王富邦 張健飛 鞏繼賢 任燕飛

(1.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津　300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 先進紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室，天津　300387)

目前紡織行業(yè)所使用的染料幾乎都是合成染料，是由石油的下游原料制備而成[1]，在其制備及應(yīng)用過程中造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，尤其是水污染和空氣污染。隨著環(huán)境問題的日益惡化，染料的可持續(xù)性和生態(tài)環(huán)保性受到人們廣泛關(guān)注[2]。生物質(zhì)色素在來源的可持續(xù)性方面、在制備過程的環(huán)保性和所染色紡織品的生態(tài)性方面都遠優(yōu)于目前正在使用的合成染料[3]。生物質(zhì)色素在制備生態(tài)紡織品方面具有天然的、獨到的優(yōu)勢，將生物質(zhì)色素用于內(nèi)衣等貼身衣物及要求更為嚴(yán)格的嬰幼兒服裝面料，將具有廣闊的應(yīng)用前景，同時為高端生態(tài)紡織品的制備提供了新的契機[4]。

生物制備是利用微生物產(chǎn)生的酶(酶系)的催化作用下將底物轉(zhuǎn)化為所需產(chǎn)物的現(xiàn)代生物技術(shù)[5]。中國是茶葉的主產(chǎn)區(qū)，在茶葉加工過程中會產(chǎn)生許多茶梗等下腳料，利用生物加工技術(shù)可以將由茶產(chǎn)業(yè)的下腳料中提取的茶多酚轉(zhuǎn)化為茶色素實現(xiàn)對織物染色，染后織物不僅具有較好的染色性能，且具有抗菌、防紫外等功能，對于解決廢棄資源的高效利用具有重要意義。

1　實驗

1.1　材料與儀器

材料：食品級無色茶多酚購買于廣州利源食品添加劑有限公司，有效物質(zhì)含量為99%；羊毛織物購買于江蘇華西紡織有限公司，絲綢織物購買于杭州方大絲綢有限公司。

試劑：磷酸氫二鈉和檸檬酸均為分析純，由天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；漆酶由諾維信生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)酶活為120 LAMU/g，由黑曲霉基質(zhì)發(fā)酵制備得到。

儀器：SW-CJ-1FD超凈工作臺(蘇州凈化設(shè)備有限公司)，ZWY-240生化恒溫培養(yǎng)振蕩器(上海智城分析儀器制造有限公司)，V-1200可見分光光度計(上海美普達儀器有限公司)，UV-2401PC紫外—可見分光光度計(日本島津公司)，ECO紅外染色機(美國Datacolor公司)，Y571B耐摩擦牢度儀(溫州方圓儀器有限公司)，SF-600測色儀(Datacolor公司)，Xenotest150 S +日曬色牢度儀(美國ATLAS公司)等。

1.2　實驗方法

將5g無色茶多酚加入到0.1mol/L檸檬酸和0.2mol/L磷酸氫二鈉的緩沖液中，將pH值調(diào)到5.0，然后加入1.0g漆酶并定容至500mL，分別調(diào)pH值到3、5、7、9和11，然后按照浴比1: 50加入絲綢和羊毛織物，將其置于100℃的紅外染色機中染色60 min，以3℃/min的速率升溫，經(jīng)水洗、皂洗及烘干后準(zhǔn)備測色。

1.3　測試方法

1.3.1催化過程參數(shù)

利用紫外-可見分光光度計在波長為276nm和460nm處分別測試茶多酚和茶黃素的吸光度。

1.3.2顏色特征值

在Datacolor SF-600測色儀上測定染色蛋白質(zhì)織物的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《紡織品色牢度試驗?zāi)湍Σ辽味取窚y試。

耐日曬色牢度按照GB/T 8427-2008《紡織品色牢度試驗?zāi)腿嗽旃馍味龋弘　窚y試。

耐皂洗色牢度按照GB/T 3921-2008《紡織品色牢度試驗?zāi)驮硐瓷味取窚y試。

2　結(jié)果與討論

2.1　漆酶催化茶多酚轉(zhuǎn)化為茶黃素

圖1為茶多酚標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。由圖1可知，茶多酚溶液在質(zhì)量濃度為0.0075g/L～0.040g/L范圍內(nèi)，其質(zhì)量濃度與吸光度間的關(guān)系符合朗伯比耳定律，即吸光度值與濃度成正比。用線性回歸法得到的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為Y = 23.4859X-0.0528, R2= 0.99972。式中：X為茶多酚質(zhì)量濃度；Y為吸光度值。R2大于0.999。因此，該方程可以準(zhǔn)確反映所測吸光度值與茶多酚質(zhì)量濃度間的關(guān)系。在茶多酚和茶黃素的轉(zhuǎn)化過程中，茶多酚的濃度根據(jù)此方程計算。

圖1　茶多酚標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

茶多酚的含量隨反應(yīng)時間延長有所下降，且在24h后降到最低(圖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與非酶促氧化相比下降率提高了41.69%。

