生物酶法黃檗小檗堿染料提取及其染色性能

張 磊，宋 德 坤，魏 春 艷，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.遼寧美麟集團有限公司，遼寧 鐵嶺 112000）

0 引言

近年來，隨著人們環(huán)保意識的提高，合成染料在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中帶來的污染問題越來越引起人們的關(guān)注，在全球性綠色革命的浪潮下，染整工業(yè)開始向生態(tài)、減排的方向發(fā)展，天然染料又開始被人們重視起來［1］。天然染料取代化學(xué)合成染料已是大勢所趨，目前有關(guān)天然染料的研究文獻報道很多［2］。

黃檗（Phellodenron）為蕓香科植物黃樹皮和黃檗的干燥樹皮，它作為黃色系天然染料染，主要成分是小檗堿，它具有抗菌作用，臨床上應(yīng)用廣泛［3］。小檗堿是黃檗的主要發(fā)色成分，它本身是一種季銨鹽類的生物堿，是唯一一種陽離子型色素，水溶性良好，可以得到鮮艷的黃色［4］。目前小檗堿天然染料的提取主要有水浸提取法、酸水法［5］、石灰乳法［6］、醇提法和超聲波法。水提取法、酸水法成本低，但提取周期長，提取液容易變質(zhì)，提取率低；而用石灰乳法和醇法提取成本高；超聲波法可以明顯縮短提取時間，但是需要專用設(shè)備。針對上述不足，有關(guān)研究人員把生物酶技術(shù)應(yīng)用于紡織用染料的提取工藝，以此降低溫度，縮短時間，節(jié)約成本，同時提高了染料提取率。

本文利用纖維素酶對黃檗小檗堿色素的提取進行研究，通過改變提取時間、提取溫度、溶液pH 值、纖維素酶的濃度來確定出小檗堿染料最佳提取工藝。

1 實驗

1.1 材料與儀器

黃檗，干藥材，市售；纖維素酶，肇東酶制劑廠，市售；檸檬酸、明礬、檸檬酸鈉均為分析純。

紫外-可見光分光光度計，756CM-UV 53WB型，上海光學(xué)儀器廠；全自動色差計，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，無錫紡織機械廠；耐水洗色牢度檢測儀，SW8A，無錫紡織機械廠。

1.2 黃檗小檗堿染料提取工藝

酶法提取工藝：把2.1g檸檬酸和2.9g檸檬酸鈉加入盛有100mL水的燒杯中，制成檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液，pH 4～5。將4g黃檗、0.06g纖維素酶以及蒸餾水放入緩沖液燒杯，使液體總量至200 mL。將上述燒杯放入50 ℃恒溫水浴鍋中，攪拌酶解1h。由于在萃取過程中，纖維素中的細胞壁、細胞間質(zhì)受到纖維素酶的破壞，致使一些細胞內(nèi)部的物質(zhì)和一些雜質(zhì)轉(zhuǎn)移到溶液中，造成溶液混濁，因此，利用離心儀對混濁液進行離心處理，然后收集上清液作為染液。

水浸提取工藝：把4g黃檗放入緩沖液燒杯，使液體總量至200mL，并放入50 ℃恒溫水浴鍋中，攪拌煎煮1h，然后用紗布過濾，收集其濾液作為染液。

1.3 黃檗小檗堿酶法提取工藝參數(shù)確定

將4g黃檗、適量纖維素酶、緩沖液加入燒杯中，在改變提取介質(zhì)的pH 值、溫度、纖維素酶濃度的條件下繪制染色后布樣的色差值和它們的關(guān)系曲線，對曲線進行分析，確定酶法提取的適宜工藝參數(shù)。

