基于均勻設計的植物防紫外線提取液復配研究

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)

由于全球環境的惡化，導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、不易起毛起球等優點，是常用的服裝原料，但由于其紫外線防護系數UPF值較低，不足以應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，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。這些物質大多對環境及人體有害，紡織業正在尋找替代品，一些植物提取物已經取得較好效果。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配為防紫外線整理劑并應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異的防紫外線表現，而且對人體皮膚沒有害處。蘇毅[4]研究發現黃柏、大黃、姜黃、蘆薈等植物體中具有黃酮類化合物、苯環類化合物和蒽醌類化合物等物質，這些物質對紫外線有很強的吸收作用。

配方均勻設計是將配方中各組分的用量在試驗范圍內盡可能地均勻分布，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在規律[5]。均勻試驗設計[6]只考慮試驗點在試驗范圍內均勻散布，可以用較少的試驗次數，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計方法，應用于多因素試驗效果篩選時具有收斂速度快、可以確定數據變化規律，即用較少的試驗點來獲得較多的信息。均勻設計法廣泛應用于國防科技、醫藥配方、實驗配比等[7]。周麗萍等[8]基于均勻設計法研究柴胡—黃芩藥對發揮抗抑郁功效的最佳配伍比例；李穎等[9]利用均勻設計優選麥冬提取工藝。魯靜等[10]利用均勻設計優選淫羊藿多糖的提取工藝。

相關研究表明綠莧和龍葵含有黃酮類物質蘆丁、槲皮素和酚類物質沒食子酸[11-14]。本文選取綠莧、龍葵和黃柏3種提取液，利用均勻設計法進行復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(北京高科恒輝技術發展有限公司),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)，FA1004精密電子天平(上海良平儀器儀表有限公司)，DHZ-D(Ш)循環水真空泵(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)，FW80型高速萬能粉碎機(北京市永光明醫療儀器有限公司)，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，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 ℃熱水中預處理10 min，取出擠干水分用明礬進行絡合處理(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 ℃的復配植物提取液(浴比1∶50)中3 h。反應完成水洗烘干。

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UPF、紫外線透過率TUVA和TUVB。

2 均勻設計分析

2.1 設計方案

表1 均勻設計表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

在配方均勻設計中，需要對試驗結果進行回歸分析[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學模型。根據試驗結果，利用DPS數據處理系統軟件進行回歸分析，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果較多，只列出主要結果，TUVA的二次多項式逐步回歸輸出結果見表6。

表6 TUVA二次多項式逐步回歸輸出結果

由表6可知，回歸模型的p=0.010 2，F=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，與測試結果契合程度較高，所以在單獨考慮體積分數對UPF的影響時應該使龍葵提取液的體積分數大于綠莧。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

根據試驗結果，利用DPS數據處理系統軟件進行回歸分析。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。其中相關系數R=0.953 602，決定系數RR=0.909 356 調整相關系數R′=0.929 534。方差分析表見表7，通徑系數分析見表8。

臨界值F0.05(2，4)=6.94，F=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X1對y2(TUVA)的直接作用為0.364 3，通過龍葵體積分數X2對y2(TUVA)的間接作用為0.404 9，均為正相關；龍葵體積分數X2對y2(TUVA)的直接作用為-0.694 0，通過綠莧體積分數X1對y2(TUVA)的間接作用為-0.212 5，均為負相關，所以在單獨考慮體積分數對TUVA的影響時應該使龍葵的體積分數小于綠莧體積分數。若采用X1、X2、X3為自變量對y2(TUVA)進行回歸分析,通徑系數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 通徑系數分析

2.4 對TUVB進行回歸分析

根據試驗結果，利用DPS數據處理系統軟件進行回歸分析。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計意義(F=4.1237

表9 TUVB二次多項式逐步回歸輸出結果

由表9可知，回歸模型的p=0.026 9，F=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，與測試結果契合程度較高，所以在單獨考慮體積分數對TUVB的影響時應該使龍葵的體積分數大于綠莧。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 最優方案

由于均勻設計的本質決定了其試驗點充分均勻，所以試驗中最優方案離試驗范圍內的理論最優方案接近，實踐證明，直觀分析法的誤差很小[16]。所以，本文選用由DPS數據處理系統對UPF、TUVA、TUVB進行的回歸分析，結合直觀分析法獲得的最優復配比為綠莧體積分數19.82%，龍葵體積分數74.46%，黃柏體積分數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。

4 結 論

①綠莧、龍葵和黃柏3種植物經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蘆丁、槲皮素以及酚類物質沒食子酸，黃柏含有酮類物質黃柏酮和含苯環類物質小檗堿。

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數據處理系統對均勻設計試驗結果進行回歸分析，結合直觀分析法得出3種植物提取液作為防紫外線整理劑的最佳復配體積分數為綠莧提取液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%。