紫蘇染料的提取及其對棉織物的染色工藝研究

董竹君，姜鵬程，姚金波，姜會鈺

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紫蘇染料的提取及其對棉織物的染色工藝研究

董竹君，姜鵬程，姚金波*，姜會鈺

（武漢紡織大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 武漢 430200）

采用乙醇溶劑提取紫蘇天然染料。通過單因素和正交試驗得到：乙醇濃度50%，物料比1：10，溫度80℃，時間120min時，提取效果最好。以鋁、鈧、釔、鑭、鐠、釹、銪和鐿九種金屬媒染離子為媒染劑，采用預(yù)媒、同媒和后媒三種媒染方法對棉織物進行染色，實驗結(jié)果表明：以10g/L的鋁為媒染劑，染色效果最佳，染色工藝為：溫度60℃，媒染劑用量3%，pH=3，時間120min，浴比1:30。染后織物的干、濕摩擦牢度為4-5級和4級，日曬牢度可達到3-4級。

天然染料；提?。蛔咸K；染色；棉織物

紫蘇既是食物又屬于藥材其含有抗菌防腐，對大腸桿菌、痢疾桿菌、葡萄球菌能起到抑制作用的成分[1]，而其中的有效成分能夠在提取時和紫蘇色素一起溶于水，染色時也可以附于纖維表面，有益于人體健康。紫蘇分布范圍廣、適應(yīng)性強能夠大范圍種植。紫蘇葉能散表寒，發(fā)汗力較強可用于用于風(fēng)寒表癥，當配合其他中藥時可用于脾胃氣滯、胸悶、嘔惡。紫蘇由于種類的不同染出的顏色有綠色和紫色，紫蘇含有九種花色素苷，花色素苷賦予了植物多樣的顏色，擁有提高視力、抗癌、抗病毒的作用[2-4]，而且紫蘇屬于中藥藥材，有特殊香氣，對人體健康有很大好處。紫蘇在近年來也被用于紡織品的染色，它所具有特有香氣擁有很大的發(fā)展價值，從而紫蘇葉中提取出來的色素稱為紫蘇花色素苷，是一種比較穩(wěn)定的天然染料[5]。

紫蘇葉主要成分中含有豐富的花色素苷類，其中含有9種花色素苷及順式異構(gòu)體，含量最高的是紫蘇素和丙二?；咸K寧[6]，其他成分有紫蘇醛、紫蘇醇、薄荷酮、薄荷醇、丁香油酚、白蘇烯酮等?；ㄉ剀帐撬苄渣S酮類色素中最重要的一類,它賦予了水果、蔬菜、花卉等五彩繽紛的顏色，從紫蘇葉中提取的色素屬花青素色素[7]，和其成分中的紫蘇醇、紫蘇醛的主體化學(xué)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

該試驗先對紫蘇天然染料的提取工藝做了初步探究，再將提取液用于棉織物染色，研究在不同媒染方法和媒染劑作用下，提取液對棉織物色光的影響，并測定染色織物的K/S值、顏色特征值和各項色牢度。

圖1 紫蘇結(jié)構(gòu)

1 試驗部分

1.1 材料

紫蘇，棉織物，無水乙醇，乙酸（分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司）。

1.2 儀器

LD型電子天平（福州華志科學(xué)有限公司），常溫染樣機（廈門瑞比有限公司），分析用粉碎機（上海豫明儀器有限公司），旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海亞榮儀器有限公司），TU-1901紫外分光光度計（上海棱光技術(shù)有限公司），Datacolor400電子測色配色儀（美國Datacolor公司），TNESOR-27傅里葉變換紅外光譜儀（德國布魯克光譜儀器公司），循環(huán)水式真空泵（鞏義市予華儀器有限責任公司），電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海豫明儀器有限公司）

1.3 紫蘇天然色素的提取

為研究不同提取條件對紫蘇天然染料提取效果的影響，首先進行單因素實驗：稱取適量的紫蘇，用乙醇為提取劑，改變提取物料比，提取溫度，提取時間，乙醇濃度對紫蘇色素進行提取，將提取液過濾后進行旋蒸，充分去除有機溶劑并加入去離子水，保證旋蒸前后提取液體積不變，以此提取液作為染液備用。然后根據(jù)單因素實驗結(jié)果設(shè)定設(shè)計四因素（溫度，時間，物料比，乙醇濃度）的正交實驗L9(34)。

