沒食子酸對胡桃醌染色性能影響范文

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摘要：為探索沒食子酸對胡桃醌的媒染機理，本實驗通過比較在沒食子酸存在的條件下，胡桃醌在頭發上的染色效果和吸附性能，并利用量子化學計算沒食子酸對胡桃醌和頭發之間相互作用能的影響。結果表明，沒食子酸可以使胡桃醌染出的發色更加鮮亮并且擁有更強的色牢度；同時沒食子酸還可以改變胡桃醌的吸附行為，增加胡桃醌的吸附總量；在分子水平上，沒食子酸可以充當橋梁鏈接頭發角蛋白和胡桃醌，使得整體具備的能量更低，所形成的氫鍵更加穩定。說明沒食子酸可以充當媒染劑增強胡桃醌的染色性能，本研究為天然媒染劑的選取提供了理論基礎。

關鍵詞：沒食子酸；胡桃醌；色牢度；吸附；媒染

植物色素作為天然染發劑，因其綠色、環保和健康而受到廣泛關注[1]。此外，一些植物色素還有抗氧化，抗紫外線[2]，免疫調節[3]等功能。但是植物染發劑最大的發展瓶頸是其相比氧化型染發劑較差的染色效果和色牢度。盡管金屬媒染劑能夠增強其色牢度[4]，但是大量的使用還是存在一定的污染[5]。植物提取物作為天然媒染劑，因其對人類使用的安全性[6]，成為發展的趨勢。胡桃醌，即5-羥基-1,4-萘醌，是從核桃青皮中提取的天然色素，可以使染發效果從淺黃色變為深棕色[7]。在中國，每年有數百萬噸的核桃青皮被投放到環境中，造成巨大的浪費和嚴重的污染。然而，它也可以是天然色素的可再生來源。在我們團隊之前的研究中[8]，發現用于染發的胡桃青皮提取物比純胡桃醌具有更深的顏色和更可靠的色牢度，這有望使我們找到一種天然的媒染劑來代替金屬媒染劑。沒食子酸是一種存在于核桃皮中的多酚[9]，具有優異的抗菌作用和抗氧化作用。天然媒染的特性歸因于苯環上的三個羥基和一個羧基，這可以為頭發角蛋白和色素分子之間的相互作用提供大量活性位點[10]。由于沒食子酸只有一個苯環，其分子體積十分的小，可以很容易地通過毛鱗片進入頭發內部。本文研究沒食子酸對胡桃醌染發性能的影響，并通過吸附實驗和計算模擬驗證，來探討沒食子酸的媒染機理，旨在對天然媒染劑的開發提供理論基礎。

1.儀器與試劑

試劑：胡桃醌標準品（購自阿拉丁化學試劑上海有限公司）；其它分析純級試劑如無水乙醇，二氯甲烷，沒食子酸和色譜甲醇（購自中國國藥集團化學試劑有限公司）；白色頭發（來自日本BeaulaxCo.,Ltd日本公司）。儀器：Color-Eye7000A型電腦測色配色儀（美國X-rite愛色麗有限公司）；1525μ型高效液相色譜儀（美國沃特世公司）；SHA-C型水浴恒溫振蕩器（常州翔天實驗儀器廠）。

2.實驗方法

2.1染發方法通過將胡桃醌和沒食子酸溶解在乙醇和水的混合溶液中來制備不同濃度（0.05％，0.1％和0.2％）的染料溶液。將白頭發切成4~5cm長，稱取0.5g浸入10mL新制備的液體中，在313K下靜置30min進行染色。進一步的12h染色實驗是為了更好地獲得紅棕色頭發。取出染后的頭發，加入到裝有100mL蒸餾水的錐形瓶中，置于振蕩搖床中在313K的溫度下洗滌10min，然后在室溫下晾干。在這里，即使胡桃醌的含量高于其溶解度，過量的懸浮液也可以補充溶液中被頭發吸附掉的胡桃醌，因此我們仍然認為它是一種有效的濃度[11]。為了消除頭發的影響，每組染色實驗平行進行5次，顏色數據取平均值。

