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（中南林業(yè)科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004）

紅花Carthamus tinctorius為桔梗目菊科植物，別名紅藍花，主要產(chǎn)于河南、四川、新疆等地。紅花與鳶尾科多年生草本植物藏紅花非同一物種，但同樣具有活血化瘀，散濕祛腫的醫(yī)用功效[1-2]。在同等劑量條件下紅花的效力遠不及藏紅花，且其種植面積廣、產(chǎn)量高，因此紅花的價格較藏紅花要低得多。此外，紅花具有良好的染色性能，可直接用其對纖維染色[3]。近幾年，隨著環(huán)保意識的加強，人們對產(chǎn)品的生態(tài)性、安全性要求越來越高。綠色環(huán)保的植物染料因具有對環(huán)境污染小、對人體健康有益等特點而重回大眾的視野。紅花黃色素的提取工藝也越來越被人們關注[4]。目前，天然色素的提取方法主要分為3 種：有機溶劑提取法、酶提取法和物理輔助提取法[5]。有機溶劑提取法具有提取效果好、操作簡單、成本低等優(yōu)點。Kumar 等[6]使用甲醇、乙醇進行色素提取，獲得了較高的提取率。雖然提取過程高效快捷，但是廢渣和廢液中非環(huán)境友好的有機試劑會對環(huán)境造成影響。酶提法常被用于具有生物活性物質的提取。Swer 等[7]探究了使用纖維素酶從李子中提取花青素的最優(yōu)工藝。但酶的培養(yǎng)操作復雜且成本一般較高，故在一般色素的提取過程中應用較少。物理輔助提取法主要包括超聲輔助提取法、微波輔助提取法、超臨界輔助提取法[8]等。采用物理輔助提取法可明顯縮短提取時間，改善提取效果。Martínez 等[9]采用超聲加壓的方法以水為介質對酵母中的類胡蘿卜素進行了提取，結果表明該方法對類胡蘿卜素的提取率達82%。超聲波因其特有的空化作用和機械作用，可促進溶劑的滲透和細胞內(nèi)化合物的釋放[9]，被廣泛用于色素的提取。

紅花黃色素中存在大量的酚羥基和醇羥基等活性基團，因此其在水中的溶解性能良好。本試驗中以紅花干燥花為材料，采用超聲輔助熱水提取法提取紅花中的黃色素，通過單因素分析，研究提取液pH、超聲功率、超聲時間、水浴溫度和水浴時間等因素對紅花黃色素提取率的影響，應用響應面法優(yōu)化提取工藝參數(shù)，并對紅花黃色素的儲存穩(wěn)定性進行了初步探究。

1 材料與方法

1.1 材料和設備

試驗材料：試驗用紅花購于南通水色商貿(mào)有限公司，原產(chǎn)地為河南；NaOH、HCl、Na2SO3、H2O2等化學試劑購買于國藥集團，且在使用前均未經(jīng)任何處理；試驗用水是使用超純水系統(tǒng)過濾的超純水，電阻率不小于18.25 MΩ·cm。

試驗設備：101-2A 型電熱鼓風干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）、DF-101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（上海央申科技儀器有限公司）、KM-700VDV-3 超聲波清洗器（昆山舒美超聲儀器有限公司）、UV2310 Ⅱ紫外-分光光度計（上海元析儀器有限公司）、Vector33 傅里葉紅外光譜儀（Bruker 公司）、凝膠滲透色譜儀（Waters 公司）。

1.2 方 法

1.2.1 紅花黃色素的提取

1）單因素試驗。稱取經(jīng)40 目標準篩網(wǎng)篩選的紅花粉末5 g 置于錐形瓶中，加入100 mL 超純水浸泡12 h。分別在不同提取液pH（3、5、7、9、11、13）、不同超聲功率（140、210、280、350、420、490 W）、不同超聲時間（10、20、30、40、50、60 min）、不同水浴溫度（40、50、60、70、80、90 ℃）、不同水浴時間（30、60、90、120、150、180 min）條件下進行浸提，然后用400目標準濾布過濾提取液，將濾液在12 000 r/min條件下離心5 min。取上清液，稀釋20 倍，測定吸光度。

2）響應面試驗。在單因素試驗的基礎上，使用Box-Behnken 試驗設計對提取工藝進行優(yōu)化。以水浴時間、水浴溫度、超聲功率為自變量，取每種因素的最優(yōu)水平為0，在最優(yōu)水平兩側各取1 個水平，以提取率為響應值，設計3 因素3 水平的試驗，每組試驗重復3 次，取平均值。

