基于均勻設(shè)計的植物防紫外線提取液復(fù)配研究

鄭云龍，王進美，侯 琳，華柄宇，朱 博

(1.西安工程大學 紡織科學與工程學院，陜西 西安 710048； 2.陜西省紡織科學研究院，陜西 西安 710038)

由于全球環(huán)境的惡化，導(dǎo)致人類暴露在過量紫外線輻射下的機會越來越多，遮蔽皮膚是減少紫外線照射的常用方法。棉織物具有透氣性好、手感柔軟、不易起毛起球等優(yōu)點，是常用的服裝原料，但由于其紫外線防護系數(shù)UPF值較低，不足以應(yīng)對日益增多的紫外輻射，因此有必要對棉織物進行防紫外線整理。常用的手段是用防紫外線整理劑對織物進行涂層或浸漬整理。目前市場上銷售的防紫外線整理劑多為化學類物質(zhì)，常見的有金屬、金屬氧化物及其鹽類、TiO2、ZnO、Al2O3、高嶺土、氧化鐵、炭黑、滑石粉、CaCO3和氧化鉛等。這些物質(zhì)大多對環(huán)境及人體有害，紡織業(yè)正在尋找替代品，一些植物提取物已經(jīng)取得較好效果。蘇毅[1]將黃柏和黃連提取液用于純棉織物防紫外線整理，整理后織物的UPF值得到提高。陳莉等[2]將黃柏、大黃和姜黃提取液復(fù)配為防紫外線整理劑并應(yīng)用于棉織物防紫外線整理，整理后，織物的UPF值為312.39，紫外線透過率TUVA為0.43%。王成等[3]將蘆薈應(yīng)用于桑蠶織物防紫外線整理，表明整理后織物具有較高的抗紫外性能和抑菌功能。從植物中提取的防紫外線線整理劑不僅具有優(yōu)異的防紫外線表現(xiàn)，而且對人體皮膚沒有害處。蘇毅[4]研究發(fā)現(xiàn)黃柏、大黃、姜黃、蘆薈等植物體中具有黃酮類化合物、苯環(huán)類化合物和蒽醌類化合物等物質(zhì)，這些物質(zhì)對紫外線有很強的吸收作用。

配方均勻設(shè)計是將配方中各組分的用量在試驗范圍內(nèi)盡可能地均勻分布，以合理選出少量試驗點為目的，利用若干配比不同的試驗得出評價指標與各組分百分比之間的回歸方程，并進一步探尋各組分與評價指標之間存在的內(nèi)在規(guī)律[5]。均勻試驗設(shè)計[6]只考慮試驗點在試驗范圍內(nèi)均勻散布，可以用較少的試驗次數(shù)，安排多因素、多水平的析因試驗，是在均勻性度量下最好的析因試驗設(shè)計方法，應(yīng)用于多因素試驗效果篩選時具有收斂速度快、可以確定數(shù)據(jù)變化規(guī)律，即用較少的試驗點來獲得較多的信息。均勻設(shè)計法廣泛應(yīng)用于國防科技、醫(yī)藥配方、實驗配比等[7]。周麗萍等[8]基于均勻設(shè)計法研究柴胡—黃芩藥對發(fā)揮抗抑郁功效的最佳配伍比例；李穎等[9]利用均勻設(shè)計優(yōu)選麥冬提取工藝。魯靜等[10]利用均勻設(shè)計優(yōu)選淫羊藿多糖的提取工藝。

相關(guān)研究表明綠莧和龍葵含有黃酮類物質(zhì)蘆丁、槲皮素和酚類物質(zhì)沒食子酸[11-14]。本文選取綠莧、龍葵和黃柏3種提取液，利用均勻設(shè)計法進行復(fù)配得到一種天然植物防紫外線整理劑，并將其用于棉織物防紫外線整理，探究防紫外線效果及提取液最佳體積配比。

1 試 驗

1.1 材料和儀器

織物：純棉織物(面密度133.2 g/m2)。

藥品：無水乙醇、硫酸鋁鉀(分析純，天津市大茂化學試劑廠)，去離子水(自制)，沒食子酸標準樣、槲皮素標準樣、蘆丁標準樣(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，小檗堿標準樣、黃柏酮標準樣(北京高科恒輝技術(shù)發(fā)展有限公司),黃柏、龍葵、綠莧(自購)。

