復(fù)合酶法紫草天然染料的提取及其染色性能

張 磊， 李 英 富， 崔 永 珠

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 紡織輕工學(xué)院， 遼寧 大連 116034;2.沈陽天維紡織研究建筑設(shè)計(jì)有限公司， 遼寧 沈陽 110016 )

0 引 言

紫草為紫草科植物新疆紫草或內(nèi)蒙紫草的干燥的根，紫草在我國(guó)具有悠久的藥用歷史，從《神農(nóng)本草》、《本草綱目》到現(xiàn)在的《現(xiàn)代實(shí)用草本》都有記載,具有涼血、活血、解毒透疹之功效、抗菌消炎、改善微循環(huán)系統(tǒng)功能之功效[1-2]。目前提取天然染料有兩種方法：普通水提法和溶劑提取法。普通的水提法提取量低，能耗高；溶劑提取法成本高，污染大。當(dāng)前，出于潛在的技術(shù)利益，人們正努力研發(fā)高效節(jié)能提取方法。其中，生物酶技術(shù)憑借其高效、專一、節(jié)能、環(huán)保的催化性能備受矚目，已應(yīng)用在食品、生物、造紙等多個(gè)領(lǐng)域。把生物酶技術(shù)應(yīng)用于染料的提取工藝，以此減低能耗、減少排放、提高提取率。生物酶法提取天然色素的基本機(jī)理主要是酶作用于相應(yīng)的部位，破壞細(xì)胞壁，降低色素從細(xì)胞中萃取出來的阻力[3]，從而達(dá)到高效提取的目的。由于紫草中存在著大量的纖維素和半纖維素類物質(zhì)，為了高效提取紫草中的天然色素，選用木聚糖酶和纖維素酶的復(fù)合酶。

作者利用纖維素酶和木聚糖酶的復(fù)合酶對(duì)紫草色素的提取進(jìn)行研究，通過改變不同的提取因素來確定生物酶法提取紫草天然染料的最佳提取工藝和染色工藝。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

紫草，市售；木聚糖酶，和氏璧制劑廠，5 000 U/g，市售；纖維素酶，肇東酶制劑廠，5 000 U/g，市售；檸檬酸，分析純；檸檬酸鈉，分析純。

紫外-可見光分光光度計(jì)，756 CM-UV 53 WB型，上海光學(xué)儀器廠；全自動(dòng)色差計(jì)，ADCI-60-C型，北京辰泰克儀器技術(shù)有限公司；紡織品摩擦色牢度儀，Y571W，無錫紡織機(jī)械廠；耐水洗色牢度檢測(cè)儀，SW8A，無錫紡織機(jī)械廠。

1.2 紫草天然染料不同提取工藝

用檸檬酸和檸檬酸鈉配制成pH=4.5的緩沖溶液,并用酸度計(jì)校正，儲(chǔ)于試劑瓶中備用。

水提取法：把2 g的紫草和檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液放入燒杯中，配制成40 g的溶液，放入70 ℃恒溫水浴鍋中，攪拌煎煮30 min，然后用絲網(wǎng)過濾，收集濾液。

木聚糖酶提取法：把2 g的紫草、檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液和0.02 g木聚糖酶放入燒杯中，配制成40 g的溶液，溶液pH為4.5。將該燒杯放入50 ℃的恒溫水浴鍋中，攪拌酶解30 min，然后升溫至70 ℃，提取30 min。用濾紙過濾取上清液。

纖維素酶提取法：同木聚糖酶提取法。

復(fù)合酶提取法：加入纖維素酶和木聚糖酶的量分別為0.01 g，提取工藝同纖維素酶提取法。

1.3 復(fù)合酶提取紫草染料的最佳工藝參數(shù)確定

通過改變質(zhì)量比例、酶解時(shí)間、提取時(shí)間、提取溫度的條件，繪制吸光度和它們的關(guān)系曲線，對(duì)曲線進(jìn)行分析，確定復(fù)合酶法提取的最佳工藝參數(shù)。

1.4 染色工藝參數(shù)的確定

以毛織物為染材，選取染色溫度、染色時(shí)間、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為影響因素，繪制色差值和影響因素的關(guān)系曲線，對(duì)曲線進(jìn)行分析，確定染色工藝參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同提取工藝吸光度的比較

取相同體積的不同工藝的提取液，稀釋100倍。在紫外-可見光分光光度計(jì)上測(cè)定溶液吸光度，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同提取工藝分析譜圖