1.2.2 紅花黃色素得率的測定

精準稱量8 mg 紅花黃色素標準樣，將其在200 mL 去離子水中充分溶解，得到質量濃度為0.04 g/L 的母液。使用紫外分光光度計在波長300 ～600 nm 條件下以800 nm/min 的速率進行掃描，得到紅花黃色素母液全波段掃描圖譜。紅花黃色素母液在不同波長下的吸光度值如圖1A 所示。由圖1A 可以看出，紅花黃色素母液在波長327、400 nm 處分別有1 個明顯的吸收峰，選擇波長400 nm 處的吸收峰作為后續(xù)檢測中使用的最大吸收峰。

圖1 紅花黃色素母液在不同波長下的吸光度值及其標準曲線Fig.1 Absorbance values and standard curves of safflower yellow pigment original solution at different wavelengths

分別取2、4、6、8 mL 紅花黃色素母液定容于10 mL 容量瓶中，得到質量濃度分別為0.008、0.016、0.024、0.032 g/L的標準樣溶液。在波長400 nm 處分別測定吸光度，將所得數(shù)據(jù)導入Origin 軟件擬合標準曲線，如圖1B 所示。得到紅花黃色素溶液標準曲線的線性方程：

式中：Y為提取液的吸光度，X為提取液的質量濃度。說明紅花黃色素標準液質量濃度在0.008 ～0.040 g/L 范圍內(nèi)線性關系良好。

根據(jù)由紅花黃色素溶液標準曲線擬合的線性方程和文獻[10]中的提取率計算公式，推導可得提取率的計算公式：

式中：R為提取率，Y為提取液的吸光度，n為提取液的稀釋倍數(shù)，V為提取液的體積，M為紅花粉末的質量。

1.2.3 紅花黃色素提取液理化性質的檢測

使用傅里葉紅外光譜儀檢測超聲處理前后紅花黃色素提取液中的官能團[6]，使用凝膠滲透色譜儀測試超聲處理前后紅花黃色素提取液中物質的相對分子質量[11]。

1.2.4 紅花黃色素穩(wěn)定性的分析

將損失率作為判斷紅花黃色素穩(wěn)定性的指標。稱取5 g 經(jīng)標準篩網(wǎng)篩選的紅花粉末置于具塞錐形瓶中，加入100 mL 去離子水浸泡12 h，pH 約為7。在80 ℃條件下，水浴加熱1 h。濾液經(jīng)400 目濾布過濾后，在12 000 r/min 條件下離心5 min。取1 mL 上清液定容于25 mL 容量瓶中，混合均勻后過0.45 nm 聚四氟乙烯濾膜備用。按照文獻[12]中的方法，在不同的提取液pH、溫度、光照時間和氧化還原條件下，進行穩(wěn)定性試驗。在波長400 nm處測定穩(wěn)定性試驗前后溶液的吸光度，分別記為A0、A1。損失率（RL）計算公式[12]為

2 結果與分析

2.1 不同提取工藝參數(shù)條件下紅花黃色素提取率的比較

提取液pH 對紅花黃色素提取率的影響如圖2A 所示。由圖2A 可見，當浸提液pH 為2 ～11時，紅花黃色素的提取率呈先增大、后減小的趨勢，當pH 約為7 時存在峰值。這說明紅花黃色素在中性條件下可以較好地析出和穩(wěn)定存在，在酸性和堿性條件下析出速率較慢，且易發(fā)生分解，不能穩(wěn)定存在。當pH 大于11 時，提取率有明顯上升，這是因為紅花中紅色素在堿性溶液中溶解，部分紅花紅色素析出，使得吸光度增大。因此在紅花黃色素的使用過程中應保持中性環(huán)境，強酸與強堿環(huán)境易造成色素的降解。

超聲功率對紅花黃色素提取率的影響如圖2B所示。由圖2B 可見，當超聲功率為100 ～500 W時，紅花黃色素的提取率呈先增大、后減小的趨勢，在超聲功率為280 W 處達到最大值。當超聲功率低于280 W 時，隨著超聲功率的增大，產(chǎn)生的空化作用更加明顯，色素提取率增大較為明顯；當超聲功率高于280 W 時，過高的超聲功率會使產(chǎn)生空化作用的時間變短，導致溶質來不及析出，提取率反而降低[13]。因此超聲功率并不是越大越好，在實際生產(chǎn)應用中應選擇合適的超聲功率。

