板栗殼棕色素的超聲波協(xié)同提取及其對羅布麻纖維的染色

張舒亮，韋玲俐，王晨玫孜，劉建華，夏 鑫

(新疆大學 紡織與服裝學院，新疆 烏魯木齊 830046)

隨著人們對美好生活的追求以及對綠色環(huán)保產(chǎn)品的重視，天然色素以其綠色、無毒、衛(wèi)生等優(yōu)勢越發(fā)受到人們的喜愛[1-2]。板栗殼棕色素屬于性質(zhì)穩(wěn)定的黃酮類天然棕色素，不但具有較強的上染能力，還擁有一定的抗氧化抑菌作用，具備環(huán)境兼容性和藥物保健性，與其他植物提取劑相同[3]，在其著色的同時，可使上染物具與該色素相近的藥物保健功能，廣泛應用于食品、紡織等行業(yè)的生產(chǎn)加工[4-6]，故擁有較高的開發(fā)利用價值。

因板栗殼棕色素易溶于水和有機溶劑中，故醇提工藝依然是天然色素的主要提取方式。此外，目前常見的板栗殼棕色素提取方法還有酶提取法、超臨界流體萃取法、溶劑浸提法、超聲波提取法等[7-8]，提取的方式雖多，但實際生產(chǎn)中仍存有不足。超臨界流體萃取法與酶提取法雖然產(chǎn)量較高，但成本花費大或受酶專一性的限制。溶劑浸提法所需溶劑量高，時間較長，堿劑的使用也易帶來水體污染等不良影響。王潔等[9]利用超聲波提取工藝對板栗殼進行2次提取，色素提取率為10.32%，周國燕等[10]采用超聲波協(xié)助提取法，色素提取率為5.94%，2人均利用正交試驗方式對板栗殼棕色素的提取工藝進行了優(yōu)化處理，但優(yōu)化中尚未考慮到試驗因素間的交互關系。此外，板栗殼棕色素對不同自由基展現(xiàn)出不同的抗氧化性能，應采取多種指標對板栗殼棕色素的抗氧化性進行評價[11]。新疆具有諸多野生麻類資源，如羅布麻纖維。羅布麻纖維屬于天然纖維，由于其具有抑菌保健、抗紫外、吸濕導濕等功能，相應的功能性紡織品的開發(fā)正愈發(fā)受到重視[12-13]。羅布麻纖維雖然具有多種良好功效，但作為一種天然植物纖維，在使用過程中也會存在纖維易脆化的問題。

本文采取超聲波協(xié)同提取工藝提取板栗殼棕色素，并利用MatLab 7.0軟件對試驗進行交互正交設計分析，充分考慮提取因素間的交互關系，使優(yōu)水平的選擇更加客觀，色素提取更加充分高效且降低了生產(chǎn)成本。按照最優(yōu)工藝提取后的色素溶液進行較為全面的抗氧化性能測試分析；除此之外，還對羅布麻纖維進行染色，評價了羅布麻纖維染色前后的抗氧化性能和染色效果。通過染色實驗，不僅賦予了羅布麻纖維一定的抗氧化能力，還使其具有了良好的染色效果，為增進其實用價值提供了參考依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 材料、藥品與儀器

材料：羅布麻(山東菏澤紡織有限公司)；板栗殼(市售)。

藥品：無水乙醇、氯化鈉(NaCl)、硫酸亞鐵(FeSO4)、水楊酸、雙氧水(H2O2)、三氯化鐵(FeCl3)、乙酸(均為分析純，采購自麥克林生化科技股份有限公司)；磷酸鹽緩沖液(PBS緩沖液)、1,1—二苯基—2—苦肼基(DPPH)、三吡啶基三嗪(TPTZ)(Sigma公司)。