由圖1可見，吸收曲線在紫外可見光范圍內(nèi)有明顯的吸收，但是沒有明顯吸收峰，選取256 nm波長(zhǎng)為實(shí)驗(yàn)參考。復(fù)合酶法的提取在256 nm處的吸光度明顯高于其他的提取工藝。與水浸法相比吸光度提高了2.5倍；與木聚糖酶法相比提高了0.98倍，與纖維素酶法相比提高了0.42倍。

從提取機(jī)理來看，對(duì)于水浸法，它單純是通過加熱形式加快水分子的動(dòng)能，促使水介質(zhì)由葉片表層孔隙進(jìn)入到內(nèi)部，滲入到分子之間，以此削弱分子之間的結(jié)合力，達(dá)到色素提取的目的。

纖維素酶可以使植物中的纖維素酶解為可溶性的糖類物質(zhì)，使內(nèi)部的天然色素更加快速地被提取出來，加快提取反應(yīng)的進(jìn)程。木聚糖酶作用于半纖維素中的木聚糖，使其酶解為低聚糖和木糖[4]，加速染料萃取速率。由于紫草中纖維素和半纖維素木聚糖的含量較高，而木聚糖分子雖然對(duì)纖維素的酶解反應(yīng)沒有損害作用，但是它和纖維素緊密的包裹在一起，阻礙酶與纖維素的接觸，從而降低反應(yīng)速率，去除紫草中的半纖維素物質(zhì)，可以增大孔隙結(jié)構(gòu)，有利于纖維素酶的降解[5]。如果單獨(dú)使用纖維素酶，由于半纖維素的纏繞包裹，使酶分子的作用中心無法充分地與底物結(jié)合點(diǎn)結(jié)合，不能達(dá)到高效提取的目的； 如果單獨(dú)使用木聚糖酶，由于存在纖維素，使木聚糖酶與木聚糖分子之間存在空間位阻，使木聚糖酶分子不能充分接觸木聚糖分子。所以，采用纖維素酶和木聚糖酶的復(fù)合酶，提取效果非常明顯，增大提取率[6]。

2.2 復(fù)合酶法提取紫草色素最佳工藝參數(shù)的確定

2.2.1 纖維素酶和木聚糖酶的質(zhì)量比對(duì)提取紫草色素的影響

在紫草2 g，溶液pH為4.5，緩沖液40 g，酶總量為0.02 g，酶解溫度、時(shí)間，提取溫度、時(shí)間相同的條件下，通過改變纖維素酶和木聚糖酶的質(zhì)量比，得出不同質(zhì)量比對(duì)復(fù)合酶法提取紫草色素的影響效果。將提取液稀釋100倍，記錄在波長(zhǎng)為256 nm處的吸光度值，繪制關(guān)系曲線，如圖2。

圖2 纖維素酶和木聚糖酶的質(zhì)量比與吸光度間的關(guān)系曲線

由圖2可見，隨著木聚糖含量的增加，吸光度先上升后下降，在纖維素酶與木聚糖酶的質(zhì)量比為3∶2的時(shí)候，曲線出現(xiàn)一個(gè)最大值。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中紫草內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的纖維素和木聚糖的含量是一定的，而且紫草中纖維素的含量相對(duì)于木聚糖來說，含量較多，因此需求的纖維素酶活性中心結(jié)合的結(jié)合點(diǎn)數(shù)目較多，因此需求的纖維素酶較多。此外，半纖維素類物質(zhì)對(duì)纖維素酶具有同樣的吸附性，可以使纖維素酶的數(shù)目增加，如果纖維素酶過量，過量的纖維素酶會(huì)占據(jù)木聚糖表面空間，使木聚糖酶不能接觸到木聚糖的結(jié)合點(diǎn)，不能發(fā)生酶解反應(yīng)，導(dǎo)致酶反應(yīng)不充分，提取率不高；同理，如果木聚糖過量，過量的木聚糖酶也會(huì)抑制纖維素酶發(fā)生酶解反應(yīng)。這些過量的酶不僅沒有起到催化作用，相反起到了阻礙作用，從而導(dǎo)致吸光度值下降，提取率降低[7-8]。

因此由圖2可知，當(dāng)纖維素酶與木聚糖酶的質(zhì)量比為3∶2時(shí)，復(fù)合酶法提取率達(dá)到最大值，表明纖維素酶和木聚糖酶的含量適當(dāng)，起到了催化提取的作用，酶解效果較好。

