Применение экстракта корня лапчатки Рotentilla еrecta в технологии крашения текстильных материалов

DOI:

На сегодняшний день интерес к природным красителям и пигментам, применяемым в текстильной отрасли, продолжает расти. Это подтверждается многочисленными исследованиями в области разработки и применения натуральных красителей из природных источников (Arora, Agarwal & Gupta, 2017; Mijas, G. et al., 2022; Mohammed Sayem et al., 2021; Salauddin, 2021; Samanta, 2020). Потребители стали очень внимательно относиться к проблеме загрязнения окружающей среды, что и обуславливает возрождение интереса к экотехнологии крашения текстильных материалов с использованием природного сырья.

Преимущества использования натуральных красителей не вызывают сомнений: экологически чистые, безопасные, легко извлекаемые из возобновляемых природных источников, придают материалам мягкие цветовые эффекты, не вызывают проблем со здоровьем человека (нетоксичны, защита от УФ, гипоаллергенны), не создают проблем при утилизации (полностью биоразлагаемые). Несмотря на перечисленные преимущества, натуральные красители ограничены в применении в широком масштабе, что связано с трудоемкостью их производства, низкой устойчивости к свету и стиркам, ограниченностью цветовой гаммы, сложностью воспроизводства одного и того же цветового оттенка, а в некоторых регионах доступность красителей зависит от времени года.

Очевидно, что натуральные красители не могут заменить синтетические, однако технология натурального крашения текстильных материалов имеет большую перспективу среди производителей, заинтересованных в развитии экологически чистых технологий. В основном, внимание к данному направлению ограничено ремесленниками, небольшими частными компаниями, мел- кими экспортерами и производителями, занимающимися производством и продажей высококачественного экологичного текстиля. Большой вклад в популяризацию данного направления имеют дизайнеры одежды и декора. Например, белоруска Екатерина Кабанова, основатель бренда POET.KA, разрабатывает коллекции двух направлений: аксессуары (платки, шарфы, палантины) и одежда (блузки, платья, брюки, юбки, жакеты, пальто). В качестве сырья ею используются белорусские ягоды, цветы, листья, семена и корни [“Fashion collection”, 2018].

Благодаря экологической осведомленности производителей, осознанию степени загрязнения окружающей среды, связанной с синтезом, переработкой и использованием синтетических красителей, натуральные красители могут получить большую популяризацию и интерес среди промышленников и творческих людей.

В настоящее время для окрашивания текстильных материалов используются различные натуральные красители, экстрагируемые из стеблей, листьев, цветков, семян и корней растений, ягод, кожуры, коры деревьев, отходы пищевой промышленности. Пигменты могут быть заключёнными в пластидах или растворёнными в клеточном соке и находятся в органах, например в корнях или стеблях, и в тканях (кора), поэтому сырье может применяться как в свежем, так и в сушенном виде [Та-сымбекова, Логинова и Нурмаханкызы, 2018; Ташмуха-медов, Кутжанова и Кричевский, 2017).

Наличие многовидовой сырьевой базы на территории Республики Беларусь позволяет провести широкий спектр исследований по выбору растений, содержащих красящие вещества, для колорирования текстильных материалов (Сысой, 2019).

Авторами статьи последние несколько лет ведется работа по разработке технологии экокрашения текстильных материалов (Скобова, Ясинская и Воробьева

2023; Кузнецова и Скобова, 2022) с использованием наземных частей растений (стеблей, соцветий). Для расширения спектра получаемых цветов на материале была поставлена задача изучить особенности применения подземных частей растений – корней, на примере Рotentilla Еrecta.

Как известно, необходимую концентрацию красителя и других вспомогательных веществ в красильном растворе устанавливают в соответствии с требуемой интенсивностью окраски текстильного материала и красящей способностью красителя. При использовании натуральных красителей для получения насыщенных оттенков на материале требуется большой расход сырья, поэтому целью работы является выбор рациональных параметров подготовки растительного сырья (корней лапчатки) к экстрагированию, обеспечивающих максимальный выход красящего вещества в красильную ванну при минимальном расходе сырья.

Объекты и методы исследований

Объектом исследований выбран корень лапчатки прямостоячей.

Лапчатка прямостоячая (Рotentilla Еrecta) – многолетнее травянистое растение, высотой от 15 до 50 см. Корневище цилиндрическое, деревянистое, короткое, почти горизонтальное, неравномерно утолщённое, изогнутое или прямое (рисунок 1). Значительные запасы лапчатки выявлены в Республике Беларусь, в частности в Витебской области, где она образует заросли на значительной площади, благодаря чему можно проводить заготовку сырья в большом количестве (Губанов, 2003).

Корневище Рotentilla Еrecta содержит 14–31 % дубильных веществ, которые подразделяются на два класса соединений – гидролизуемые и конденсированные танины. Гидролизуемые танины, в свою очередь, включают галлотанины и эллагитанины. Галлотанины при кислотном гидролизе образуют D-глюкозу и галловую кислоту, тогда как эллагитанины дают нерастворимый в воде осадок эллаговой кислоты.