儀器：SE-750型電動研磨機(速爾粉碎機廠)，JY92-IID超聲波細胞粉碎機(寧波新芝生物科技股份有限公司)，XD-3000B旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(上海賢德儀器有限公司)，電子恒溫水浴鍋BHS型(寧波市鄞州群安實驗儀器有限公司)，721G分光光度計(深圳市科力易翔儀器設備有限公司)，GL124i型電子天平(深圳市林濤儀器有限公司)，UltraScan PRO型測色配色儀(美國Hunter Lab 公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 板栗殼棕色素的提取

將篩選好的板栗殼投放進研磨機中，粉碎3 min后以250 μm的篩子篩取板栗殼粉。取1 g板栗殼粉加入適量的提取劑，用塑料膜為容器封口，以防超聲波處理時溶液飛濺，而后將超聲波處理后的溶液轉(zhuǎn)移進平底燒瓶，放入水浴鍋中加熱提取。提取液經(jīng)過濾后轉(zhuǎn)移進旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，對溶液中的乙醇進行回收，30 min后對提取液進行離心處理，處理時間15 min，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。取1 mL上清液稀釋若干倍，在λ=276 nm處測量其吸光度并計算提取率。

提取工藝主要流程如下：板栗殼→去雜→干燥→粉碎→過篩→超聲波提取→水浴鍋中加熱提取→過濾→旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)→離心→測量吸光度。

1.2.2 交互正交試驗

在工藝優(yōu)化的基礎上，對影響因素超聲波處理時間A、提取時間B、提取溫度C和乙醇體積分數(shù)D進行交互正交試驗設計，交互正交試驗設計的因素和水平見表1。

表1 交互正交試驗設計的因素和水平

1.2.3 抗氧化測試液的制備

按照最佳的板栗殼棕色素提取工藝制備棕色染液，并對羅布麻纖維進行染色，從染色后的羅布麻纖維和未經(jīng)染色的羅布麻纖維中分別取出等量的纖維剪碎，浸泡于50 mL PBS緩沖液中3日，制成待測液。

1.2.4 板栗殼棕色素上染羅布麻纖維

染色工藝流程：將潤濕的羅布麻纖維投入50 ℃的板栗殼色素染液中，浴比1∶50，在染液中浸泡10 min后，以1 ℃/min的速率提高水浴鍋加熱溫度直至設定染色溫度，溫度恒溫15 min后加入1/2量的NaCl，加熱15 min后再次加入1/2量的NaCl，繼續(xù)恒溫加熱15 min后取出，并用蒸餾水清洗3遍。

1.3 測試指標

1.3.1 色素提取率

采用板栗殼色素質(zhì)量濃度C與吸光度A的標準曲線計算溶液的濃度，其回歸方程見式(1)，色素提取率計算見式(2)：

C=0.069 5A-0.000 1R2=0.999 9

(1)

提取率=[CV/(1 000m)]× 100%

(2)

式中：A為吸光度；C為板栗殼色素的質(zhì)量濃度，mg/mL；V為板栗殼提取液的體積，mL；m為板栗殼粉末用量，g。

1.3.2 色素溶液的抗氧化性能

清除羥自由基:分別制備6 mmol/L的FeSO4溶液、6 mmol/L的水楊酸溶液以及質(zhì)量分數(shù)為0.1%的H2O2溶液，在試管中分別加入以上3種溶液及樣品溶液各1 mL，以蒸餾水替代H2O2作為對照組，蒸餾水替代樣品作為空白組，分別在37 ℃水浴中反應30 min，以溶液波長510 nm處作為吸光度測試點。羥自由基的清除率計算見式(3)：

羥自由基清除率=[A0-(Ai-Ai0)]/A0×100%

(3)

式中：Ai為樣品組吸光度，Ai0為對照組吸光度，A0為空白組吸光度。

清除DPPH自由基:將0.003 8 g DPPH用無水乙醇溶解，定容至50 mL,分別取2 mL DPPH溶液和2 mL樣品溶液混合，避光反應30 min后在溶液517 nm處測量其吸光度。DPPH自由基清除率計算見式(4):

