天然綠色棉色素綠色組分的分離及其紫外可見光吸收光譜特性

胡志華，陳麗燦，何 肖，魯 庚，周文龍

(浙江理工大學(xué)材料與紡織學(xué)院，浙江 杭州 310018)

天然彩色棉是天然有色的棉花，在加工使用過(guò)程中不需要漂白和染色，因而在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)也避免了對(duì)環(huán)境的污染［1］。因?yàn)樘烊徊噬迣?duì)病蟲害有較強(qiáng)的抵抗能力，還具有較好的耐干旱及耐貧瘠能力［2－3］。這意味著天然彩色棉紡織品具有“種植→紡織→印染”3個(gè)環(huán)節(jié)的生態(tài)化特征［4］。彩色棉產(chǎn)品穿著舒適，經(jīng)濟(jì)效益高，因而受到高度重視，目前世界上已有20多個(gè)國(guó)家投入到這項(xiàng)研究中［5］。然而，天然彩色棉織物尤其是綠棉織物的顏色穩(wěn)定性較差，受溫度、pH值、光照、金屬離子等條件的影響很大［6－8］，極大地限制了天然綠色棉纖維在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用。

天然綠色棉色素的具體成分還未明確，其綠色組分受紫外線照射的影響也無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道。為此，本文采用柱層析的方法對(duì)綠色棉色素進(jìn)行富集分離，并利用紫外-可見分光光度計(jì)研究富集到的黃綠色組分的紫外可見光吸收光譜特性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

材料:天然綠色棉纖維，浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院。

化學(xué)藥品和試劑:柱層析用硅膠，100～200目，青島海洋化工廠;二氯甲烷、甲醇和乙醇均為AR級(jí)，杭州高精精細(xì)化工有限公司。

儀器:TU-1950雙光束紫外可見分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限公司;ZF-7型暗箱式三用紫外線分析儀，上海嘉鵬科技有限公司;Agilent-1200高效液相色譜儀，美國(guó)安捷倫科技有限公司;WATO-53958液相色譜儀，美國(guó)沃特斯公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 色素的組分分離

先將綠色棉纖維粉碎，然后以體積比為50∶50的二氯甲烷/乙醇混合液為提取劑，浴比為1∶50，超聲提取2 h。提取液經(jīng)抽濾后使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將溶劑蒸干，獲得粗提色素，備用。分別采用正相與反相色譜系統(tǒng)檢測(cè)分析粗提色素的成分，正相色譜檢測(cè)條件:流動(dòng)相 A為 CH2Cl2，流動(dòng)相 B為體積比為100∶15∶0.6 的CH2Cl2、CH3OH 和CH3COOH 混合溶液，色譜柱為 Agilent Zorbax Rx-Sil(4.6mm×250mm，5 μm)，流速為 0.8 mL/min，進(jìn)樣量為10 μL，檢測(cè)波長(zhǎng)為320 nm，梯度洗脫條件為:0～15 min，20% ～60%B;15 ～25 min，60% ～70%B;25～30 min，70% ～100%B;30 ～35 min，100% ～0%B。反相色譜檢測(cè)條件:流動(dòng)相A為甲醇，流動(dòng)相B為0.03%TFA，色譜柱為Agilent Zorbax Edipse XDB-C18(4.6mm × 150mm，3.5 μm)，流速為0.8 mL/min，進(jìn)樣量為10 μL，檢測(cè)波長(zhǎng)為 320 nm，梯度洗脫條件為:0～12 min;60～100%A;12～22 min，100%A，22～26 min，100% ～60%A。

1.2.2 綠色棉色素的富集

將正相硅膠于110℃烘箱中烘1.5 h，然后緩慢倒入正己烷中，攪拌混合均勻后填入裝有少量正己烷的層析柱中。在保證液面高于填料的前提下，用正己烷沖洗柱子，使填料填實(shí)。采用干法上樣:色素粉末與適量硅膠混合，利用二氯甲烷/乙醇溶液溶解，然后將溶劑蒸干，緩慢加在層析柱中。洗脫劑采用二氯甲烷與甲醇的混合溶液，依次為100%二氯甲烷、10%甲醇、30%甲醇、60%甲醇和100%甲醇(均為體積百分比)。利用1.2.1的正相色譜檢測(cè)條件檢測(cè)富集組分。

1.2.3 紫外線照射對(duì)綠色棉色素富集組分的影響

將1.2.2中富集的色素組分放置在暗箱式三用紫外線分析儀中，在254 nm的紫外線下照射，每隔15 min取出，在紫外-可見分光光度計(jì)上測(cè)定可見波段(380～800 nm)的吸光度。

1.2.4 綠色組分的進(jìn)一步分離檢測(cè)

由于色素的綠色組分不是單一的物質(zhì)，所以利用半制備型液相色譜對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)條件為:色譜柱 YMC-Pack SIL(10mm ×250mm，5 μm)，流速2.5 mL/min，進(jìn)樣量30 μL，檢測(cè)波長(zhǎng) 660 nm，等度洗脫，0～20 min，100%二氯甲烷。

