天然綠色棉纖維中黃酮類化合物的最佳提取工藝探究

張亭亭，孫冬陽，徐秋燕，鄔淑芳，何　力，陳益人

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天然綠色棉纖維中黃酮類化合物的最佳提取工藝探究

張亭亭，孫冬陽，徐秋燕，鄔淑芳，何力，陳益人*

（武漢紡織大學 紡織科學與工程學院，湖北 武漢 430200）

為了研究天然綠色棉麻纖維中黃酮類化合物的最佳提取工藝，在單因素實驗的基礎上，利用正交試驗探究不同工藝條件的提取效果，得出超聲波輔助提取天然綠色棉纖維中黃酮的最佳提取工藝為：氫氧化鈉濃度為0.15%，提取溫度70℃，乙醇濃度為50%，料液比為1：40，提取時間為1h，提取功率為500W。并且在所有影響因素中提取溫度的影響最大，其他依次為乙醇濃度，料液比，氫氧化鈉濃度，提取時間，提取功率。

棉纖維；黃酮提取；最佳提取工藝

天然彩棉在加工生產中，無需染色，減少了污水排放對環境造成的污染。在環保方面的巨大優勢，使得天然彩棉制品受到人們的喜愛追捧[1]。然而正因為此，相關問題也隨之而來。目前對天然彩棉和染色棉的鑒別缺乏完善的理論依據和適用于市場的實際鑒別標準，導致很多商家投機取巧，直接將染色棉制品充當天然彩棉制品出售，欺騙消費者，這些問題嚴重阻礙了天然彩棉的進一步發展[2]。由于天然彩色棉和染色棉中黃酮類化合物含量不同，所以可以通過棉纖維中黃酮化合物的含量鑒別天然彩色棉和染色棉。

近幾年，國內外對于超聲波輔助提取植物中提取黃酮類化合物的研究報道很多。利用超聲波的空化、攪拌作用可以破壞植物細胞壁，幫助有效成分的快速釋放，并且與溶劑更快速有效的混合在一起[3]。與耗時耗力的傳統提取方法相比，該方法簡便快捷，效率高。本論文的研究目的是通過一系列的正交實驗得出提取天然綠色棉纖維中黃酮類化合物的最佳提取工藝。

1 實驗材料與方法

1.1 材料與試劑

材料：天然綠色棉纖維（由新疆纖檢局提供）

試劑：石油醚，無水乙醇（國藥集團化學試劑有限公司），以上試劑均為分析純；蒸餾水。

1.2 實驗樣品處理

將天然綠色棉纖維置于60℃下干燥1h，粉碎。稱取8g天然綠色棉纖維（型號：FA2004型電子天平；廠家：上海舜宇恒平科學儀器有限公司），在250ml的圓底燒瓶中，加入150ml沸點為60-90℃的石油醚在80℃恒溫水浴中回流處理8h，抽濾2~3次，置于通風處一段時間以揮發干石油醚，待用。

1.3 超聲波輔助提取操作過程

將浸泡在乙醇中的棉纖維置于超聲波清洗槽(型號：JP-100ST；超聲波頻率40kHZ；內膽尺寸：500×300×200mm；廠商：深圳市潔盟清洗設備有限公司)中。在要求的超聲溫度，超聲時間和超聲功率下輔助提取棉纖維中總黃酮類化合物。超聲完成后，用循環水式抽濾裝置（型號：SHZ-D(III)；功率：180w；工作電源：220v；轉速：2800r/min；內膽尺寸：400×285×420；廠商：鞏義市予華儀器有限責任公司）抽濾2~3次，過濾液轉移至100ml定容瓶中待用。

1.4 脫脂處理對天然綠色棉纖維中黃酮類化合物提取的影響

稱取兩份5g天然綠棉，一份按照步驟1.2用石油醚進行脫脂處理，另一份不經過石油醚處理。分別置于500ml燒杯中，加入250ml、70%乙醇浸泡棉纖維。兩份纖維都按照步驟1.3的方法用超聲波輔助提取，其中提取溫度設置為50℃，提取時間60min，提取功率300w。過濾得到提取液，在200-800nm波長下用紫外分光光度計掃描其吸光度。

