咖啡壳色素的提取及其对蚕丝织物的染色性能.pdf

现代丝绸科学与技术2023年（第38 卷）第1期咖啡壳色素的提取及其对蚕丝织物的染色性能黄晓佳1，郭建峰,王祥荣1,3（1.苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州2 150 2 1；2.苏州市纤维检验院，江苏苏州2 1512 8；3.苏州大学纺织行业天然染料重点实验室，江苏苏州2 1512 3)摘要：为了探索咖啡副产物提取天然色素用于纺织品染色的可行性，以咖啡壳为原料，研究咖啡壳色素的提取工艺以及其对蚕丝织物的染色性能。结果表明：咖啡壳色素碱浸渍提取的优化工艺为碱质量浓度10 g/L、提取温度95、时间4 0 min；提取色素对蚕丝织物直接染色优化工艺为染液pH值为3、染色温度90、时间7 0 min；铁离子和铝离子媒染处理有利于提高染色织物的得色量和色牢度，硫酸亚铁媒染能使蚕丝织物耐光照色牢度提高1级。关键词：咖啡壳色素；提取；蚕丝；染色中国是世界咖啡豆的重要产区，目前全国咖啡豆总产量约15万吨1。咖啡壳是咖啡生产过程中的主要副产物，近年来，我国云南省等地方大规模种植咖啡，咖啡产量较高，咖啡壳的数量也非常大 2 ，但有关咖啡壳的利用研究较少。咖啡加工废弃物含有丰富的蛋白质、总糖、膳食纤维等营养成分及多酚类等抗氧化成分，在制酒、动物饲料、医药、化工等领域已有一定的应用，但总体来说还没有得到充分的应用，利用率较低造成了资源浪费以及环境污染等问题，可见，咖啡豆的综合利用问题仍有待解决 3-4 。天然染料是从天然动植物中提取的可用于纺织品染色加工的色素，因其具有生态环保、可降解、污染小等多种优势 5，是目前很受欢迎的研究对象。随着人们绿色环保和可持续发展意识的提高，人们热衷于研究从农业废弃资源中提取植物色素用于纺织品的染色，提高纺织品加工技术的生态性，克服了直接采用植物果实、枝干等有用资源提取天然染料色素所造成的对植物资源的过度消耗问题。本文主要研究了咖啡壳色素的碱浸渍提取工艺以及提取的咖啡壳色素对蚕丝针织物染色的工艺条件，以期为咖啡副产物资源作为纺织品染色用天然基金项目：江苏省市场监督管理局科技计划项目（KJ2022082）色素再利用提供理论依据。1实验1.1实验材料和仪器实验材料：蚕丝针织物（10 5g/m，鑫缘茧丝绸集团股份有限公司），咖啡壳（贵州青山生物科技有限公司，经粉碎），氢氧化钠、十八水合硫酸铝、七水合硫酸亚铁、冰醋酸、无水硫酸钠（以上均为分析纯），木质素磺酸钠（工业品，分子量30 0 0 7 0 0 0，安阳市双环助剂有限责任公司）、平平加O（工业品，江苏四新界面剂科技有限公司）、皂片（标准品，上海纺织工业技术监督所）。实验仪器：IR-12SM红外染样机（无锡阳博印染机械设备有限公司），TU-1900型紫外可见分光光度计（北京普析通用有限公司），UltraScanXE型分光测色仪（美国HunterLab公司），SW-12A型水洗色牢度实验机（宁波纺织仪器厂），Y（B)90 2 型汗渍色牢度烘箱（温州市大荣纺织仪器有限公司），XW-ZDR-25X12型低噪振荡染样机（靖江市新旺染整设备厂）。22023年（第38 卷）第1期现代丝绸科学与技术1.2实验方法1.2.1咖啡壳色素的提取称取经粉碎的咖啡壳细粉5g，按物料比1：2 0加到指定质量浓度的氢氧化钠溶液中，置于低噪振荡染样机中，在指定温度下提取一定时间，抽滤，滤液定容至50 0 mL，作为色素母液，待用。采用单因素试验法，探究碱质量浓度、提取温度和时间对提取效果的影响。1.2.2咖啡壳色素对蚕丝织物的染色取一定量1.2.1提取最优工艺得到的色素母液于染杯中，按照浴比1：4 0 配制染液，用醋酸溶液调节染液pH值至指定值，将染杯置于红外染样机中加热，4 0 投人蚕丝针织物，按照2/min的速度升温到实验规定温度，恒温染色至设定时间，染色结束后，以5/min的速度降温至4 0,取出。