逐渐减小，且与非酶促氧化相比，漆酶催化茶多酚制备的茶色素上染丝绸织物的颜色强度较大(图5)。当染液pH值为3时，染色丝绸织物的颜色强度最大。原因在于茶黄素在酸性条件下相对稳定，且在碱性条件下可以氧化聚合为较高分子量的茶红素甚至茶褐素[7]。此外，由于丝绸织物组织结构相对紧密，低分子量的茶黄素可以扩散到织物内部，而高分子量的茶色素不易渗透到其中。

图5　pH值对染色丝绸织物的影响

由表3和表4可知，当染液pH值为3时，染色羊毛织物的颜色强度最大，且随pH值的增大逐渐减小。此外，漆酶催化茶多酚制备的茶色素上染羊毛织物的颜色强度高于自然氧化的。

表3　茶多酚自然氧化染羊毛织物颜色参数

表4　漆酶催化茶多酚染羊毛织物颜色参数

染色羊毛织物的颜色强度随染液pH值的增大而逐渐减小，且漆酶催化茶多酚制备的茶色素上染羊毛织物的颜色强度高于自然氧化的。当染液pH值为3时，染色羊毛织物的颜色强度最大(图6)。在酸性条件下，反应液中茶色素的主要成分是低分子量的茶黄素。因此，在加热条件下茶黄素可以扩散到羊毛织物内部。此外，在碱性条件下茶黄素可以转化为较高分子量的茶红素甚至茶褐素，其不易渗透到织物内部。因此，染色羊毛织物的颜色强度低于酸性条件下的值。

图6　pH值对染色羊毛织物的影响

3　结论

(1) 漆酶可以将茶多酚催化氧化为茶黄素，与非酶促氧化相比，茶多酚的减少量提高了41.69%，而茶黄素的增加量提高了9.47%，说明茶多酚转化为茶黄素，且减少的茶多酚并没有完全转化为茶黄素。

(2) 利用漆酶制备到的茶黄素可以发生pH可逆响应色变，且在不同酸碱条件下可以实现对蛋白质纤维的染色。结果表明，在酸性条件下的染色性能优于碱性条件，且在pH为3时染色性能最好，在相同条件下对羊毛纤维的染色性能好于丝绸纤维。

[1]王富邦，巩继贤，任燕飞，等.生物转化法制备茶生物质色素[J].成都纺织高等专科学校学报，2017(1)：94-98.

[2]Torres FA, Zaccarim BR, Lencastre Novaes LC, Jozala AF, Dos Santos CA, Teixeira MF, et al. Natural colorants from filamentous fungi[J]. Applied microbiology and biotechnology, 2016，100(6):2511-2521.

[3]巩继贤，王富邦，任燕飞，等.红色系生物质色素在纺织品染色中的应用现状与展望[J].成都纺织高等专科学校学报，2016(4)：114-119.

[4]Ren Y, Gong J, Fu R, Li Z, Yu Z, Lou J, et al. Dyeing and functional properties of polyester fabric dyed with prodigiosins nanomicelles produced by microbial fermentation[J]. Journal of Cleaner Production, 2017，148:375-85.

[5]Kucharzyk KH, Janusz G, Karczmarczyk I, Rogalski J. Chemical modifications of laccase from white-rot basidiomycete Cerrena unicolor[J]. Applied biochemistry and biotechnology, 2012，168(7):1989-2003.

[6]Verloop AJ, Gruppen H, Bisschop R, Vincken JP. Altering the phenolics profile of a green tea leaves extract using exogenous oxidases[J]. Food chemistry, 2016，196:1197-206.

[7]Ren Y, Gong J, Wang F, Li Z, Zhang J, Fu R, et al. Effect of dye bath pH on dyeing and functional properties of wool fabric dyed with tea extract[J]. Dyes and Pigments, 2016，134:334-41.