POLYFENOLY Z VINAŘSKÝCH ODPADŮ JAKO FUNKČNÍ TEXTILNÍ BARVIVA A JEJICH TESTOVÁNÍ UV ZÁŘENÍM

Transkript

1 POLYFENOLY Z VINAŘSKÝCH ODPADŮ JAKO FUNKČNÍ TEXTILNÍ BARVIVA A JEJICH TESTOVÁNÍ UV ZÁŘENÍM Hana KŘÍŽOVÁ, Jakub WIENER Katedra materiálového inženýrství, Fakulta textilní, Technická univerzita v Liberci hana.krizova@tul.cz, jakub.wiener@tul.cz Abstrakt: Cílem této práce bylo ověřit funkčnost barviv extrahovaných z výlisků modré révy a sorbovaných na vlněnou tkaninu. Tyto polyfenolické látky (především antokyany a taniny) mohou sloužit jako textilní barviva, která mají široké spektrum biogenních účinků, mj. jsou to antioxidanty schopné likvidovat volné radikály. Byly ověřovány změny, ke kterým dochází po expozici UV zářením u tkanin nabarvených těmito polyfenolickými extrakty. Byl proměřen obsah polyfenolů před a po expozici UV zářením a zároveň byly zjišťovány změny v jejich antioxidačním účinku. Bylo zjištěno, že po 24hodinové expozici UV zářením zůstal zachován vysoký obsah celkových polyfenolů na vlněné tkanině, kde došlo zároveň ke změně barevného odstínu a že i přes nízkou světelnou stabilitu barevných antokyanů si ostatní polyfenoly sorbované ve vlněné tkanině zachovaly vysokou schopnost deaktivovat volné radikály. 1. Úvod Hroznové víno je jedna z nejvýznamnějších světových zemědělských plodin. Produkce vína však sebou nese i velké množství odpadního materiálu v podobě výlisků, které jsou po maceraci a prokvašení stále velmi bohaté na obsah polyfenolických látek, především na barviva (antokyany u modré révy) a kondenzované taniny. V menším množství jsou zde obsaženy další fenolické látky, např. resveratrol a kvercetin. Všechny tyto látky mají výrazné biogenní účinky, především se jedná o antioxidanty a látky schopné zhášet volné radikály, některé, jako např.kvercetin mají i prokazatelné antimikrobiální účinky. Tyto vlastnosti mají jak v rostlinných pletivech, tak i v organismu jejich konzumentů a take in vitro a při lokálním použití. [1] Česko je se svou roční produkcí kolem 800 tisíc hektolitrů vína [2] považováno sice jen za okrajového producenta, přesto i u nás činí vinařský odpad nezanedbatelné množství řádově desítek tisíc tun ročně. Látky obsažené ve výliscích mohou nalézt využití např. v barvířství nebo potravinářství (barevné antokyany), v kosmetice a farmacii (antioxidanty a protizánětlivé léky) a jako vstupní surovina v dalších průmyslových odvětvích (např. kondenzované taniny pro výrobu pryskyřic, pojiv a dřevotřísek). Hlavními důvody, proč věnovat pozornost a snahu dalšímu

2 využití těchto odpadů, je ochrana životního prostředí a ekonomický přínos, protože se jedná o levný zdroj fenolických sloučenin. 2. Polyfenoly ve vinné révě Antokyany, taniny a další polyfenoly v hroznovém víně vznikají podobnými metabolickými cestami, proto je jejich chemická stavba vlastně jen nízko- či vysokomolekulární různě substituovanou variací základního stavebního kamene, kterým je flavan-3-ol a toto uspořádání je řadí do skupiny flavonoidů. Nejhojnějším zástupcem antokyanů v modré révě je na glukózu vázaný aglykon malvidin (Obr.1) a ve směsi révových taninů dominuje v peckách procyanidin (Obr.2). [3] Antokyany v rostlinách plní kromě úlohy barevné rozmanitosti druhů v rámci allogenního boje o přežití i úlohu individuální ochrany buněk před UV zářením a vyskytují se především v povrchové části listů, květů nebo plodů. Taniny mají trpkou a svíravou chuť a procesem inaktivace trávicích enzymů jsou pro některé živočišné druhy nestravitelné, čímž chrání rostlinu spíše před škůdci a býložravci. Kromě toho jsou součástí komplexního uspořádání osemeníku, které chrání zárodky v semenech před dlouhodobým oxidačním stresem a vysušením. [4] Obr.1: Malvidin [en.wikipedia.org] Obr.2: Procyanidin [sigmaaldrich.com] 3. Polyfenoly z révy jako funkční textilní barvivo Jak již bylo zmíněno, jedním z možných využití odpadních výlisků je barvířství, konkrétně barvení textilních materiálů. Antokyany poskytují různé odstíny růžové až fialové barvy a taniny slouží jako mořidlo i barvivo poskytující různé odstíny hnědi. Rostlinné polyfenoly lze vzhledem k jejich biogenním účinkům považovat za tzv. funkční barviva, tedy barviva, která vedle své barevnosti plní ještě další fyzikální, chemickou či biologickou funkci, v případě antokyanů a taninů lze očekávat i po extrakci z výlisků a sorpci na textilní materiál zachování určité antioxidační aktivity. Biosyntéza fenolických látek v rostlinách je citlivá na množství světla, což odráží možnou roli těchto látek při ochraně rostlinných buněk před slunečním zářením. [5]. Polyfenolické komponenty ve vinné révě mají podobný chemický základ a všechny vykazují antioxidační vlastnosti, jejich funkce a molekulová hmotnost se však liší a lze předpokládat