2.2洗滌方法預先制備5%（W/V）的海飛絲水溶液，取25mL到錐形瓶中，置于313K的恒溫搖床中預熱10min，搖床振蕩頻率為2Hz。將染后頭發完全浸沒到洗發水溶液中，恒溫振蕩10min，取出，再將頭發樣品在313K下用100mL去離子水進一步洗滌10min，然后在室溫下干燥，用于檢測洗滌后的顏色特征值。為了消除頭發的影響，每組洗滌實驗平行進行5次，顏色數據取平均值。

2.3顏色測量通過使用GretagmacbethColorEye7000A測色配色儀（USA），測量頭發的顏色強度（K/S），并通過測量顏色特征值L*，a*，b*，c*來表征染發前后的顏色值。L*的值用于表示頭發顏色的亮度，100表示純白色，0表示純黑色。a*的值表示綠色和紅色之間的顏色指數，b*的值表示黃色和藍色之間的顏色指數，c*的值表示顏色的飽和度，較大的c*值表示頭發顏色較為飽滿。每個樣品用測色配色系統測量5次，取平均值以便減少誤差。色差（ΔE）通過以下公式計算：2221/2Δ=(Δ+Δ+Δ)(1)***ELab

2.4高效液相色譜法HPLC建立高效液相色譜法（HPLC），用于測定溶液中胡桃醌濃度[2]。所有分離液在308K下均勻分散，流動相由HPLC甲醇和超純水組成（HPLC甲醇/超純水：7/3）流速保持在1mL/min，進樣體積為20μL。通過設置在249.2nm的紫外吸收檢測器檢測從碳柱洗脫的胡桃醌，記錄下不同濃度胡桃醌的吸收峰面積。建立胡桃醌濃度和出峰面積的標準曲線如圖1所示，用于計算樣品中胡桃醌的準確濃度。胡桃醌溶液的峰面積-濃度的擬合方程式為：y=74571x+32068，R2=0.9994，x表示溶液濃度（mg/L），y表示峰面積（mV•s）。

2.5等溫吸附時間曲線胡桃醌是難溶于水的一種天然植物染料[7]，在吸附研究中，要精確測量出溶液中胡桃醌的含量。因此在制備胡桃醌染液時，先滴加少量二氯甲烷溶解，再加入適量的無水乙醇和水，超聲進行溶解，定容，將制備出的胡桃醌溶液過濾后進行使用。由于二氯甲烷不溶于水且沸點較低，在超聲的過程中會揮發完全。向錐形瓶中加入75mL過濾后的胡桃醌染液，在預定溫度（303、313、323、333K）的恒溫搖床浴下預熱10min，加入0.5g同一批次處理的白頭發進行染色。為了的到最佳的染色工藝和天然染料的染色性能，染料溶液與頭發的比例（皂比）為150:1[12]。染色過程中，在不同的時間，從染液中取0.5mL溶液到進樣瓶中，利用HPLC檢測器在249.2nm下檢測出胡桃醌的出峰面積。根據胡桃醌的標準曲線，計算出溶液濃度，再由下列公式計算出染料的吸附量：式中Qt代表吸附量，mg/g；V代表胡桃醌染液的體積，L；m為頭發的質量，g；C0代表胡桃醌染液的初始濃度，mg/L；Ct代表胡桃醌染液的t時間的濃度，mg/L。通過上述方法制備胡桃醌和沒食子酸的混合溶液，沒食子酸與胡桃醌的摩爾比為2：1，進而進行混合溶液的吸附動力學研究。所有動力學實驗均在原始的pH溶液中進行，酸、堿或緩沖溶液未加入到染液中[13]，這里是因為胡桃醌是在酸性條件下染色，并且酸性pH值的變化對胡桃醌的染色影響不大[11]。每組進行5次平行實驗，取平均值以減少誤差。

