大叶桃花心木果实种子新型植物单宁的提取表征及其在皮革制造中的应用研究

《Results in Chemistry》：Novel vegetable tannin from Xylocarpus granatum fruit seeds: extraction, characterization, and application in leather manufacturing

本文推荐了一项关于利用大叶桃花心木（Xylocarpus granatum）果实种子提取新型植物单宁用于皮革复鞣的研究。针对传统铬鞣法使用重金属铬（Cr）带来的环境和健康危害问题，研究人员成功从大叶桃花心木种子中提取出单宁（含量约16.77%），并系统评价了其应用于皮革复鞣的效果。研究结果表明，该单宁能赋予皮革优异的物理机械性能（如拉伸强度达292.89 kg/cm2，收缩温度达109.2 °C）和致密的纤维结构，且成本低于传统含羞草单宁。这项工作为开发天然、可持续且环保的皮革鞣制剂提供了有前景的替代方案。

　　

皮革，这一历经数千年仍活跃于全球贸易市场的重要材料，其制造过程却暗含着环境与健康的隐忧。其中，鞣制作为将动物皮转变为皮革的核心步骤，目前超过80-90%的全球皮革制造商仍采用经典的铬鞣法，即使用大量碱性硫酸铬（BCS）进行加工。铬，尤其是有毒且致癌的六价铬（Cr⁶⁺），不仅对操作人员的健康构成威胁（可能损害肾脏、肝脏，引发皮炎和胃肠道溃疡），更有约40%的铬在鞣制后未能被胶原蛋白有效吸收而排入环境，造成严重污染。因此，寻找能够替代重金属铬、环境友好的鞣制方案，已成为皮革工业实现绿色可持续发展的迫切需求。

在此背景下，来自库尔纳工程技术大学皮革工程系的研究团队将目光投向了植物王国。植物单宁，作为一种来源于植物树皮、木材、叶片和果实等部位的天然多酚类物质，因其可再生性和环境友好性，被视为替代铬鞣剂的理想候选者。然而，常用的含羞草、破斧木等单宁原料的获取往往伴随着森林砍伐问题。研究团队创新性地从一种新型植物资源——生长于孟加拉国孙德尔本斯红树林的大叶桃花心木（Xylocarpus granatum）的果实种子中提取单宁，并系统评估其应用于皮革复鞣的潜力。相关研究成果发表在《Results in Chemistry》上。

为开展此项研究，研究人员运用了几个关键技术方法：首先，采用热水提取法从大叶桃花心木种子粉末中优化提取单宁，并通过氧化还原滴定测定单宁含量。其次，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）对提取的单宁进行表征，鉴定其关键官能团。接着，将提取的单宁应用于山羊皮湿蓝革的复鞣工艺中，并与传统含羞草单宁进行对比。最后，对制成的坯革进行了一系列性能测试，包括使用热收缩仪测定收缩温度（Ts），依据EN ISO 3376标准测试拉伸强度和断裂伸长率，依据ASTM D2207-00标准测试球爆强度，并利用扫描电子显微镜（SEM）观察皮革横截面的纤维形态。

3.1. 单宁的生理特性

研究人员首先对提取的单宁进行了基本性质分析。结果显示，大叶桃花心木种子单宁的含量约为16.77%，其pH值为5.4，水分含量为10.25%，总溶解固体（TDS）为3110 mg/L。这些参数与常规使用的含羞草单宁（单宁含量29.5%，pH 4.8）相近，且酸性pH值和较低的水分含量表明该提取物适合作为鞣制剂并易于长期储存。提取时间优化实验表明，提取16小时可获得最高的单宁得率。

3.2. 单宁含量百分比

通过考察提取时间对单宁得率的影响，研究发现提取16小时为最佳条件，此时单宁含量达到16.77%。统计学t检验证实了该时间点提取效率的显著性。

3.3. FTIR分析

FTIR光谱分析揭示，大叶桃花心木单宁含有O-H伸缩振动、C=O伸缩振动、C-H弯曲振动、C=C伸缩振动和C-O伸缩振动等关键官能团，这些官能团与含羞草单宁的谱图高度相似。特别是O-H基团和C=O基团的存在，表明其能够与胶原蛋白的N-H和C=O基团形成氢键，这是发挥鞣制作用的基础。

3.4. 收缩温度

收缩温度是衡量皮革热稳定性和鞣制程度的重要指标。研究发现，经大叶桃花心木单宁复鞣后的坯革，其收缩温度达到109.21 °C，高于经含羞草单宁复鞣皮革的105.33 °C，也远高于复鞣革70-80 °C的标准要求。这表明大叶桃花心木单宁能有效提高皮革的热稳定性。

3.5. SEM

SEM显微图像显示，经大叶桃花心木单宁和含羞草单宁复鞣的皮革，其纤维结构均呈现致密、有序的排列，且无纤维断裂现象，证明大叶桃花心木单宁能有效地与胶原纤维结合并填充。

3.6. 物理机械特性

物理机械性能测试结果表明，大叶桃花心木单宁复鞣皮革的拉伸强度（平行方向292.89 kg/cm²，垂直方向285.65 kg/cm²）、断裂伸长率（平行方向51.18%，垂直方向49.8%）、球爆强度（负载42.09 kg，延展7.19 mm）等关键指标均符合甚至优于标准要求，且与含羞草单宁复鞣皮革的性能相当。

3.7. 胶原-单宁相互作用

研究推断，大叶桃花心木单宁中富含的黄酮类和酚类化合物，通过其官能团（如O-H, C=O）与胶原蛋白侧链形成强氢键，从而实现了对胶原纤维的稳定和增强，这解释了其赋予皮革高收缩温度和优良物理性能的原因。

3.8. 比较评估

与其他植物单宁复鞣剂（如柔夷大叶桃花心木种子单宁、凤眼蓝叶单宁、相思子种子单宁等）的比较显示，大叶桃花心木单宁在单宁含量和所能达到的收缩温度方面具有竞争优势，特别是其109.21 °C的收缩温度表现突出。

3.9. 成本分析

成本评估显示，使用大叶桃花心木单宁进行复鞣的成本约为0.14美元，比使用含羞草单宁（0.17美元）降低了约17.65%，显示出其经济优势。

综上所述，本研究成功地从大叶桃花心木果实种子中提取出一种新型植物单宁，并证实其可作为铬鞣剂的有效、环保替代品用于皮革复鞣。该单宁不仅能赋予皮革优异的物理机械性能和热稳定性，其纤维微观结构也表明鞣制效果良好。更重要的是，该资源来源广泛、可再生，且应用成本较低。因此，这项研究为皮革工业提供了一种天然、可持续且环境友好的鞣制解决方案，对推动皮革制造业的绿色转型具有重要意义。大叶桃花心木单宁展现出成为商业化鞣制剂的巨大潜力。