2 結(jié)果與討論

2.1 綠色棉色素的高效液相色譜分析

天然綠色棉色素由多組分組成，圖1示出分別采用正相柱和反相柱進(jìn)行天然綠色棉色素組分的分離結(jié)果。采用反相柱對(duì)天然綠色棉色素分離已經(jīng)有研究者［10］做過(guò)探索，其分離結(jié)果和本文一致。用正相色譜柱進(jìn)行天然綠色棉組分的分離此前還未見報(bào)道。從圖1可看出，采用正相色譜柱能分離檢測(cè)到更多的色素組分。其中正相柱分離保留時(shí)間為22.5～24.0 min的組分和反相色譜柱分離的組分一致，而保留時(shí)間在12.0～22.0 min的一系列組分，并不能在反相色譜柱分離條件下得到有效分離，因而正相柱可以更有效地對(duì)天然綠色棉色素組分實(shí)施分離。本文采用正相柱層析法來(lái)分段富集綠色棉色素。

2.2 淋洗溶劑對(duì)色素組分的富集效果

圖1 綠色棉色素的高效液相色圖譜Fig.1 Chromatograms of pigment in green colored cotton.(a)Reverse phase chromatogram;(b)Normal phase chromatogram

分別采用二氯甲烷、10%甲醇、30%甲醇、60%甲醇、純甲醇等不同極性的溶劑，對(duì)吸附在層析柱上的綠色棉色素進(jìn)行淋洗富集。圖2示出各富集組分的高效液相色譜(HPLC)圖。從相應(yīng)的HPLC圖譜可見，純二氯甲烷富集的組分比較單一，隨著富集溶劑極性的增加，10%甲醇、30%甲醇和60%甲醇富集組分所含的成分增多。純甲醇的富集組分同樣較為單一。而比較富集組分的顏色，發(fā)現(xiàn)純二氯甲烷富集組分為黃綠色，純甲醇富集組分為黃色，目前關(guān)于綠色棉色素的文獻(xiàn)中，綠色棉色素中的黃綠色組分還是首次分離獲得，故本文主要對(duì)純二氯甲烷富集組分的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行研究，對(duì)純甲醇富集的組分將另行研究。

2.3 綠色組分的紫外-可見光吸收?qǐng)D

圖3示出綠色棉色素及二氯甲烷富集組分的紫外-可見吸收譜。粗提色素的最大吸收峰在228、242、293、327 nm處，與咖啡酸紫外吸收曲線類似［9］，推測(cè)綠色棉色素中可能含有咖啡酸的衍生物，與楊永林［10］的研究結(jié)果相吻合。綠色棉色素及二氯甲烷富集組分在紫外光區(qū)的摩爾吸光系數(shù)遠(yuǎn)大于可見光區(qū)的摩爾吸光系數(shù)。適當(dāng)濃縮，測(cè)得其可見光區(qū)的吸收譜圖在665 nm左右，綠色棉粗提色素及二氯甲烷富集組分都出現(xiàn)1個(gè)吸收峰，說(shuō)明二氯甲烷富集組分具有藍(lán)綠光顯色特性［11］。由于該組分在400 nm左右具有強(qiáng)的吸收，其吸收形式不是銳峰而是肩峰形式，因而該色素的顯色也有黃光的組分。

圖2 各淋洗溶劑富集組分的高效液相色譜Fig.2 Chromatograms of enrichment fractions eluted with different elution solvents.(a)CH2Cl2;(b)10%CH3OH;(c)30%CH3OH;(d)60%CH3OH;(e)CH3OH

圖3 綠色棉色素及CH2Cl2富集組分的紫外-可見譜圖Fig.3 UV-Vis spectra of pigment in green colored cotton and enrichment fraction eluted with CH2Cl2.(a)Ultraviolet absorption spectra;(b)Visible absorption spectra

2.4 紫外線照射對(duì)綠色棉色素顯色的影響

圖4示出紫外線照射對(duì)綠色棉色素顯色的影響。由圖可見紫外線照射15 min，綠色組分在663 nm處的吸收峰消失，同時(shí)在400 nm左右的吸光度也明顯下降。這說(shuō)明紫外線的照射會(huì)使綠色組分的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，這與實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中綠色棉纖維及其織物經(jīng)過(guò)陽(yáng)光的長(zhǎng)時(shí)間照射后逐漸褪色變黃現(xiàn)象相吻合。

2.5 綠色組分的進(jìn)一步分離

選用660 nm可見光作為檢測(cè)波長(zhǎng)，獲得二氯甲烷富集組分(綠色組分)的HPLC圖譜，如圖5所示?？梢娺x用660 nm的檢測(cè)波長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)到的成分比用320 nm作為檢測(cè)波長(zhǎng)檢測(cè)到的成分多，表明該富集組分中含有的綠色成分較多，在保留時(shí)間為10.8、11.7、15.8 min時(shí)都出現(xiàn)了可以明顯吸收660 nm可見光的物質(zhì)。

圖4 紫外線照射對(duì)綠色棉黃綠色組分可見吸光度的影響Fig.4 Influence of ultraviolet irradiation on visible absorption spectra of yellowish green fraction in green colored cotton