2.6等溫吸附濃度曲線將不同濃度的胡桃醌染液移至錐形瓶中，在預定溫度（303，313，323K和333K）的恒溫搖床浴下進行預熱10min，加入0.5g同一批次處理的白頭發，直至達到平衡時間。利用高效液相色譜及公式2計算出平衡條件下的吸附量，從而得到不同溫度的吸附等溫線。加入沒食子酸的對照實驗步驟參考上述。每組進行5次平行實驗，取平均值以減少誤差。

2.7計算化學頭發中80%質量以上的成分屬于角蛋白，其是一種有著十分復雜結構的大分子，由數百個氨基酸按照一定的順序排列，因此直接計算頭發角蛋白和色素分子之間的相互作用目前未見報道。為了簡化計算，綜合其它研究成果，發現頭發角蛋白主要含有兩種基本的氨基酸重復單元[14,15]，分別記錄為五肽單元A（C-C-X-P-X）和B（C-C-X-S/T-S/T）。這里C表示半胱氨酸（Cys），P是脯氨酸（Pro），S是絲氨酸（Ser），T是蘇氨酸（Thr），X代表形成角蛋白的任何氨基酸，頭發中甘氨酸（Gly），谷氨酸（Glu）和精氨酸（Arg）的含量較為豐富。將頭發中的幾種氨基酸組合成一式兩份的單位A和B，得到以下二十一種頭發五肽模型：A-1-1（Cys-Cys-Arg-Pro-Arg）;A-1-2（Cys-Cys-Arg-Pro-Glu）;A-1-3（Cys-Cys-Arg-Pro-Gly）;A-2-1（Cys-Cys-Glu-Pro-Arg）;A-2-2（Cys-Cys-Glu-Pro-Glu）;A-2-3（Cys-Cys-Glu-Pro-Gly）;A-3-1（Cys-Cys-Gly-Pro-Arg）;A-3-2（Cys-Cys-Gly-Pro-Gly）;A-3-3（Cys-Cys-Gly-Pro-Gly）;B-1-1（Cys-Cys-Arg-Ser-Ser）;B-1-2（Cys-Cys-Arg-Ser-Thr）;A-1-3（Cys-Cys-Arg-Thr-Thr）;B-1-4（Cys-Cys-Arg-Thr-Ser）;B-2-1（Cys-Cys-Glu-Ser-Thr）;A-2-2（Cys-Cys-Glu-Ser-Ser）;B-2-3（Cys-Cys-Glu-Thr-Thr）;B-2-4（Cys-Cys-Glu-Thr-Ser）;A-3-1（Cys-Cys-Gly-Ser-Ser）;B-3-2（Cys-Cys-Gly-Ser-Thr）;B-3-3（Cys-Cys-Gly-Thr-Thr）;A-3-4（Cys-Cys-Gly-Thr-Ser）;通過GaussianView軟件構建總共21個五肽模型，用來模擬頭發內部結構。再構建胡桃醌和沒食子酸模型，通過Gaussian03程序在分子水平上探討了胡桃醌，沒食子酸和頭發之間的相互作用[16]。分子間相互作用能（ΔE）定義為系統中分子的總能量與組成系統的每個分子片段之間的能量差。它可用于測量兩個分子片段之間相互作用的大小，ΔE計算如下：其中，EAB代表系統的總能量，EA和EB分別代表胡桃醌和頭發五肽模型的能量。在實際的計算過程中，由于頭發與胡桃醌分子計算時使用的基函數不同，因此計算的結合能會有輕微的誤差，為了獲得更準確的結果，需要對ΔE進行重疊誤差（BSSE）和零點能量（ZPE）的校正。公式如下：在ΔEBSSE+ZPE表示校正能量的情況下，ΔEBSSE表示BSSE校正能量，ΔEZPE表示ZPE校正能量。