超聲時間對紅花黃色素提取率的影響如圖2C所示。由圖2C 可見，當超聲時間為10 ～60 min時，紅花黃色素的提取率呈先增大、后減小的趨勢，在超聲時間為50 min 時，紅花黃色素提取率達到最大值。當超聲時間小于50 min 時，紅花中的有效成分在超聲的空化作用下可以較好地析出，提取率的增長趨勢明顯；超聲時間過長，提取率反而下降，這是由于長時間的空化作用會對紅花黃色素結構造成一定的破壞，導致提取率降低[14]。

水浴溫度對紅花黃色素提取率的影響如圖2D所示。由圖2D 可見，當水浴溫度為10 ～100 ℃時，紅花黃色素的提取率呈先增大、后減小的趨勢，在水浴溫度為80 ℃時達到最大值。這說明適當提高水浴溫度可以提高紅花黃色素的提取率，加快提取速率，縮短生產(chǎn)周期。但水浴溫度過高會對紅花黃色素的結構造成破壞[15]，導致提取率下降。

水浴時間對紅花黃色素提取率的影響如圖2E所示。由圖2E 可見，當水浴時間為30 ～180 min時，紅花黃色素的提取率呈先增大、后減小的趨勢，在水浴時間為60 min 時達到最大值。當水浴時間小于60 min 時，隨水浴時間延長，紅花黃色素的提取率明顯增加，說明紅花黃色素在1 h 內(nèi)即可充分溶解和析出，提取時間過長會使色素成分遭到破壞，導致提取率降低[16]。

圖2 各提取工藝參數(shù)對紅花黃色素提取率的影響Fig.2 Effects of different parameters on the extraction rate of safflower yellow pigments

2.2 紅花黃色素提取工藝參數(shù)的優(yōu)化

2.2.1 提取率和各工藝參數(shù)回歸方程的建立

綜合單因素的試驗結果，分別選取水浴時間60 min、水浴溫度80 ℃、超聲功率280 W 作為響應面試驗的0 水平，紅花黃色素提取試驗設計和結果見表1。

表1 紅花黃色素提取的Box-Behnken 試驗設計和結果Table 1 Box-Behnken design (BBD) experimental design and results of safflower yellow pigment extraction

運用Design-Expert 11 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到提取率（R）、水浴時間（A）、水浴溫度（B）、超聲功率（C）的二元多次回歸模型：

R=-5.797 55+0.201 274A+0.085 986B+0.010 768C-0.001 172AB-0.000 164AC-0.000 236BC-0.000 568A2+0.000 414B2+0.000 037C2。

對回歸方程進行方差分析，結果見表2。從表2可知，回歸方程中的一次項A、C以及二次項AB、AC、A2對提取率的影響顯著，二次項BC、B2、C2對提取率的影響不顯著。由F值可知，各提取工藝參數(shù)對紅花黃色素提取率的影響程度由大到小依次為超聲功率、水浴時間、水浴溫度。同時，模型的F值為6.61，且P值＜0.05，說明使用該模型來模擬各工藝參數(shù)對紅花黃色素提取率的影響較為可靠且誤差小[17]。此外，該回歸模型失擬項的F值為0.619 2 ＞0.05，說明失擬項相對于純誤差是不顯著的，模型回歸方程擬合度良好。

表2 響應面擬合回歸方程的方差分析結果?Table 2 Variance analysis results of response surface fitting regression equation

2.2.2 各工藝參數(shù)的交互作用對提取率的影響

根據(jù)二元多次回歸模型，得到各工藝參數(shù)間交互作用對紅花黃色素提取率的影響。在其中1個因素不變的條件下，另外2 個因素的交互作用對紅花黃色素提取率的影響如圖3所示。響應面坡度可反映各因素對響應值影響的程度，響應面坡度平緩說明該因素的影響較小，響應面凸起大說明該因素的影響較大[18-19]。從圖3可以看出，水浴時間與超聲功率之間以及水浴時間與水浴溫度之間的交互作用對紅花色素提取率的影響均較大，這與方差分析的結果一致。等高線的形狀可以反映各因素之間的交互作用對響應值影響的顯著性[20]。橢圓形的等高線表示因素間的交互作用對響應值的影響顯著，圓形的等高線則表示影響不顯著[6]。從圖3可以看出，底面等高線較為陡峭，凸起明顯，說明水浴時間與超聲功率之間以及水浴時間與水浴溫度之間的交互作用對紅花黃色素的提取率影響顯著。

圖3 提取工藝參數(shù)的交互作用對紅花黃色素提取率的影響Fig.3 Effects of the interaction of extraction parameters on the extraction rate of safflower yellow pigment

