胡 维, 严 猛, 陈丽灿, 唐志荣, 周文龙

(浙江理工大学 材料与纺织学院， 浙江 杭州 310018)

处理条件对天然绿色棉色素抗氧化活性的影响

胡 维, 严 猛, 陈丽灿, 唐志荣, 周文龙

(浙江理工大学 材料与纺织学院， 浙江 杭州 310018)

基于天然绿色棉色素含有多酚类物质以及其结构的不稳定性，采用清除1，1-二苯基-2-苦基肼(DPPH)自由基法，探讨温度、光辐射、酸碱条件对绿色棉色素的抗氧化活性的影响。结果表明，高碱条件对绿色棉色素的抗氧化影响较大。经pH值为13的碱溶液处理后，色素的DPPH自由基清除率下降至2.97%，调回中性后，自由基清除能力恢复至原先的81.38%，说明碱性条件导致抗氧化性的消失大部分可以恢复。结合紫外光谱可以看出，碱性条件下色素主体结构不变，但部分组分结构发生了不可逆的破坏。光辐照对天然绿色棉色素的抗氧化活性有明显的影响，日晒5 d后，绿色棉色素自由基清除能力下降57.10%。高温150 ℃处理1 h对绿色棉色素的自由基清除能力影响不大。

天然绿色棉； 色素； 抗氧化活性； DPPH自由基

天然彩色棉是利用现代生物技术培育出的有色棉纤维,其颜色是色素在纤维细胞中腔及次生壁内层沉积的结果。彩色棉在加工过程中无需染色，减少了环境污染和能量消耗，被称为生态棉，现阶段商品化的主要有棕色和绿色二大色系[1]。对彩色棉色素结构的探究一直是其研究的热点，而对色素赋予彩色棉特有的生理活性却鲜有报道。对天然绿色棉色素化学成分分析表明，其主要成分为黄酮类和咖啡酸及其衍生物，二者均具有较好的抗氧化性能[2-4]。活性分子的抗氧化性体现在对自由基的清除能力，与生命体的抗病性、抗逆性及延缓衰老密切相关[5]。研究天然绿色棉抗氧化能力以及其他外界条件对抗氧化性能的影响,可以为天然绿色棉产品的加工提供指导,利于拓展天然绿色棉的功能性,提高绿色棉的使用价值。

与天然色素一样，天然彩色棉中天然色素结构不稳定,在阳光、高温、酸碱等条件下都会产生一定程度的色变，天然绿色棉尤为严重[6-7]。天然彩色棉纤维的抗氧化活性主要取决于色素的抗氧化活性[8]。在植物提取物的抗氧化能力评估方法中，1，1-二苯基-2-苦基肼(DPPH)分光光度计法具有稳定性好、灵敏度高、操作简单等优点被广泛应用[9]。纺织产品的生产加工和日常应用中不可避免的会遇到光照和酸碱等因素的影响，因此，本文探讨酸碱、光辐射和温度对天然绿色棉色素清除DPPH自由基抗氧化能力影响，以期为天然彩色棉产品抗氧化功能的保护、利用提供指导。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

材料：天然绿色棉，浙江省农业科学院；氢氧化钠、乙醇、二氯甲烷、三氟乙酸，杭州高晶精细化工有限公司，均为分析纯；1，1-二苯基-2-苦基肼(DPPH,美国Sigma-Aldrich公司)。

仪器：FZ102微型植物粉碎机(天津泰斯特仪器有限公司)；R201D型旋转蒸发仪(上海亚荣仪器有限公司)；GL-16G-Ⅱ型冷冻干燥机(上海麦尚科学仪器有限公司)；JP-100S型超声清洗机(深圳洁盟超声清洗机有限公司)；DHG-9146A型电热恒温鼓风干燥箱(上海浦东荣丰科学仪器有限公司)；SHZ-82数显恒温振荡器(金坛市白塔新宝仪器厂)；OHRUS电子分析天平(AR124CN，奥豪斯仪器上海有限公司)；PHS-25数显pH计(上海雷磁仪器厂)；TU-1950双光束紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 天然绿色棉色素的提取制备