1.5 天然綠色棉纖維總黃酮類化合物提取液的紫外光譜分析

稱取5g天然綠棉置于500ml燒杯中，加入250ml、70%乙醇浸泡棉纖維。按照步驟1.3的方法用超聲波輔助提取，其中提取溫度設置為50℃，提取時間60min，提取功率300w。過濾得到提取液，在200-800nm波長下用紫外分光光度計掃描200-800nm處的吸光度。分別取過濾后的提取液10毫升和25毫升置于50毫升容量瓶中，用70%乙醇稀釋定容，得到稀釋5倍和2倍的稀釋提取液。在200-800nm波長下掃描其吸光度。

1.6 單因素實驗

采用單因素探究料液比、乙醇濃度、提取溫度、提取功率、提取時間、氫氧化鈉濃度共5個因素，每個因素各5個水平對超聲波輔助乙醇提取天然綠色棉纖維中黃酮提取的影響。

1.6.1 料液比對黃酮類化合物提取的影響

固定乙醇濃度70%，提取溫度50℃，提取功率300W，提取時間30min，氫氧化鈉濃度0.15%，料液比如表1所示。

表1 不同料液比下的提取工藝

1.6.2 乙醇濃度對黃酮提取的影響

固定料液比1：50，提取溫度50℃，提取功率300W，提取時間30min，氫氧化鈉濃度0.15%，乙醇濃度如表2所示。

表2 不同乙醇濃度下的提取工藝

1.6.3 提取溫度對黃酮提取的影響

固定乙醇濃度70%，料液比1：50，提取功率300W，提取時間30min，氫氧化鈉濃度0.15%，提取溫度如表3所示。

表3 不同提取溫度下的提取工藝

1.6.4 提取功率對黃酮提取的影響

固定乙醇濃度70%，提取溫度50℃，料液比1：50，提取時間30min，氫氧化鈉濃度0.15%，提取功率如表4所示。

表4 不同提取功率下的提取工藝

1.6.5 提取時間對黃酮提取的影響

固定乙醇濃度70%，提取溫度50℃，提取功率300W，料液比1：50，氫氧化鈉濃度0.15%，提取時間如表5所示。

表5 不同提取時間下的提取工藝

1.6.6 氫氧化鈉濃度對黃酮提取的影響

固定乙醇濃度70%，提取溫度50℃，提取功率300W，提取時間30min，料液比1：50，氫氧化鈉濃度如表6所示。

表6 不同氫氧化鈉濃度下的提取工藝

1.7 正交實驗

通過單因素實驗發現，提取功率的變化對提取效果的影響幾乎可以忽略，因此該因素不參與正交實驗的討論中。同時也發現，從各個單方面因素來說，以下水平下的提取效果非常不理想，分別為：提取溫度為30℃時，乙醇濃度為90%時，料液比為1：30時，提取時間70min時，氫氧化鈉濃度為0.11%時。因此這些因素下的水平不參與正交實驗的設計。綜上所述，五因素四水平正交實驗方案如表7所示。

表7 五因素四水平正交試驗表

1.8 重復性實驗

為了驗證實驗結果的穩定性及是否具有重現性，往往會對該實驗進行多次重復驗證。相對標準偏差(RSD，relative standard deviation)通常可以用來表示測試結果的穩定性。其計算公式為相對標準偏差(RSD)=標準偏差(SD)/計算結果的算術平均值(X)*100%，可通過EXCEL計算得到。在最佳提取方案條件下，進行三次實驗，測試提取液吸光度值，計算出RSD值，若RSD值小于5%，說明該方法精密度好，實驗結果可靠，重復性高，符合含量分析要求。

2 實驗結果與分析

2.1 天然綠色棉纖維中總黃酮類化合物提取液的紫外光譜分析

天然綠色棉纖維黃酮類化合物提取液經稀釋后的紫外光譜圖如圖1所示。

由圖1可知天然綠色棉纖維總黃酮類化合物提取液紫外光譜圖在200-400nm區域均有兩個主要吸收波，而且特征明顯。其中吸收波I為264nm左右；吸收波II為363nm左右，為黃酮類化合物的特征波長。

圖1 天然綠色棉纖維黃酮類化合物提取液的紫外光譜圖

圖2 天然綠色棉纖維脫脂處理前后色素溶液的紫外圖譜

2.2 脫脂處理對天然綠色棉纖維中總黃酮類化合物提取的影響

由圖2分析可知，經石油醚處理天然綠色棉纖維黃酮類化合物提取液的紫外吸收強度大于未經石油醚預處理的天然綠色棉纖維黃酮類化合物提取液的紫外吸收強度，由此可見經石油醚預處理后，大大提高了天然綠色棉纖維中黃酮類化合物的提取效果，分析原因可能為棉纖維表面的臘脂類物質阻礙了棉纖維中黃酮類化合物的浸出，而經石油醚浸泡后，棉纖維表面的大部分臘脂物質被除去。