2.2.3 最佳提取工藝參數(shù)的確定及驗證

使用Design-Expert 11 軟件優(yōu)化的最佳工藝參數(shù)為水浴時間33.756 min、水浴溫度90 ℃、超聲功率350 W，在此條件下紅花黃色素的提取率可達到6.84%。為方便實際操作，將工藝參數(shù)調(diào)整為水浴時間34 min、水浴溫度90 ℃、超聲功率350 W。在此條件下進行3 組平行試驗，得到紅花黃色素提取率平均值為6.33%，與預測值相近，說明該模型模擬結果與試驗結果相符，其預測結果準確可靠[21]。

2.3 超聲處理前后紅花浸提液理化性質的比較

2.3.1 紅花黃色素提取液中官能團的變化

紅花浸提液的傅里葉紅外光譜（FTIR）如圖4所示。將3 400 ～3 000 cm-1特征吸收峰指定為羥基（—OH）的振動收縮峰[22]，將1 800 ～1 400 cm-1吸收峰指定為酮（C ＝O）或C ＝C 的振動收縮峰[20]。從圖4中可以看出，紅花浸提液存在2 個明顯的吸收峰，其中波數(shù)位于1 640 cm-1的狹窄尖銳峰對應的是酮或者羰基（—COOH）的振動伸縮峰，在2 800 ～3 800 cm-1存在1 個明顯的寬峰，可能包括醇羥基（—OH）、酚羥基（Ar—OH）、脂肪鏈、甲基（—CH3）和亞甲基（—CH2—）的振動伸縮峰[23]。與超聲處理前的浸提液相比，超聲處理后的紅花浸提液在1 643 cm-1處的收縮峰明顯增強，表明超聲處理會導致一些低鍵離能（如醚鍵）的基團發(fā)生氧化還原反應生成二苯基丙烯酮[24]，從而使酮含量增加。從圖4還可以看出，2 800 ～3 800 cm-1的吸收峰也稍有增強，可能是因為超聲處理后浸提液中羥基含量增加?？傮w來看，超聲處理產(chǎn)生的空化作用和機械作用，有利于紅花浸提液中有效成分析出。

圖4 超聲處理前后紅花黃色素提取液的傅里葉紅外光譜Fig.4 Fourier transform infrared spectra of safflower yellow extract before and after ultrasonic treatment

2.3.2 紅花黃色素提取液中物質相對分子質量的變化

為了進一步驗證FTIR 的分析結果，對超聲處理前后的浸提液進行凝膠滲透色譜（GPC）分析，檢測超聲前后提取液中物質的相對分子質量，結果如圖5所示。從圖5中可以看出，超聲處理后浸提液的數(shù)均相對分子質量和重均相對分子質量均明顯減小，說明超聲處理可能造成了一些低鍵離能的化學鍵發(fā)生斷裂，從而導致浸提液中大相對分子質量物質減少，小相對分子質量物質增加。由此可見，采用超聲波輔助提取有助于紅花浸提液中相對分子質量較小的物質析出。

圖5 超聲處理前后紅花黃色素提取液的凝膠滲透色譜Fig.5 Gel permeation chromatography of safflower yellow pigment extract before and after ultrasonic treatment

2.4 紅花黃色素的穩(wěn)定性

提取液pH 對紅花黃色素穩(wěn)定性的影響如圖6A所示。由圖6A可以看出，提取液pH為1～13時，吸光度整體變化不明顯，但在強酸或強堿條件下，損失率上升。這說明紅花黃色素具有一定的耐酸堿性，但強酸和強堿會對紅花黃色素造成破壞。因此紅花黃色素提取液適宜在弱酸性及中性條件下儲存。另外，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，在酸性條件下紅花浸提液會有沉淀物析出，堿性條件下溶液無沉淀析出，這是因為紅花浸提液中的成分較為復雜，色素部分包含了紅花黃色素和紅花紅色素2種色素，浸提液中部分紅花紅色素在強酸性環(huán)境中沉淀析出。

溫度對紅花黃色素穩(wěn)定性的影響如圖6B 所示。由圖6B 可以看出，隨著溫度的升高，紅花黃色素提取液吸光度的變化不顯著。當溫度為30 ～45 ℃時，損失率較?。划敎囟却笥?5 ℃時，損失率升高。因此紅花黃色素提取液的存儲環(huán)境溫度不宜超過45 ℃。