取粉碎后的天然绿色棉粉末20 g，按料液比1∶50加入乙醇/二氯甲烷(体积比1∶1)，在30 ℃、600 W下超声辅助提取10 h，抽滤，收集滤液，并用旋转蒸发仪在32 ℃浓缩成膏状，冷冻干燥成色素粉末。重复上述操作数次，得到足量的色素粉末。

1.2.2 DPPH清除能力的测试

参照文献[10-11]的方法，以无水乙醇为溶剂配制0.1 mmol/L的DPPH溶液，备用。用乙醇/二氯甲烷(体积比为1∶1)溶解色素，再用乙醇溶液配制一定浓度的色素溶液。取1 mL一定浓度的色素，加入7 mL乙醇/二氯甲烷，充分振荡至均匀，避光加入2 mL的0.1 mmol/L DPPH溶液密封。水浴37 ℃恒温振荡30 min，用无水乙醇校零,测定517 nm吸光度，记作Ay，空白组测定为8 mL乙醇/二氯甲烷加入2 mL DPPH溶液，不加色素，记为Ak。对照组测定为1 mL色素加入7 mL乙醇/二氯甲烷和2 mL乙醇代替 DPPH溶液，记作Ad。每份样品重复操作3次，清除率I的计算公式为

1.2.3 色素对DPPH自由基清除能力的测试

用乙醇溶液分别配制一定浓度的色素溶液，按上述方法，各取1 mL，测其对DPPH自由基的清除能力。

1.2.4 酸碱对色素抗氧化活性影响的测试

在不同的pH值条件下对色素溶液进行处理，测其抗氧化性能，然后调回中性，并对不同pH值色素溶液UV光谱进行比较分析，探究不同酸碱条件对天然绿色棉抗氧化性能的影响。

1)不同pH值处理。 以无水乙醇为溶剂，用氢氧化钠/三氟乙酸调节pH值，配制不同浓度的溶液。分别将1 mL 0.02 g/L色素溶液加入9 mL不同pH值乙醇溶液中，充分振荡室温静置12 h，取1 mL不同pH值处理的色素溶液，测其对DPPH自由基清除能力。空白组改为1 mL不同pH值乙醇液代替色素加入7 mL无水乙醇/二氯甲烷和2 mL DPPH。

2)碱性处理调回中性。取1 mL 0.04 g/L的色素溶液加入9 mL pH值为13的氢氧化钠/三氟乙酸溶液，充分振荡后室温静置12 h。按上述方法配制2份，一份定容到20 mL并调回pH值为7，另一份用乙醇定容到20 mL。各取1 mL测其对DPPH自由基的清除能力。

3)不同pH值条件处理后色素溶液的UV光谱。以不同pH值条件下的乙醇溶液为参比液，测量不同pH值处理后色素溶液的紫外可见光光谱。

1.2.5 光辐射对色素抗氧化活性影响的测试

配制3份1 g/L的色素溶液密封于具塞试管中，置于室外(环境温度约30 ℃，处理时间为12 h)进行日晒处理，收集样品并稀释至0.02 g/L，测其对DPPH自由基清除能力。