1.4 紫蘇天然色素的提取液對棉織物的染色工藝

采用不同的媒染劑和染色方法對棉織物進行染色。

本部分實驗采用La、Nd、Al、Er、Pr、Y、Sc、Yb八種金屬離子作為媒染劑，以最佳提取工藝提取的紫蘇提取液作為染液，分別采用預(yù)媒染法、同浴媒染法、后媒染法染色，并與直接法染色作對比，以染色后織物的顏色深度K/S值為判定依據(jù)，從而確定最佳媒染方法和媒染劑。

為研究不同條件下對紫蘇染色效果的影響，改變?nèi)旧珳囟?、媒染劑用量、染浴pH值、染色時間對棉織物進行染色，將染色后試樣經(jīng)水洗、皂洗、烘干后測定其K/S值和L、a、b值。

將確定好的媒染劑和媒染方法首先進行單因素染色實驗：取浴比為1：20的染液若干份，每份溶液中加入4g棉纖維，分別置于30℃、45℃、60℃、75℃和90℃的水浴中浸染60min；置于媒染劑用量2%、3%、4%、5%和6%的水浴中70℃浸染60min；置于70℃水浴中浸染40min、60min、80min、100min和120min；再將pH調(diào)為3.0、5.0、7.0、9.0和11.0置于70℃水浴中60min；然后選擇染色溫度、媒染劑用量、染浴pH值、染色時間為影響因子，以染色后試樣的K/S值和L、a、b值為判斷依據(jù)，做正交實驗選用L9（34）正交表進行實驗方案設(shè)計，由正交實驗結(jié)果確定紫蘇色素對棉染色最佳染色工藝。

1.5 測試方法

1.5.1 染液吸光度

采用TU-1901型雙光束紫外-可見分光光度計測定魚腥草天然染料溶液的吸光度。

1.5.2 K/S值及L.a.b值

將染色織物試樣折疊成3層，采用Datacolor110型電腦測配色儀測定試樣上4個不同點的K/S值和顏色特征值，取平均值。測試條件為D光源，10°視角。

1.5.3 染色牢度

耐磨擦色牢度按照GB/T 3902—2008《紡織品色牢度耐摩擦色牢度》測定。

耐日曬色牢度按照AATCC TM 16—2003《耐色光牢度》測定。

2 結(jié)論與討論

2.1 紫蘇提取工藝的確定

2.1.1 溫度對紫蘇色素提取的影響

紫蘇提取液的吸光度在50℃到80℃處于上升階段，之后便開始下降（見圖2）。實驗溫度的提高會使提取液中的紫蘇色素活躍度提高，從而使紫蘇色素能夠更好的溶于溶液中，但是色素的濃度有上限，對于不同的天然染料其上限會有所不同，當達到上限時，溫度的大小對吸光度的影響便會減弱，此時升溫僅僅會浪費能源而已。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析得紫蘇色素的提取溫度在80℃。

圖2 不同溫度對紫蘇提取液吸光度的影響

圖3 不同乙醇濃度對紫蘇提取液吸光度的影響

2.1.2 乙醇水溶液中乙醇濃度對紫蘇色素提取的影響

隨著乙醇濃度相對質(zhì)量分數(shù)的增加，吸光度會先增加后減少（見圖3）。紫蘇天然色素中花色素苷是水溶性黃酮類色素，易溶于乙醇溶液，但乙醇提及分數(shù)過高時，會導(dǎo)致其他雜質(zhì)大量析出，如葉綠素等。由于葉綠素對光、氧不穩(wěn)定，染色棉織物在放置過程中容易變褪色。因此，在提取過程中乙醇濃度相對質(zhì)量分數(shù)不宜過高，試驗選擇乙醇濃度提及分數(shù)為50%。

