Anthraquinones from the Fungus Dermocybe sanguinea as Textile Dyes

This study is based on the multidiciplinary approach of using natural colorants as textile dyes. The author was interested in both the historical and traditional aspects of natural dyeing as well as the modern industrial applications of the pure natural compounds. In the study, the anthraquinone compounds were isolated as aglycones from the ectomycorrhizal fungus Dermocybe sanguinea. The endogenous beta-glucosidase of the fungus was used to catalyse the hydrolysis of the O-glycosyl linkage in emodin- and dermocybin-1-beta-D-glucopyranosides. The method, in which 10.45 kg of fresh fungi was starting material, yielded two fractions: 56.0 g of Fraction 1 (94% of the total amount of pigment,) consisting almost exclusively of the main pigments emodin and dermocybin, and 3.3 g of Fraction 2 (6%) consisting mainly of the anthraquinone carboxylic acids. The anthraquinone compounds in Fractions 1 and 2 were separated by one- and two-dimensional thin-layer-chromatography (TLC) using silica plates. 1D TLC showed that neither an acidic nor a basic solvent system alone separated completely all the anthraquinones isolated from D. sanguinea, in spite of the variation of the rations of the solvent components in the systems. Thus, a new 2D TLC technique was developed, applying n-pentanol-pyridine-methanol (6:4:3, v/v/v) and toluene-ethyl acetate-ethanol-formic acid (10:8:1:2, v/v/v/v) as eluents. Fifteen different anthraquinone derivatives were completely separated from one another. Emodin, physcion, endocrocin, dermolutein, dermorubin, 5-chlorodermorubin, emodin-1-beta-D-glucopyranoside, dermocybin-1-beta-D-glucopyranoside and dermocybin, and five new compounds, not earlier identified in D. sanguinea, 7-chloroemodin, 5,7-dichloroemodin, 5,7-dichloroendocrocin, 4-hydroxyaustrocorticone and austrocorticone, were separated and identified on the basis of their Rf-values, UV/Vis spectra and mass spectra. One substance remained unidentified, because of its very low concentration. The anthraquinones in Fractions 1 and 2 were preparatively separeted by liquid-liquid partition, with isopropylmethyl ketone and aqueous phosphate buffer as the solvent system. Advantage was taken of the principle of stepwise pH-gradient elution. The multiple liquid-liquid partition (MLLP) offered an excellent method for the preparative separation of compounds, which contain acidic groups such as the phenolic OH and COOH groups. Due to their strong aggregation properties, these compounds are, without derivatization, very difficult to separate on a preparative scale by chromatographic methods. By the MLLP method remarkable separations were achieved for the components in each mixture. Emodin and dermocybin were both obtained from Fraction 1 in a purity of at least 99%. Pure emodin and dermocybin were applied as mordant dyes to wool and polyamide and as disperse dyes to polyester and polyamide, using the high temperature (HT) technique. A mixture of dermorubin and 5-chlorodermorubin was applied as an acid dye to wool. In these experiments, synthetic dyes were used as references. Experiments were also performed using water extract of the air-dried fungi as dye liquor for wool and silk. The main colouring compounds in the crude water extract were emodin and dermocybin, which indicated that the O-glycosyl linkages in emodin- and dermocybin-1-beta-D-glucopyranosides were broken by the beta-glucosidase enzyme. Apparently, the hydrolysis occurred during the drying of the fungi and during the soaking of the dried fruit bodies overnight when preparing the dyebath. The colour of each dyed material was investigated in terms of the CIELAB L*, a* and b* values, and the colour fastness to light, washing and rubbing was tested according to the ISO standards. In the mordant dyeing experiments, emodin dyed wool and polyamide yellow and red, depending on the pH of the dyebath. Dermocybin gave purple and violet colours. The colour fastness of the mordant-dyed fabrics varied from good to moderate. The fastness properties of the natural anthraquinone carboxylic acids on wool were good, indicating the strength of the ionic bonds between the COO- groups of the dyes and the NH3+ groups of the fibres. In the disperse dyeing experiments, emodin dyed polyester bright yellow and dermocybin bright reddish-orange, and the fabrics showed excellent colour fastness. In contrast, emodin and dermocybin successfully dyed polyamide brownish-orange and wine-red, respectively, but with only moderate fastness. In industrial dyeing processes, natural anthraquinone aglycone mixtures dyed wool and silk well even at low concentrations of mordants, i.e. with 10% of the weight of the fibre (owf) of KAl(SO4)2 and 1 or 0.5% owf of other mordants. This study showed that purified natural anthraquinone compounds can produce bright hues with good colour-fastness properties in different textile materials. Natural anthraquinones have a significant potential for new dyeing techniques and will provide useful alternatives to synthetic dyes.