Конденсированные дубильные вещества (проанто-цианидины) содержатся в преобладающем количестве в растениях лапчатки, и представлены, как проциани-

Рисунок 1 – Лапчатка прямостоячая (Potentilla Erecta)

Figure 1 – Cinquefoil erecta (Potentilla Erecta)

динами, так и проделфинидинами (рисунок 2) (Поляков, Калашникова и Киракосян, 2019).

В промышленности танины используются для дубления кожи и меха, приготовления чернил, протравливания текстильных волокон (Зефиров, 1995).

Технологический процесс подготовки растительного сырья и красильной ванны представлен на рисунке 3.

Корни растений собирали в конце сентября, промывали в холодной воде, разрезали на небольшие части и сушили при температуре 50 °C до полного высыхания.

Пигменты определенным образом встроены в мембраны тилакоидов. При получении вытяжки пигментов из растений происходит разрушение пигментбелковых комплексов, а свободные пигменты растворяются в органических растворителях. Процедура извлечения пигментов состоит в механическом разрушении клеточных структур (гомогенизация тканей растений). Поэтому вторым этапом подготовки был процесс дробления сырья с использованием механической дробилки. Полученное дробленое сырье просеивалось через сито с разным размером ячеек, в результате чего были отсортированы фракции с разным размером частиц, размер которых анализировался под микроскопом:

– 1 группа – крупные частицы со средним диаметром 9,12 мм;

– 2 группа – средний диаметр частиц 1,05 мм;

Рисунок 2 – Структура процианидина (А) и проделфинидина (Б) Figure 2 – Structure of procyanidin (A) and prodelphinidin (B)

Рисунок 3 – Технологический процесс подготовки красильной ванны из растительного сырья Figure 3 – Technological process for preparing a dye bath from plant materials

– 3 группа – средний диаметр частиц 0,55 мм (мелкая фракция).

Замочка сырья всех групп проводилась в течение 30 минут при температуре 40 °С в дистиллированной воде, с последующим его озвучиванием в ультразвуковой ванне в течении 20 минут при мощности генератора 60 Вт (режим выбран исходя из рекомендаций ранее проведенных исследований) (Скобова, Н.В., Ясинская, Н.Н. и Кузнецова, А.О., 2022).

Экстракция растительного сырья проходила в среде горячей воды с температурой 75 °С в течение 60 минут, рН = 5–6. Модуль ванны 1:15. По окончании этапа объем раствора доводился до первоначального уровня.

Для оценки интенсивности выхода красящего пигмента в водный раствор применялся спектрофотометрический метод анализа полученных растворов. Использование спектрофотометра позволяет количественно и качественно оценивать состав веществ, содержащихся в анализируемой пробе. Основа метода – способность химических соединений взаимодействовать с излучением, поглощая его. В процессе спектрофотометрического исследования находит применение излучение ультрафиолетовой (длина волны 200–400 нм), видимой (400–760 нм) и инфракрасной (760 и более нм) областей спектра.

В исследованиях использован спектрофотометр Solar 2201PB, работающий в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра.

Исследования проводились в режиме поглощения на длине волн от 240 нм до 680 нм.

Результаты исследований

Спектрограммы полученных красильных растворов корня лапчатки (без разбавления) представлены на рисунке 4.

Анализ показывает, что ультразвуковая обработка сырья с размером частиц первой и второй группы способствует выходу большего числа красильных веществ, о чем свидетельствует двухволновой спектр диаграммы (линии 2 и 3). После экстракции сырья с малым размером частиц отмечается мутность раствора, спектрограмма водного раствора имеет одноволновой вид.

Из спектрограмм видно, что максимум спектра приходится на длину волны 350 нм и 410 нм – группа дубильных веществ, придающих раствору коричневый оттенок. Наиболее насыщенный оттенок раствора соответствовал образцу, полученному при экстракции частиц 2 группы.

На следующем этапе проведены исследования по выбору оптимальных режимов озвучивания одревесневших частей растительного сырья – корней лапчатки, обеспечивающих максимальный выход красящего вещества в рабочий раствор.

Входными факторами выбраны технологические режимы работы ультразвуковой ванны: мощность генератора и время озвучивания. В качестве выходных параметров исследовали оптическую плотность раствора красильной ванны. Уровни варьирования факторов представлены в таблице 1. Эксперимент проводили по матрице Коно с тремя повторностями в каждой серии опытов.

