从废料到天然色素：利用红外辅助技术从石榴皮中提取功能性色素，用于制造环保抗菌织物

《Beni-Suef University Journal of Basic and Applied Sciences》：From waste to color: IR-assisted extraction of functional colorants from pomegranate peel for dyeing eco-friendly antimicrobial fabrics

　　摘要
背景
红外（IR）加热能够快速、强烈地传递热量，并且相对于传统加热方法来说成本更为低廉。石榴皮是天然染料和抗菌多酚的可持续来源。本研究探讨了利用IR技术提取这些生物活性化合物用于纺织品的应用。

方法
首先通过IR加热优化了提取参数，然后将棉和羊毛织物在80°C下染色60分钟，以保持化合物的生物活性并实现均匀着色。随后对染色织物进行了颜色强度、色牢度及抗菌效果的评估。

结果
与传统加热方法相比，IR加热显著提高了从石榴皮中提取生物活性化合物的产量。染色后的羊毛织物表现出更强的颜色强度以及更强的抗菌活性，尤其是对金黄色葡萄球菌（S. aureus）。

图形摘要
此图像的替换文本可能是通过人工智能生成的。

背景
红外（IR）加热能够快速、强烈地传递热量，并且相对于传统加热方法来说成本更为低廉。石榴皮是天然染料和抗菌多酚的可持续来源。本研究探讨了利用IR技术提取这些生物活性化合物用于纺织品的应用。

方法
首先通过IR加热优化了提取参数，然后将棉和羊毛织物在80°C下染色60分钟，以保持化合物的生物活性并实现均匀着色。随后对染色织物进行了颜色强度、色牢度及抗菌效果的评估。

结果
与传统加热方法相比，IR加热显著提高了从石榴皮中提取生物活性化合物的产量。染色后的羊毛织物表现出更强的颜色强度以及更强的抗菌活性，尤其是对金黄色葡萄球菌（S. aureus）。

图形摘要
此图像的替换文本可能是通过人工智能生成的。

1. 背景
全球纺织和农业行业正逐渐走向“绿色化学”模式，以解决工业废物的巨额积累以及合成化学物质造成的环境毒性问题。虽然纺织行业因向水生生态系统排放大量合成染料而受到广泛批评，但农业工业也面临类似挑战，每年约有360万吨柑橘废弃物被丢弃[1]。最近的研究表明，各种农业废弃物（如印楝树皮（Azadirachta indica）、葡萄渣、番茄残渣和枣椰纤维）不仅是废弃物，还是 valuable生物活性分子和碳水化合物聚合物的来源[2,3,4,5]。例如，对Citrus reticulata albedo的生化分析显示其富含多糖（果胶和纤维素）、氨基葡萄糖、酚类和黄酮类化合物[6]。将这些富含抗氧化剂的化合物融入纺织品中，为开发能够为穿着者提供治疗益处的“医用纺织品”开辟了新途径。

然而，将原始生物质转化为高性能功能性纺织品需要克服传统提取方法的局限性。传统的水煮法常会导致热敏性生物活性化合物的热降解。为此，现代辐射技术（特别是微波辅助提取（MAE）成为有效的替代方案。MAE利用介电加热快速破坏植物细胞壁，从而增强色素和生物活性聚合物的质量传递[7, 8]。为了确保工艺的可重复性和优化，常使用响应面法（RSM）结合中心复合设计（CCD）来微调pH值、辐射时间和温度等关键变量。当使用环保媒染剂（如明矾、铁盐或单宁酸）处理这些优化后的提取物时，所得织物表现出“良好至优秀”的色牢度，并保持所需的生物活性[9,10,11,12]。同时，超声波辅助提取（UAE）利用声空化作用“冷”方式回收热敏性色素（如Alkanna tinctoria中的alkanin），通常在15–60分钟内完成。除了提取外，UAE还可作为一种表面预处理方法，改善羊毛的质软性，从而提高染料的渗透性。在pH 4和65°C以及草本生物媒染剂存在下优化处理后，该方法可提供更强的颜色强度（K/S）和更好的色牢度[13, 14]。此外，超临界CO?（ScCO?）提取提供了一种无溶剂的方法，可用于从脆弱的植物材料（如Hypericum triquetrifolium）中提取高纯度天然染料。先进的优化工具（包括与支持向量机回归相结合的Dragonfly算法DA-SVMr）进一步提高了工艺效率。这些创新技术结合环保型生物媒染剂，为生产具有优异着色力的多功能纺织品提供了节能路径[15, 16]。