采用单因素试验法，探究染液pH值、染色温度、时间、添加剂以及色素用量对染色效果的影响。1.2.3媒染按照浴比1：4 0,硫酸铝和硫酸亚铁用量4%omf配制媒染液，升温至6 0，将蚕丝织物放人媒染浴中,恒温媒染4 0 min,取出。1.2.4洗涤经染色或媒染的织物按以下方式进行洗涤：按照浴比1：4 0，中性皂片2 g/L配制洗涤液，在80下皂洗2 0 min；然后按照浴比1：4 0 在8 0 热水中洗涤2 0 min；再用冷水冲洗，脱水，晾干。1.3测试方法1.3.1提取液吸光度的测试取一定量1.2.1中的提取液母液，根据溶液的浓淡，稀释一定倍数后使用TU-1900型紫外可见分光光度计测定色素溶液的吸光度，光谱扫描范围为400800nm。1.3.2K/S值及颜色特征值测试将染色织物折叠成4 层，在UltraScanHunterLab测色仪上测试K/S值，采用D65光源，10 视场，测试4 次，取平均值。1.3.3匀染性测试和计算在染色织物上任取2 0 个点分别用分光测色仪测试其表观色深K/S值，按照式（1）计算其平均值，按照式（2)计算其平均值的标准偏差。标准偏差越小，则织物的匀染性越好 6之(K/S)1K/S=-(1)n=1(K/S)inK/SS,(入)=1(2)n-1式中：K为试样的吸光系数；S为试样的散射系数；K/S为试样K/S值的平均值；S,（a）为试样K/S值平均值的标准偏差。1.3.4织物色牢度测试(1)耐光色牢度：参照GB/T8427-2019纺织品色牢度试验耐人造光色牢度：氙弧在日晒牢度仪上测定。（2)耐汗渍色牢度：参照GB/T3922一2 0 13纺织品色牢度试验耐汗渍色牢度在汗渍牢度仪上测定。（3)耐皂洗色牢度：参照GB/T3921一2 0 0 8 纺织品色牢度试验耐皂洗色牢度中方法A（1)在水洗色牢度试验机上测定。2结果与讨论2.1咖啡壳色素提取工艺优化2.1.1咖啡壳色素的吸收光谱在碱质量浓度10 g/L、提取温度95、时间40min工艺条件下，进行提取得到色素母液，稀释25倍，在紫外可见分光光度计上测试提取液的吸光度，结果见图1。2.52.01.51.00.50.0400500600700800波长/nm图1咖啡壳色素提取液的光谱曲线由图1可知，咖啡壳色素提取液在4 0 0 800nm的可见光范围内有吸收，但没有明显的特征吸收峰，在低波长处吸收较强，随着波长的增大，吸收强度下降，溶液呈现棕色。为了研究各工艺因素对提取效果的影响，选择4 0 0 nm处的吸光度作为提取效率的评价指标。2.1.2氢氧化钠质量浓度对色素提取效果的影响按照1.2.1的方法，固定提取温度95、提取时间4 0 min，以4 0 0 nm处的吸光度值为评价指标，3现代丝绸科学与技术2023年（第38 卷）第1期研究氢氧化钠质量浓度对提取效果的影响，结果如图2 所示。2.52.01.51.00.50.005101520氢氧化钠质量浓度/g/L）图2氢氧化钠质量浓度对提取效果的影响由图2 可知，色素溶液吸光度随着氢氧化钠质量浓度的升高而升高，这主要是由于咖啡壳中含有大量的酚酸类化合物，如咖啡酸、儿茶素和表儿茶素等 7，这些成分在碱性条件下可以转变为酚钠盐和羧酸盐，易溶于水，有利于提取。当氢氧化钠质量浓度到达10 g/L后，色素溶液吸光度变化趋于平缓，故选择提取咖啡壳色素的氢氧化钠质量浓度为10 g/L。2.1.3温度对碱浸渍提取的影响按照1.2.1的方法，固定碱质量浓度10 g/L、提取时间4 0 min，以4 0 0 nm处的吸光度值为评价指标，探讨温度对浸渍提取效果的影响，结果如图3所示。