全 文 ：植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2007, 24 (1): 99-104, www.chinbullbotany.com
收稿日期: 2006-04-04; 接受日期: 2006-09-28
基金项目: 安徽省自然科学基金(No. 050410106)
* 通讯作者。E-mail: linyiahau@126.com
天然棕色棉纤维色素光谱学特性及其化学结构初步推断
詹少华 1,2, 林毅 1*, 蔡永萍 1, 李正鹏 1
1安徽农业大学生命科学学院, 合肥 230036; 2皖西学院化学与生命科学系, 六安 237012
摘要 在纯化棕色棉纤维色素的基础上, 测定了天然棕色棉纤维色素的紫外-可见光谱(UV光谱)、红外光谱(IR光谱)以及分析了
pH值、浓度、诊断试剂对天然棕色棉纤维色素UV光谱的影响, 发现天然棕色棉纤维色素UV光谱随着pH值和浓度不同而变化, 诊
断试剂对纤维色素UV光谱也有影响, 但并不符合黄酮类化合物对诊断试剂的反应规律, 红外光谱的主要吸收波数是3 554、
3 477、3 414、3 289、1 638、1 618、1 386、1 073、617、478 cm-1。结合化学性质鉴定, 以及和已知的白色棉种皮色素
比较, 初步推断棕色棉色素的化学结构, 认为棕色棉纤维中的色素是由单宁物质氧化形成的醌类化合物。最后解释了棕色棉纤维
具有颜色是因为棉纤维发育后期缩合单宁接触空气后氧化的结果。
关键词 天然棕色棉,色素,化学结构,光谱,棉纤维
詹少华, 林毅, 蔡永萍, 李正鹏 (2007). 天然棕色棉纤维色素光谱学特性及其化学结构初步推断. 植物学通报 24, 99-104.
.实验简报.
天然彩色棉是一种棉纤维中具有天然色素的棉花品
种, 主要包括棕色棉和绿色棉两大类, 其中棕色棉色泽较
稳定、产量较高, 是彩色棉的主要栽培品种。1988年
美国育种学家Sally Fox首次培育出适合机器纺织的天
然彩色棉品种, 中国农业科学院棉花研究所于 1993-
1995年培育出了彩色棉棕絮 1号和绿絮 1号。我国新
疆已经成为世界上最大的天然彩色棉生产基地, 累计种
植面积达 70多万亩。尽管彩色棉的育种取得了很大的
进展, 但是与普通白色棉相比, 彩色棉的品质还是不够理
想(陈旭升, 2001; 王学德, 2002; 詹少华, 2005)。研究
彩色棉色素的化学本质, 进而测定其代谢途径, 是进一步
提高彩色棉纤维品质的关键。于伯龄(2002)认为彩色
棉纤维中的色素是花青素类色素, 但没有提供可靠的依
据和资料。赵向前和王学德(2005)报道棕色棉纤维色
素为黄酮类化合物, 但由于所分析的色素没有经过纯化
就用诊断试剂来分析, 不符合物质鉴定的基本程序。詹
少华等(2005)研究了棕色棉纤维色素的提取方法, 为鉴
定棕色棉纤维色素打下了一定的基础。普通白色棉的
种皮细胞色素与酚类化合物的缩合单宁类物质氧化有关
(Halloin,1982), 而棉纤维是由种皮细胞分化而来(邱金龙
等,1996;杨佑明等,2003), 这为探索棕色棉纤维中色素的
化学结构获得了有益的启示。本文通过分析天然棕色
棉纤维色素的紫外-可见光谱(UV光谱)和红外光谱(IR光
谱), 结合化学性质鉴定, 初步推断棕色棉纤维色素的化
学结构, 为下一步研究色素的形成机理提供理论依据, 进
而有助于推动彩色棉的育种进展。
1 材料与方法
1.1 实验材料
实验材料为本实验室选育品系深棕色棉ANL-1, 取成熟
棉纤维提取色素; 白色棉泗棉3号, 取棉籽壳提取色素。
1.2 实验方法
1.2.1 天然棕色棉纤维色素的提取与纯化
棕色素提取按照詹少华等(2004)的方法, 将棕色素粗提
液减压蒸馏至色素结晶快要析出时, 滴加 0.5 mol.L-1
HCl沉淀色素, 离心、去上清, 再加入超纯水溶解色素
(60℃), 离心、去沉淀, 如此“水溶酸沉”3次, 得到
初步纯化色素。再向初步纯化色素滴加 0.5mol.L-1
100 植物学通报 24(1) 2007
HCl至棕色素沉淀析出, 加入等体积的乙酸乙酯, 磁力充
分搅拌, 分液漏斗去水相, 再向乙酸乙酯中滴加0.5 mol.