Tutkimuksessa on haluttu lähestyä luonnon väriaineilla värjäämistä monitieteellisestä näkökulmasta. Kirjoittaja on ollut kiinnostunut luonnon väriaineiden historiasta ja perinteisistä värjäysmenetelmistä sekä puhtaiden luonnon väriaineiden uusista teollisen värjäyksen sovellutuksista. Antrakinonit eristettiin veriseitikistä uudella menetelmällä, jossa käytettin hyväksi sienen omaa beta-glukosidaasi entsyymiä. Entsyymi katalysoi emodiini- ja dermosybiini-1-beta-D-glukosidien O-glykosyylisidoksen hydrolyysiä. Eristysmenetelmällä, jossa lähtöaineena oli 10,45 kg tuoreita sieniä, saatiin kaksi fraktiota: 56,0 g Fraktiota 1 (94 % kokonaispigmenttimäärästä) ja 3,3 g Fraktiota 2 (6 %). Fraktio 1 sisälsi pääosin emodiinia ja dermosybiiniä kun taas Fraktio 2 sisälsi enimmäkseen antrakinonikarboksyylihappoja. Eristettyjen antrakinoniyhdisteiden analysointiin kehitettiin yksi- ja kaksi-dimensionaaliset TLC-menetelmät. Yksi-dimensionaalinen TLC menetelmä osoitti ettei happamalla eikä emäksisellä liuotinsysteemillä pystytty erottamaan kaikkia seoksessa olevia antrakinoniyhdisteitä toisistaan. Siksi kehitettiin kaksi-dimensionaalinen TLC menetelmä, jossa n-pentanoli-pyridiini-metanoli (6:4:3, v/v/v) -seos ja tolueeni-etyyliasetaatti-etanoli-muurahaishappo (10:8:1:2, v/v/v/v) -seos toimivat eluentteina. Kaksi-dimensionaalisella menetelmällä pystyttiin erottamaan viisitoista antrakinoni-yhdistettä toisistaan. Emodiinin, fyskionin, endokrosiinin, dermoluteiinin, dermo-rubiinin, 5-klooridermorubiinin, emodiini-1-beta-D-glukopyranosidin, dermosybiini-1--D-glukopyranosidin and dermosybiinin lisäksi löydettiin viisi aikaisemmin tässä sienessä tunnistamatonta antrakinoniyhdistettä. Nämä olivat 7-klooriemodiini, 5,7-dikloori-emodiini, 5,7-diklooriendokrosiini, 4-hydroksiaustrokortikoni ja austrokortikoni. Yhdisteet karakterisoitiin Rf-arvojen sekä UV/Vis ja massaspektrien avulla. Yksi yhdiste jäi identifioimatta erittäin vähäisen ainemäärän vuoksi. Pigmenttien preparatiivinen eristäminen antrakinoniseoksista Fraktioista 1 ja 2 suoritettiin multippeli neste-neste-partitiolla (MNNP) käyttämällä isopropyylimetyyli-ketonia ja fosfaattipuskuria liuotinsysteeminä. Separoinnissa käytettiin hyväksi puskuri-liuoksen asteittaista pH-gradienttia. MNNP sopi erittäin hyvin separointimenetelmäksi yhdisteille, jotka sisälsivät happamia ryhmiä, kuten fenolisia OH-ryhmiä ja COOH-ryhmiä. Voimakkaan agregaatiotaipumuksensa vuoksi tällaiset yhdisteet on ilman derivatisointia vaikea separoida preparatiivisessa mittakaavaassa kromatografisilla menetelmillä. MNNP:lla saavutettiin hyvä komponenttien