3結果與討論

3.1頭發的染色性能研究為了促進植物色素在頭發上著色，一般需要提高溫度，但是作為在人頭上進行的染發過程，頭發不能在313K以上染色[17]，因此選用313K作為染發溫度。不同染液濃度和不同染發時間的染后樣品數據列于表1，由于用胡桃醌染發后，顏色強度值在420nm處最大，因此K/S在該波長下取值。所有染色樣品的顏色變化（ΔE）都非常大，這表明胡桃醌能夠有效改變白頭發的顏色，染色0.5h的頭發為黃棕色，染色12h的頭發接近紅棕色或接近黑色。一般而言L*≥60可以認為該顏色為白色，L*≤15則可以認為顏色為黑色。從L*值可以看出，12h的染發時間，沒食子酸可以將頭發媒染出黑色效果，并隨著染料濃度的增加效果更好。C*值代表顏色的飽和度，在0.5h的染色結果中，加沒食子酸的對照組擁有更小的C*，這說明頭發顏色更鮮亮。

3.2洗滌對染后頭發顏色的影響大多數天然染料在初步染色后顏色都非常好，但是經過一次或者多次洗滌后，就會出現嚴重褪色，這是因為其與頭發角蛋白之間的相互作用太弱，不能很好的保留在頭發內部。表2是染后頭發經過15次洗滌后所測得的顏色數據。未染的白頭發用Naturehair表示，JS-1表示在1‰濃度胡桃醌染液中浸染0.5h所得的樣本，MS-1表示在1‰胡桃醌和沒食子酸混合染液中浸染0.5h所得的樣本。從表中可以看出，單純胡桃醌染液所染出的頭發樣品經過一次洗滌后就已經有了較大的顏色差異，L*增大較為明顯。L*的變大說明了頭發顏色向淺色變化，同時也表示胡桃醌色牢度差，不能很好的吸附在頭發上。而加入沒食子酸浸染出的頭發樣本，經過15次的洗滌后顏色變化值（ΔE）依舊很小，L*值也沒有明顯的變化，證明胡桃醌分子沒有從頭發中解吸出來，沒食子酸起到了很好的媒染效果。空白樣本頭發的顏色特征值在經過15次洗滌后也沒有太大的變化。

3.3吸附時間對胡桃醌吸附性能的影響在染色過程中，頭發對色素分子吸附量的多和少，決定了頭發顏色的深和淺，因此對色素分子吸附行為的研究十分必要。胡桃醌在不同溫度下的時間吸附曲線如圖2所示，JS-303K表示303K下頭發在胡桃醌溶液（JugloneSolution）中的吸附動力學曲線，MS則表示沒食子酸和胡桃醌的混合溶液（MixtureSolution）。可以看出，隨著時間的增加，頭發對胡桃醌的吸附量也在不斷增加。在初始階段，染料的吸附速率特別快，然后隨時間的增加顯著降低，并且吸附行為在12h后趨于平衡。對于任何吸附研究，吸附曲線的行為都是最重要的參數之一。胡桃醌的吸附過程可以分為三個階段。在第一階段，吸附主要發生在頭發的外表面，吸附速率相對較快。第二階段，染料分子滲透到頭發纖維中，因為頭發內部纖維密集，染料擴散阻力隨之變大，所以擴散速率相對較小。隨著時間的推移，胡桃醌在頭發表面上幾乎達到吸附飽和，此時的吸附速率受染料的擴散速率影響，吸附較為平緩。第三階段，頭發內部接近飽和狀態，此時染料主要從外表面緩慢遷地移到頭發內部，最終吸附達到平衡。另一方面，溫度的不同也會導致吸附行為發生改變，在這里高溫導致頭發對胡桃醌的吸附量增加。這既是由于分子運動在較高溫度下更加強烈，又是由于高溫促進頭發表面的鱗片打開，這兩種情況都可以增加染料進入頭發內表面的機會，從而增加胡桃醌的平衡吸附量。在圖2a中，313K和323K的吸附曲線顯著不同，主要表現在吸附初期，313K下的吸附量大于323K時的吸附量。這是由于頭發在對胡桃醌分子吸附的同時，會有部分水分子與頭發角蛋白之間形成氫鍵，取代了胡桃醌與角蛋白之間的氫鍵，從而使得胡桃醌發生解吸行為。溫度從313K增加到323K，導致胡桃醌解吸速率大大增加，從而導致在323K時整體吸附率降低。又因為323K下毛鱗片舒張得更開，分子運動更加激烈，所以最終的平衡吸附量明顯大于313K下的平衡吸附量[18]。在圖2b中，沒食子酸的加入使得頭發在313K和323K下的吸附情況有別與胡桃醌溶液。可以看出隨著溫度的增加，胡桃醌的吸附速率和平衡吸附量都在增加。這是因為沒食子酸破壞了頭發角蛋白與胡桃醌原來的相互作用方式，使得胡桃醌的解吸速率沒有過快增長，從而整體的吸附速率隨溫度的升高而變大。