3 odlišné chování nízkomolekulárních antokyanů a makromolekulárních taninů. Proto byla reakce těchto látek na UV zátěž testována odděleně: extrakt ze slupek modré révy bohatý na obsah nízkomolekulárních barevných antokyanů (ACY) a extrakt z révových pecek bohatý především na obsah vysokomolekulárních kondenzovaných taninů (TAN). 4. Barvení přírodních vláken Vlna (WO) je textilní materiál živočišného původu, jehož chemickým základem je bílkovina keratin (Obr.3). Rozmanitost chemického složení vlny, která obsahuje aminoskupiny, karboxylové skupiny, hydroxyly, thiolové skupiny, resp. disulfidové můstky atd. vzhledem k obsahu různých aminokyselin v bílkovinném řetězci, je příčinou toho, proč se vlna snadněji a výrazněji barví nejen přírodními barvivy. 5. Materiál a chemikálie Výlisky z modré révy odrůdy Fratava (Lobkowiczké zámecké vinařství Roudnice nad Labem, s.r.o.) Vlněná tkanina (100 g / m 2 ) Folin-Ciocalteau činidlo (Penta Chrudim) Stabilní radikál 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH), (Sigma- Aldrich) Ethylalkohol pro spektrometrii 96% (Lachema) Bezvodý uhličitan sodný (Lachema) Kyselina gallová (Sigma-Aldrich) 6. Experimentální část 6.1. Extrakce polyfenolů a jejich sorpce na tkaninu V patronách barvicího aparátu Ahiba Nuance byla provedena současně extrakce polyfenolů i jejich sorpce na textilní materiály: 1g vlněné tkaniny,150 l destilované vody a 5g sušených slupek a 1g vlněné tkaniny, 150 ml destilované vody a 5g sušených drcených pecek byly barveny po dobu 30 (slupky) a 60 (pecky) minut při 95 o C. Textilie byly poté promyty ve studené destilované vodě a usušeny při 50 o C. Obr.3: Vlna [ygallerysalon.com]

4 6.2. Expozice UV záření Každá obarvená textilie byla rozdělena na polovinu, jedna nebyla vystavena UV záření a druhá byla vystavena UV-A záření po dobu 24 hodin na jedné a 24 hodin na druhé straně Desorpce polyfenolů z vlněné tkaniny 0,5 g každé obarvené textilie byl propírán v 60 ml destilované vody v patronách barvicího aparátu při 50 o C po dobu 60 minut s rotací patron 50 otáček/min. a s použitím abrazivních elementů (kuličky z nerez oceli), a tím byly získány slabé roztoky polyfenolů stržením barviva z vláken zpět do roztoku. Rostlinná barviva jsou ve velké většině vázána na textilní vlákna substantivně pomocí slabších vazebných interakcí stejně jako tzv. textilní barviva přímá, proto dochází k jejich uvolňování např. do lázně nebo při pocení v závislosti na podmínkách, kterým jsou vystaveny (teplota, složení prací lázně, ph potu, mechanické namáhání). Lázně získané z vymývání bavlny a vlny, do nichž byly sorbovány extrakty ze slupek nebo pecek (WO/ACY, WO/TAN), byly proměřeny na obsah polyfenolů a antokyanů a byla zjištěna jejich antioxidační aktivita Stanovení celkových fenolických sloučenin (TPF) Obsah všech polyfenolů byl měřen spektrofotometricky pomocí Folin-Ciocalteau činidla (FC). Tato reakce je založena na kolorimetrické redox reakci fenolů s komplexním činidlem, ve kterém dochází v zásaditém prostředí ke vzniku modrého oxidu molybdenu. K 1 ml FC činidla (zředěné 1:9 vodou) byl přidán 1 ml vodného extraktu polyfenolů a 1 ml bezvodého Na 2 CO 3 (koncentrace 75 g/litr). Vzorky byly inkubovány po dobu 60 minut. Absorbance byla měřena na UV/VIS spektrofotometru Helios v absorpčním maximu 765 nm. Tyto analýzy byly provedeny v pěti vyhotoveních a vypočítána průměrná hodnota absorbance. K vyjádření koncentrace celkových polyfenolů byla použita kyselina gallová, jejíž koncentrační řada od 0,005 do 0,04 mg/ml po reakci s Folin-Ciocalteau činidlem posloužila k vytvoření regresní přímky a rovnice závislosti absorbance na koncentraci. (Obr.6). Obsah polyfenolů je tedy vyjádřen v mg/ml kyseliny gallové. [6] 6.5. Stanovení antioxidační aktivity Antioxidační aktivitu polyfenolů lze vyjádřit schopností zhášet stabilní radikál DPPH (Obr.4). [7] Rozpuštěním 8 mg DPPH ve 150 ml etanolu vznikl roztok s absorbancí 1,3 s absorpčním maximem při vlnové délce 515 nm. Po přidání 0,25 ml u výluhu z tkaniny do kyvety se 2 ml