本研究特别探讨了利用红外（IR）加热从石榴皮中提取色素和生物活性化合物的方法，旨在开发出比传统方法产量更高的抗菌染色羊毛和棉织物。系统评估了颜色强度（K/S）、色牢度（水洗、摩擦、汗液和光线）及抗菌效果，并与使用传统水提取法染色的对照组样品进行了比较。尽管IR加热之前已被用于合成纤维的染色，但将其优化用于从石榴皮中提取天然染料并在羊毛和棉织物上进行无媒染剂染色，是对可持续纺织加工的新贡献。

2. 实验部分
2.1 材料
2.1.1 天然染料
本研究中使用的染料是从当地市场购买的石榴皮粉中提取的。
2.1.2 织物
mill-scoured和漂白的棉织物（140 g/m2）以及羊毛织物（220 g/m2）由位于埃及亚历山大Kafr El-Dawar的Misr El-Beida Dyers公司提供。

2.2 方法
2.2.1 天然染料的提取
传统方法：将3克石榴皮粉溶解在100毫升水中煮沸1小时，然后过滤并冷却。
IR方法：为了研究提取温度（60、70、80、90和100°C）和暴露时间（15、30、45、60分钟）对生物活性和着色化合物提取的影响，使用IR机器制备了每100毫升水含3克石榴皮粉的染色溶液，并将其放入IR机器杯中。对照样品同样制备，并在沸水中煮沸1小时，遵循传统方法进行提取。
2.2.2 纺织物着色
使用红外（IR）染色机和传统水浴技术获得的染料提取物被应用于羊毛和棉织物。通过测量染色织物的颜色强度（K/S）值和总色差（ΔE）来评估提取方法的效率。在IR加热方法中，使用了与传统方法相同的染料浓度。然而，染色在不同的温度和时间下进行。温度范围为60至100°C，暴露时间从15分钟到60分钟不等。
染色浴：染色浴由3克提取的天然染料溶解在100毫升水中，液剂比例为1:40。
染色过程：第一种方式是在100°C下煮沸1小时。第二种方式是在不同温度和时间内使用IR加热以获得最佳条件。
洗涤：两种方式染色后，样品用冷水冲洗，在含有3克/升非离子表面活性剂的45°C浴液中洗涤30分钟，然后再次冲洗并晾干。

2.3 分析与测量
2.3.1 酚类和黄酮类的HPLC分析
使用Agilent 1260系列系统进行HPLC分析。每个样品的注射量为5微升，柱温保持在40°C[17]。
2.3.1.1 傅里叶变换红外分析（FTIR）
使用JASCO FTIR 6100光谱仪（日本东京）在4000–400 cm?1的波数范围内记录样品的FTIR光谱，扫描60次，分辨率为4 cm?1[18]。
2.3.2 颜色测量
使用Hunter Lab分光光度计（UltraScan PRO D65，美国）评估染色织物的颜色强度（K/S）和CIELAB色差（ΔE）。样本的颜色强度（K/S）根据Kubelka–Munk方程计算：
$$
{\text{K}}/{\text{S}} = \left( {{1}{-}{\text{R}}} \right)^{{2}} /{\text{2R}}
$$
其中K是吸收系数，S是散射系数，R是反射率值。
总色差（ΔE）使用以下公式计算：
$$
\Delta {\text{E}} = \sqrt {\left( {{\text{~L}}^{{\text{*}}} - L^{{{\text{*}}^\circ }} } \right)^{2} + \left( {a^{{\text{*}}} - ~a^{{{\text{*}}^\circ }} } \right)^{2} + \left( {b^{{\text{*}}} - b^{{{\text{*}}^\circ }} } \right)^{2} }
$$
这里L*°、a*°和b*°是对照组的颜色参数数值，而L*、a*和b*是样品的数值[19]。
2.3.3 色牢度
根据AATCC测试方法61–2013使用Launder-O-Meter评估水洗牢度。根据AATCC 1993a、1993b和1993c的标准程序评估耐光牢度、摩擦牢度和耐汗牢度[19, 20]。
2.3.4 抗菌活性
本研究使用了ATCC注册的微生物，除了Bacillus cereus，该菌株是从埃及国家研究中心的农业微生物学部门获得的本地菌株。测试中使用的微生物包括链球菌（Streptococcus pyogenes，ATCC 19615）和大肠杆菌（Escherichia coli，ATCC 25922）[21]。虽然石榴皮的总酚类和黄酮类化合物含量会因品种和生长条件而异，但红外（IR）提取法无需使用溶剂，从而消除了与化学溶剂相关的环境和安全问题，具有明显的优势。此外，高效液相色谱（HPLC）分析显示，IR提取物中存在某些传统加热提取方法中完全缺失的特定化合物，进一步突显了IR方法的卓越选择性和效率。

