紫草天然染料提取工藝優化

張曼寧，柳疆梅，劉慧敏，薛寧寧，單國華

(新疆大學 紡織與服裝學院,新疆 烏魯木齊 830046)

紫草天然染料提取工藝優化

張曼寧，柳疆梅，劉慧敏，薛寧寧，單國華*

(新疆大學 紡織與服裝學院,新疆 烏魯木齊 830046)

通過單因素試驗和正交試驗對紫草天然染料的無水乙醇提取工藝進行了研究。單因素分析結果為浴比1∶20，提取溫度60 ℃，提取時間2h；正交優化工藝為浴比1∶10，提取溫度60 ℃，提取時間90min。同時研究了pH值和存放時間對所提取紫草天然染料的影響，結果表明，紫草天然染料對酸堿比較敏感；染液貯存48h后，紫草染料性質基本保持不變。

紫草；天然染料提取；單因素；正交優化

隨著人們生活水平的提高，合成染料的安全問題受到人們的普遍關注，天然染料的開發和應用成為研究熱點[1]。與合成染料相比，天然染料具有可生物降解性，生態相容性好，無毒或低毒，能賦予織物自然、和諧的顏色。值得注意的是，一些天然染料除具有色素功能外，還具有一些特殊的功能，比如抗氧化、抗菌、抗紫外線等，這些特性為紡織品的生態整理提供了可能[2-7]。因此，開發天然染料對保障人類身心健康，滿足環保需求具有十分重要的意義。

紫草天然染料是從紫草的根中提取的酒紅色色素，主要結構為1，4-萘醌，屬于萘醌系天然染料，對其研究主要集中在抗炎、抗癌、抗免疫低下、降血糖和保肝護肝等方面[8-10]。研究表明，紫草天然染料還有一定的抗菌、抗紫外功能，這為其在紡織品中的應用提供了很好的思路[11-12]。本文主要研究紫草天然染料的提取工藝，為其在紡織品染色及功能整理中的應用提供參考。

1 試驗部分

1.1 材料和儀器

材料 新疆紫草(購于新疆烏魯木齊百草堂大藥房)，無水乙醇(分析純，天津歐博凱化工有限公司)。

儀器DF-101S集熱式磁力攪拌器(金壇市金城碩華儀器廠)，CP153型電子天平(奧豪斯儀器(上海)有限公司)，Y(B)802N型烘箱(溫州大榮紡織儀器有限公司)，UV759S型紫外-可見分光光度計(上海精科)，SHZ-Ⅲ型循環水真空泵(上海亞榮生化儀器廠)，RE-52A旋轉蒸發儀(上海亞榮生化儀器廠)。

1.2 試驗方法

1.2.1 提取劑的選擇

量取5%NaOH溶液、甲醇、50%乙醇、95%乙醇、無水乙醇、正丁醇、正己烷、環己烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、苯、丙酮、吡啶、N,N-二甲基甲酰胺、乙酸乙酯、乙醚、石油醚、1,4-二氧六環各10ml，分別加入0.2g紫草(使用前將紫草粉碎，過120目篩)，常溫浸提24h，觀察浸提現象。

1.2.2 最大吸收波長的確定

稱取1g紫草，利用無水乙醇40 ℃回流提取2h，在400～800nm范圍內測定其吸收光譜，確定其最大吸收波長。

1.2.3 紫草天然染料的提取

稱取1g紫草，用無水乙醇按浴比1∶10～1∶40，在30～70 ℃回流提取1～8h，提取液靜置至室溫，過濾，用無水乙醇沖洗2次，得到減壓濃縮濾液，定容到100ml棕色瓶中，冰箱中保鮮貯存，待測。

1.2.4 吸光度的測定

吸取2ml紫草天然染料提取液，稀釋至適當倍數，用無水乙醇作為參比液，在525nm測定其吸光度，重復3次，求平均值。

1.2.5 提取液穩定性的影響

(1)測試pH對提取液穩定性影響

吸取提取液2ml，在pH值4-10(乙酸或碳酸氫鈉調節)條件下，觀察提取液顏色變化。

(2)測試存儲時間對提取液穩定性影響

將上述提取液放置48h，不同時間間隔下取出，在525nm測定提取液的吸光度。

2 結果與討論

2.1 提取劑的選擇

紫草中含有萘醌色素，這種物質難溶于水，易溶于乙醇、石油醚、氯仿、乙酸乙酯等有機溶劑。表1為紫草天然染料在不同溶劑中的溶解性能。可以看出，紫草在甲醇、95%乙醇、無水乙醇、正丁醇、二氯甲烷、苯、丙酮、1,4-二氧六環和乙酸乙酯中的顏色最深，但由于甲醇、正丁醇、二氯甲烷、苯和丙酮有一定的毒性，同時考慮到無水乙醇可以回收使用，選用無水乙醇作為紫草天然染料的提取溶劑。