L-1 NaOH和适量的超纯水, 使水相和有机相呈等体积,
磁力充分搅拌, 如此重复 3次。最后向水相滴加 0.5
mol.L-1 HCl沉淀色素, 离心, 60℃减压烘干得棕色素纯
化物。
1.2.2 IR的测定
取经过纯化的色素 1.0 mg, KBr压片法测定波数 800-
4 000 cm-1的 IR光谱, 测定仪器为Nexus-870红外光
谱仪(英国 Nicolet公司)。
1.2.3 UV光谱的测定
以色素的饱和水溶液的相对浓度为1.0(pH7.0, 25℃), 配
制相对浓度为 0.50和 0.25的色素水溶液, 测定不同浓
度下色素190-800 nm的紫外UV光谱(Ultraviolet-Vis-
ible Spectrum, 紫外 -可见光谱)。配制相对浓度为
1.0的色素水溶液 3种 pH值(pH4.0、pH7.0、pH10.0),
再将色素的饱和水溶液稀释 20倍后, 配制 4种 pH值
(pH3.0、pH6.0、pH9.0、pH12.0)的溶液, 比较不同
浓度条件下 pH值对UV光谱的影响。诊断试剂对棕色
棉纤维色素UV光谱的影响, 按照Markham (1990)的方
法对纯化色素的甲醇溶液分别诊断 , 测定仪器为
TU1800SPC(北京普析通用仪器)。
1.2.4 化学性质鉴定
4-氨基安替吡啉反应: 各取纤维细胞磨碎液1 mL, 依次
加入 2%(g.mL-1) 4-氨基安替吡啉 1 mL、8%(g.mL-1)
铁氰化钾溶液1 mL和三氯甲烷2 mL, 观察处于上层水
相和下层有机相之间的纤维碎片的颜色变化。锌粉、
镁粉反应: 1 mL色素的甲醇溶液加入锌粉或镁粉, 再滴
加浓盐酸, 观察颜色变化。硝酸反应: 5 mL色素水溶
液加入10%的硝酸5 mL, 室温静置24小时后, 观察溶
液颜色变化。三氯化铝荧光反应: 样品的甲醇液滴加在
滤纸上, 干燥后喷 1%三氯化铝乙醇液, 烘干后观察荧
光。与金属离子的反应 : 取 9 种金属盐 M n S O 4、
FeCl3、NiCl2、AlCl3、CuCl2、Mg(CH 3COO) 2、
FeSO4、Pb(CH3COO)2、CaCl2, 分别配制成浓度为
1% (g.mL-1), 再分别取上述 9种溶液 5 mL到 10支试
管中, 30℃水浴, 向每支试管滴加上述棕色素纯化溶液,
观察实验现象。氢氧化钠反应: 5 mL色素水溶液中滴
加 1％(g.mL-1)的氢氧化钠, 观察溶液颜色变化。醋酸
镁反应: 5 mL色素甲醇溶液中加入醋酸镁 0.2 g, 水浴
加热到 60℃, 观察溶液颜色的变化。对氨基苯磺酸反
应: 0.3%对氨基苯磺酸溶解在25 mL 8%的盐酸中, 然
后与1.5 mL 5%的亚硝酸钠使用前混合, 喷洒在纸色谱
上, 干燥之前再喷洒碳酸钠溶液。化学试剂均为国产分
析纯。
1.2.5 棕色棉纤维色素与白色棉棉籽壳种皮色素比
较
将棕色棉纤维色素提取、纯化方法处理白色棉棉籽壳
种皮色素, 观察提取效果, 再以纯化的白色棉棉籽壳种皮
色素代替棕色棉纤维色素, 重复上述化学性质的鉴定, 比
较 2种色素的化学性质。
2 结果与讨论
2.1 浓度对棕色棉纤维色素UV光谱的影响
如图1所示, 棕色棉纤维色素的浓度不同, 色素水溶液的
UV光谱发生变化, 棕色素的饱和水溶液主要表现3个吸
收峰, 分别是 232、306和 378 nm, 随着浓度的减小,
232 nm附近的吸收峰仍然存在, 306和378 nm的吸收
峰逐渐消失, 同时306和378 nm 附近的光密度吸收值
随着浓度的减小而减小, 但232 nm附件的光密度吸收
值没有明显减小。
2.2 pH值对棕色棉纤维色素UV光谱的影响