图1展示了染色羊毛织物样品的傅里叶变换红外（FTIR）光谱。传统方法染色的羊毛（样品1）的特征振动包括：3266厘米?1处的宽频带（O–H/N–H伸缩振动，表明含有羟基和氨基）；1631厘米?1处的强峰（酰胺I，肽链中的C=O伸缩振动）；1534厘米?1处的峰（酰胺II，N–H弯曲和C–N伸缩振动）；1448厘米?1处的信号（–COOH基团）；以及1234厘米?1处的C–O伸缩峰。使用IR染色机提取的染料染色的样品3则展现出更强、更明显的吸收峰，特别是在与–OH、–NH和C=O官能团相关的区域，表明染料与纤维的相互作用更强。样品3中的C=O/N–H伸缩振动在1699–1650厘米?1范围内明显强于样品1和2，这与已发表的数据一致，即在这些区域样品3的染色条件下峰强度最高。同样，1220厘米?1处的C–O/C–N振动在样品3中也最为明显，而在其他样品中则较弱且较为宽泛。根据这些光谱特征，使用IR染色机（80°C，60分钟）和IR染色机提取的染料（80°C，45分钟）染色的羊毛纤维显示出最清晰、最强的吸收，表明染料浓度更高，纤维结合更强。

图2展示了红外加热温度对使用IR提取的染料染色的羊毛和棉织物颜色强度（K/S）的影响。数据显示，棉织物的K/S值介于2到3之间，而羊毛的K/S值显著更高，介于6到10之间。最佳IR染色温度确定为80°C。

图3显示了IR处理时间对染色样品K/S值的影响。随着加热时间从15分钟增加到60分钟，两种织物的颜色强度都有所提高，其中羊毛的改善更为明显。结果表明，60分钟的IR加热能在两种织物上都产生最高的颜色强度。

表3总结了使用IR方法（80°C，60分钟）与传统方法（100°C，60分钟）在不同pH值（4–10）下染色的羊毛和棉织物的K/S值。由于染浴pH值对染色效果至关重要，实验在pH 4、6、8和10下进行，以评估两种基材上的颜色强度。如表3所示，羊毛和棉织物在pH 4时达到最大颜色强度。

表4比较了使用传统提取染料（空白）与使用红外（IR）加热染色的天然织物的耐久性能。IR染色的样品在80°C下使用IR设备中的染料（80°C，45分钟）处理60分钟。

石榴皮富含具有抗菌特性的生物活性酚类化合物，这些化合物通过多种机制发挥抗菌作用，包括破坏微生物细胞壁和膜、抑制关键酶以及干扰核酸合成。这些植物化学物质对革兰氏阳性（金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性（大肠杆菌）细菌以及某些真菌有效，这主要归因于其中含有大量可水解的单宁，这些单宁能沉淀微生物蛋白质并抑制其代谢活性。表5展示了染色织物的抗菌活性。