3.4濃度對胡桃醌吸附性能的影響從圖3可以看出，添加沒食子酸和不添加沒食子酸的等溫吸附曲線之間存在著明顯差異（吸附平衡時間規定為12h）。圖3a顯示的是沒有加沒食子酸的吸附等溫線，在較低溫度下，當吸附達到平衡后溶液中依舊殘留著較多的胡桃醌，因此平衡濃度Ce的值較大。這是因為胡桃醌的解吸速率相對較大，而吸附速率隨溶液濃度的下降而減少，當吸附速率與解吸速率相等時，吸附行為就達到了平衡。在較高的溫度下，毛鱗片打開得更加徹底，為胡桃醌提供了更多的吸附活性位點[19,20]，因此胡桃醌的平衡吸附量Qe有所增加。而隨著胡桃醌初始濃度的增加，頭發對胡桃醌的吸附達到飽和，無法提供多余的吸附活性位點，更多的胡桃醌被留在了溶液中，因此平衡濃度逐漸變大。圖3b顯示的是加入沒食子酸后胡桃醌的等溫吸附曲線。從圖中可以看出，頭發對胡桃醌的吸附效果特別好，這是由于沒食子酸改變了胡桃醌與角蛋白之間的成鍵方式，使得胡桃醌不容易發生解吸行為，因此在溶液初始濃度較低的情況下胡桃醌全部吸附到了頭發上，溶液中殘留的胡桃醌濃度Ce接近為0。隨著溶液初始濃度增加，頭發對胡桃醌的吸附幾乎達到飽和，染液中殘留的胡桃醌逐漸增加。因為單純的胡桃醌分子在吸附到頭發角蛋白上時，由于形成的相互作用較弱，所以伴隨著大量的解吸，從而使得染液中胡桃醌始終不能被頭發吸附完全。