5 roztoku DPPH a po promíchání dochází k různě rychlé degresi a poklesu absorbance tohoto roztoku, který je projevem destabilizace a zhášení DPPH radikálu polyfenoly. Tato antiradikálová a zároveň antioxidační schopnost polyfenolů byla vyjádřena jako % antioxidační aktivity (AA) z rozdílu počáteční absorbance (A 0 ) a absorbance po 5 minutách (A 5 ) ze vztahu: A 0 A 5 AA = x 100 [%] A Stanovení změn v obsahu antokyanů Charakteristickou reakcí antokyanů je jejich výrazná barevná vizualizace v silně kyselém ph, kdy dochází k propojení konjugovaného systému všech kruhů flavanového skeletu, který je spojen s hypsochromním posunem a vznikem jasně růžového flavyliového kationtu. (Obr.5) K 5 ml extraktu z tkanin nabarvených slupkami bylo přidáno 5 ml KCl/HCl pufru o ph 1 a po 60 minutách byla proměřena absorbance v maximu 515 nm. [6] Obr.4: DPPH [en.wikipedia.org] Obr.5: Flavyliový kationt [en.wikipedia.org] 7. Výsledky a diskuze 7.1. Výsledek barvení tkanin Obr.7 ukazuje vizuální rozdíly ve vybarvení vlněné tkaniny před a po expozici UV zářením. Vlněná tkanina se extraktem z pecek (TAN) zabarvila středně hnědooranžovým a extraktem ze slupek (ACY) tmavě hnědofialovým odstínem. UV záření způsobilo, že se ze vzorku WO/ACY vytratil vínový nádech a došlo k posunu k hnědé barvě, na vzorku WO/TAN došlo k prohloubení odstínu a ke ztmavnutí. Obr.6: Koncentrační přímka kyseliny gallové

6 Obr.7: Vlněná tkanina obarvená extrakty z výlisků (nahoře WO/TAN, dole WO/ACY vlevo neozářené tkaniny,vpravo tkaniny po 24 hod. expozici UV-A) 7.2. Změny po UV expozici Tab. 1 Hodnoty polyfenolů, antokyanů a antiox.aktivita v roztocích s desorbovanými barvivy TPF [mg/ml kys.gallové] ph 1 A 510 [-] DPPH AA [%] TPF [mg/ml] UV ph 1 A 510 [-] DPPH AA [%] UV Tkanina/ extrakt UV WO/ACY 0, WO/TAN 0, Tab. 2 Percentuální změny v obsahu polyfenolů, antokyanů a antiox.aktivity po UV expozici Tkanina / extrakt TPF [%] ACY [%] DPPH AA [%] WO/ACY WO/TAN Pozn.: pokles o x %, vzestup o x %, 0 beze změny Tab.1 je přehledem obsahu polyfenolů a antokyanů v lázních s barvivem desorbovaným z textilií před a po 2x 24hodinové expozici UV zářením, Tab.2 je přehledem percentuálních změn v ozařovaných tkaninách.