2.1.3 提取時間對紫蘇色素提取的影響

紫蘇提取時間與吸光度的關(guān)系是先緩慢上升后加速上升（見圖4）。紫蘇色素的提取過程就是紫蘇色素的滲透溶解過程，紫蘇色素從高濃度向低濃度滲透這一過程是需要時間的，這是紫蘇色素濃度上升的原因。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)紫蘇色素提取時間得到提取時間從80分鐘開始加速上升，所以紫蘇色素的最佳提取時間為120 min。

圖4 不同提取時間對紫蘇提取液吸光度的影響

圖5 不同物料比對紫蘇提取液吸光度的影響

2.1.4 物料比對紫蘇色素提取的影響

隨著物料比增大，吸光度下降（見圖5）。并且物料比過高會造成紫蘇提取液的濃度偏低，對之后的實驗會產(chǎn)生影響，而且物料比過高不僅會造成水源的浪費還會使之后的分離過程中的能源浪費，所以紫蘇色素的物料比更不宜高過1:20。綜上所述紫蘇色素提取液的浴比為1：10。單因素實驗并不能排除其他因素對這一數(shù)據(jù)的影響，需要正交試驗提供驗證。

2.1.5 正交試驗

實驗中吸光度為提取液原液稀釋100倍后在最佳吸收波長下所測，每個數(shù)據(jù)都保持在同一條件下測量，根據(jù)各組吸光度的數(shù)值計算出各條件下的k值、R值（見表1）。由表1的R數(shù)值可以看出影響紫蘇色素提取液濃度的最主要因素是浴比，其次是乙醇濃度、溫度、時間。根據(jù)表中k1、k2、k3的數(shù)值分析，乙醇濃度影響因素較大，k2值最高，乙醇濃度為50%，浴比這一影響因素在中部有最佳值，浴比不是越大越好，也不是越小越好，基本上是在1:10附近；溫度這一因素有浮動，但是最大值是k1也就是80℃；時間因素影響變化則是隨著時間的增長，k值先增大后減小，原因是時間的增長會使原本溶于提取液中的色素附于紫蘇表面，導(dǎo)致紫蘇色素濃度降低。綜上所述紫蘇色素的提取條件為實驗浴比為1:10提取溫度80℃，提取時間為120min，乙醇濃度最佳值為50%。

表1 正交試驗設(shè)計及結(jié)果

2.2 紫蘇色素對棉織物染色工藝的探討

2.2.1 媒染劑和媒染方法

對于預(yù)媒法，采用La、Nd、Al、Er、Pr、Y、Sc、Yb八種金屬離子作為媒染劑應(yīng)用于紫蘇色素對棉織物的染色過程后（見表2），Y金屬離子媒染后的棉織物的K/S值最大，為1.4269；對于同媒法，采用La、Nd、Al、Er、Pr、Y、Sc、Yb八種金屬離子作為媒染劑應(yīng)用于紫蘇色素對棉織物的染色過程后，Al金屬離子媒染后的棉織物的K/S值最大，為4.1759；對于后媒法，采用La、Nd、Al、Er、Pr、Y、Sc、Yb八種金屬離子作為媒染劑應(yīng)用于紫蘇色素對棉織物的染色過程后，Y金屬離子媒染后的棉織物的K/S值最大，為0.8343；對于直接染色法，染色后棉織物的K/S值為0.9121。