DPPH自由基清除率=[A0-(Ai-Ai0)]/A0×100%

(4)

式中：Ai為DPPH與樣品溶液混合液吸光度，Ai0為樣品溶液與無水乙醇混合液的吸光度，A0為DPPH溶液與蒸餾水混合液的吸光度。

總抗氧化能力FRAP值：分別配備0.3 mol/L pH值3.6的乙酸緩沖液，10 mmol/L的TPTZ溶液，20 mmol/L的FeCl3溶液，將以上3種溶液按體積比10∶1∶1混合制成工作液，另配制0.6 mmol/L的FeSO4溶液。將樣品溶液稀釋10倍，取100 μL稀釋后的樣品溶液和100 μL蒸餾水，分別加入2.4 mL工作液，制成樣品組與空白組，再取100 μL FeSO4與2.4 mL蒸餾水混合制成FeSO4標準溶液，分別在37 ℃水浴中加熱10 min，而后在593 nm處測量其吸光度。FRAP值的計算見式(5)：

FRAP值=[(A-A0)/AFeSO4-A0]×500 μmol/L

(5)

式中：A為樣品組吸光度，A0為空白組吸光度，AFeSO4為FeSO4標準溶液吸光度。

1.3.3 表觀深度

啟動測色配色儀，并進行黑白板校正，在D65光源，10°視場下平均測量3次，測量結(jié)束后分別記錄樣品的L*、a*、b*值及K/S值。

2 結(jié)果與分析

2.1 板栗殼棕色素提取工藝優(yōu)化

2.1.1 乙醇體積分數(shù)對色素影響效果

稱取8 g板栗殼粉，均分為8 份，液料比50∶1，分別加入體積分數(shù)為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%和80%的乙醇溶液，設定超聲波處理時間12 min，超聲功率300 W，提取溫度80 ℃，提取時間90 min。提取結(jié)束后過濾，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器蒸發(fā)30 min，離心處理測量吸光度。乙醇體積分數(shù)對板栗殼提取效果的影響結(jié)果如圖1所示。

圖1 乙醇體積分數(shù)對板栗殼提取效果影響

由圖1可知，在此條件下，乙醇體積分數(shù)對色素提取效果影響較為顯著。乙醇體積分數(shù)在40%～50%時提取效果較佳，當水與有機溶劑處于合理配比時，可使板栗色素極大程度溶出。

2.1.2 超聲功率對色素影響效果

稱取6 g板栗殼粉，均分為6份，液料比50∶1，之后加入體積分數(shù)為40%的乙醇溶液，設定超聲波處理時間12 min，超聲波功率分別為100、200、300、400、500和600 W，提取溫度80 ℃，提取時間90 min。提取結(jié)束后過濾，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器蒸發(fā)30 min，離心處理測量吸光度。超聲功率對板栗殼提取效果影響結(jié)果如圖2所示。

圖2 超聲波功率對板栗殼提取效果影響

由圖2可知，在此條件下，超聲功率在低于300 W時對色素提取效果影響較為明顯，300～400 W時提取效果達到最佳，且變化趨勢較小，說明板栗殼中的植物細胞被充分破碎，傳質(zhì)效果顯著提高。

2.1.3 超聲波處理時間對色素影響效果

稱取6 g板栗殼粉，均分為6份，液料比50∶1，之后加入體積分數(shù)為40%的乙醇溶液，設定超聲波處理時間分別為4、8、12、16、20和24 min，超聲波功率為300 W，提取溫度80 ℃，提取時間90 min。提取結(jié)束后過濾，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器蒸發(fā)30 min，離心處理測量吸光度。超聲波處理時間對板栗殼提取效果影響結(jié)果如圖3所示?？芍?，在此條件下，超聲波處理時間在12～16 min時色素的提取率上升顯著，到達16 min后提取效果幾近最優(yōu)，隨著時間的延長吸光度略有下降，可能是超聲波處理時間過長，導致溶液溫度過高，致使天然色素分解。