圖2　茶多酚濃度與時間的變化關(guān)系

圖3為茶黃素標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。由圖3可知，茶黃素溶液在質(zhì)量濃度為0.05g/L～0.50g/L范圍內(nèi)，其質(zhì)量濃度與吸光度間的關(guān)系符合朗伯比耳定律，即吸光度值與濃度成正比。用線性回歸法得到的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為Y = 2.07008X-0.03345, R2= 0.99992。式中：X為茶黃素質(zhì)量濃度，Y為吸光度值。R2大于0.999。因此，該方程可以準(zhǔn)確反映所測吸光度值與茶黃素質(zhì)量濃度間的關(guān)系。在茶多酚和茶黃素的轉(zhuǎn)化過程中，茶黃素的濃度根據(jù)此方程計算。

圖3　茶黃素標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

茶黃素的含量隨反應(yīng)時間延長有所增加，且經(jīng)漆酶催化的茶黃素含量24h后達到最大(圖4)。非酶促氧化的茶黃素含量的增加率是74.75%，經(jīng)漆酶催化的茶黃素增加率為94.22%，同比增長19.47%，說明茶多酚轉(zhuǎn)化為茶黃素，且減少的茶多酚并沒有完全轉(zhuǎn)化為茶黃素。隨著反應(yīng)時間延長經(jīng)漆酶催化的茶黃素的含量有所降低，可能的原因在于漆酶具有脫色作用或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化成了兒茶素或其他物質(zhì)[6]。

圖4　茶黃素濃度與時間的變化關(guān)系

2.2　基于pH響應(yīng)的茶色素對蛋白質(zhì)纖維染色

染色絲綢織物的表觀顏色和顏色參數(shù)如表1和表2所示。當(dāng)染液pH為3時染色織物的顏色強度最大，且隨pH值逐漸增大顏色強度逐漸減小。

表1　茶多酚自然氧化染絲綢織物顏色參數(shù)

表2　漆酶催化茶多酚染絲綢織物顏色參數(shù)

染色絲綢織物的顏色強度隨染液pH值的增大而逐漸減小，且與非酶促氧化相比，漆酶催化茶多酚制備的茶色素上染絲綢織物的顏色強度較大(圖5)。當(dāng)染液pH值為3時，染色絲綢織物的顏色強度最大。原因在于茶黃素在酸性條件下相對穩(wěn)定，且在堿性條件下可以氧化聚合為較高分子量的茶紅素甚至茶褐素[7]。此外，由于絲綢織物組織結(jié)構(gòu)相對緊密，低分子量的茶黃素可以擴散到織物內(nèi)部，而高分子量的茶色素不易滲透到其中。

圖5　pH值對染色絲綢織物的影響

由表3和表4可知，當(dāng)染液pH值為3時，染色羊毛織物的顏色強度最大，且隨pH值的增大逐漸減小。此外，漆酶催化茶多酚制備的茶色素上染羊毛織物的顏色強度高于自然氧化的。

表3　茶多酚自然氧化染羊毛織物顏色參數(shù)

表4　漆酶催化茶多酚染羊毛織物顏色參數(shù)

染色羊毛織物的顏色強度隨染液pH值的增大而逐漸減小，且漆酶催化茶多酚制備的茶色素上染羊毛織物的顏色強度高于自然氧化的。當(dāng)染液pH值為3時，染色羊毛織物的顏色強度最大(圖6)。在酸性條件下，反應(yīng)液中茶色素的主要成分是低分子量的茶黃素。因此，在加熱條件下茶黃素可以擴散到羊毛織物內(nèi)部。此外，在堿性條件下茶黃素可以轉(zhuǎn)化為較高分子量的茶紅素甚至茶褐素，其不易滲透到織物內(nèi)部。因此，染色羊毛織物的顏色強度低于酸性條件下的值。

圖6　pH值對染色羊毛織物的影響

3　結(jié)論

(1) 漆酶可以將茶多酚催化氧化為茶黃素，與非酶促氧化相比，茶多酚的減少量提高了41.69%，而茶黃素的增加量提高了9.47%，說明茶多酚轉(zhuǎn)化為茶黃素，且減少的茶多酚并沒有完全轉(zhuǎn)化為茶黃素。

(2) 利用漆酶制備到的茶黃素可以發(fā)生pH可逆響應(yīng)色變，且在不同酸堿條件下可以實現(xiàn)對蛋白質(zhì)纖維的染色。結(jié)果表明，在酸性條件下的染色性能優(yōu)于堿性條件，且在pH為3時染色性能最好，在相同條件下對羊毛纖維的染色性能好于絲綢纖維。

[1]王富邦，鞏繼賢，任燕飛，等.生物轉(zhuǎn)化法制備茶生物質(zhì)色素[J].成都紡織高等專科學(xué)校學(xué)報，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]鞏繼賢，王富邦，任燕飛，等.紅色系生物質(zhì)色素在紡織品染色中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].成都紡織高等?？茖W(xué)校學(xué)報，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.