超声波辅助浸提苏木色素及其稳定性研究∗

李佳茜 祁忆青

（南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037）

苏木（Caesalpinia sappanLinn.）又名苏枋、红柴，是我国传统植物染料之一，属红色系，分布于我国台湾、四川、广西等地[1]，被广泛用于各种天然纤维面料的染色。作为一种具有药用特性的天然植物染料，苏木色素的提取[2]、染色应用[3-4]以及色牢度提升[5]得到了国内外学者的关注。赵志军等[6]研究发现，苏木色素在不同酸碱度、金属离子作用下，或与不同种类的天然染料搭配使用时，可以派生出黄、枣红、紫红、红褐、红黑等多种色泽，极大丰富天然染料的色谱。杨艳凤等[7]发现，超声波辅助技术可以有效降低苏木染液上染棉织物的温度要求，且协同元明粉和明矾可以有效提高上染率和色牢度。此外，苏木本身具有良好的解血破瘀、杀菌抗癌、保护神经系统等药理活性，染色的同时其药效分子对人体具有保健效果[8-10]。

苏木提取工艺多采用热水或溶剂浸提，但耗时长、且耗费溶剂[11-12]。目前，超声波技术已用于多种植物色素的提取，该方法可以有效提高溶剂对材料的渗透性，可高效浸提有效成分[13-16]。苏木中的主要成分如苏木素等，化学结构多酚羟基，其提取物在水中溶解性较好[17-19]。本文利用超声波辅助浸提技术提取苏木色素，探究提取温度、料液比、提取时间、超声功率对苏木色素吸光度值的影响，并通过正交试验优化提取工艺，探究在最优提取条件下苏木色素提取液的稳定性。

1 材料与方法

1.1 材料

苏木（Caesalpinia sappanLinn.），先清洁苏木表面，然后在电热鼓风干燥箱内60 ℃烘至恒重，再用破壁机作粉碎处理，过60目筛，得到苏木粉，密封后避光常温保存。

1.2 设备

电子天平（FA2004，0.001 g），上海精密仪器有限公司；紫外可见分光光度计（HITACHI U-3900），日本株式会社日立高新技术科学；超声波清洗机（JP-080ST），深圳市洁盟清洗设备有限公司；电热鼓风干燥箱（101-3ES），上海一恒科学仪器有限公司；破壁机（JYL-Y15），九阳股份有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 苏木色素最大吸收波长的确定

准确称取0.2 g苏木粉，按照料液比1∶50加入纯水，在60 ℃下，以240 W超声波浸提30 min后，趁热抽滤得到提取液。再用纯水稀释定容，在260～700 nm范围内进行波长扫描，得到苏木色素提取液的吸收光谱，确定最大吸收波长。

1.3.2 单因素试验

采用单因素试验，对比分析提取温度、料液比、提取时间、超声功率4个自变量对苏木色素吸光度的影响。

1) 提取温度对色素吸光度的影响

准确称取6份0.2 g苏木粉，按照料液比1∶50加入纯水，分别在30、40、50、60、70、80 ℃条件下，以240 W超声波浸提30 min，趁热抽滤得到苏木提取液，并用纯水定容稀释，测试539 nm处的吸光度值。

2) 料液比对色素吸光度的影响

准确称取6份0.2 g苏木粉，分别按照料液比1∶20、1∶30、1∶40、1∶50和1∶60加入纯水，在60 ℃、240 W超声波条件下浸提30 min，趁热抽滤得到苏木提取液，并用纯水定容稀释，测试539 nm处的吸光度值。

3) 提取时间对色素吸光度的影响

准确称取6份0.2 g苏木粉，按照料液比1∶50加入纯水，在60 ℃、240 W超声波条件下，分别浸提10、20、30、40、50、60 min，趁热抽滤得到苏木提取液，并用纯水定容稀释，测试539 nm处的吸光度值。

4) 超声功率对色素吸光度的影响

准确称取6份0.2 g苏木粉，按照料液比1∶50加入纯水，在温度60 ℃条件下，分别以60、120、180、240、300、360 W超声波浸提30 min，然后趁热抽滤得到苏木提取液，并用纯水定容稀释，测试539 nm处的吸光度值。

1.3.3 正交试验设计

基于单因素试验结果分析，以提取温度、提取时间、料液比、超声功率为考察因素，每个因素设三个水平，以539 nm处的吸光度值作为参考指标，完成正交试验L9（34），进一步优化超声波辅助提取苏木色素工艺，各因子及水平设置如表1所示。

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

1.3.4 苏木色素的稳定性研究

1） 光照对苏木色素稳定性的影响

在不同光照条件下对苏木色素稳定性进行探究。取3份20 mL苏木色素提取液置于烧杯中，并将烧杯分别放置在室外自然光、室内光照和黑暗条件下，每隔1 h取样1 mL纯水稀释定容，连续测量6次，得到不同光照条件下苏木色素提取液在539 nm处的吸光度值。