圖3 超聲波處理時間對板栗殼提取效果影響

2.1.4 提取溫度對色素影響效果

稱取5 g板栗殼粉，均分為5份，液料比50∶1，之后加入體積分數(shù)為40%的乙醇溶液，設定超聲波處理時間為12 min，超聲波功率為300 W，提取溫度分別為20、40、60、80和100 ℃，提取時間90 min。提取結(jié)束后過濾，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器蒸發(fā)30 min，離心處理，測量吸光度。提取溫度對板栗殼提取效果影響結(jié)果如圖4所示?？芍诖藯l件下，低溫狀態(tài)中板栗殼色素的傳質(zhì)效率較低，故板栗殼的色素提取應在較高溫度下進行，溫度達80 ℃后體現(xiàn)出較好的提取效果，而過高溫度則易導致使溶劑中的乙醇揮發(fā)，對試驗結(jié)果略有影響。

圖4 提取溫度對板栗殼提取效果影響

2.1.5 提取時間對色素影響效果

稱取6 g板栗殼粉，均分為6 份，液料比50∶1，之后加入體積分數(shù)為40%的乙醇溶液，設定超聲波處理時間為12 min，超聲波功率為300 W，提取溫度為80 ℃，提取時間分別為20、40、60、80、100和120 min。提取結(jié)束后過濾，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器蒸發(fā)30 min，離心處測量吸光度。提取時間對板栗殼提取效果影響結(jié)果如圖5所示。 可知，在此條件下，提取時間對色素的提取效果影響較大，尤其在60～100 min時間段內(nèi)溶液吸光度提升顯著，在100 min左右達到較為理想的提取效果，隨著時間的增加，溶液吸光度略微提高。

圖5 提取時間對板栗殼提取效果影響

2.2 交互正交試驗

在單因素實驗基礎上，按照交互正交試驗的設計方法，采用MatLab 7.0版軟件對色素提取中4個相關因素超聲波處理時間A、提取時間B、提取溫度C及乙醇體積分數(shù)D進行因素水平設計，并對測試數(shù)據(jù)進行相關分析。正交試驗方案及試驗結(jié)果分析見表2。

表2 正交試驗方案及試驗結(jié)果分析表

根據(jù)表2可知，隨著超聲波處理時間、提取時間、提取溫度的增加，溶液吸光度也隨之提高，而乙醇體積分數(shù)的增加則使溶液吸光度降低。根據(jù)極差分析能夠看出，按影響提取效率重要程度，因素排序依次為超聲波處理時間、提取時間、提取溫度、乙醇體積分數(shù)，且各因素的交互作用程度均高于乙醇體積分數(shù)，故乙醇體積分數(shù)的最優(yōu)選擇應參考二元表(表3)。由表3可知，C2D1試驗標值最高，且D因素的優(yōu)水平也是D1，故乙醇體積分數(shù)的最優(yōu)水平應為1水平。綜上所述，本試驗的最優(yōu)水平組合為A2B2C2D1。

表3 各因素間的二元表

根據(jù)交互正交試驗方差分析表(表4)可知，超聲波處理時間對色素提取率有著非常顯著的影響，提取時間和提取溫度有較顯著的影響，而乙醇體積分數(shù)對色素提取率影響較小，屬于次要因素，這與極差分析結(jié)果一致。

表4 交互正交閉幕試驗方差分析表

2.3 色素提取次數(shù)試驗

試驗的提取次數(shù)對色素的總提率有較大影響，且由分次提取率的變化可分析不同工藝的提取效率。采用超聲波最優(yōu)提取工藝將板栗殼粉提取5次，分析其提取率的變化，并采用同種工藝，以未做超聲波處理的樣品作為對照組，進行對比試驗分析。試驗結(jié)果見表5。

