超聲波輔助浸提蘇木色素及其穩(wěn)定性研究?

李佳茜 祁憶青

（南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 南京 210037）

蘇木（Caesalpinia sappanLinn.）又名蘇枋、紅柴，是我國傳統(tǒng)植物染料之一，屬紅色系，分布于我國臺灣、四川、廣西等地[1]，被廣泛用于各種天然纖維面料的染色。作為一種具有藥用特性的天然植物染料，蘇木色素的提取[2]、染色應(yīng)用[3-4]以及色牢度提升[5]得到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。趙志軍等[6]研究發(fā)現(xiàn)，蘇木色素在不同酸堿度、金屬離子作用下，或與不同種類的天然染料搭配使用時(shí)，可以派生出黃、棗紅、紫紅、紅褐、紅黑等多種色澤，極大豐富天然染料的色譜。楊艷鳳等[7]發(fā)現(xiàn)，超聲波輔助技術(shù)可以有效降低蘇木染液上染棉織物的溫度要求，且協(xié)同元明粉和明礬可以有效提高上染率和色牢度。此外，蘇木本身具有良好的解血破瘀、殺菌抗癌、保護(hù)神經(jīng)系統(tǒng)等藥理活性，染色的同時(shí)其藥效分子對人體具有保健效果[8-10]。

蘇木提取工藝多采用熱水或溶劑浸提，但耗時(shí)長、且耗費(fèi)溶劑[11-12]。目前，超聲波技術(shù)已用于多種植物色素的提取，該方法可以有效提高溶劑對材料的滲透性，可高效浸提有效成分[13-16]。蘇木中的主要成分如蘇木素等，化學(xué)結(jié)構(gòu)多酚羥基，其提取物在水中溶解性較好[17-19]。本文利用超聲波輔助浸提技術(shù)提取蘇木色素，探究提取溫度、料液比、提取時(shí)間、超聲功率對蘇木色素吸光度值的影響，并通過正交試驗(yàn)優(yōu)化提取工藝，探究在最優(yōu)提取條件下蘇木色素提取液的穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 材料

蘇木（Caesalpinia sappanLinn.），先清潔蘇木表面，然后在電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)60 ℃烘至恒重，再用破壁機(jī)作粉碎處理，過60目篩，得到蘇木粉，密封后避光常溫保存。

1.2 設(shè)備

電子天平（FA2004，0.001 g），上海精密儀器有限公司；紫外可見分光光度計(jì)（HITACHI U-3900），日本株式會社日立高新技術(shù)科學(xué)；超聲波清洗機(jī)（JP-080ST），深圳市潔盟清洗設(shè)備有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱（101-3ES），上海一恒科學(xué)儀器有限公司；破壁機(jī)（JYL-Y15），九陽股份有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 蘇木色素最大吸收波長的確定

準(zhǔn)確稱取0.2 g蘇木粉，按照料液比1∶50加入純水，在60 ℃下，以240 W超聲波浸提30 min后，趁熱抽濾得到提取液。再用純水稀釋定容，在260～700 nm范圍內(nèi)進(jìn)行波長掃描，得到蘇木色素提取液的吸收光譜，確定最大吸收波長。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

采用單因素試驗(yàn)，對比分析提取溫度、料液比、提取時(shí)間、超聲功率4個(gè)自變量對蘇木色素吸光度的影響。

1) 提取溫度對色素吸光度的影響

準(zhǔn)確稱取6份0.2 g蘇木粉，按照料液比1∶50加入純水，分別在30、40、50、60、70、80 ℃條件下，以240 W超聲波浸提30 min，趁熱抽濾得到蘇木提取液，并用純水定容稀釋，測試539 nm處的吸光度值。

2) 料液比對色素吸光度的影響

準(zhǔn)確稱取6份0.2 g蘇木粉，分別按照料液比1∶20、1∶30、1∶40、1∶50和1∶60加入純水，在60 ℃、240 W超聲波條件下浸提30 min，趁熱抽濾得到蘇木提取液，并用純水定容稀釋，測試539 nm處的吸光度值。

3) 提取時(shí)間對色素吸光度的影響

準(zhǔn)確稱取6份0.2 g蘇木粉，按照料液比1∶50加入純水，在60 ℃、240 W超聲波條件下，分別浸提10、20、30、40、50、60 min，趁熱抽濾得到蘇木提取液，并用純水定容稀釋，測試539 nm處的吸光度值。