2.2.2 酶解時(shí)間對(duì)提取紫草色素的影響

在紫草2 g，溶液pH為4.5，緩沖液40 g，纖維素酶12 mg，木聚糖酶8 mg，酶解溫度，提取溫度、時(shí)間相同的條件下，通過改變酶解時(shí)間，得出酶解時(shí)間對(duì)提取液吸光度的影響。將提取液稀釋100倍，記錄在波長(zhǎng)為256 nm處的吸光度值，繪制關(guān)系曲線，如圖3。由圖3可見，在提取的過程中，吸光度隨著酶解時(shí)間的增加而增大，在酶解時(shí)間為40 min以后，吸光度增大值逐漸減小，達(dá)到一定值以后，隨著酶解時(shí)間的增加，吸光度增加的數(shù)值可以忽略不計(jì)，曲線接近于水平。這是因?yàn)槎康淖喜葜泻械奈镔|(zhì)也是一定的，生物酶是一種專一性的生物催化劑，當(dāng)生物酶把相應(yīng)的物質(zhì)酶解之后，不再對(duì)提取反應(yīng)的進(jìn)行起作用，即使再繼續(xù)增加生物酶的酶解時(shí)間，吸光度也不會(huì)有太大的變化。

圖3 酶解時(shí)間與吸光度的關(guān)系曲線

Fig.3 Relationship between enzymolysis time and absorbance

圖3表明，當(dāng)酶解時(shí)間在40 min以后，提取液的吸光度不再發(fā)生顯著的變化，考慮到節(jié)能等原因，所以最佳酶解時(shí)間應(yīng)為40 min，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，生物酶可以保證充分酶解紫草中的纖維素和木聚糖。

2.2.3 提取時(shí)間對(duì)提取紫草色素的影響

在紫草2 g，溶液pH為4.5，緩沖液40 g，纖維素酶12 mg，木聚糖酶8 mg，酶解溫度、時(shí)間，提取溫度相同的條件下，通過改變提取時(shí)間，得出提取時(shí)間對(duì)提取液吸光度的影響。將提取液稀釋100倍，記錄在波長(zhǎng)為256 nm處的吸光度值，繪制關(guān)系曲線，如圖4。

圖4 提取時(shí)間與吸光度的關(guān)系曲線

Fig.4 Relationship between extraction time and absorbance

由圖4可見，隨著提取時(shí)間的增加，提取液的吸光度也隨之增加，在提取時(shí)間為60 min以后，曲線的斜率逐漸變小，曲線逐漸接近水平。這是由于一定質(zhì)量的紫草中含有的色素量是一定的，存在一個(gè)飽和值。當(dāng)提取量接近這個(gè)最大飽和值的時(shí)候，單一的增加提取時(shí)間，提取率也不會(huì)有顯著的變化。

圖4表明，當(dāng)提取時(shí)間為60 min時(shí)，對(duì)紫草色素的提取量接近飽和值，60 min以后，隨著提取時(shí)間的增大，提取液的吸光度沒有顯著的變化。所以最佳提取時(shí)間應(yīng)為60 min。在這個(gè)提取時(shí)間下，提取量可以接近紫草色素提取的飽和值。

2.2.4 提取溫度對(duì)提取紫草色素的影響

在紫草2 g，溶液pH為4.5，緩沖液40 g，纖維素酶12 mg，木聚糖酶8 mg，酶解溫度、時(shí)間，提取時(shí)間相同的條件下，通過改變提取溫度，得出提取溫度對(duì)提取液吸光度的影響。將提取液稀釋100倍，記錄在波長(zhǎng)為256 nm處的吸光度值，繪制曲線，如圖5。

圖5 提取溫度與吸光度關(guān)系曲線

Fig.5 Relationship between extraction temperature and absorbance

由圖5可見，隨著提取溫度的升高，提取液的吸光度也隨著提高，在溫度達(dá)到50 ℃以后，吸光度增加緩慢，曲線逐漸接近水平。這是因?yàn)樵谏郎剡^程中，隨著提取溫度的升高，溶液內(nèi)部分子的熱動(dòng)能變大，水分子進(jìn)入葉片內(nèi)部的速度加快，加快紫草色素進(jìn)入提取液的速率，因此曲線出現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。隨著提取溫度的增加，紫草中含有色素的量是一定的，即使再提高溫度，吸光度的變化也不太顯著。而在加熱過程中，考慮到溫度越高，成本消耗地越大，所以選取50 ℃為最佳提取溫度。在這個(gè)溫度下，提取量接近最大值。

2.2.5 復(fù)合酶法提取紫草色素的最佳工藝條件

通過上述單因素分析，紫草色素提取的最佳工藝參數(shù)為：m(纖維素酶)∶m(木聚糖酶)=3∶2，酶解時(shí)間=40 min,提取時(shí)間=60 min，提取溫度=50 ℃。

2.3 紫草色素染色性能的研究

利用上述最佳的提取工藝對(duì)紫草色素進(jìn)行提取，過濾提取液，取上清液，并對(duì)毛織物進(jìn)行染色處理。通過不同條件下染樣色差值的比較，對(duì)紫草色素的染色性能進(jìn)行分析。