pH值对棕色棉纤维色素UV光谱的影响随着浓度的不同
而发生变化。如图2A所示, 在棕色素的饱和水溶液中,
此时色素的浓度较高, 在波长190-380 nm附近, pH值
对棕色棉纤维色素水溶液的光密度吸收值影响较小, 3种
不同的pH值(pH4.0, pH7.0, pH10.0)在同一浓度下, 光
谱图形几乎是重叠的, 在波长380-800 nm附近, pH值
101詹少华等: 天然棕色棉纤维色素光谱学特性及其化学结构初步推断
对棕色棉纤维色素水溶液的光密度吸收值影响较大, pH
值越高, 光密度吸收值越大。如图 2B所示, 将棕色素
的饱和水溶液稀释20倍以后, 此时色素的浓度较小, 240
nm以上的光密度吸收值较小且不同pH值的情况下差别
也较小。在 190-240 nm之间, 随着 pH值的增大光密
度吸收值也增大, 其中 pH6.0和pH9.0在205 nm处有
明显的吸收峰。棕色棉纤维色素的UV光谱受到 pH值
和浓度的影响, 说明棕色棉纤维色素分子在水溶液中存
在互变异构, 这种互变异构受到酸碱度和浓度的影响。
目测可知棕色棉纤维色素在浓度较大和pH值较高时, 颜
色向红色调偏移, 反之, 颜色向黄色调偏移, 这证明棕色
棉纤维色素分子至少有两种存在状态。
2.3 诊断试剂对棕色棉纤维色素UV光谱的影响
由图 3A可知, 三氯化铝诊断引起 240-290 nm处的光
密度吸收值增加, 并且随着时间的增加而增大, 但是不引
起明显的吸收峰, 三氯化铝加盐酸诊断, 263 nm处形成
明显的吸收峰, 随着时间的增加吸收峰越高。图 3B表
明乙酸钠诊断形成217 nm处的吸收峰, 乙酸钠加硼酸
诊断形成227 nm处的吸收峰, 采用不含有色素的甲醇
溶液作对照, 发现 217 nm和 227 nm是由于加入的乙
酸钠和硼酸引起。由图 3C可以看出, 甲醇钠诊断结果
为215 nm附近(213-220 nm)出现明显的吸收峰, 采用
不含有色素的甲醇溶液作对照, 新出现的吸收峰是由于
加入的试剂引起的。黄酮类化合物UV光谱在240-400
nm范围内具有两个吸收峰, 而棕色棉纤维色素的UV光
谱在 240-400 nm范围内没有明显的吸收峰, 只是在
212 nm处出现较强的吸收峰, 诊断试剂会引起黄酮类化
合物 UV光谱吸收峰的“红移”和“蓝移”现象, 而
棕色棉纤维色素对诊断试剂的反应并不表现这一规律,
所以从UV光谱和UV光谱对诊断试剂的反应两方面来
看, 棕色棉纤维色素不是黄酮类化合物。
2.4 IR光谱
如图4所示, 棕色棉纤维色素的IR光谱的主要吸收峰的
波数为: 3 554、3 477、3 414、3 289、1 638、
1 618、1 386、1 073、617、478 cm-1, 其中波
图 1 浓度对棕色棉纤维色素紫外 -可见光谱的影响
Figure 1 The effect of concentration on the UV spectra of the
pigment in nature brown cotton fiber
图 2 棕色棉纤维色素在饱和水溶液(A)和饱和水溶液稀释 20倍的
溶液(B)下, pH值对紫外 -可见光谱的影响
Figure 2 The effects of pH values on the UV spectra of the
pigment in nature brown cotton in the conditions of saturated
aqueous solution (A) and saturated aqueous solution diluted 20
times (B).