4) 超聲功率對色素吸光度的影響

準(zhǔn)確稱取6份0.2 g蘇木粉，按照料液比1∶50加入純水，在溫度60 ℃條件下，分別以60、120、180、240、300、360 W超聲波浸提30 min，然后趁熱抽濾得到蘇木提取液，并用純水定容稀釋，測試539 nm處的吸光度值。

1.3.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于單因素試驗(yàn)結(jié)果分析，以提取溫度、提取時(shí)間、料液比、超聲功率為考察因素，每個(gè)因素設(shè)三個(gè)水平，以539 nm處的吸光度值作為參考指標(biāo)，完成正交試驗(yàn)L9（34），進(jìn)一步優(yōu)化超聲波輔助提取蘇木色素工藝，各因子及水平設(shè)置如表1所示。

表1 正交因素水平表Tab.1 Factors and levels of orthogonal

1.3.4 蘇木色素的穩(wěn)定性研究

1） 光照對蘇木色素穩(wěn)定性的影響

在不同光照條件下對蘇木色素穩(wěn)定性進(jìn)行探究。取3份20 mL蘇木色素提取液置于燒杯中，并將燒杯分別放置在室外自然光、室內(nèi)光照和黑暗條件下，每隔1 h取樣1 mL純水稀釋定容，連續(xù)測量6次，得到不同光照條件下蘇木色素提取液在539 nm處的吸光度值。

2） 溫度對蘇木色素穩(wěn)定性的影響

在不同溫度的恒溫水浴條件下對蘇木色素穩(wěn)定性進(jìn)行探究。取4份20 mL蘇木色素提取液置于燒杯中，分別在20、45、60、90 ℃的恒溫水浴鍋中保溫震蕩4 h，在260～700 nm范圍內(nèi)進(jìn)行紫外-可見光譜掃描，得到不同溫度處理下蘇木色素提取液的吸收光譜。

3） pH對蘇木色素穩(wěn)定性的影響

測試蘇木色素在不同pH條件下的穩(wěn)定性。取6份20 mL蘇木色素提取液置于燒杯中，使用冰醋酸和碳酸鈉分別調(diào)節(jié)溶液的pH值為3、5、6、7、9、11，每隔30 min取樣1 mL用純水稀釋定容，在260～700 nm范圍內(nèi)進(jìn)行紫外-可見光譜掃描，得到不同pH條件下蘇木色素提取液的吸收光譜。

2 結(jié)果與分析

2.1 最大吸收波長的確定

由圖1 可知，蘇木色素提取液在260～700 nm范圍內(nèi)出現(xiàn)3 個(gè)特征吸收峰，分別位于紫外光區(qū)域的283 nm及可見光區(qū)域的447 nm和539 nm處，3 個(gè)吸收峰在試驗(yàn)過程中變化情況較為一致，這里選取539 nm作為最大吸收波長。

圖1 蘇木色素的吸收光譜曲線Fig.1 Absorption spectrum curve of sappanwood pigment

2.2 單因素條件對蘇木色素提取效果的影響

2.2.1 提取溫度對色素提取的影響

由圖2 可知，在溫度30～80 ℃內(nèi)，隨著溫度的不斷攀升，蘇木色素提取液的吸光度先增大后逐漸平穩(wěn)。其中，當(dāng)溫度處于30～60 ℃時(shí)，吸光度提升迅速，60 ℃后吸光度漲幅趨于平緩。這是因?yàn)闇囟冗^低時(shí)，蘇木色素在純水中未能充分溶解，隨著溫度繼續(xù)攀升，分子熱運(yùn)動愈加劇烈，蘇木色素在提取溶劑中的擴(kuò)散效率隨之增加，從而使得提取液中的色素含量增加，吸光度變大。而當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃左右時(shí)，蘇木色素已經(jīng)充分溶解于水，因此吸光度的增長趨于平穩(wěn)，繼續(xù)提高溫度，吸光度變化不再顯著。因此選擇60、70、80 ℃三個(gè)水平進(jìn)行后續(xù)正交試驗(yàn)。