2） 温度对苏木色素稳定性的影响

在不同温度的恒温水浴条件下对苏木色素稳定性进行探究。取4份20 mL苏木色素提取液置于烧杯中，分别在20、45、60、90 ℃的恒温水浴锅中保温震荡4 h，在260～700 nm范围内进行紫外-可见光谱扫描，得到不同温度处理下苏木色素提取液的吸收光谱。

3） pH对苏木色素稳定性的影响

测试苏木色素在不同pH条件下的稳定性。取6份20 mL苏木色素提取液置于烧杯中，使用冰醋酸和碳酸钠分别调节溶液的pH值为3、5、6、7、9、11，每隔30 min取样1 mL用纯水稀释定容，在260～700 nm范围内进行紫外-可见光谱扫描，得到不同pH条件下苏木色素提取液的吸收光谱。

2 结果与分析

2.1 最大吸收波长的确定

由图1 可知，苏木色素提取液在260～700 nm范围内出现3 个特征吸收峰，分别位于紫外光区域的283 nm及可见光区域的447 nm和539 nm处，3 个吸收峰在试验过程中变化情况较为一致，这里选取539 nm作为最大吸收波长。

图1 苏木色素的吸收光谱曲线Fig.1 Absorption spectrum curve of sappanwood pigment

2.2 单因素条件对苏木色素提取效果的影响

2.2.1 提取温度对色素提取的影响

由图2 可知，在温度30～80 ℃内，随着温度的不断攀升，苏木色素提取液的吸光度先增大后逐渐平稳。其中，当温度处于30～60 ℃时，吸光度提升迅速，60 ℃后吸光度涨幅趋于平缓。这是因为温度过低时，苏木色素在纯水中未能充分溶解，随着温度继续攀升，分子热运动愈加剧烈，苏木色素在提取溶剂中的扩散效率随之增加，从而使得提取液中的色素含量增加，吸光度变大。而当温度达到70 ℃左右时，苏木色素已经充分溶解于水，因此吸光度的增长趋于平稳，继续提高温度，吸光度变化不再显著。因此选择60、70、80 ℃三个水平进行后续正交试验。

图2 提取温度对吸光度的影响Fig.2 Influence of extraction temperature on absorbance

2.2.2 料液比对色素提取的影响

由图3可知，在料液比1∶20～1∶60范围内，随着提取溶剂的增加，苏木色素提取液的吸光度先升高后下降，当料液比为1∶40时，吸光度达到最大值，为3.278。这可能是因为浸提法是以纯水作为溶剂，通过料液比调整纯水和苏木粉之间接触面的大小，溶解提取细胞腔和细胞壁上附着的色素分子。在料液比1∶20～1∶40范围内，体系中溶剂相对较少，两相间的浓度梯度差值微弱，传质推动力较低，色素只能部分溶解，随着料液比的增大，色素分子溶解度增加，提取效果越好。在料液比1∶40～1∶60范围内，色素充分溶解，提取溶剂趋于饱和，色素分子向溶剂中的扩散基本平衡，继续扩大料液比，新增的溶剂会将原有的提取液进行稀释处理，从而使得吸光度降低[20]。研究选取1∶30、1∶40、1∶50三个水平用于后续正交试验。

图3 料液比对吸光度的影响Fig.3 Influence of material liquid ratio on absorbance

2.2.3 提取时间对色素提取的影响

由图4 可知，在时间10～60 min区间内，苏木色素提取效果呈先上升后有所下降的趋势。在超声时间为50 min时，吸光度为3.162，达到最大值。超声波的空化效应会逐渐破坏木纤维细胞壁，使得胞间结合强度下降，溶剂得以借助微小孔隙通道溶解木材细胞内部附着的色素分子。由趋势图可以看出，50 min内提取液的吸光度增长趋势极为显著。提取时间太短，苏木色素提取不充分。提取时间过长则吸光度降低，这可能是因为超声波辅助提取色素时，辅助浸提时间过长造成色素结构被破坏[21]。研究选择40、50、60 min三个水平进行后续正交试验。

图4 提取时间对吸光度的影响Fig.4 Influence of extraction time on absorbance

2.2.4 超声功率对色素提取的影响

由图5可知，在功率60～240 W区间内，苏木色素提取液的吸光度不断升高。超声波功率为240 W时，吸光度为2.923，达到最大值。继续提高功率，吸光度呈现下降趋势。这是因为在超声波的机械波动和热效应共同作用下，植物组织被迅速打破，打开利于色素分子析出的通道，便于色素分子析出，同时空化作用会增强溶剂穿透力，提高色素分子的运动速度，促进色素提取进程。但功率过大，可能会破坏分解色素结构[22-23]。因此研究选取180、240、300 W作为后续正交试验的三个水平。