На длине волны 340 нм оптические плотности растворов имеют близкие значения во всех сериях опытов, поэтому с помощью прикладной программы Statistica for Windows, аппроксимировали зависимость оптической плотности красильного раствора от параметров озвучивания полиномом второй степени для двух длин волн: в ультрафиолетовом и видимом спектре:

– на длине волны 280 нм

D₂₈₀ = 3,903 - 0,056 ∙ W + 0,034 ∙ T + 0,039 ∙ W ∙ T - 0,072 ∙ W² , (1)

(R2 = 0,965)

– на длине волны 430 нм

D₄₃₀ = 4,157 - 0,00456 ∙ W + 0,0067 ∙ T - 0,0063 ∙ W² . (2)

(R2 = 0,981)

Длина волны, нм

1 – мелкие фракции (третья группа), 2 – средние фракции (вторая группа), 3 – крупные фракции (первая группа) Рисунок 4 – Спектрограмма водных растворов корня лапчатки Figure 4 – Spectrogram of aqueous solutions of Cinquefoil erecta root

Таблица 1 – Уровни варьирования входных факторов

Table 1 – Levels of variation of input factors

Факторы	Натуральные значения			Кодированные значения			Интервал варьирования
	нижний	основной	верхний	нижний	основной	верхний
Мощность генератора, Вт (х1)	40	70	100	-1	0	+1	30
Время озвучивания, мин (х2)	20	40	60	-1	0	+1	20

Для оценки статистической значимости разработанных моделей проведен дисперсионный анализ. В таблице 2 для разработанных уравнений представлена сумма квадратов отклонений регрессии, критерий Фишера (F-value), значение которого для всех рассмотренных моделей значительно больше критического ( Ft = 6,39), при уровне значимости p < 0,05, что указывает на достоверность разработанных моделей.

Анализ уравнений показывает, что на интенсивность окрашивания раствора красильной ванны оказывают влияние оба фактора: мощность генератора и время озвучивания.

По моделям (1) и (2) построены срезы графических образов полученных зависимостей, при фиксированном значении времени озвучивания (рисунок 5).

Анализ полученных результатов

Процесс экстрагирования, как правило, включает две фазы (Пономарев, 1976):

• 1)    осмотическое набухание (замачивание) с растворением содержимого клетки (движение растворителя внутрь клетки);

• 2)    экстрагирование, при котором из клетки через клеточные мембраны, поры и капилляры происходит транспорт макромолекул растворенных веществ в объем растворителя.

Процесс замачивания сухого сырья составляет 4–12 ч, зависит от скорости вытеснения воздуха из клетки, удерживаемого до тех пор, пока не произойдет его растворение в экстрагенте. При этом часть воздуха остается внутри клетки. При ультразвуковом воздействии возникает звукокапиллярный эффект, который не только ускоряет вытеснение пузырьков воздуха, но и создает условия для их растворения в жидкости. Это позволяет сократить время замачивания. В предлагаемой технологии за счет применения ультразвука время замачивания устанавливали 20 минут.

На эффективность процесса экстрагирования оказывает влияние морфо-анатомическое строение сырья и его дисперсность. При обработке сильно одревесневшего сырья – корней лапчатки, имеющих плотную оболочку клеток с малым количеством путепроводящих тканей и межклеточных пространств, размер частиц играет существенную роль при экстрагировании. Для интенсификации этого процесса важно обеспечить высокую степень дисперсности частиц для минимизации коэффициента отражения звуковой энергии, усиления процесса растворения и вымывания содержимого из разрушенных клеток. Чем меньше частицы измельченного сухого сырья, тем больше вновь образовавшихся капиллярных каналов и ниже адсорбционная прочность

Таблица 2 – Оценка значимости разработанных моделей

Table 2 – Assessment of the significance of the developed models

Эффект (Effect)	Сумма квадратов отклонений регрессий (Sum of Squares)	Критерий Фишера (F-value)	Уровень значимости (p-value)
Регрессия для модели (1)	133,7923	34273,68	0,000000
Регрессия для модели (2)	155,2105	10778510,2	0,000000

W,Bi

Рисунок 5 – Зависимость оптической плотности красильного раствора от мощности генератора и времени озвучивания на разных длинах волн спектра

Figure 5 – Dependence of the optical density of the dye solution on the generator power and sonication time at different wavelengths of the spectrum

сырья. В ходе исследований установлено, что для достижения оптимального выхода красящих веществ при ультразвуковой обработке корней лапчатки размер частиц должен составлять 1–2 мм.

Выход красящих веществ в рабочий раствор при УЗ экстрагировании в значительной степени зависит от параметров озвучивания (рисунок 5): для корневых частей растений рекомендуется мощность генератора устанавливать не более 70 Вт. Кавитационное воздействие с максимальной мощностью вызывает деструкцию клеток растения и не способствует увеличению насыщенности раствора. Длительность обработки рекомендуется устанавливать 40–50 минут.

Выводы

В результате проведенных исследований установлено:

– размер частиц одревесневшего растительного сырья оказывает существенное влияние на интенсивность окраски рабочего раствора, при использовании корней лапчатки прямостоячей рекомендуется измельчать сырье до величины 1–3 мм;

– предварительная ультразвуковая обработка корней лапчатки приводит к образованию дополнительных капиллярных каналов и снижению адсорбционной прочности сырья, что интенсифицирует процесс экстракции, рабочий раствор имеет более насыщенный оттенок, обусловленный выходом дубильных веществ;

– рекомендуемыми технологическими режимами озвучивания корней лапчатки являются мощность генератора 70 Вт, время озвучивания 50 мин;

– полученные результаты исследований можно рекомендовать для подготовки подземных частей других видов растений для получения красильных растворов для окрашивания текстильных материалов.