圖2 提取溫度對吸光度的影響Fig.2 Influence of extraction temperature on absorbance

2.2.2 料液比對色素提取的影響

由圖3可知，在料液比1∶20～1∶60范圍內(nèi)，隨著提取溶劑的增加，蘇木色素提取液的吸光度先升高后下降，當(dāng)料液比為1∶40時(shí)，吸光度達(dá)到最大值，為3.278。這可能是因?yàn)榻岱ㄊ且约兯鳛槿軇?，通過料液比調(diào)整純水和蘇木粉之間接觸面的大小，溶解提取細(xì)胞腔和細(xì)胞壁上附著的色素分子。在料液比1∶20～1∶40范圍內(nèi)，體系中溶劑相對較少，兩相間的濃度梯度差值微弱，傳質(zhì)推動力較低，色素只能部分溶解，隨著料液比的增大，色素分子溶解度增加，提取效果越好。在料液比1∶40～1∶60范圍內(nèi)，色素充分溶解，提取溶劑趨于飽和，色素分子向溶劑中的擴(kuò)散基本平衡，繼續(xù)擴(kuò)大料液比，新增的溶劑會將原有的提取液進(jìn)行稀釋處理，從而使得吸光度降低[20]。研究選取1∶30、1∶40、1∶50三個(gè)水平用于后續(xù)正交試驗(yàn)。

圖3 料液比對吸光度的影響Fig.3 Influence of material liquid ratio on absorbance

2.2.3 提取時(shí)間對色素提取的影響

由圖4 可知，在時(shí)間10～60 min區(qū)間內(nèi)，蘇木色素提取效果呈先上升后有所下降的趨勢。在超聲時(shí)間為50 min時(shí)，吸光度為3.162，達(dá)到最大值。超聲波的空化效應(yīng)會逐漸破壞木纖維細(xì)胞壁，使得胞間結(jié)合強(qiáng)度下降，溶劑得以借助微小孔隙通道溶解木材細(xì)胞內(nèi)部附著的色素分子。由趨勢圖可以看出，50 min內(nèi)提取液的吸光度增長趨勢極為顯著。提取時(shí)間太短，蘇木色素提取不充分。提取時(shí)間過長則吸光度降低，這可能是因?yàn)槌暡ㄝo助提取色素時(shí)，輔助浸提時(shí)間過長造成色素結(jié)構(gòu)被破壞[21]。研究選擇40、50、60 min三個(gè)水平進(jìn)行后續(xù)正交試驗(yàn)。

圖4 提取時(shí)間對吸光度的影響Fig.4 Influence of extraction time on absorbance

2.2.4 超聲功率對色素提取的影響

由圖5可知，在功率60～240 W區(qū)間內(nèi)，蘇木色素提取液的吸光度不斷升高。超聲波功率為240 W時(shí)，吸光度為2.923，達(dá)到最大值。繼續(xù)提高功率，吸光度呈現(xiàn)下降趨勢。這是因?yàn)樵诔暡ǖ臋C(jī)械波動和熱效應(yīng)共同作用下，植物組織被迅速打破，打開利于色素分子析出的通道，便于色素分子析出，同時(shí)空化作用會增強(qiáng)溶劑穿透力，提高色素分子的運(yùn)動速度，促進(jìn)色素提取進(jìn)程。但功率過大，可能會破壞分解色素結(jié)構(gòu)[22-23]。因此研究選取180、240、300 W作為后續(xù)正交試驗(yàn)的三個(gè)水平。

圖5 超聲功率對吸光度的影響Fig.5 Influence of ultrasonic power on absorbance

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果

在4個(gè)單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，分別設(shè)置（60、70、80 ℃）、料液比（1∶30、1∶40、1∶50）、提取時(shí)間（40、50、60 min）、超聲功率（180、240、300 W），完成L9（34）正交試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Orthogonal test results

由表2中極差R可知，采用超聲波輔助熱水浸提技術(shù)對蘇木色素進(jìn)行提取時(shí)，各因素中對提取效果的影響大小依次為料液比、超聲功率、提取時(shí)間、提取溫度。超聲波輔助提取蘇木色素的最優(yōu)組合為A2B3C2D3，即在超聲功率為300 W，溫度為70 ℃，料液比為1∶50，提取時(shí)間為50 min的條件下，提取效果最好，但其并未出現(xiàn)在正交試驗(yàn)表中，在此條件下經(jīng)3次重復(fù)試驗(yàn)后取平均值驗(yàn)證，其平均吸光度為3.725，優(yōu)于6號的吸光度3.637，因而可認(rèn)定為本試驗(yàn)條件下蘇木色素超聲波輔助浸提的最佳工藝。

