基于二次通用旋转组合的沙棘天然染料提取工艺优化

佟泽毅，徐 红

（新疆大学纺织与服装学院，新疆乌鲁木齐 830001）

沙棘多生长于我国的西部地区，是一种落叶灌木，特性是耐旱、抗风沙［1-4］。据统计，1992年我国沙棘覆盖面积已经达到1 700 多万亩，而且每年以大约100 万亩迅速递增，如何开发利用如此庞大的资源，已成为重要的研究课题［5-7］。从沙棘果实中提取脂溶性色素，并运用到纺织染整，可以合理地利用天然染料，满足人们对天然染料的需求。

1 实验

1.1 材料及仪器

材料：沙棘果浆（新疆慧华沙棘生物科技有限公司），95%乙醇。仪器：JA2003N电子天平（上海佑科仪器仪表有限公司），电热恒温水浴锅（北京市永光明医疗仪器有限公司），UV759S 紫外可见分光光度计（上海精科实业有限公司），循环水式真空泵。

1.2 色素提取工艺

沙棘果浆水浴浸提→离心→抽滤→沙棘黄色素提取液。

1.3 单因素实验

由于目前还没有测试天然色素质量分数的标准，本实验依据食品添加剂准则规定，用吸光度变化来衡量色素提取的效果。经过测试可知，沙棘黄色素在448 nm 处有最大吸光度，用紫外可见分光光度计在448 nm处测定吸光度。

1.3.1 料液比

准确称量6份2.000 g沙棘原浆，加入95%的乙醇溶液，调节料液比，在水浴环境下浸提1 h，温度为60 ℃，浸提后进行抽滤，吸取上层清液5 mL 定容至10 mL容量瓶，测定吸光度。

1.3.2 浸提温度

准确称量6份2.000 g沙棘原浆，加入95%的乙醇溶液，料液比为1∶25，于不同温度在水浴环境下浸提140 min，浸提后进行抽滤，吸取上层清液5 mL 定容至10 mL容量瓶，测定吸光度。

1.3.3 浸提时间

准确称量6份2.000 g沙棘原浆，加入95%的乙醇溶液，料液比为1∶25，在水浴环境下浸提不同时间，温度为60 ℃，浸提后进行抽滤，吸取上层清液5 mL定容至10 mL容量瓶，测定吸光度。

1.4 二次通用旋转组合实验设计

根据单因素实验结果，以料液比（X1）、浸提时间（X2）、浸提温度（X3）为实验因子，吸光度（Y）为实验目标，设计3 因素5 水平的二次通用旋转组合实验，以此得到色素提取的最优浸提条件［8-11］，实验因子及水平见表1。

表1 因素水平编码表

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 浸提温度

如图1所示，随着浸提温度的升高，吸光度逐渐增大，这是因为随着温度的升高，沙棘黄色素的热运动加剧，从而使溶解在溶液中的色素质量分数增大。但是当温度超过80 ℃时，吸光度开始下降。沙棘黄色素的主要成分为类胡萝卜素（β胡萝卜素）和黄酮类（黄碱素类），其中β胡萝卜素为主要成分［12］，吸光度下降的原因可能是温度上升，β胡萝卜素的碳链生成断链烯烃，所以浸提温度选择80 ℃为宜。

图1 浸提温度对吸光度的影响

2.1.2 浸提时间

如图2所示，随着浸提时间的延长，吸光度逐渐增大，当浸提时间超过140 min 后，吸光度急剧下降。因此，浸提时间选择140 min为宜。

图2 浸提时间对吸光度的影响

沙棘黄色素中的黄酮类物质含有芦丁和槲皮素等成分，芦丁为黄色，槲皮素为棕红色，两者的结构式如下：

吸光度下降的主要原因为芦丁的水解反应导致色素质量分数降低，具体反应如下：

2.1.3 料液比

由图3可看出，吸光度在料液比1∶25 时达到最大，超过此水平后，吸光度开始降低，这可能是由于料液比增大，导致乙醇和沙棘黄色素的相溶作用降低，色素提取液的吸光度也随之降低。所以料液比选择1∶25为宜。

图3 料液比对吸光度的影响

2.2 二次通用旋转组合实验

2.2.1 回归方程的建立及显著性检验

二次通用旋转组合实验方案及其结果见表2。

表2 二次通用旋转组合实验方案及其结果

将实验结果输入dps 软件进行统计分析，得二次回归方程：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。

从表3可知，回归方程失拟项检验F1=2.424 52＜F0.05（5,5）=5.05，说明失拟项不显著，未知因素对实验结果影响较小。回归方程显著性检验F2=5.281 88＞F0.01（9,10）=4.94，说明回归方程显著，可以用来预测实验结果。单因素中，只有X2不显著，其余几个因子的p值均达到显著水平。剔除α=0.10显著水平不显著的项，简化后的回归方程为：Y=0.669 66+0.092 93X1+0.172 52X3+0.107 85X32-0.092 02X2X3。

表3 实验结果方差分析表

2.2.2 提取工艺优化

本实验采取频数分析法的回归模型以得到沙棘黄色素的最佳提取工艺［13-16］。

从表4中可以看出，在95%置信区间内，沙棘黄色素提取吸光度大于0.79 的取值范围分别为0.087～0.693，-0.169～0.451，0.465～1.038，即料液比为1∶25.3～1∶27.1，浸提时间为 138.3～144.5 min，浸提温度为82.3～85.2 ℃。考虑到实验的可操作性，将沙棘黄色素提取的最优工艺定为：料液比1∶26，浸提时间139 min，浸提温度83 ℃。在此条件下做3 次平行实验，得到吸光度的平均值为0.954，与预测值0.867 较为接近，所以该回归方程可以应用于沙棘黄色素的提取。

表4 各变量的取值分布表

3 结论

（1）基于单因素研究结果，采用二次通用旋转组合设计，以料液比、浸提时间、浸提温度作为因子，吸光度作为响应值，得到沙棘天然染料的提取回归模型，并对回归方程和失拟项进行显著性检验，结果表明模型拟合度较好。

（2）通过频数分析法对提取工艺进行优化，得到沙棘天然染料的优化提取工艺：料液比1∶26，浸提时间139 min，浸提温度83 ℃。通过验证实验发现实际值与预测值接近，可以应用于沙棘天然染料的提取。