1.4 檢測實驗

為提高織物染色牢度，用明礬作為媒染劑，對織物進行媒染處理。對樣品進行色牢度檢測。

執(zhí)行GB/T 3921.1—1997《耐洗色牢度的檢測方法》和GB/T 3920—1997《耐摩擦色牢度》標準。

2 結(jié)果與討論

2.1 黃檗吸光度的測定

取相同體積的酶法和水浸法的提取液，稀釋10倍。在紫外-可見光分光光度計上測定溶液吸光度，結(jié)果如圖1所示。

圖1 酶法與水浸法分析譜圖Fig.1 Absorbance of enzyme method and water extract method

由圖1可見，無論水浸法還是生物酶法，黃檗提取液的最大吸收峰均出現(xiàn)在波長為330nm 附近，表明黃檗染液的結(jié)構(gòu)并未受到生物酶法的影響。這是因為生物酶作為一種催化劑，從機理來看，它對底物的作用具有選擇性和專一性，即只對纖維素起作用，而不會破壞細胞內(nèi)的色素結(jié)構(gòu)。

2.2 酶法與水浸法對小檗堿色素提取率的比較

2.2.1 吸光度的比較

取一定的提取液，稀釋10倍。通過酶法和水浸法在最大吸收峰時吸光度的大小來判斷提取率的高低。表1是利用酶法和水浸法分別經(jīng)過3次平行實驗得出的吸光度數(shù)據(jù)。由表1可見，酶法提取液的吸光度高于傳統(tǒng)水浸法，其增量為21%～23%。從提取機理來看，傳統(tǒng)水浸法主要通過加熱形式促使水介質(zhì)滲入到纖維素分子之間，削弱纖維素分子之間的結(jié)合力，從而提高黃檗色素對水介質(zhì)的溶解能力，達到色素提取的目的。

表1 酶法和傳統(tǒng)水浸法在峰值處吸光度的比較Tab.1 Comparation absorbance between enzyme and water extract method at absorbance peak

而對于纖維素酶，是通過對黃檗纖維素的作用，使黃檗內(nèi)細胞壁及細胞間質(zhì)中的纖維素、半纖維素等物質(zhì)得到降解，引起細胞壁及細胞間質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生局部疏松、膨脹、崩潰等變化，從而增大細胞內(nèi)有效成分（即小檗堿）向提取介質(zhì)擴散的傳質(zhì)面積，減少傳質(zhì)阻力，促進小檗堿提取率的提高［7］。

2.2.2 染樣色差的比較

表2是利用上述提取液對棉織物進行染色后得出的色差數(shù)據(jù)。

表2 酶法和水浸法色差值ΔE 的比較Tab.2 Comparation colour difference between enzyme and water extract method

由表2可以看出，酶法提取液染色后的染樣色差平均值高。在黃檗染液的萃取實驗過程中，由于纖維素酶對黃檗纖維素的水解作用，其顯黃色成分的小檗堿的萃取量大為增加，顯然所染織物的色差值有所提高?？傊阜ㄌ崛÷蚀笥趥鹘y(tǒng)水浸法，染色后染樣的ΔE值也相應(yīng)增大。

2.3 黃檗色素酶法提取工藝參數(shù)的確定

2.3.1 溫度對酶法提取的影響

圖2是在不同的溫度下進行酶法提取并染色而得到的數(shù)據(jù)。

圖2 溫度與色差值間的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between temperature andΔE

由圖2可以看出，隨著溫度的增高，ΔE也隨著增加，當(dāng)達到50 ℃以后，ΔE隨著溫度的升高而降低，ΔE存在一個最大值。

在酶解反應(yīng)中，溫度是一個很重要的影響因素。它不僅影響反應(yīng)速度，而且影響酶的活性。當(dāng)溫度升高時，反應(yīng)速度加快，有利于酶解反應(yīng)的進行；隨著溫度的增高，酶蛋白逐步變性，反應(yīng)速度隨之下降。因此，酶存在一個最適溫度［8］。

圖2表明，當(dāng)θ=50 ℃時，黃檗中的色素提取率最大，說明此溫度下纖維素酶的酶活力最高，對植物材料的纖維素作用效果最佳。高于50℃時，酶會因為溫度高而失去活性，低于50 ℃時，酶會因為溫度低活性較低。因此，纖維素酶的最適溫度為50 ℃。