7 Porovnáním obou lázní obsahujících desorbovaná barviva z neozářené a ozářené tkaniny ke patrné, že obsah antokyanů u ozářené tkaniny WO/ACY klesl téměř na polovinu, což však celkový obsah polyfenolů ani antioxidační aktivitu neovlivnilo. To lze vysvětlit obsahem dalších oligomerních a polymerních polyfenolů (i ve slupkách jsou přítomny taniny, ovšem jejich složení se od taninů v semenech poněkud liší), které nejsou na UV záření tak citlivé jako antokyany a vzhledem k jejich velké antioxidační síle zůstává schopnost tohoto extraktu likvidovat volné radikály dostatečně vysoká i po 24 hodinách působení UV záření. Velmi zajímavý výsledek přinesla UV expozice vlněné tkaniny se sorbovanými taniny z pecek (WO/TAN), kde došlo nejen k prohloubení barevného odstínu, ale i k 24% vzestupu v obsahu celkových polyfenolů a také ke 12% nárůstu antioxidační aktivity. Lze předpokládat, že UV záření způsobuje částečnou depolymerizaci kondenzovaných taninů, která je spojena se vznikem a obnažením dalších fenolických skupin, které jsou FC činidlem indikovány (např. polymerní kyselina tříslová, což je komerční hydrolyzovatelný tanin, totiž dává velmi podobné výsledky absorbance při stejné koncentraci jako monomerní kyselina gallová při reakci s FC činidlem, takže i když je poměr jejich molárních hmotností zhruba 10:1, není v polymerní kyselině tříslové dost volných fenolických skupin k reakci s činidlem). 8. Závěr Experiment ukázal, že výlisky z modré révy, které jsou bohatým zdrojem antokyanů a kondenzovaných taninů, jsou dobře použitelné jako barvivo pro přírodní vlákna a že si navíc zachovávají velmi dobrou schopnost likvidovat volné radikály, které vznikají v kůži při kontaktu s UV zářením. Problematická nízká světlostálost textilií barvených antokyany [8] [9] vede k myšlence využít tyto látky spíše jako indikátory určité limitní dávky UV záření. Textilie byly barveny odděleně slupkami a peckami pro zvýraznění odlišného chování látek, které jsou v těchto částech révy obsaženy, ale pokud nabarvíme textil neseparovanými výlisky, aplikujeme tak na textilní vlákna celý komplex polyfenolů, jejichž vlastnosti budou mít synergický efekt: taniny jako mořidlo zvýší množství antokyanů sorbovaných na vlákno a tím zároveň vzroste světelná stálost této tkaniny. Přestože důvodem k barvení textilií révovými výlisky je spíše snaha o využití přírodního barviva z odpadního materiálu než požadavek na antioxidační vlastnosti tohoto barviva, je dobré si uvědomit, že v případě rostlinných barviv obecně získáváme ještě přidanou hodnotu v podobě biogenních účinků přírodních látek, ať je to antimikrobiální nebo hojivý účinek nebo např. schopnost likvidovat volné radikály, jako je tomu u polyfenolů z révy.

8 Poděkování Tato práce vznikla díky podpoře SGS projektu č na Fakultě textilní Technické univerzity v Liberci. Použitá literatura: [1] Zhi-Cai Xing et al.: In vitro assessment of antibacterial activity and cytocompatibility of quercetincontaining PLGA nanofibrous scaffolds for tissue engineering. Journal of Nanomaterials (2012), p.1-7 [2] on line < cit [3] Cheynier, V. et al.: The Structures of Tannins in Grapes and Wines and Their Interactions with Proteins. Wine: ACS Symposium Series, 661/8 (2007), Washington DC, p [4] Schofield, P. et al.: Analysis of condensed tannins: a review. Animal Feed Science and Technology 91 (2001), p [5] Koyama, K. et al.: Light quality affects flavonoid biosynthesis in young berries of Cabernet Sauvignon grape. Phytochemistry 78 (2012), p [6] Wrolstad, R.E. et al.: Handbook of Food Analytical Chemistry: Pigments, Colorants, Flavors, Texture, and Bioactive Food Components. Wiley-Instercience, 2005, p and [7] Wootton-Beard, P.C et al.: Stability of the total antioxidant capacity and total polyphenol content of 23 commercially available vegetable juices before and after in vitro digestion measured by FRAP, DPPH, ABTS and Folin Ciocalteu methods. Food Research International, 44/1 (2011), p [8] Bechtold, T. et al.: Anthocyanin dyes extracted from grape pomace for the purpose of textile dyeing..journal of the Science of Food and Agriculture 87 (2007), p [9] Krizova, H., Wiener, J.: Colour changes and instability of anthocyanins. ACC Journal XVIII, A/1 (2012), p Summary The aim of this work was to verify the functionality of dyes extracted from blue grape pomace and sorbed on wool fabric. These polyphenolic substances (in particular anthocyanins and tannins) have significant biochemical effects, including antioxidant ones able to destroy free radicals. There were examined changes occurring in this complex of polyphenols after exposure of wool fabrics to UV radiation. Polyphenols content was measured before and after exposure to UV radiation and simultaneously determined changes in their antioxidant effect. It was found out that despite the very low light stability of coloured anthocyanins - even after 24 hour exposure to UV radiation the high content of total polyphenols was maintained and especially did not occur any significant change in their ability to quench free radicals.