erottuminen molemmissa antrakinoniseoksissa. Emodiinin ja dermosybiinin puhtausasteiksi määritettiin 99 %. Puhdasta emodiinia ja dermosybiiniä käytettiin peittaväriaineina villalle ja polyamidille sekä dispersio-väriaineina polyesterille ja polyamidille. Dermorubiinin ja 5-klooridermorubiinin seosta kokeiltiin happovärinä villalle. Puhtailla luonnon yhdisteillä saatujen värjäysten tuloksia verrattiin synteettisillä väriaineilla saatuihin tuloksiin. Villaa ja silkkiä värjättiin myös kuivatuista sienistä eristetyillä väriliemillä. Emodiini ja dermosybiini olivat vesiuutteen pääasialliset väriaineet. Tästä voidaan päätellä, että emodiini- ja dermosybiini-1-beta-D-glukopyranosidien O-glykosyylisidokset olivat katkenneet beta-glukosidaasi entsyymin toimesta sienten kuivausprosessin aikana sekä edelleen liotuksen aikana, kun kuivatuista sienistä valmistettiin värjäysliuosta. Värjättyjen tekstiilien väri määritettiin CIELAB-järjestelmän mukaisina L*, a* ja b* arvoina. Värjättyjen tekstiilien laatua testattiin suorittamalla ISO standardien mukaiset värien valon, hankauksen ja vesipesun kestokokeet. Peittavärjäyskokeissa emodiini värjäsi villan ja polyamidin keltaiseksi tai punaiseksi riipuen siitä oliko värjäysliemen pH noin 4 vai lähellä neutraalia. Dermosybiinillä saatiin peittavärjäyskokeissa sinertäviä ja violetteja värejä. Peittävärjättyjen tekstiilien värinkestot vaihtelivat kohtalaisesta hyvään. Antrakinonikarboksyylihappoilla värjätyn villan värinkestot, erityisesti pesun kestot, olivat hyvät, mikä kertoo väriaineen COO--ryhmän ja kuidun NH3+-ryhmän välisen ionisidoksen voimakkuudesta. Dispersiovärjäystekniikalla emodiini värjäsi polyesterin kirkkaan keltaiseksi ja dermosybiini kirkkaan oranssiksi. Kankaiden värinkestot olivat erinomaisia. Polyamidin värjäys emodiini- ja dermosybiini-dispersioväreillä onnistui hyvin, mutta näytteiden värinkestot olivat ainoastaan kohtalaiset. Kokeet luonnon antrakinoniseoksilla osoittivat, että perinteistä kasvivärjäystä on mahdollista suorittaa käyttämällä hyväksi värjäyskoneita. Kohtuulliset ja joissakin tapauksissa jopa hyvät värinkestot saatiin aikaan kokeissa, joissa alunaa käytettiin 10 % ja muita peitta-aineita vain 0.5–1.0 % värjättävän materiaalin painosta. Tämä tutkimus osoitti, että puhtaista luonnon väriaineista voidaan saada aikaan kirkkaita värejä, joilla on hyvät värinkesto-ominaisuudet erilaisissa tekstiilimateriaaleissa. Luonnon antrakinonit soveltuvat useiden eri materiaalien värjäämiseen eri tekniikoilla ja ne tarjoavat tulevaisuudessa varteenotettavan vaihtoehdon synteettisille väriaineille.