2.3.2 pH 值對酶法提取的影響

圖3是在溫度為50 ℃的條件下，用不同pH值進行酶法提取并染色得到的數(shù)據(jù)。

圖3 pH 與色差值間的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between pH andΔE

由圖3可知，隨著pH 值的增加，ΔE迅速增大，當(dāng)pH 值超過一個定值后，ΔE隨pH 的增加而降低。大部分酶的活性受環(huán)境pH 值的影響。pH 值的改變可以破壞酶空間構(gòu)象，引起生物酶活力的降低，還影響酶活性中心催化集團的解離［8］。

實驗結(jié)果表明，當(dāng)提取介質(zhì)pH=4.5時，染樣的ΔE最高，即提取黃檗中色素含量最大。此時，纖維素酶的催化活性最高，為最適pH 值。

2.3.3 提取時間對酶法提取的影響

圖4是在θ=50 ℃，pH=4.5，不同提取時間條件下提取并染色得到的數(shù)據(jù)。

圖4 提取時間與色差值間的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between extraction time andΔE

由圖4可知，隨著時間的增加，色差值大幅提高，但到達一個定值后，隨著提取時間的增加，色差值增加緩慢，增加值可以忽略不計。因為一定量的黃檗所能提取出來的色素是一定的，當(dāng)提取量達到這個定值時，提取量已經(jīng)接近最大值，即使延長提取時間，提取量也不會有太大的變化。

圖4表明，當(dāng)提取時間在60min以后，染色后布樣的色差值幾乎不再變化，所以最佳提取時間為60min。在這個提取時間下，提取率接近飽和值。

2.3.4 纖維素酶濃度對酶法提取的影響

圖5是在θ=50 ℃，pH=4.5，不同纖維素酶用量條件下提取并染色得到的數(shù)據(jù)。

圖5 纖維素酶用量與色差值間的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between the dosage of cellulase andΔE

由圖5可知，ΔE隨纖維素酶用量的增大而先升后降，存在一個最大值。這是因為纖維素分子能和酶分子結(jié)合到結(jié)合點的數(shù)量是有限的，當(dāng)這些結(jié)合點全部被纖維素酶分子占據(jù)后再增加纖維素酶的用量，新增加的那部分酶分子無法和纖維素分子結(jié)合，起不到酯解作用［8］。

圖5表明，當(dāng)纖維素酶用量為40mg時，染樣的ΔE達到最大，黃檗提取率達到最高值。因此纖維素酶與黃檗之間的最佳投料比為1∶100。

2.4 耐洗色牢度和耐摩擦色牢度的檢測結(jié)果

用變色灰卡和沾色灰卡對染樣進行等級評估，表3、4是染樣耐水洗和耐摩擦的檢測結(jié)果。

表3 黃檗染樣織物耐洗色牢度檢測結(jié)果Tab.3 Washing fastness of the phellodenron dyed samples

表4 黃檗染樣織物耐摩擦色牢度檢測結(jié)果Tab.4 Rubbing fastness of the phellodenron dyed samples

由表3、4可以看出，酶法提取與水浸法提取相比，酶法染樣色牢度有所提高，但是效果不明顯。因此，酶法只提高提取量，并不能顯著提高色牢度。

3 結(jié)論

（1）纖維素酶法提取黃檗小檗堿的提取工藝，與傳統(tǒng)水浸法相比，提取率有了提高，染料萃取率可提高21%～23%，具有高效、節(jié)能、減排特點。

（2）在纖維素酶提取的過程中，纖維素酶沒有破壞色素，不影響產(chǎn)物，只是單純作用于纖維素，加快植物內(nèi)部色素的萃取速度，發(fā)揮生物酶的專一催化作用。

（3）纖維素酶受溫度、pH、用量的影響比較大。酶法提取的適宜提取條件是：θ=50 ℃，pH=4.5，提取時間為60min，纖維素酶和黃檗的投料比為1∶100（質(zhì)量比）。

（4）酶法與水浸法提取相比，染樣色牢度有所提高，但效果不明顯。