1.2.6 温度对色素抗氧化活性影响的测试

取适量的色素加入具塞锥形瓶于恒温烘箱中分别恒温处理一定时间后，配制0.03 g/L的色素溶液，测其对DPPH自由基的清除能力。

2 结果与分析

2.1 色素对DPPH自由基清除能力的影响

DPPH自由基是稳定的、人工合成的、以氮为中心的脂质有机自由基。在食品和医药领域常利用清除DPPH自由基法测试物质的抗氧化能力。图1(a)示出绿色棉色素清除DPPH自由基能力。可以看出，当色素质量浓度小于0.06 g/L时，随着色素质量浓度增加，色素清除DPPH自由基能力逐渐增加，且具有一定的线性关系。当色素对自由基质量浓度大于0.06 g/L时，色素过量，对自由基清除率保持平稳。当色素质量浓度为0.06 g/L时，色素的清除率接近100%。此时，样品的吸光度较低，受到仪器噪音的干扰较大，精确度会有所下降。该浓度下不利于分析样品之间的活性差异。对色素质量浓度小于0.06 g/L区间的清除率进行拟合，结果如图1(b)所示，色素浓度与清除能力具有良好的线性关系，其拟合方程为Y=0.87+1 822.017X(R2=0.995 8)，因此，选择清除率为50%来考察不同样品活性之间的差异，并提高其准确度。

2.2 酸碱对色素抗氧化活性的影响

天然彩色棉色素对pH值较敏感，其色泽具有pH值依赖性和可逆性[12]。在酸性条件下，绿色棉颜色向红蓝方向变化。在碱性条件下，绿色棉颜色向绿蓝方向变化[13]。说明色素结构受酸碱影响较大，色素的抗氧化活性可能对酸碱不稳定。pH值对色素清除DPPH自由基的影响如图2所示。

由图2可看出，色素在酸性条件和弱碱性条件下均表现出较高的且比较稳定自由基清除能力。随着碱性增加，色素的自由基清除能力迅速下降。当pH值达到13时，自由基清除能力下降到2.97%，色素的自由基清除能力急速下降。这可能是由于多酚类化合物的酚羟基是其抗氧化活性部位[3]，在碱性条件下，黄酮类和咖啡酸及其衍生物酚羟基的结构改变导致其清除能力大量丧失。

在生产和应用过程中不可避免会遇到酸碱环境的变化，因而探讨碱性条件下自由基清除能力的消失是否有可恢复性，对指导生产应用具有重要价值。在pH值为13的碱性条件下处理色素12 h后，再调回至中性，其自由基清除能力如图3所示。由图可见，再次调回到中性后，色素的清除能力能够恢复到原先的81.38%。天然绿色棉色素成分复杂，色素提取物中既有有色物质也有无色物质，有绿色部分也有黄色部分，从显色反应看，绿色棉萃取物中含有有机酸、甾醇、香豆素等物质[14]。此外，色素可能成分黄酮类化合物在不同的pH条件下还存在结构的突变[15]。可见，其自由基清除率的回复并非简单的酚羟基的可逆恢复过程。碱性条件处理消失的抗氧化活性在调到中性后可以大部分恢复，但也有部分提取物结构发生不可恢复的破坏，因而碱性处理对天然绿色棉的抗氧化活性有一定的影响，但并不显著。

天然绿色棉色素含有共轭体系，能在紫外光下产生电子能级跃迁，对紫外光产生吸收。图4示出不同pH值条件下色素的紫外图谱。为清晰可见pH值为3和9的曲线省略。

二氯甲烷/乙醇提取的绿色棉色素在200～300 nm处有较强的共轭吸收峰，且有2个类似于黄酮类和黄酮醇类的典型吸收带，即在320～380 nm(带Ⅰ)和240～270 nm(带Ⅱ)2个区域有吸收峰,分别归属于桂皮酰类和苯甲酰类的吸收峰[16]。这与文献[2]的研究相吻合，绿色棉色素中存在芳环和双键,具有共轭π键，在碱性条件下，遇到—OH供电子基团时，共轭π键电子云密度增加，曲线会发生红移。根据现代发色理论，还会导致色光变深，图中表现在400～500 nm波段吸收增加。从不同pH值条件下的UV图谱看，色素的主体结构不变。pH值调回后自由基清除能力基本恢复，说明色素大部分基团发生可逆解离。