2.4 蘇木色素穩(wěn)定性探究

2.4.1 光照對蘇木色素穩(wěn)定性的影響

由圖6可知，不同的光照條件對色素穩(wěn)定性具有不同程度的影響。黑暗避光條件下蘇木色素穩(wěn)定性較好，6 h內(nèi)吸光度從0.327降至0.321，總體變化不大，提取液顏色基本不變。室內(nèi)光照和室外自然光條件下蘇木色素提取液吸光度3 h內(nèi)下降明顯，后呈緩慢下降趨勢。其中，室外自然光條件下蘇木色素提取液變化極為顯著，3 h內(nèi)提取液吸光度由0.457迅速降至0.315，且提取液顏色的橙紅色逐漸變淡。結(jié)果表明，光照對色素穩(wěn)定性影響較大，蘇木色素宜避光保存。

圖6 光照對于蘇木色素穩(wěn)定性的影響Fig.6 Effect of light on stability of Sappanwood pigment

2.4.2 溫度對蘇木色素穩(wěn)定性的影響

由圖7可知，密閉條件下不同溫度的水浴處理對蘇木色素穩(wěn)定性影響程度不同。蘇木色素在60 ℃以下較為穩(wěn)定，60 ℃以上提取液吸光度值漲幅明顯。隨著恒溫水浴時(shí)間的延長，蘇木色素提取液的顏色有所加深，且溫度越高，顏色轉(zhuǎn)變越快。這是因?yàn)楦邷貤l件下色素分子自身能量較高，分子間作用劇烈，導(dǎo)致色素分子穩(wěn)定性變差，蘇木色素中的酚羥基在高溫下更易被氧化[24]。試驗(yàn)表明，蘇木色素在高溫條件下時(shí)間不宜過長，較低溫度下尚能維持穩(wěn)定，隨著溫度的升高其穩(wěn)定性逐漸被破壞。宜在室溫下保存蘇木色素。

圖7 溫度對于蘇木色素穩(wěn)定性的影響Fig.7 Effect of temperature on stability of Sappanwood pigment

2.4.3 pH對蘇木色素穩(wěn)定性的影響

由圖8可知，不同pH條件下，蘇木色素提取液的吸收光譜有所差異。當(dāng)調(diào)節(jié)蘇木提取液pH為3和5時(shí)，溶液僅在紫外光區(qū)域的283 nm處有較強(qiáng)特征峰，且譜圖隨時(shí)間延長基本無變化，說明蘇木色素酸性環(huán)境下穩(wěn)定。當(dāng)蘇木提取液pH為6時(shí)，可見光區(qū)域的特征吸收峰全部顯示出來，且隨時(shí)間的延長，447 nm處的吸光度逐漸減小，539 nm處的吸光度逐漸增大。當(dāng)調(diào)節(jié)蘇木提取液pH為7時(shí)，可見光區(qū)的短波吸收峰消失，長波區(qū)539 nm處的吸光度隨時(shí)間延長呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。當(dāng)調(diào)節(jié)蘇木提取液pH為9和11時(shí)，其吸收譜圖及吸收峰變化趨勢較為一致，539 nm處的吸光度隨時(shí)間延長逐漸降低，且堿性越強(qiáng)，吸光度下降趨勢越明顯。這是因?yàn)樘K木色素在堿性條件下易被氧化，其多羥基苯酚結(jié)構(gòu)中的取代基在不同酸堿條件下受到H+和OH-的影響，發(fā)生—OH和—O—之間的轉(zhuǎn)變，從而引起酸堿變色現(xiàn)象以及吸收光譜形狀的改變[25]。

圖8 pH對于蘇木色素穩(wěn)定性的影響Fig.8 Effect of pH on stability of Sappanwood pigment

3 結(jié)論

1）蘇木色素提取液在260～700 nm掃描波長范圍內(nèi)存在3 個(gè)特征吸收峰，分別位于紫外區(qū)283 nm、可見光區(qū)447 nm和539 nm處。

2） 在單因素試驗(yàn)中，蘇木色素提取液在溫度、料液比、時(shí)間、超聲功率分別為80 ℃、1∶40、 50 min、240 W時(shí)，吸光度達(dá)到最大值。

3）正交試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用超聲波輔助提取蘇木色素在溫度、料液比、時(shí)間、超聲功率分別為70 ℃、1∶50、50 min、300 W時(shí)較佳，此時(shí)吸光度值為3.725。

4）蘇木色素穩(wěn)定性試驗(yàn)表明，蘇木色素光照條件下易褪色，高溫條件下不穩(wěn)定，且對pH反應(yīng)靈敏，因此蘇木色素提取液應(yīng)在較低溫度和酸性條件下避光保存。