圖5 黃綠色組分的HPLC圖譜Fig.5 Chromatogram of yellowish green fraction

進(jìn)一步檢測(cè)其中各成分的紫外-可見吸收譜圖，發(fā)現(xiàn)保留時(shí)間為10.8、11.7、15.8 min所對(duì)應(yīng)的物質(zhì)在660 nm左右均有吸收峰，即這些成分的顯色有藍(lán)綠光組分，見圖6。從可見光區(qū)的光譜吸收可見，這3種物質(zhì)在400 nm左右也有明顯的銳鋒吸收，說(shuō)明這3種物質(zhì)顯示黃綠光［11］。因而，本文富集得到的綠色棉色素是一種黃綠色素。這和天然綠色棉綠色不純、不艷，帶有黃色光澤的實(shí)際情況相符。

圖6 黃綠色組分中3種有色成分的紫外-可見吸收譜圖Fig.6 UV-Vis spectra of three colored compositions in yellowish green fraction

3 結(jié)論

利用正相色譜能更有效地檢測(cè)分離天然綠色棉色素成分，二氯甲烷能對(duì)其中的綠色組分進(jìn)行有效的富集。天然綠色棉色素的綠色組分較多，本文分離得到至少3種綠色組分。這3種組分在660 nm和400 nm附近都有明顯的銳鋒吸收，說(shuō)明3種組分的顯色具有綠光和黃光的性質(zhì)，其主體色澤顯示為黃綠色，這和天然綠色棉的實(shí)際顯色相一致。經(jīng)過(guò)紫外線照射后，分離得到的黃綠色組分在665 nm處的吸收峰消失，說(shuō)明經(jīng)過(guò)紫外光照射后，顯示綠光的組分結(jié)構(gòu)發(fā)生變性，和綠色棉經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間太陽(yáng)光照射后發(fā)生黃變現(xiàn)象一致。

［1］DICKERSON D K，LANE E F，RODRIGUEZ D F.Naturally colored cotton:resistance to changes in color and durability when refurbished with selected laundry aids ［J］. Journal of California State University，1999(9):1－5.

［2］李海祥.天然綠色棉色素的提取分離與結(jié)構(gòu)研究［D］.杭州:浙江理工大學(xué)，2011:1－8.LI Haixiang.Study on extraction/separation and structure of naturally green cotton［D］.Hangzhou:Zhejiang Sci-Tech University，2011:1－8.

［3］ELESINI U S，CUDEN A P，RICHARDS A F.Study of the green cotton fibers［J］.Acta Chim Slov，2002，49:815－817.

［4］張鎂，胡伯陶，趙向前.天然彩色棉的基礎(chǔ)和應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)紡織出版社，2005:1－4.ZHANG Mei，HU Botao，ZHAO Xiangqian.The Basis and Application of Naturally Colored Cotton［M］.Beijing:China Textile＆ Apparel Press，2005:1－4.

［5］周文龍，李茂松，邱新棉.天然彩色棉的開發(fā)現(xiàn)狀及對(duì)策［J］.紡織導(dǎo)報(bào)，2001(5):106－108.ZHOU Wenlong， LI Maosong， QIU Xinmian. The present status and countermeasures of naturally colored cotton［J］.China Textile Leader，2001(5):106 －108.

［6］張鎂，胡伯陶.綠色彩棉色素穩(wěn)定性研究［J］.印染，2003，29(3):1－6.ZHANG Mei，HU Botao.The stability of green colored cotton pigment［J］.Dying and Finishing，2003，29(3):1－6.

［7］劉書芳，陳英.pH值對(duì)天然綠色棉顏色的影響［J］.中原工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，16(3):19－21.LIU Shufang，CHEN Ying.The influence of pH on the color of naturally green cotton［J］.Journal of Zhongyuan Institute of Technology，2005，16(3):19－21.

［8］顧艷，符正申，周文龍.干熱處理溫度對(duì)天然彩色棉色澤性能的影響［J］.紡織學(xué)報(bào)，2009，30(1):60－63.GU Yan，F(xiàn)U Zhengshen，ZHOU Wenlong.Effect of dry heat treatment on shade of naturally colored cotton［J］.Journal of Textile Research，2009，30(1):60－63.

［9］張立偉，袁彩霞，楊頻.咖啡酸及其衍生物光譜特性研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2003，23(1):127－130.ZHANG Liwei，YUAN Caixia，YANG Pin.Study on the spectral properties of caffeic acid and its derivatives［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2003，23(1):127－130.

［10］楊永林.天然綠色棉纖維色素的分離與鑒定［D］.石河子:石河子大學(xué)，2009:15－17.YANG Yonglin.Separation and identification of pigment in naturally green cotton［J］.Shihezi:Journal of Shihezi University，2009:15－17.

［11］楊子超.基礎(chǔ)無(wú)機(jī)化學(xué)理論［M］.西安:陜西人民出版社，1985:314－316.YANG Zichao.Basical Theory of Inorganic Chemistry［M］.Xi'an:Shaanxi People's Publishing House，1985:314－316.