故為了盡可能提高天然綠色棉纖維中黃酮的提取效率，本實驗后續實驗過程中的天然綠色棉纖維均按照實驗步驟1.2對天然綠色棉纖維采用石油醚進行預處理。

2.3 單因素實驗結果分析

2.3.1 料液比對黃酮提取的影響

其他提取條件相同時，各個料液比條件下得到的天然綠棉纖維中黃酮提取液的吸光度值如圖3所示所示。

圖3 料液比對黃酮提取的影響

圖4 乙醇濃度對黃酮提取的影響

結合圖3分析可知，當料液比為1:30時，由于乙醇溶液尚未將棉纖維完全浸沒，導致棉纖維中大部分黃酮類化合物沒有被充分提取出來，故提取液的吸光度值最小，隨著溶劑量的增加，吸光度值明顯提高，說明黃酮相對含量明顯增加，但在1：40以后吸光度值又明顯下降，這是因為隨著溶劑量的增加，黃酮類化合物相對濃度減小，最終確認料液比1：40為天然綠棉纖維中黃酮類化合物提取的最佳料液比。

2.3.2 乙醇濃度對黃酮提取的影響

其他提取條件相同時，不同乙醇濃度得到的天然綠棉纖維中黃酮提取液的吸光度值如圖4所示。

結合圖4分析可知，乙醇濃度介于10%-70%時，隨著乙醇濃度的增大，吸光度逐漸增大，在70%時吸光度值達到最大，濃度在繼續增加時吸光度值開始下降。推測可能原因為棉纖維中黃酮在不同濃度乙醇溶液中的溶解度不同，當溶劑濃度大于70%時，棉纖維中黃酮溶解度反而減小，大大降低了棉纖維中黃酮的提取效率。最終確認天然綠棉纖維中黃酮提取的最佳乙醇濃度為70%。

2.3.3 提取溫度對黃酮提取的影響

其他提取條件相同時，不同提取溫度下得到的天然綠棉纖維中黃酮提取液的吸光度值如圖5所示。

圖5 提取溫度對黃酮提取的影響

圖6 功率對黃酮類化合物提取效果的影響

結合圖5分析可知，當溫度為30℃，40℃時，吸光度值非常低，說明當溫度較低時，棉纖維中黃酮的提取效果不明顯，伴隨著溫度的不斷升高，吸光度值逐漸增大，且增加趨勢明顯，70℃時吸光度達到最大，即提取效果好，同時也說明在提取溫度達到70℃時，棉纖維中黃酮并沒有遭到破壞。相關文獻指出，在溫度80℃或者更高時會導致黃酮不穩定甚至被破壞導致分解，而且提取溫度過高對實驗操作也帶來不便，因此最終確認提取溫度70℃為天然綠棉纖維中黃酮提取的最佳溫度。

2.3.4 提取功率對黃酮提取的影響

其他提取條件相同時，不同提取功率下得到的天然綠棉纖維中黃酮提取液的吸光度值如圖6所示。

結合圖6分析可知，提取功率介于200-500w時，隨著功率的增加吸光度值有所提升，但趨勢不明顯，500w時吸光度達到最大，500w之后吸光度反而開始下降。最終確認功率500W為天然綠棉纖維中黃酮的最佳提取功率。

2.3.5 提取時間對黃酮提取的影響

其他提取條件相同時，不同提取時間下得到的天然綠棉纖維中黃酮提取液的吸光度值如圖7所示。

圖7 提取時間對黃酮提取的影響

圖8 氫氧化鈉濃度對黃酮類化合物提取效果的影響

結合圖7分析可知，時間介于30-50min時，伴隨著時間的延長吸光度值不斷上升，50min時吸光度值達到最大，但隨著時間的繼續延長，吸光度反而減小。這主要是因為隨著時間延長，越來越多的黃酮與乙醇-水分子結合而被提取出來，因此效率增高。超聲時間進一步延長（超過1.0h），黃酮可能會遭到破壞，致使提取效率降低。最終確認提取時間50min為天然綠棉纖維中的最佳提取時間。