图5 超声功率对吸光度的影响Fig.5 Influence of ultrasonic power on absorbance

2.3 正交试验结果

在4个单因素试验结果基础上，分别设置（60、70、80 ℃）、料液比（1∶30、1∶40、1∶50）、提取时间（40、50、60 min）、超声功率（180、240、300 W），完成L9（34）正交试验，结果如表2所示。

表2 正交试验结果Tab.2 Orthogonal test results

由表2中极差R可知，采用超声波辅助热水浸提技术对苏木色素进行提取时，各因素中对提取效果的影响大小依次为料液比、超声功率、提取时间、提取温度。超声波辅助提取苏木色素的最优组合为A2B3C2D3，即在超声功率为300 W，温度为70 ℃，料液比为1∶50，提取时间为50 min的条件下，提取效果最好，但其并未出现在正交试验表中，在此条件下经3次重复试验后取平均值验证，其平均吸光度为3.725，优于6号的吸光度3.637，因而可认定为本试验条件下苏木色素超声波辅助浸提的最佳工艺。

2.4 苏木色素稳定性探究

2.4.1 光照对苏木色素稳定性的影响

由图6可知，不同的光照条件对色素稳定性具有不同程度的影响。黑暗避光条件下苏木色素稳定性较好，6 h内吸光度从0.327降至0.321，总体变化不大，提取液颜色基本不变。室内光照和室外自然光条件下苏木色素提取液吸光度3 h内下降明显，后呈缓慢下降趋势。其中，室外自然光条件下苏木色素提取液变化极为显著，3 h内提取液吸光度由0.457迅速降至0.315，且提取液颜色的橙红色逐渐变淡。结果表明，光照对色素稳定性影响较大，苏木色素宜避光保存。

图6 光照对于苏木色素稳定性的影响Fig.6 Effect of light on stability of Sappanwood pigment

2.4.2 温度对苏木色素稳定性的影响

由图7可知，密闭条件下不同温度的水浴处理对苏木色素稳定性影响程度不同。苏木色素在60 ℃以下较为稳定，60 ℃以上提取液吸光度值涨幅明显。随着恒温水浴时间的延长，苏木色素提取液的颜色有所加深，且温度越高，颜色转变越快。这是因为高温条件下色素分子自身能量较高，分子间作用剧烈，导致色素分子稳定性变差，苏木色素中的酚羟基在高温下更易被氧化[24]。试验表明，苏木色素在高温条件下时间不宜过长，较低温度下尚能维持稳定，随着温度的升高其稳定性逐渐被破坏。宜在室温下保存苏木色素。

图7 温度对于苏木色素稳定性的影响Fig.7 Effect of temperature on stability of Sappanwood pigment

2.4.3 pH对苏木色素稳定性的影响

由图8可知，不同pH条件下，苏木色素提取液的吸收光谱有所差异。当调节苏木提取液pH为3和5时，溶液仅在紫外光区域的283 nm处有较强特征峰，且谱图随时间延长基本无变化，说明苏木色素酸性环境下稳定。当苏木提取液pH为6时，可见光区域的特征吸收峰全部显示出来，且随时间的延长，447 nm处的吸光度逐渐减小，539 nm处的吸光度逐渐增大。当调节苏木提取液pH为7时，可见光区的短波吸收峰消失，长波区539 nm处的吸光度随时间延长呈现出先增后减的趋势。当调节苏木提取液pH为9和11时，其吸收谱图及吸收峰变化趋势较为一致，539 nm处的吸光度随时间延长逐渐降低，且碱性越强，吸光度下降趋势越明显。这是因为苏木色素在碱性条件下易被氧化，其多羟基苯酚结构中的取代基在不同酸碱条件下受到H+和OH-的影响，发生—OH和—O—之间的转变，从而引起酸碱变色现象以及吸收光谱形状的改变[25]。

图8 pH对于苏木色素稳定性的影响Fig.8 Effect of pH on stability of Sappanwood pigment

3 结论

1）苏木色素提取液在260～700 nm扫描波长范围内存在3 个特征吸收峰，分别位于紫外区283 nm、可见光区447 nm和539 nm处。

2） 在单因素试验中，苏木色素提取液在温度、料液比、时间、超声功率分别为80 ℃、1∶40、 50 min、240 W时，吸光度达到最大值。

3）正交试验结果显示，采用超声波辅助提取苏木色素在温度、料液比、时间、超声功率分别为70 ℃、1∶50、50 min、300 W时较佳，此时吸光度值为3.725。

4）苏木色素稳定性试验表明，苏木色素光照条件下易褪色，高温条件下不稳定，且对pH反应灵敏，因此苏木色素提取液应在较低温度和酸性条件下避光保存。