由表5可知，板栗殼的提取率隨著提取次數(shù)的增加而呈現(xiàn)下降趨勢。與未超聲波處理樣品相比，超聲波處理工藝提取樣的1次提取率提高4.29%，總提取率提高5.20%，分次提取率均高于未超聲波處理樣品，而提取率差異程度隨著提取次數(shù)的增加而減小。樣品進行1次提取時，超聲波處理樣品的提取量占總提量的比率高于未超聲波處理樣2.07%，說明超聲波處理帶來的空泡效應及振動作用能夠有效的提高色素的傳質(zhì)速率，而在后續(xù)的幾次提取中，超聲波處理樣品的提取量占總提量的比率略低于未超聲波處理樣品總提量的占比，說明相比于傳統(tǒng)工藝，超聲波工藝可使色素在一次提取時被充分提取，從而提高生產(chǎn)效率。

表5 提取次數(shù)對色素提取率影響

2.4 色素的抗氧化試驗

為全面探究在最優(yōu)超聲波提取工藝下板栗殼棕色素溶液的抗氧化性能，分別測試其清除羥自由基、清除DPPH自由基及總抗氧化能力，并以相同工藝下未做超聲處理的樣品作為對比樣進行測試和分析。試驗結(jié)果見表6。

表6 色素的抗氧化性能測試結(jié)果

由表6可以發(fā)現(xiàn)，板栗殼提取液具有一定的抗氧化性能，并且對不同自由基體現(xiàn)出不同的抗氧化性能。板栗殼棕色素是一種二氫黃酮類化合物，在其苯環(huán)上3、4、5、7位置上均有一個羥基，這些酚羥基可作為氫的供應體，能夠與自由基進行反應生成半醌式自由基結(jié)構(gòu)，從而發(fā)揮出清除氧自由基的作用。此外，板栗殼棕色素的酚羥基在供氫時，可產(chǎn)生新的低活性多酚自由基，該類自由基經(jīng)芳香核的自旋作用得以穩(wěn)定,阻礙了氧化鏈的進行，達到抗氧化的效果。羥自由基(·OH)的活性較強，以電子轉(zhuǎn)移、脫氫或加成等形式與生物分子進行反應，導致細胞氧化壞死。板栗殼棕色素對其清除效率有限。這是因為在二氫黃酮類化合物中2,3雙鍵被氫化，分子平面結(jié)構(gòu)受到改變, 導致羥基的作用難以發(fā)揮, 形成自由基的穩(wěn)定性下降。板栗殼棕色素對DPPH·自由基展現(xiàn)出較好的清除率，這是由于DPPH·自由基僅有單一電子，易被板栗殼棕色素中酚羥基捕捉，從而體現(xiàn)出較好的清除性能。FRAP總抗氧化能力測試結(jié)果表明，板栗殼棕色素總抗氧化能力優(yōu)異，當加入工作液，溶液的顏色迅速變藍，說明色素可將Fe3+—TPTZ快速還原成Fe2+—TPTZ，體現(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化能力。通過與未超聲波處理樣品進行對比分析可知，色素的含量對抗氧化性能的影響較為明顯，尤其對清除DPPH·自由基的影響最為顯著。

2.5 染色處理對羅布麻纖維的抗氧化性能影響

為探究染色對羅布麻纖維的抗氧化性能影響，按照最佳的板栗殼棕色素提取工藝制備棕色染液，對羅布麻纖維進行染色，分別測試未染色羅布麻纖維及染色羅布麻纖維的清除DPPH·自由基能力與總抗氧化能力。試驗結(jié)果見表7。