光照時間對紅花黃色素穩(wěn)定性的影響如圖6C所示。由圖6C 可以看出，隨著光照時間的增加，紅花黃色素提取液的吸光度呈遞減趨勢。當光照時間少于2 h 時，紅花黃色素提取液的損失率較??；當光照時間超過2 h 后，損失率上升明顯且數(shù)值較大。說明紅花黃色素不可長時間暴露在陽光下，應避光保存。

氧化劑和還原劑對紅花黃色素穩(wěn)定性的影響如圖6D—6E 所示。由圖6D—6E 可以看出，隨著氧化劑和還原劑濃度的增加，紅花黃色素提取液的吸光度呈遞減趨勢，損失率呈遞增趨勢。當氧化劑H2O2質量分數(shù)較低時，紅花黃色素提取液的損失率較??；當還原劑Na2SO3質量濃度較低時，紅花黃色素提取液的損失率即較高。這說明紅花黃色素具有一定的抗氧化性，但是其抗還原性較差。

圖6 紅花黃色素提取液的穩(wěn)定性Fig.6 Stability of safflower yellow pigment extract

3 結論與討論

本試驗中以紅花為原料，采用超聲輔助熱水抽提的方法提取紅花黃色素，并使用響應面試驗設計方法對工藝進行優(yōu)化。響應面試驗結果表明，各因素對紅花黃色素提取率的影響程度由大到小依次為超聲功率、水浴時間、水浴溫度，當水浴時間34 min、水浴溫度90 ℃、超聲功率350 W 時，紅花黃色素提取率達到最大值6.84%。通過平行試驗對優(yōu)化結果進行驗證，結果顯示試驗值（6.33%）與預測值（6.84%）相近，說明該試驗模型模擬的結果準確可靠。傅里葉紅外光譜和凝膠滲透色譜檢測分析結果表明，在超聲輔助提取過程中，紅花黃色素提取液中大相對分子質量的物質發(fā)生降解，轉化為小相對分子質量的物質，小相對分子質量的物質中酮類物質（如羥基紅花黃色素A）受到的影響較小。超聲輔助提取過程中產(chǎn)生的空化作用和機械作用可提高紅花黃色素的提取速率，該方法可作為提高色素提取速率的輔助手段。穩(wěn)定性試驗結果表明，紅花黃色素提取液應在中性且溫度低于45 ℃的條件下避光保存。

提高植物染料色素的提取速率和提取得率是高效利用植物染料的前提。本研究中以去離子水為溶劑，采用超聲輔助熱水抽提的方法對紅花黃色素進行提取，試驗過程中未添加有機溶劑，從而減少了對環(huán)境的污染。這與李嘉欣等[25]的微波無溶劑萃取法在工藝上有相似之處，均實現(xiàn)了綠色高效提取的目的。為進一步提高紅花黃色素的提取率，本研究中以水浴時間、水浴溫度、超聲功率為試驗自變量，采用Box-Behnken 試驗設計方法對提取工藝進行優(yōu)化。使用Design-Expert 軟件優(yōu)化后的最佳工藝參數(shù)為水浴時間34 min、水浴溫度90 ℃、超聲功率350 W，在此條件下紅花黃色素的提取率可達到6.84%，與孫燕雯等[26]優(yōu)化的超聲提取工藝相比，紅花黃色素提取率有明顯提高。傅里葉紅外光譜和凝膠滲透色譜檢測分析結果表明，超聲輔助提取后紅花黃色素提取液中酮類、羧基和羥基等官能團含量明顯增加，而且數(shù)均相對分子質量由原來的311 Da 減小為220 Da，說明超聲處理過程中產(chǎn)生的機械作用和空化作用能有效將大分子物質轉化為小分子物質，促進紅花黃色素的析出。這與Sharmila 等[21]在使用超聲輔助提取薔薇花花瓣黃色素試驗中得出的結論一致。

由于試驗條件限制，本研究中僅采用提取率作為響應值，評價標準過于單一，對于提取工藝的優(yōu)劣性應進一步從多維角度進行評價與判斷。另外，以去離子水作為主要提取溶劑，所得提取液的成分復雜，這給后續(xù)的分離純化工作增加了難度。如何在保證綠色高效提取的同時又能得到相對純凈的色素成分是需進一步研究的問題。最后，植物染料雖有綠色環(huán)保、對人體具有保健作用等優(yōu)點，但因上染率低、色牢度較差等因素，其在染色領域的應用不及合成染料，需進一步深入探究如何提高植物染料的附著率，使染料色素與基材纖維的結合更穩(wěn)定。