使用从石榴皮中提取的染料染色的羊毛和棉织物对革兰氏阳性（金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性（大肠杆菌）菌株的细菌减少率均超过90%，明显优于使用传统提取色素染色的织物。表6中的双向方差分析（ANOVA）显示，对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌而言，材料、处理及其交互作用的主效应均具有统计学意义（P < 0.001）。其中，“处理”因素解释了两种菌株总变异的最大比例。

讨论指出，从植物材料中提取天然染料的效率通常较低，每千克原材料通常只能获得几克活性成分。因此，标准化和优化提取过程具有经济上的重要性，因为它直接影响生产成本和规模化的可行性。微波辅助提取被认为是一种清洁、节能的技术，与传统方法相比，能提供更高的产量和更短的 processing 时间。虽然红外（IR）辐射在合成纤维染色方面应用广泛，但本研究是首次探索其作为无溶剂提取技术用于从石榴皮中提取天然染料的应用，为传统加热和微波方法提供了有前景的替代方案。在IR系统中优化了提取参数（温度和时间），以最大化颜色产量同时最小化热敏抗菌化合物的热降解。

在纺织加工中采用IR加热相比传统方法具有多重优势，包括更低的能耗、减少的环境影响、成本效益、操作简便性以及更短的 processing 周期。红外辐射由介于微波和可见光之间的电磁波组成。当与基底相互作用时，IR能量被染料分子和纤维直接吸收，产生局部热能，增强分子激发、渗透和固定，最终提高颜色产量。另一方面，石榴皮富含鞣花酸、没食子酸和黄酮类等生物活性酚类化合物，这些化合物通过多种机制表现出强大的抗菌性能。因此，通过IR加热结合石榴皮中的化合物不仅赋予织物颜色，还赋予了持久的功能性。与传统水煮法相比，红外（IR）加热产生的酚类化合物浓度显著更高，如HPLC分析（表2）所示。与水煮法缓慢的导热和对流热传递不同，IR辐射产生局部热梯度，有效断裂酚类化合物与多糖或蛋白质之间的共价键。这归因于O–H和C–O偶极子的选择性激发，降低了酚类化合物水解所需的活化能。

FTIR分析显示，IR染色的羊毛（样品3）中OH伸缩带的蓝移至约3270厘米?1，表明氢键更强，反映了染料在纤维基质中的更深层渗透和抗菌化合物的牢固固定，从而实现更持久的抗菌效果。表4显示，IR提取物和染色羊毛及棉织物的耐久性能得到提升，这可能是由于鉴定出的天然色素与高效生物媒染剂之间的协同作用。主要色素如鞣花酸和花青素在IR提取物中的含量远高于传统水煮法，为织物提供了黄色至棕色的基本色素。同时，酚酸（特别是没食子酸和绿原酸）的显著增加起到了内置生物媒染剂的作用。这些化合物含有多个羟基和羧基，有助于螯合作用和氢键形成，有效地将染料分子固定在羊毛的角蛋白结构或棉的纤维素上。辅助多酚如迷迭香酸和没食子酸的存在进一步稳定了这些键，导致IR处理样品的颜色强度（K/S）更高，耐久性评级为“良好到优秀”。

现有研究表明，使用IR提取的石榴皮染料染色的羊毛和棉织物对革兰氏阳性（金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性（大肠杆菌）菌株的细菌减少率均超过90%，明显优于使用传统提取色素染色的织物。表6中的双向方差分析（ANOVA）结果表明，对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌而言，材料、处理及其交互作用的主效应均具有统计学意义。这种生物活性源自可水解单宁和酚酸的保留，而这些成分通常会因高温水煮法而丢失。通过将提取和染色过程整合到一个高效能的红外平台上，这种方法消除了化学溶剂的使用，并最大限度地减少了材料降解，从而实现了一种生产多功能、可持续纺织品的高效方法。这些发现为未来的研究奠定了坚实的基础。进一步的研究可以探索更多种类的天然色素，并利用红外染色系统评估不同的媒染技术（预媒染、后媒染等）的效果，以获得更高品质和更多功能的纺织品。