儀器：索氏提取器(北京啟文海龍玻璃制品有限公司)，F(xiàn)A1004精密電子天平(上海良平儀器儀表有限公司)，DHZ-D(Ш)循環(huán)水真空泵(鞏義市英峪華玉儀器廠)，DZ-2A型真空干燥箱(天津市泰斯特儀器有限公司)，F(xiàn)W80型高速萬能粉碎機(北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司)，紫外分光光度計(上海菁華科技儀器有限公司)，UV-2000F紫外透射率分析儀(上海藍菲光學儀器有限公司)，SF1-21玻璃反應(yīng)釜(鄭州杜甫儀器廠)，傅里葉變換紅外光譜儀(美國PerkinElmer公司)。

1.2 植物整理劑的提取

將烘干并粉碎至100目的綠莧稱取250 g，每次取5 g綠莧粉末放入索氏提取器中自制的濾紙筒內(nèi)，加入200 mL 60%乙醇并連接好裝置，60 ℃恒溫水浴提取至溶液不變色為止，如此反復(fù)提取完250 g綠莧，采用同樣方法提取龍葵和黃柏，提取完畢用真空抽濾。取部分提取液烘干至粉末。綠莧、龍葵提取物粉末與槲皮素、蘆丁和沒食子酸做傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)分析對比，黃柏提取物粉末與小檗堿、黃柏酮做傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)分析對比。

1.3 純棉織物防紫外線整理工藝

將織物試樣在70 ℃熱水中預(yù)處理10 min，取出擠干水分用明礬進行絡(luò)合處理(浴比1∶50，明礬含量5%)1 h，取出冷水沖洗并烘干，將試樣分別浸漬于60 ℃的復(fù)配植物提取液(浴比1∶50)中3 h。反應(yīng)完成水洗烘干。

1.4 防紫外線性能測試

將整理后的棉織物裁剪為10 cm×10 cm大小，采用UV-2000F紫外透射率分析儀測定織物的紫外線防護系數(shù)UPF、紫外線透過率TUVA和TUVB。

2 均勻設(shè)計分析

2.1 設(shè)計方案

表1 均勻設(shè)計表U7*(74)

表2 U7*(74)使用表

表3 簡化表U7*(72)

表3中第k行第j列的元素記為Ukj,對于每個Ukj計算Ckj，得到C值表，見表4。

表4 C值表

分別計算gkj，Xk1,Xkj,Xks得到試驗配方表UM7(73),如表5所示。其中原布的UPF、TUVA、TUVB分別為17.35、4.96%、6.00%。

gkj=s-jckj，j=1，2；k=1，2,…，n

xk1=1-gk1，k=1，2,…，n

表5 試驗配方UM7(73)

2.2 對UPF進行回歸分析

在配方均勻設(shè)計中，需要對試驗結(jié)果進行回歸分析[15]，通常選用逐步回歸分析法建立線性回歸、二次回歸或三次回歸等數(shù)學模型。根據(jù)試驗結(jié)果，利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件進行回歸分析，由于試驗因素間存在約束條件X1+X2+X3=1，所以只用X1、X22個自變量對y1(UPF)作回歸分析。因為多元線性回歸分析無統(tǒng)計意義(F=4.239 8

y=44.007 179 6+0.002 929 229 326 8X2X2

由于逐步回歸輸出結(jié)果較多，只列出主要結(jié)果，TUVA的二次多項式逐步回歸輸出結(jié)果見表6。

表6 TUVA二次多項式逐步回歸輸出結(jié)果

由表6可知，回歸模型的p=0.010 2，F(xiàn)=16.080 2>F0.05(1,5)=6.61，說明回歸方程顯著，剩余標準差S=3.767 4。其中只有X2X2和X2顯著水平小于0.05，由此可見龍葵對UPF的影響大于綠莧，與測試結(jié)果契合程度較高，所以在單獨考慮體積分數(shù)對UPF的影響時應(yīng)該使龍葵提取液的體積分數(shù)大于綠莧。若采用X1、X2、X3為自變量對y1(UPF)進行回歸分析,考慮各因素顯著水平和最高指標時各因素影響由大到小順序為X2>X1>X3。

2.3 對TUVA進行回歸分析

根據(jù)試驗結(jié)果，利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件進行回歸分析。用X1、X22個自變量對y2(TUVA)作回歸分析。采用多元線性回歸得到的回歸方程為y2=1.969 8+0.004 9X1-0.008 9X2。其中相關(guān)系數(shù)R=0.953 602，決定系數(shù)RR=0.909 356 調(diào)整相關(guān)系數(shù)R′=0.929 534。方差分析表見表7，通徑系數(shù)分析見表8。