2.52.01.51.00.50.0255075100温度/图3提取温度对浸渍提取效果的影响由图3可知，随着提取温度的不断升高，吸光度不断增大，95时达到最大，这是由于温度升高，分子热运动加剧，有利于提取液通过原材料细胞壁渗人细胞内，溶解可溶性色素成分，提高色素溶出速率 8 。考虑到提取设备和条件的问题，超过10 0 以上的情况未做试验，故选定提取温度为95。2.1.4时间对碱浸渍提取的影响按照1.2.1的方法，固定提取温度95、碱质量浓度10 g/L，以4 0 0 nm处的吸光度值为评价指标，探讨提取时间对浸渍提取效果的影响，结果如图4 所示。2.52.01.51.00.50.02030405060时间/min图4提取时间对浸渍提取效果的影响由图4 可知，提取初期，随着提取时间的延长，提取液吸光度不断增大，说明提取效率增加，但当提取时间超过4 0 min时，再延长提取时间，吸光度反而有所下降，这可能是由于高温长时间作用下色素稳定性差，会有部分色素分解。因此选取提取时间为4 0 min。综上，碱性条件下咖啡壳色素提取的优化条件为：碱质量浓度10 g/L、温度95、时间4 0 min。以此条件下提取的咖啡壳色素定容至50 0 mL作为母液，对蚕丝织物进行染色性能试验。2.2咖啡壳色素对蚕丝的染色性能2.2.1染液pH值对染色性能的影响根据工艺1.2.2，固定咖啡壳色素用量为12 mL、染色温度95、时间4 0 min，测试染液pH值对蚕丝针织物染色性能的影响，如图5所示。1.5一pH值=2pH值=3一pH值=4-B一pH值=51.0￥一pH值=6斯S/Y0.50.0400500600700800波长/nm图5不同染液pH值时染色蚕丝针织物的K/S值曲线从图5可以看出，在测定的可见光波长范围内，不同pH值下染色织物所对应的K/S值曲线变化4现代丝绸科学与技术2023年（第38 卷）第1期趋势基本一致，但得色量有较大的不同 8 。选取最大吸收波长4 0 0 nm处染色织物的K/S值，pH值对染色织物K/S值的影响如图6 所示。1.51.0S/Y0.50.023456pH值图6染液pH值对咖啡壳色素上染蚕丝针织物的影响由图6 可知，当染液pH值为3时，咖啡壳色素染色蚕丝针织物获得最大的K/S值。染液pH值大于3后，咖啡壳色素染色蚕丝针织物的K/S值随着pH值的增大而下降。这是由于蚕丝织物具有两性性质，在等电点以下带有正电荷，具有弱负电性的咖啡壳色素被蚕丝纤维上带正电荷的氨基吸引，通过静电引力作用而上染。随着pH值的增加，蚕丝纤维上氨基不易电离，所带的正电荷减弱，静电引力下降，咖啡壳色素与纤维结合量减少，则K/S值下降 10 。染液pH值为2 时，蚕丝织物得色量较低可能与咖啡壳色素在酸性条件下的稳定性有关 9。因此，选择咖啡壳色素染色蚕丝织物的pH值为3。2.2.2染色温度对染色性能的影响根据工艺1.2.2，固定咖啡壳色素用量为12 mL、pH值为3、染色时间4 0 min，研究不同温度下咖啡壳色素对蚕丝织物的染色性能，染色织物在大吸收波长处的K/S值如图7 所示。1.5A1.0S/Y0.50.060708090100温度/图7温度对咖啡壳色素上染蚕丝针织物的影响从图7 可看出，随着染色温度的升高，咖啡壳色素上染蚕丝织物的K/S值增大。这是由于染色温度升高，分子热运动增加，染料分子的溶解性提高，同时纤维发生膨胀，使得色素分子更容易扩散进入蚕丝纤维内部而上染，最终织物的表观得色量K/S值增大 7。其中，当温度为90 时，染色蚕丝织物的K/S值最大；温度超过90 后，蚕丝织物的K/S值不再增加。因此，选择染色温度为90 较为合适。2.2.3染色时间对染色性能的影响根据工艺1.2.2，固定咖啡壳色素用量为12 mL，pH值为3，染色温度为90，探讨染色时间对染色性能的影响，染色织物在4 0 0 nm处的K/S值结果如图8 所示。