2.3 光辐射对色素抗氧化活性的影响

天然绿色棉色素对光具有不稳定性，光照会使色素的结构发生变化，表现为天然绿色棉织物在日晒过程中会发生色变。由于对天然绿色棉色素的具体结构尚不了解，因而其光致变色机制仍无法解释。图5示出光照对色素清除DPPH自由基的影响。

在自然光照射下，绿色棉色素的DPPH清除能力呈逐渐下降趋势，随着时间延长下降趋势更加显著。日晒5 d后，色素DPPH清除率下降了57.10%。这可能是由于黄酮类化合物的酚羟基在光照作用下氧化成醌类物质而影响其抗氧化能力。因此，天然绿色棉织物在日常使用过程中长时间日晒不利于抗氧化活性的保持。

2.4 温度对色素抗氧化活性的影响

除功能纺织品整理外，作为日常服用纺织品一般不需要考察耐高温性能。考虑到纺织后整理加工和服用过程中可能会受到短时高温的影响，本文选择处理10 min和1 h来探究其抗氧化性能的变化。图6示出温度对绿色棉色素清除DPPH自由基的影响。可以看出，随着温度的升高，色素对自由基清除能力变化不大。当温度升高到150 ℃，色素仍表现出较高的抗氧化活性。延长处理时间到1 h，自由基清除能力略微下降。说明短时间温度处理对色素的抗氧化活性影响不大。

3 结 论

天然绿色棉色素在酸性和弱碱性条件下，清除DPPH自由基的能力较高且较稳定。在强碱性条件下，抗氧化能力迅速下降，经过pH值为13的碱性溶液处理后，色素的DPPH自由基清除率下降至2.97%。调回中性，色素的抗氧化能力恢复至原先的81.38%。碱性条件下，色素的主体结构不变，部分组分发生不可逆的破坏。150 ℃高温处理1 h对色素的抗氧化能力影响不大。光照对色素的抗氧化性能有一定影响，随着光照时间的延长，抗氧化能力下降逐渐明显。日晒5 d后，自由基清除能力下降57.10%。因此，天然绿色棉在生产和使用过程中应尽量避免长时间日晒和强碱性环境。

FZXB

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Effects of treatment conditions on antioxidant activity of pigment of naturally green-colored cotton fiber

HU Wei, YAN Meng, CHEN Lican, TANG Zhirong, ZHOU Wenlong

(CollegeofMaterialsandTextile,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

Based on polyphenols pigment of natural green cotton and its structural instability, the 1-diphenyl-2-picrylhydtazyl (DPPH) radical scavenging method was used to study the effects of temperature, light irradiation and acid-base condition on the antioxidant activity of green cotton pigment. The results showed that high alkali conditions had great influence on the antioxidant stability of natural green cotton. The DPPH radical scavenging activity of green cotton pigment decreased to 2.97% when the pigment was treated in the alkali solution with the pH value of 13.When adjusted to be neutral, green cotton pigment recovered to 81.38% of its original radical scavenging capability, indicating that most of radical scavenging capability lost resulted from the alkaline condition was recoverable. The ultraviolet spectra measurements demonstrated that the main structure of pigment was unchanged under the alkaline condition, but some components structure of the pigment had changed irreversibly .Light irradiation had significant effect on antioxidant activity of the pigment of naturally green cotton. The radical scavenging capability of green cotton pigment dropped to 57.10% when the pigment was exposed to the sun light for 5 d. It was found that no significant change in radical scavenging capability of green cotton pigment was caused when treating the pigment at 150 ℃ for 1 h.

natural green cotton； pigment； antioxidant activity； DPPH radical

10.13475/j.fzxb.20150703706

2015-07-17

2016-01-09

国家自然科学基金资助项目(51373156)

胡维(1989—)，男，硕士生。主要研究方向为新型纺织材料。周文龙，通信作者，E-mail: wzhou@zstu.edu.cn。

TS 102.1

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