102 植物学通报 24(1) 2007
图 3 三氯化铝(A), 乙酸钠(B)和甲醇钠(C)对棕色棉纤维色素紫
外 -可见光谱的影响
1: 三氯化铝加盐酸 5分钟后诊断, 2: 三氯化铝加盐酸立即诊断, 3:
三氯化铝 5分钟后诊断, 4: 三氯化铝立即诊断, 5: 棕色棉纤维色素
甲醇溶液紫外 -可见光谱, 6: 乙酸钠加硼酸诊断, 7: 乙酸钠诊断, 8:
甲醇 4滴, 9: 甲醇 2滴, 10: 甲醇 1滴
Figure 3 The effects of aluminum trichloride (A), sodium acetate
(B), sodium methano (C) on the UV spectra of the pigment in
nature brown cotton fiber
1: aluminum trichloride plus hydrochloric acid after five minutes; 2:
aluminum trichloride plus hydrochloric acid immediately; 3: alumi-
num trichloride after five minutes; 4: aluminum trichloride
immediately; 5: the spectrum of the pigment methanol solution; 6:
sodium acetate plus boracic acid solution; 7: sodium acetate; 8:
four drops; 9: two drops; 10: one drop
数 3 414 cm-1为第 1强度吸收。
2.5 化学性质鉴定的结果
9种金属离子加入到棕色棉纤维色素水溶液中, 都产生沉
淀, 其中 Mn2+、Fe2+、Ni2+、Al3+、Mg2+、Pb2+、
Ca2+产生沉淀的颜色均为红棕色沉淀。当产生的沉淀
较少时, Cu2+、Fe3+与色素反应的沉淀物也是红棕色,
当产生的沉淀物较多时, Cu2+与色素反应的沉淀物逐渐
变为蓝黑色调偏移, Fe3+与色素反应的沉淀物逐渐向黑
红色调偏移。向棕色棉纤维色素水溶液中滴加NaOH,
水溶液的颜色逐渐向红色调方向偏移。
2.6 棕色棉纤维色素与白色棉棉籽壳种皮色素
比较
棕色棉纤维色素的提取和纯化方法完全适合白色棉种皮
色素, 我们采用的提取与纯化方法, 主要是依据棕色棉纤
维色素在不同的酸碱条件下溶解性有很大的差异。在
强酸性的条件下, 棕色棉纤维色素在水溶液中沉淀较完
全, 在弱碱性的条件下, 该色素又能充分溶解, 在弱酸性
的条件下, 乙酸乙酯可以萃取出该色素, 在弱碱性的条件
下, 水溶液又可以从乙酸乙酯的溶液中萃取色素。2种
色素的提取纯化方法一致, 说明2种色素的溶解性是一
致的。以白色棉棉籽壳种皮色素代替棕色棉纤维色素,
图 4 天然棕色棉纤维色素的红外光谱
Figure 4 The infrared spectrum of the pigment in nature brown
cotton
103詹少华等: 天然棕色棉纤维色素光谱学特性及其化学结构初步推断
重复化学性质鉴定, 发现结果完全一致。
3 结论
(1) 从本实验及我们以前的研究结果来看, 彩色棉棕色素
是一种含有酚羟基的化合物, 主要证据有: 易溶解于碱性
的极性较大的有机溶剂(詹少华,2004)、4-氨基安替吡
啉试验阳性、对氨基苯磺酸反应阳性、与多种金属离
子发生沉淀反应、甲醇溶液的UV光谱 212 nm处的吸
收峰、IR光谱中的3 554 cm-1酚羟基伸缩振动, 1 073
cm-1C-O伸缩振动; 棕色棉纤维色素的UV光谱受到pH
值和浓度的影响, 这一点可以由植物体的酚类物质烯醇
式转化来解释。另外, 与硝酸发生黄化反应, 更进一步
支持苯环的存在。
(2) 棕色棉纤维色素不是黄酮类或蒽醌类化合物。
植物酚类物质包含的种类较多, 其中最常见的是黄酮类
物质和单宁类物质。黄酮类化合物 UV光谱 240-400
nm呈现两个吸收峰, 这与彩色棉棕色素的UV光谱明显
不同, 加入黄酮类诊断试剂后, 没有发生黄酮类化合物的
“红移”或“蓝移”现象, 锌粉 / 镁粉反应阴性、三
氯化铝荧光反应阴性, 更进一步说明本色素不是黄酮类
化合物。彩色棉棕色素与氢氧化钠反应后, 颜色明显向
红色调转变, 类似与蒽醌类Borntrager反应, 但是, 醋酸
镁反应阴性, 说明本色素也不是蒽醌类化合物。
(3) 棕色棉纤维色素是属于缩合单宁类物质氧化而来
的醌类化合物。Halloin(1982)证明白色棉棉籽壳种皮
细胞中的棕色素是缩合单宁类物质氧化的结果, 单宁类
物质是一种植物多酚类物质, 分子结构中含有较多的酚
羟基, 其中部分酚羟基是易氧化成的醌类化合物(王曼玲
等, 2005)。棉纤维是由种皮细胞分化而来, 棕色棉纤维
中的色素和白色棉棉籽壳种皮细胞的色素颜色相近, 两
种色素的提取和纯化方法及溶解性一致, 白色棉种皮色
素与棕色棉纤维色素化学性质相同, 所以我们认为棕色
棉纤维中的色素和白色棉种皮中色素属于同一类化学物
质, 是由缩合单宁氧化而来的醌类化合物。这种化合物
既含有酚羟基又含有醌类物质的羰基, IR光谱中的波数
1 618 cm-1, 1 638 cm-1是醌类羰基的伸缩振动, 进一
步证明了我们的推断。从棕色棉纤维发育来看, 整个发
育阶段大约45天, 20天之前棉纤维的颜色和普通白色
棉一样, 20天以后才逐渐出现颜色, 颜色加深最明显的
阶段是在纤维发育30-40天(王学德等,2002)。纤维发
育30-40天正是棉铃开始裂铃, 这期间棉纤维逐渐暴露
与空气接触, 所以棕色棉的色素形成与棉纤维接触空气
后氧化有关。缩合单宁本身是无色的, 棉纤维发育后期