3.5計算結果3.5.1胡桃醌-五肽模型根據不同的氨基酸，五肽重復單元A（Cys-Cys-X-Pro-X）排列獲得九種不同的五肽，將胡桃醌-五肽系統以多種方式放置。圖4顯示了胡桃醌與重復單元A-1-1的不同位點之間的相互作用，鍵的類型，鍵長和相互作用能ΔEBSSE+ZPE列于表3中，其他的五肽重復單元也如上所述操作。從表3可以看出，最容易在胡桃醌和五肽之間形成OH•••O鍵，然后是NH•••O鍵。這主要是由于五肽分子含有大量的氨基和羰基，氮和氧原子的強電負性，可以使其與胡桃醌上的羥基和羰基形成作用力較強的氫鍵，使得胡桃醌-五肽模型更穩定。從圖5可以看到，在胡桃醌-A系統中，含有更多谷氨酸的A-2-2的平均相互作用最大，最小的是含有更多精氨酸的A-1-1。谷氨酸的側鏈是–（CH2）3-COOH，由于其高氧原子，胡桃醌和五肽之間的相互作用很強，所得系統更加穩定。精氨酸的側鏈是含有氮原子的–（CH2）3-NH-C（NH2）=NH，由于其側鏈長，與其他氨基酸組合形成五肽分子后，會產生一定的空間位阻，與胡桃醌的相互作用相對較弱。胡桃醌-B十二種模型的平均相互作用能最大值是B-3-3的，最小的是B-1-4。3.5.2胡桃醌-沒食子酸-五肽模型為了進行比較，選擇具有最小相互作用能的胡桃醌-五肽模型A-1-1和B-1-4，它們的平均能量分別為-80,875kJ/mol和-70.744kJ/mol。添加沒食子酸重建胡桃醌-沒食子酸-五肽模型，結構的構型如圖6所示。從圖7中可以看出，加入沒食子酸后的相互作用顯示出明顯的優越性，在A-1-1和B-1-4模型中，其平均ΔEBSSE+ZPE為-333.324kJ/mol和-291.112kJ/mol，是沒加沒食子酸的4倍。這很好地說明了加入沒食子酸使胡桃醌分子更牢固地與五肽模型結合。

3.6染色機理探究圖8顯示了沒食子酸對胡桃醌在頭發上的媒染機理圖。隨著沒食子酸的加入，胡桃醌與角蛋白之間的成鍵方式改變，沒食子酸上存在的羥基和羧基可以同時與胡桃醌以及沒食子酸形成更加穩定的氫鍵，在兩者中間起到了一個嫁接媒染的作用[4]。后來形成的氫鍵具有更低的化學能，從而使得整個體系更加得穩定，也因此胡桃醌分子更不容易被水分子取生解吸。這就解釋了在洗滌脫色實驗中，沒食子酸能夠使得染后頭發具備了更強的色牢度。因為沒食子酸在胡桃醌與角蛋白之間的連接作用能夠有效地阻止胡桃醌發生解吸，所以在低初始濃度下，胡桃醌分子全部吸附到了頭發角蛋白上，使得溶液的平衡濃度Ce幾乎為0。同時溫度對染料的吸附也有巨大影響，高溫有助于毛鱗片打開得更徹底，因此染料分子可以進一步滲透到頭發內部，導致吸附量變大。但是同溫度下，加入沒食子酸后胡桃醌的吸附量依舊比不加沒食子酸的要偏大一點，這也是歸功于沒食子酸的嫁接媒染作用，其使得胡桃醌分子不易從頭發上分離。

4結論

本文研究了沒食子酸對天然植物染料胡桃醌染色的影響，對其染色性能和吸附行為進行研究。在染后頭發洗滌的實驗中，沒食子酸起到了很好的媒染效果，極大的增強了其染后頭發顏色的色牢度，對于胡桃醌來說，其是一種有效的天然媒染劑。在吸附研究中，發現沒食子酸的加入可以使得溶液中更多的胡桃醌被吸附在頭發上，提高了胡桃醌的飽和吸附量，并且降低了胡桃醌的解吸率。量子化學計算結果表明，沒食子酸在角蛋白和胡桃醌之間起到了媒染的作用，可以使整個體系的化學能變的更低，因此具備更加穩定的性質，從而減小胡桃醌的解吸概率。結合量子化學計算和實驗結果提出了沒食子酸的媒染機理，認為沒食子酸在染色過程中充當鏈接作用，其效果和金屬媒染劑一樣，能同時與染料和頭發形成化學鍵，增強了染料的色牢度。該研究為尋找有效的天然媒染劑奠定了一定的理論基礎。

作者：王建國 朱正 蒙龍偉 岐冰 龐子寧 于白陽 陳聲泰 高海燕 單位：江南大學化學與材料工程學院