表1 紫草天然染料在不同溶劑中的溶解性能

2.2 最大吸收波長的確定

圖1為利用無水乙醇提取的紫草天然染料在400～800nm的吸收光譜。可以看出，在525nm左右時吸光度達到最大值，所以525nm為紫草天然染料的最大吸收波長。

圖1 紫草天然染料無水乙醇提取液的吸收光譜

2.3 單因素分析

2.3.1 浴比對提取效果的影響

40 ℃無水乙醇浸提2h，考察浴比對提取效果的影響，結果見圖2。

圖2 浴比對提取效果的影響

由圖2可知，隨著浴比的增加，吸光度逐漸增加，在1∶20時達到最大值。隨著浴比繼續增加，吸光度趨于平緩。說明在浴比為1∶20時，提取液中色素濃度最大，當浴比超過1∶20后，提取液中色素含量基本不變。

2.3.2 溫度對提取效果的影響

在浴比1∶20條件下，利用無水乙醇浸提2h，考察溫度對提取效果的影響，結果見圖3。

圖3 溫度對提取效果的影響

由圖3可知，吸光度隨著提取溫度的升高而增加，當提取溫度為60 ℃時，吸光度達到最大值，隨著提取溫度的繼續升高，吸光度呈現下降趨勢，說明在60 ℃時提取液中色素濃度最大，當溫度大于60 ℃后，乙醇揮發，不利于色素的提取。

2.3.3 時間對提取效果的影響

在浴比1∶20，溫度60 ℃條件下，利用無水乙醇浸提，考察時間對提取效果的影響，結果見圖4。

圖4 時間對提取效果的影響

由圖4可知，隨著提取時間的增加，吸光度逐漸增加，在2h時，已達到較好的提取效果，考慮到經濟成本和生產效率，最終選擇提取時間為2h。

綜上所述，單因素實驗得出最佳提取工藝為浴比1∶20，提取溫度60 ℃，提取時間2h。

2.4 正交優化

2.4.1 正交試驗設計

為了進一步優化紫草天然染料提取工藝，采用正交方法對紫草提取工藝進行分析和討論。結合單因素分析結果，選用浴比、提取時間和提取溫度3個因素，按L9(34)正交表進行試驗，表2為因素水平設計表。

表2 因素水平表

2.4.2 正交試驗結果

由表3的極差分析結果可知，影響紫草天然染料提取效果的因素主次順序為溫度(A)>浴比(B)>時間(C)，結合各因素的K值分析，得到最佳提取工藝條件為A3B2C1，即提取溫度60 ℃，浴比1∶10，提取時間90min。

3 紫草天然染料穩定性研究

在天然染料的染色應用過程中，pH值對染色效果影響顯著，同時，不同存貯時間的染料對染色效果也有影響，所以考查pH值和貯存時間對紫草天然染料的影響是很有必要的。

3.1pH值對紫草天然染料穩定性影響

表4為不同pH值對紫草天然染穩定性的影響結果。可以看出，隨著pH值的增加，紫草提取液由酸性條件下的酒紅色變為堿性條件下的藍色。這可能是由于紫草天然染料在不同pH條件下，色素結構發生了改變。

表3 正交試驗結果表

表4 pH值對紫草天然染料穩定性的影響

3.2 貯存時間對紫草天然染料穩定性影響

表5為不同貯存時間對紫草提取液穩定性的影響結果。可以看出，紫草天然染料存放2天以后，最大吸收波長沒有發生變化，且吸光度幾乎保持不變，說明紫草天然染料可以滿足染色的需要。

表5 貯存時間對提取液穩定性的影響

4 結論

(1)通過單因素分析，得到最佳提取工藝為浴比1∶20，提取溫度60 ℃，提取時間2h。

(2)采用正交優化方法對提取工藝進行了優化，結果表明，溫度對提取工藝影響顯著，優化提取工藝為浴比1∶10，提取溫度60 ℃，提取時間90min。

(3)紫草天然染料對酸堿條件比較敏感，在實際應用時，宜在酸性條件下染色；存放2天后，紫草天然染料基本沒有發生變化，可以滿足織物染色的需要。

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Optimization of Extraction Process of Natural Dye from Arnebiae Euchroma(Royle) Johnst

ZHANG Man-ning, LIU Jiang-mei, LIU Hui-min, XUE Ning-ning, SHAN Guo-hua*

(College of Textile and Clothing, Xinjiang University, Urumqi 830046, China)

The optimization of the extraction process of natural dye from Arnebia euchroma (Royle) Johnst by signal factor test and orthogonal test with anhydrous ethanol was studied. The optimal result of signal factor test was as follows: the extraction was carried out in the bath ratio of 1∶20 at 60 ℃ for 2 h. The optimal result of the orthogonal test was as follows: the extraction was carried out in the bath ratio of 1∶10 at 60 ℃ for 1.5 h. The effect of pH and storing time on the stability of dye were studied. The results showed that the colour of the dye could be significantly affected by acids and bases, and after storage for 48 h, the properties of dye were basically unchanged.

Arnebiae euchroma(Royle) Johnst; natural dye extraction; single factor; orthogonal optimization

2017-03-02；

2017-03-13

新疆大學大學生創新訓練計劃項目(201610755078)

張曼寧(1996-)，女，在讀本科生，主要從事染整技術研究。

*通信作者：單國華(1980-)，男，講師，碩士，主要從事紡織化學與染整研究，E-mail：sgh_116@126.com。

TS

B

1673-0356(2017)05-0019-04