缩合单宁氧化形成相应的棕色的醌类物质, 正是棕色棉
纤维具有颜色的原因。
(4) 赵向前和王学德(2005)认为天然棕色棉纤维色素
为黄酮类化合物, 但是我们认为该结论依据不够充分。
只是用甲醇提取, 氯仿和石油醚除去脂溶性物质, 色素没
有得到有效纯化, 这时利用诊断试剂测定结构, 不符合物
质鉴定的程序。硝酸铝法测定棉纤维发育过程中黄酮
类含量, 但是包括缩合单宁在内的植物多酚类都有类似
反应。另外, 取样为花后35天的棉纤维, 并非成熟棉纤
维, 我们重复该实验, 没有发现该文所描述的具有黄酮类
化合物特征的紫外 -可见光谱。
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邱金龙, 王隆华, 颜季琼 (1996). 棉纤维分化和发育研究进展. 植
表 1 天然棕色棉纤维色素的化学性质
Table 1 Chemical properties’ identification of the pigment in nature brown cotton fiber
Zinc/Magnesium Magnesium 4-Amino Aluminum 4-Aminobenzene Nitric acid
power acetate reaction trichloride sulfuric acid reaction
reaction reaction antipyrine reaction reaction
Recessive Recessive Positive Positive Positive Positive
104 植物学通报 24(1) 2007
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(责任编辑: 韩亚琴, 于昕)
Preliminary Deductions of the Chemical Structure of the
Pigment Brown in Cotton Fiber
Shaohua Zhan 1,2, Yi Lin 1*, Yongping Cai 1, Zhengpeng Li1
1 Life science school, Anhui Agricultural University, Hefei 230036
2 Chemistry and Biology Department, Wanxi University, Anhui 237012
Abstract We aimed to determine the features of ultraviolet and infrared spectra of the pigment brown in natural cotton fiber,
analyze the effects of pH values and concentrations, diagnose reagents in the ultraviolet spectra, and identify the chemical
properties of the pigment. We first purified the brown pigment for use in all experiments. The ultraviolet spectra varied with pH
values and concentrations and was influenced by diagnosed reagents. However, the effects of diagnosed reagents were not the
same as those of flavones. The infrared spectra showed the wave numbers 3 554, 3 477, 3 414, 3 289, 1 638, 1 618, 1 386, 1 073,
617, and 478 cm-1. The chemical features and purification methods of the brown pigment were compared with those of the pigment
in the seed coat of white conventional cotton, studied by Halloin in 1982, revealing similarities between the two pigments. Thus, the
brown pigment in natural cotton fiber is a quinone compound from tannin oxidation at the end of fiber development.
Key words nature brown cotton, pigment, chemical structure, spectrum, cotton fiber
Zhan SH, Lin Y, Cai YP, Li ZP (2007). Preliminary deductions of the chemical structure of the pigment brown in cotton fiber. Chin Bull
Bot 24, 99-104.
* Author for correspondence. E-mail: linyiahau@126.com
詹少华, 林毅, 蔡永萍, 汪曙 (2004). 天然棕色棉色素提取、纯
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