表2 不同媒染劑與媒染方法的k/s值

由于4.1759>1.4269>0.9121>0.8343，因此在紫蘇色素對棉織物的染色過程中為了獲得最深的顏色效果，應(yīng)使用Al3+同浴媒染法。

2.2.2 染色工藝的確定

表3 染色正交試驗設(shè)計及染色效果

由表3可知，4種因子在紫蘇色素對棉染色效果的影響程度依次為：染色pH>染色時間>染色溫度>媒染劑用量，其中染色pH對紫蘇色素對棉染色效果影響最大，其次是染色時間。根據(jù)表中K1、K2、K3對實驗結(jié)果分析可得：對于染色pH，在3、5、7三種pH值下，染色pH為3時K值最大，即在此pH下紫蘇色素對棉染色效果最好；對于染色時間，在80min、100min、120min三種染色時間下，時間為120min時K值最大，即在此時間下紫蘇色素對棉染色效果最好；對于染色溫度，在60℃、75℃、90℃三種溫度下，溫度為60℃時K值最大，即在此溫度下紫蘇色素對棉染色效果最好；對于媒染劑用量（owf），在2%、3%、4%三種用量下，媒染劑用量在3%（owf）時K值最大，即在此用量下紫蘇色素對棉染色效果最好。綜上所述，紫蘇色素對棉染色最佳工藝為浴比1:30，溫度60℃，媒染劑用量3%，pH=3，時間120min。將最佳染色工藝染色后的織物測試耐摩擦色牢度和耐日曬色牢度，測得干摩擦牢度為3級、濕摩擦牢度為3~4級，耐日曬牢度為4級。

3 結(jié)論

（1）紫蘇色素用乙醇溶液提取時，最佳提取工藝為：料液比1:10、乙醇水溶液中乙醇體積分數(shù)50%、溫度80℃、時間120min，其中提取料液比對紫蘇色素提取的效果影響最大，其次是溶劑中乙醇的體積分數(shù)。提取液的最大吸收波長為324nm。

（2）采用La、Nd、Al、Er、Pr、Y、Sc、Yb八種金屬離子作為媒染劑對棉織物進行媒染染色中，采用Al3+同媒法染色效果最好，織物所獲得的顏色最深。

（3）在紫蘇色素對棉織物進行染色時，采用Al3+同浴媒染法的最佳染色工藝為：浴比1:30，溫度60℃，媒染劑用量3%，pH=3，時間120min。

（4）最佳染色工藝染色后的織物耐日曬色牢度為4級、干摩擦牢度為3級、濕摩擦牢度為3-4級。

[1] 張玲，胡發(fā)浩．天然植物染料與人類健康[J]．山東紡織科技，1997，(1)：45－48．

[2] Mazza G，Miniati E．Introduction：Anthocyanins in Fruits Vegetables and Grains[Ｍ]．Boca raton：CRC Press，1993．10-55．

[3] Francis F J．Handbook of Food colorant Patents[M]．USA：Westportpress，1986．77-90．

[4] Gustim M，Wrolstad R E．Characterization of red radish anthocyanins[J]．Food Science，1996，61(27)：322-326．

[5] 苑玉莉，常雅寧，俞建瑛，等．紫蘇中花色素的提取及儲藏穩(wěn)定性[J]．華東理工大學(xué)學(xué)報，2013，04(2)．

[6] 焦林，劉書華．紫蘇色素對亞麻織物的無媒染色工藝研究[J]．印染助劑，2011，28(7)：47-50．

[7] 張建波，王升霞，王炳，等．棉織物的天然染料媒染工藝研究[J]．印染，2005，31(16)：8-11．

Extraction of Natural Colorants from Perillaand its Application to Cotton Fabric

DONG Zhu-jun, JIANG Peng-cheng, YAO Jin-bo, JIANG Hui-yu

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

The natural dye of perilla was extracted by ethanol solvent. Through single factor and cross-examination test: the optimal extraction processes is ethanol concentration 50%, material ratio 1:10, temperature 80 ° C, time 120 min. The dyeing processer of cotton fabric with Aluminum, scandium, yttrium, lanthanum, praseodymium, neodymium, europium, ytterbium, nine kinds of metal mordant ions are used as mordant, which is dyed by pre-media, same medium and post-media. The experimental results show that: 10g /L aluminum is the mordant, the dyeing effect is the best, the dyeing process is: temperature 60 ° C, mordant dosage 3%, pH = 3, time 120 min, bath ratio 1:30. The dry and wet rubbing fastness of the dyed fabric is 4-5 and 4 grades, and the light fastness can reach 3-4 grades.

natural dyes; extraction; perilla; dyeing; cotton fabric

姚金波（1964-），男，教授，研究方向：天然染料染色及功能性挖掘關(guān)鍵技術(shù).

TQ611

A

2095－414X(2019)02－0003－05