2.3.6 氫氧化鈉濃度對黃酮提取的影響

其他提取條件相同時，不同氫氧化鈉濃度下得到的天然綠棉纖維中黃酮提取液的吸光度值如圖8所示。

結合圖8分析可知，氫氧化鈉濃度在0.11%-0.15%之間，隨著氫氧化鈉濃度的增大，吸光度逐漸增大，在0.15%時吸光度達到最大，0.15%以后吸光度反而減小。最終確認氫氧化鈉濃度0.15%為天然綠棉纖維中黃酮的最佳濃度。

2.4 正交實驗結果及分析

正交實驗結果如表8所示。

表8 五因素四水平正交實驗結果

根據表8數據結果可以得出超聲波輔助乙醇提取天然綠棉纖維中黃酮的最佳提取組合為A4B3C1D4E2，在此基礎上的吸光度為1.239。通過極差分析可以更具體的得出影響超聲波輔助乙醇法提取天然綠棉纖維中黃酮提取效果的主次因素為：因素A（溫度）>因素B（乙醇濃度）>因素C(料液比)>因素E（氫氧化鈉濃度）>因素D(提取時間)。而在因素A中四個水平的提取效果比較中，水平A4最好，即提取溫度為70℃；在因素B中四個水平的提取效果比較中，水平B3最好，即乙醇濃度為50%；在因素C四個水平的提取效果比較中，水平C1最好，即料液比為1：40；在因素D四個水平的提取效果比較中，水平D4最好，即提取時間60min；在因素E四個水平的提取效果比較中，水平E2最好，即氫氧化鈉濃度為0.15%。在已知最佳提取方案A4B3C1D4E2條件下，進行三次棉纖維中黃酮提取實驗，得到天然綠棉纖維中黃酮提取液的吸光度值分別為1.238，1.205，1.224，RSD值為1.36%，遠小于5%，說明該實驗結果穩定。

3 結論

（1）實驗表明經石油醚脫脂處理后，棉纖維中黃酮類化合物的提取效率大大提高。

（2）單因素實驗結果分析表明，天然綠棉纖維中黃酮類化合物提取的最佳料液比為1:40，最佳乙醇濃度為70%，最佳提取溫度為70℃，最佳提取功率為500W，最佳提取時間為50min，最佳氫氧化鈉濃度為0.15%

（3）正交實驗結果分析表明，提取溫度對實驗結果的影響最大，其他依次為乙醇濃度，料液比，氫氧化鈉濃度，提取時間，提取功率。可以得出超聲波輔助乙醇提取天然綠棉纖維中黃酮的最佳提取組合為提取溫度70℃、乙醇濃度50%、提取時間60min；料液比1：40、氫氧化鈉濃度0.15%。通過重復試驗證明，該實驗結果穩定可靠。

[1] 劉芳．天然彩色棉與染色棉鑒別方法究[D]．上海：東華大學，2008．

[2] 胡伯陶．淺議天然彩色棉的色彩及其產品加工中的幾個問題[J]．棉紡織技術，2002，(05).

[3] 馬厲芳，吳春霞，阿不都拉·阿巴斯，等．超聲波提取紫草葉中總黃酮的工藝研究[J]．食品科學，2007，28(10)：275-278．

Study on the Optimization of Extraction Technology of Flavonoids from Naturally Green Cotton

ZHANG Ting-ting, SUN Dong-yang, XU Qiu-yan, WU Shu-fang, HE Li, CHEN Yi-ren

(School of Textile Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China）

In order to study the optimum extraction technology of flavonoid compounds in natural green cotton, in this study, based on the single factor experiment. The effect of multiple variables on ultrasonic assisted extraction (UAE) of total flavonoid compound (TFC) from naturally green cotton using orthogonal array design was investigated. Five variables, including the liquid-solid ratio, ethanol concentration, extraction temperature, extraction time, sodium hydroxide concentration were selected as the main factors, and each factor was studied at four levels. An index, the absorbance value of 264nm was used to evaluate the effect of different extraction scheme on the extraction of naturally green fiber TFC. The result showed that the optimum UAE condition in this study were found to be A,B,C,D,E for 1:40 liquid-solid ratio, 50% ethanol concentration, 70℃ extraction temperature, 1h extraction time, 0.15% sodium hydroxide concentration. And the range analysis revealed that the extraction efficiency is influenced mostly by ultrasonic temperature, and then followed by ethanol concentration, the liquid-solid ratio, sodium hydroxide concentration, ultrasonic time.

natural colored cotton; the flavonoid compound’s extraction; the optimization technology

TS102.2

A

2095－414X(2017)03－0035－07

陳益人（1964-），女，教授，研究方向：紡織品設計及檢驗.