2.3.1 染色時(shí)間對(duì)紫草色素染色性能的影響

在染色溫度為80 ℃的條件下，用原提取液對(duì)毛織物進(jìn)行染色處理，并以原毛織物色差值為標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行測(cè)定。以色差值為縱坐標(biāo)繪制關(guān)系曲線圖，如圖6所示。

圖6 染色時(shí)間與色差值的關(guān)系曲線圖

由圖6可見，染樣的色差值隨著染色時(shí)間的增大而增大，染色時(shí)間達(dá)到60 min以后，色差值增大的趨勢(shì)逐漸變小，接近水平。這是因?yàn)楫?dāng)對(duì)織物進(jìn)行染色處理時(shí)，織物對(duì)染料的吸收存在一個(gè)最大飽和值，當(dāng)達(dá)到這個(gè)飽和值以后，織物不再對(duì)染料進(jìn)行吸收，即使再增加染色時(shí)間也不能增加上染效果。

因此，染色的最佳時(shí)間為60 min，此時(shí)的色差值接近于最大值，織物對(duì)染料的吸收接近于飽和值。

2.3.2 染色溫度對(duì)紫草染色性能的影響

在染色時(shí)間為60 min的條件下，利用原提取液對(duì)毛織物進(jìn)行染色處理，并以原毛織物色差值為標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行測(cè)定。以色差值為縱坐標(biāo)繪制關(guān)系曲線圖，如圖7所示。

圖7 染色溫度與色差值的關(guān)系曲線

Fig.7 Relationship between dyeing temperature and ΔE

由圖7可見，染樣的色差值隨著染色溫度的升高而升高，溫度越高，越有利于染料對(duì)毛織物的上染。這是因?yàn)殡S著溫度的升高，水分子的動(dòng)能增大，溶解在水中的紫草色素隨著水分子進(jìn)入纖維內(nèi)部的速度加快，其吸附擴(kuò)散率增大，提高上染率。但當(dāng)染色溫度過高時(shí)，染料上染吸附率過快，纖維上染料濃度增大，染液濃度降低，同時(shí)解析的速率也加快，織物染色深度變小，同時(shí)考慮到節(jié)能方面的因素，所以選取的最佳染色溫度為95 ℃。

2.3.3 染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)紫草染色性能的影響

將紫草原提取液用蒸餾水按50%、60%、70%、80%、90%、100%梯度稀釋，染色時(shí)間為60 min，染色溫度為95 ℃。以原毛織物色差值為標(biāo)準(zhǔn)值，以色差值為縱坐標(biāo)繪制關(guān)系曲線圖，如圖8所示。

圖8 提取液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與色差值間的關(guān)系曲線

Fig.8 Relationship between the density of dye liquor and ΔE

由圖8可知，染樣的色差值隨著提取液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而提高，在90%以后增大的趨勢(shì)逐漸變小，最后趨于平行。這是因?yàn)樘崛∫嘿|(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，平衡吸附量就越大，纖維上染料的濃度也就越高，織物表面色越深，但是平衡吸附量存在一個(gè)極值，染樣的色差值不能越來越大，只能越來越接近這個(gè)極值，所以提取液質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%為最佳。

2.3.4 紫草色素最佳染色工藝

通過上述分析，紫草色素的最佳染色工藝條件為：染色溫度=95 ℃，染色時(shí)間=60 min，染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)=90%。

3 結(jié) 論

(1)在相同的條件下，復(fù)合酶法提取紫草中天然染料同單一酶法、水浸法相比，提取液的吸光度有了明顯提高。與水浸法相比，提取液吸光度提高了2.5倍；與木聚糖酶法相比，提取液吸光度提高了0.98倍；與纖維素酶法相比，提取液吸光度提高了0.42倍。

(2)復(fù)合酶法提取紫草色素的最佳工藝條件為：酶解時(shí)間=40 min,提取溫度=50 ℃，提取時(shí)間=60 min，m(纖維素酶)∶m(木聚糖酶)=3∶2。

(3)紫草色素提取液對(duì)毛織物進(jìn)行染色處理的最佳工藝為：染色溫度=95 ℃，染色時(shí)間=60 min，染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)= 90%。

(4)在復(fù)合酶法提取紫草色素的過程之中，生物酶沒有破壞紫草色素成分，不影響產(chǎn)物，只是單純作用于紫草中纖維素和木聚糖物質(zhì)發(fā)生酶解反應(yīng)。生物酶作為一種生物催化劑存在，加快植物內(nèi)部色素的萃取速度，增加了紫草色素的提取量。

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