1.51.0/Y0.50.03040506070时间/min图8染色时间对咖啡壳色素上染蚕丝针织物的影响由图8 可知，随着染色时间的延长，织物的K/S值呈增大趋势，但增大的幅度较小。当染色时间为70min时，蚕丝织物的K/S值达到最大，但上升趋势变缓。这是因为时间的延长有利于咖啡壳色素在纤维内部的扩散和吸附，使得更多的染料上染到纤维上 7-10 。因此，确定咖啡壳色素上染蚕丝织物的时间为6 0 7 0 min。综上，咖啡壳色素对蚕丝织物直接染色的优化工艺为染液pH值为3、染色温度90、染色时间70 min。2.3媒染处理对染色织物的影响固定色素用量为12 mL，在上述优化工艺条件下染色。按照1.2.3的方法对蚕丝织物进行媒染，研究媒染剂种类和媒染方法对染色性能的影响，结果如图9所示。从图9中可以看出，在不同媒染条件下咖啡壳色素染蚕丝织物所对应的光谱曲线稍有变化，但最大吸收波长仍为4 0 0 nm。不同媒染条件下染色织物的颜色特征值测试结果见表1。5现代丝绸科学与技术2023年（第38 卷）第1期2.0无媒染剂硫酸铝预媒硫酸铝后媒1.5硫酸亚铁预媒硫酸亚铁后媒斯S/Y1.00.50.0400500600700800波长/nm图9不同媒染条件下咖啡壳色素染色蚕丝织物的K/S值曲线表1媒染处理对染色织物颜色特征值的影响媒染工艺K/S值La6Ch/()未媒染1.2267.044.4812.9613.7170.95硫酸铝预媒染1.2667.346.9313.6215.2963.04硫酸铝后媒染1.2367.637.4514.0615.9162.08硫酸亚铁预媒染1.7361.363.3410.4410.9672.24硫酸亚铁后媒染1.4361.861.998.328.5576.53由表1可知，采用硫酸铝和硫酸亚铁对蚕丝针织物进行预媒染，再用咖啡壳色素进行染色，可以提高染色织物的K/S值；硫酸铝媒染对织物的颜色特征的影响较小，硫酸亚铁预媒染和后媒染后，织物明度下降，鲜艳度下降明显，这是金属离子与色素分子形成配位键的结果 10 2.4添加剂对染色性能的影响根据工艺1.2.2，固定色素用量为12 mL，在优化工艺条件下进行染色，讨论添加一定量硫酸钠、平平加O、木质素磺酸钠对染色性能的影响，结果如表2 所示。表2添加剂对染色性能的影响助剂K/S值标准偏差未添加1.220.03740硫酸钠1.210.01269平平加01.250.011.18木质素磺酸钠1.380.02934从表2 可以看出，3种添加剂的加人使得染色织物的标准偏差降低，有利于提高染色织物的染色均匀性，起到匀染的作用。但硫酸钠的加入不利于得色量的提升，而表面活性剂平平加O、木质素磺酸钠的加人在提升匀染性的同时还有利于得色量的提高，这可能是表面活性促进了色素对纤维内部的渗透和扩散。其中，平平加O对织物的匀染性能提升效果较大 11，在染色过程中可根据需要适当添加。2.5咖啡壳色素对蚕丝织物的提升性按照1.2.3的方法对蚕丝织物进行媒染，选择优化染色工艺条件对蚕丝织物进行染色，添加平平加O2g/L，试验色素用量对未媒染、硫酸铝和硫酸亚铁预媒染织物K/S值的影响，结果如图10 所示。765S/Y432无媒染剂1硫酸铝预媒硫酸亚铁预媒0020406080100120色素用量/mL图10咖啡壳色素用量对染色织物K/S值的影响由图10 可知，随着咖啡壳色素用量的增加，染色蚕丝针织物的K/S值有缓慢增大的趋势，但总体得色量提升性不高。2.6咖啡壳色素染色蚕丝织物的色牢度取咖啡壳色素用量为12 mL，在优化工艺条件下添加平平加O2g/L对蚕丝织物进行染色，按照工艺1.2.3对蚕丝织物进行预媒染或后媒染，试验不同染色条件下染色织物色牢度，结果见表3。