臨界值F0.05(2，4)=6.94，F(xiàn)=20.064 3>F0.05(2，4)=6.94，說明回歸方程顯著，剩余標準差S=0.122 8。由表8可以看出，綠莧體積分數(shù)X1對y2(TUVA)的直接作用為0.364 3，通過龍葵體積分數(shù)X2對y2(TUVA)的間接作用為0.404 9，均為正相關(guān)；龍葵體積分數(shù)X2對y2(TUVA)的直接作用為-0.694 0，通過綠莧體積分數(shù)X1對y2(TUVA)的間接作用為-0.212 5，均為負相關(guān)，所以在單獨考慮體積分數(shù)對TUVA的影響時應(yīng)該使龍葵的體積分數(shù)小于綠莧體積分數(shù)。若采用X1、X2、X3為自變量對y2(TUVA)進行回歸分析,通徑系數(shù)分析各因素影響由大到小順序為X1>X2>X3。

表7 方差分析

表8 通徑系數(shù)分析

2.4 對TUVB進行回歸分析

根據(jù)試驗結(jié)果，利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件進行回歸分析。用X1、X22個自變量對y3(TUVB)作回歸分析。因為多元線性回歸分析無統(tǒng)計意義(F=4.1237

表9 TUVB二次多項式逐步回歸輸出結(jié)果

由表9可知，回歸模型的p=0.026 9，F(xiàn)=9.598 6>F0.05(1,5)=6.61，說明回歸方程顯著，剩余標準差S=1 827。其中只有X2X2和X1顯著水平小于0.05，由此可見龍葵對TUVB的影響大于綠莧，與測試結(jié)果契合程度較高，所以在單獨考慮體積分數(shù)對TUVB的影響時應(yīng)該使龍葵的體積分數(shù)大于綠莧。若采用X1、X2、X3為自變量對y3(TUVB值)進行回歸分析,考慮各因素顯著水平時各因素影響由大到小順序為X3>X2>X1，最高指標時各因素影響由大到小順序為X3>X1>X2，所以結(jié)合直觀分析確定各因素對TUVB的影響由大到小順序為X2>X1>X3。

2.5 最優(yōu)方案

由于均勻設(shè)計的本質(zhì)決定了其試驗點充分均勻，所以試驗中最優(yōu)方案離試驗范圍內(nèi)的理論最優(yōu)方案接近，實踐證明，直觀分析法的誤差很小[16]。所以，本文選用由DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對UPF、TUVA、TUVB進行的回歸分析，結(jié)合直觀分析法獲得的最優(yōu)復(fù)配比為綠莧體積分數(shù)19.82%，龍葵體積分數(shù)74.46%，黃柏體積分數(shù)5.72%。

3 綠莧、黃柏和龍葵提取物的紅外光譜分析

3種植物提取物紅外光譜圖如圖1所示。

圖1 綠莧、龍葵和黃柏提取物紅外光譜圖

由圖1(g)～(h)可知： 所制得產(chǎn)品的峰形和小檗堿標準品以及黃柏酮標準品[19]的基本一致,黃柏提取物與黃柏酮標準品在2 973、1 369、1 022 cm-1處的吸收峰相似。由此表明黃柏提取物中含有小檗堿和黃柏酮2種物質(zhì)。

4 結(jié) 論

①綠莧、龍葵和黃柏3種植物經(jīng)傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)分析，3種植物體中均含有可吸收紫外線的成分，其中綠莧和龍葵中含有黃酮類物質(zhì)蘆丁、槲皮素以及酚類物質(zhì)沒食子酸，黃柏含有酮類物質(zhì)黃柏酮和含苯環(huán)類物質(zhì)小檗堿。

②將綠莧、龍葵和黃柏3種植物提取液組成的防紫外線整理劑應(yīng)用于棉織物整理后織物UPF值、TUVA、TUVB均達到了GB/T 18830—2009《紡織品 防紫外線性能的評定》的要求。

③利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對均勻設(shè)計試驗結(jié)果進行回歸分析，結(jié)合直觀分析法得出3種植物提取液作為防紫外線整理劑的最佳復(fù)配體積分數(shù)為綠莧提取液19.82%，龍葵提取液74.46%，黃柏提取液5.72%，采用最佳配比整理后棉織物的UPF為61.02，TUVA為1.39%，TUVB為1.61%。