基于二次通用旋轉(zhuǎn)組合的沙棘天然染料提取工藝優(yōu)化

佟澤毅，徐 紅

（新疆大學(xué)紡織與服裝學(xué)院，新疆烏魯木齊 830001）

沙棘多生長于我國的西部地區(qū)，是一種落葉灌木，特性是耐旱、抗風(fēng)沙［1-4］。據(jù)統(tǒng)計，1992年我國沙棘覆蓋面積已經(jīng)達(dá)到1 700 多萬畝，而且每年以大約100 萬畝迅速遞增，如何開發(fā)利用如此龐大的資源，已成為重要的研究課題［5-7］。從沙棘果實中提取脂溶性色素，并運用到紡織染整，可以合理地利用天然染料，滿足人們對天然染料的需求。

1 實驗

1.1 材料及儀器

材料：沙棘果漿（新疆慧華沙棘生物科技有限公司），95%乙醇。儀器：JA2003N電子天平（上海佑科儀器儀表有限公司），電熱恒溫水浴鍋（北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司），UV759S 紫外可見分光光度計（上海精科實業(yè)有限公司），循環(huán)水式真空泵。

1.2 色素提取工藝

沙棘果漿水浴浸提→離心→抽濾→沙棘黃色素提取液。

1.3 單因素實驗

由于目前還沒有測試天然色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)，本實驗依據(jù)食品添加劑準(zhǔn)則規(guī)定，用吸光度變化來衡量色素提取的效果。經(jīng)過測試可知，沙棘黃色素在448 nm 處有最大吸光度，用紫外可見分光光度計在448 nm處測定吸光度。

1.3.1 料液比

準(zhǔn)確稱量6份2.000 g沙棘原漿，加入95%的乙醇溶液，調(diào)節(jié)料液比，在水浴環(huán)境下浸提1 h，溫度為60 ℃，浸提后進行抽濾，吸取上層清液5 mL 定容至10 mL容量瓶，測定吸光度。

1.3.2 浸提溫度

準(zhǔn)確稱量6份2.000 g沙棘原漿，加入95%的乙醇溶液，料液比為1∶25，于不同溫度在水浴環(huán)境下浸提140 min，浸提后進行抽濾，吸取上層清液5 mL 定容至10 mL容量瓶，測定吸光度。

1.3.3 浸提時間

準(zhǔn)確稱量6份2.000 g沙棘原漿，加入95%的乙醇溶液，料液比為1∶25，在水浴環(huán)境下浸提不同時間，溫度為60 ℃，浸提后進行抽濾，吸取上層清液5 mL定容至10 mL容量瓶，測定吸光度。

1.4 二次通用旋轉(zhuǎn)組合實驗設(shè)計

根據(jù)單因素實驗結(jié)果，以料液比（X1）、浸提時間（X2）、浸提溫度（X3）為實驗因子，吸光度（Y）為實驗?zāi)繕?biāo)，設(shè)計3 因素5 水平的二次通用旋轉(zhuǎn)組合實驗，以此得到色素提取的最優(yōu)浸提條件［8-11］，實驗因子及水平見表1。

表1 因素水平編碼表

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 浸提溫度

如圖1所示，隨著浸提溫度的升高，吸光度逐漸增大，這是因為隨著溫度的升高，沙棘黃色素的熱運動加劇，從而使溶解在溶液中的色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大。但是當(dāng)溫度超過80 ℃時，吸光度開始下降。沙棘黃色素的主要成分為類胡蘿卜素（β胡蘿卜素）和黃酮類（黃堿素類），其中β胡蘿卜素為主要成分［12］，吸光度下降的原因可能是溫度上升，β胡蘿卜素的碳鏈生成斷鏈烯烴，所以浸提溫度選擇80 ℃為宜。

圖1 浸提溫度對吸光度的影響

2.1.2 浸提時間

如圖2所示，隨著浸提時間的延長，吸光度逐漸增大，當(dāng)浸提時間超過140 min 后，吸光度急劇下降。因此，浸提時間選擇140 min為宜。

圖2 浸提時間對吸光度的影響

沙棘黃色素中的黃酮類物質(zhì)含有蘆丁和槲皮素等成分，蘆丁為黃色，槲皮素為棕紅色，兩者的結(jié)構(gòu)式如下：

吸光度下降的主要原因為蘆丁的水解反應(yīng)導(dǎo)致色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，具體反應(yīng)如下：

2.1.3 料液比

由圖3可看出，吸光度在料液比1∶25 時達(dá)到最大，超過此水平后，吸光度開始降低，這可能是由于料液比增大，導(dǎo)致乙醇和沙棘黃色素的相溶作用降低，色素提取液的吸光度也隨之降低。所以料液比選擇1∶25為宜。

圖3 料液比對吸光度的影響

2.2 二次通用旋轉(zhuǎn)組合實驗

2.2.1 回歸方程的建立及顯著性檢驗

二次通用旋轉(zhuǎn)組合實驗方案及其結(jié)果見表2。

表2 二次通用旋轉(zhuǎn)組合實驗方案及其結(jié)果

將實驗結(jié)果輸入dps 軟件進行統(tǒng)計分析，得二次回歸方程：Y=0.669 66+0.092 93X1+0.018 89X2+0.17252X3+0.016 56X12+0.053 97X22+0.107 85X32-0.059 40X1X2+0.079 05X1X3-0.092 02X2X3。

從表3可知，回歸方程失擬項檢驗F1=2.424 52＜F0.05（5,5）=5.05，說明失擬項不顯著，未知因素對實驗結(jié)果影響較小。回歸方程顯著性檢驗F2=5.281 88＞F0.01（9,10）=4.94，說明回歸方程顯著，可以用來預(yù)測實驗結(jié)果。單因素中，只有X2不顯著，其余幾個因子的p值均達(dá)到顯著水平。剔除α=0.10顯著水平不顯著的項，簡化后的回歸方程為：Y=0.669 66+0.092 93X1+0.172 52X3+0.107 85X32-0.092 02X2X3。

表3 實驗結(jié)果方差分析表

2.2.2 提取工藝優(yōu)化

本實驗采取頻數(shù)分析法的回歸模型以得到沙棘黃色素的最佳提取工藝［13-16］。

從表4中可以看出，在95%置信區(qū)間內(nèi)，沙棘黃色素提取吸光度大于0.79 的取值范圍分別為0.087～0.693，-0.169～0.451，0.465～1.038，即料液比為1∶25.3～1∶27.1，浸提時間為 138.3～144.5 min，浸提溫度為82.3～85.2 ℃。考慮到實驗的可操作性，將沙棘黃色素提取的最優(yōu)工藝定為：料液比1∶26，浸提時間139 min，浸提溫度83 ℃。在此條件下做3 次平行實驗，得到吸光度的平均值為0.954，與預(yù)測值0.867 較為接近，所以該回歸方程可以應(yīng)用于沙棘黃色素的提取。

表4 各變量的取值分布表

3 結(jié)論

（1）基于單因素研究結(jié)果，采用二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計，以料液比、浸提時間、浸提溫度作為因子，吸光度作為響應(yīng)值，得到沙棘天然染料的提取回歸模型，并對回歸方程和失擬項進行顯著性檢驗，結(jié)果表明模型擬合度較好。

（2）通過頻數(shù)分析法對提取工藝進行優(yōu)化，得到沙棘天然染料的優(yōu)化提取工藝：料液比1∶26，浸提時間139 min，浸提溫度83 ℃。通過驗證實驗發(fā)現(xiàn)實際值與預(yù)測值接近，可以應(yīng)用于沙棘天然染料的提取。