表3咖啡壳色素染色蚕丝织物的色牢度日晒耐汗渍牢度/级皂洗牢度/级媒染工艺牢度碱性酸性/级变色丝沾棉沾古变色丝沾棉沾变色丝沾棉沾未媒染334-54-534-54-544-545硫酸铝预媒染33-44-54-544-54-544-545硫酸铝后媒染33-44-54-544-54-54454-5硫酸亚铁预媒染444-54-54-54-54-54-5454-5硫酸亚铁后媒染444-54-54-54-54-544-54-5由表3可知，采用提取的咖啡壳色素染色的蚕丝针织物具有较好的染色牢度，各项牢度都能达到3级及以上，能够满足常规纺织品的服用要求。经过媒染后，染色织物的色牢度进一步提高，特别是硫酸亚铁媒染可提高染色织物的耐光照色牢度1级，这是色素分子与金属离子形成配位键，提升了色素耐光稳定性的结果 12 O（下转第2 5页）上接第5页）+现代丝绸科学与技术2023年（第38 卷）第1期2516付辰.再生设计理念在女装中的应用研究 D.长春：长春工业大学，2 0 2 2.17纪兆伟“绿色”理念下环保面料在现代服饰中的设计应用研究 D.青岛：青岛大学，2 0 17.18运动品牌刮起“环保风”J.中外鞋业，2 0 19（9）：8 8-8 9.19唐颖，刘伦伦，刘妍兵，等.可持续服装的情感化设计 J.服装学报，2 0 2 0,5（6)：50 3-50 6,532.20田孟阳.基于绿色设计理念的服装创新设计研究 D.天津：天津科技大学，2 0 2 0.21J SONG W F,LU Y H,SU W Z,et al.Investigation on the ther-mal insulation regulating performance of a newly developed airinflatable garmentJJ.Journal of Cleaner Production,2021,293(2012):126110.22苏文桢，卢业虎，王方明，等.新型充气夹克的研制与保暖性能评价.纺织学报，2 0 2 0，4 1（5）：14 0-14 5.23彭梦洁，王小雷.浅析“零浪费”服装设计 J.山东纺织经济，2013(6):69-70.24吴燕，徐昕昕，陈金妮，等.基于“零浪费”理念的服装设计技法研究.轻纺工业与技术，2 0 2 1,50（12）：110-112.25何琳，陈李红，丁雪梅.基于跨理论模型的服装可持续消费行为研究J.纺织学报，2 0 2 1，4 2（11）：14 3-150.26 SENER T,BISKIN F,KILINC N.Sustainabledressing:Consumersvalue perceptions towards slow fashion JJ.Business Strategyand theEnvironment,2019,28(8):1548-1557.27刘安.慢时尚：未来纺织服装行业的可持续设计之路 J.艺术科3结论（1)咖啡壳色素浸渍提取的优化工艺条件：碱浓度为10 g/L、提取时间4 0 min、提取温度95。（2)咖啡壳色素对蚕丝织物直接染色的优化工艺条件：染液pH值为3、染色温度90、染色时间70min;添加一定量的硫酸钠、平平加O或木质素磺酸钠可以提高染色均匀性，其中平平加O匀染效果最好；咖啡壳色素染色蚕丝织物的提升性一般。(3)采用提取的咖啡壳色素染色的蚕丝针织物具有较好的染色牢度，各项牢度都能达到3级及以上，采用铁离子和铝离子媒染可以提高染色织物的K/S值而对染色织物的色相角和鲜艳度影响不大；硫酸亚铁媒染能够将染色织物的耐光照色牢度提高到4 级。参考文献：1张佳欣，韩泽邦，吕玉兰，等.咖啡果皮综合利用浅析 J.热带农业科技，2 0 2 3，4 6（2）：56-6 0，8 2.2罗磊，王硕，吕红岩，等.