表7 羅布麻纖維染色前后的抗氧化性能測試結(jié)果

由表7可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)染色后的羅布麻纖維具有一定的抗氧化性能。未染色樣品的待測液清除DPPH·自由基能力微弱，僅有1.33%，基本不具備清除能力，而染色樣品待測液對DPPH·自由基的清除率已超過50%，作用效果明顯。FRAP總抗氧化能力測試結(jié)果表明，板栗殼棕色素總抗氧化能力優(yōu)異，當染色樣品的待測液加入工作液后，溶液的顏色迅速變藍，而未染色樣品的待測液變色速率較為緩慢，但仍有一定的還原能力，一段時間后溶液變藍。染色樣品的FRAP值較未染色樣品提高一倍有余，說明染色可將具有抗氧化能力的色素結(jié)合于上染纖維中，從而顯著提高纖維的抗氧化能力，尤其對清除DPPH·自由基的影響最為顯著。該性能的提升有利于降低天然纖維氧化脆化現(xiàn)象，延長織物的使用時間，提高使用品質(zhì)。

2.6 染色處理對羅布麻纖維的表觀性能影響

為研究板栗殼棕色素上染羅布麻纖維的的表觀性能，按照最佳的板栗殼棕色素提取工藝制備棕色染液，調(diào)節(jié)染液pH值為5.5，浴比1∶50，在50 ℃對羅布麻纖維進行染色，分別測量未染色羅布麻纖維和染色后的羅布麻纖維的L*、a*、b*值和K/S值，試驗結(jié)果如表8所示。

表8 染色前后對羅布麻纖維表觀性能測試結(jié)果

由表8可知，經(jīng)板栗殼棕色素染色處理的羅布麻纖維較未染色處理的羅布麻纖維的K/S值顯著提高，明度值L*降低，紅綠值a*增加，黃藍值b*增加，結(jié)果表明采用板栗殼棕色素對羅布麻纖維進行上染能夠顯著提高羅布麻纖維的表觀深度，使羅布麻纖維獲得了良好的染色效果。

3 結(jié) 論

①與傳統(tǒng)醇提工藝相比，最優(yōu)超聲波協(xié)同提取工藝可縮短生產(chǎn)時間，減少乙醇的使用量，從而降低生產(chǎn)成本，交互正交試驗證明在物料比為50∶1的情況下，最優(yōu)提取工藝為：乙醇體積分數(shù)35%、超聲波處理時間18 min、超聲波功率300 W、提取時間100 min、提取溫度80 ℃。該條件下板栗殼棕色素的一次提取率可達19.76%，5次總提率為26.67%。

②相比于未超聲波處理的提取工藝，超聲波協(xié)同工藝不但能夠?qū)謇鯕ぷ厣氐囊淮翁崛÷侍岣咧?9.76%，更重要的是可使色素一次提取量占總提量的比率增加2.07%，令生產(chǎn)更加高效。

③經(jīng)最優(yōu)超聲波協(xié)同乙醇提取工藝提取出的色素溶液具有良好的抗氧化性能，對羥自由基的清除率為21.56%，對DPPH·自由基的清除率高達79.29%，總抗氧化性能為98.58 μmol/L。利用最佳提取工藝制備提取液，對羅布麻纖維進行染色，并且比較了染色前后的羅布麻纖維的抗氧化性能和染色效果。結(jié)果表明，染色羅布麻纖維對DPPH的清除率高達51.21%，總抗氧化性能為42.95 μmol/L，表觀深度為2，將具有抗氧化能力的板栗殼棕色素上染羅布麻纖維，不僅可以顯著提高羅布麻纖維的抗氧化能力，同時也使其具有了良好的染色效果。

板栗殼棕色素最優(yōu)超聲協(xié)同提取工藝環(huán)保、節(jié)能、高效，提取液抗氧化性良好，為天然色素應用于食品著色、紡織品印染、醫(yī)藥生產(chǎn)等多方面提供了實驗參考。同時，利用板栗殼棕色素上染羅布麻纖維，賦予了羅布麻纖維良好的抗氧化性能和染色效果。