咖啡副产物综合利用技术研究进技，2 0 19,32(11)：4 6,7 4.28度迅.服装设计趋势一可持续性设计 J.纺织报告，2 0 2 1，4 0(8):73-74.29王秀梅，谷杨怡文.时尚可持续发展论纲J.浙江理工大学学报（社会科学版），2 0 2 1，4 6（6）：7 0 2-7 12.3oJ WANG L,SHEN B.A product line analysis for eco-designedfashion products:Evidence from an outdoor sportswear brandJJ.Sustainability,2017,9(7):1-12.31J BAIER D,RAUSCH T M,WAGNER T F.The drivers of sus-tainable apparel and sportswear consumption:A segmentedkano perspectiveJJ.Sustainability,2020,12(7):1-21.32J FLETCHER K.Exploring demand reduction through design,durability and“usership”of fashion clothesJ.PhilosophicalTransactions of the Royal Society a-Mathematical Physical andEngineering Sciences,2017,375(2095):1-13.33许阳阳.基于快时尚品牌探索可持续性的服装设计 D.北京：北京服装学院，2 0 19.34 贾茗惠.绿色理念在当代服装设计中的应用.明日风尚，2 0 17(18):385.35王莹莹.基于可持续发展理念的服装设计方法与应用研究 D.武汉：武汉纺织大学，2 0 2 0.36 HU Z H,LI Q,CHEN X J,et al.Sustainable rent-based closed-loop supply chain for fashion productsJJ.Sustainability,2014,6(10):7063-7088.收稿日期：2 0 2 3-0 7-11展.粮食与油脂，2 0 2 3,36（4）：9-12，17.3杨圆慧，徐柠檬，资璐熙，等.云南小粒咖啡果皮不同溶剂提取物主成分分析及其抗氧化活性研究 J.食品科技，2 0 2 3，4 8(2):230-238,245.4李晓娇，陈志刚，李丽，等.小粒咖啡果皮色素提取及稳定性研究.广州化工，2 0 19，4 7（2 1）：95-98.5王祥荣.天然染料的应用现状及研究进展 J.纺织导报，2 0 2 1(9):24-28.6陆洪波，屠天民，项亚，等.染色工艺全过程匀染性的测评方法J.印染，2 0 16，4 2（4）：1-5.7丁洪，宁一鸣，苏海鸣，等.儿茶色素对真丝织物的染色性能J.印染助剂，2 0 2 1，38（8）：4 6-4 8.8韦汉昌，韦群兰，何建华，等.高压脉冲电场辅助乙醇连续化提取子黄色素工艺条件的研究 J.化工技术与开发，2 0 11，4 0(5):1-3,49.9张聪，孙荣江，范小敏，等.苦树叶色素的提取工艺研究 J.现代丝绸科学与技术，2 0 19,34（1）：5-8.10丁洪，李淼妍，朱周宇，等.核桃色素对真丝织物的染色性能研究 J.现代丝绸科学与技术，2 0 2 1，36（3）：5-8.11黄敏，王祥荣.咖啡渣提取色素对真丝织物的染色性能 J.印染助剂，2 0 2 0,37(7)：4 6-4 9.12张驰，王祥荣.茜草色素在真丝织物上染色性能的研究 J.丝绸，2 0 2 0,57(1):9-13.收稿日期：2 0 2 3-0 7-2 4