基于均匀设计的植物防紫外线提取液复配研究

郑云龙，王进美，侯 琳，华柄宇，朱 博

(1.西安工程大学 纺织科学与工程学院，陕西 西安 710048； 2.陕西省纺织科学研究院，陕西 西安 710038)

由于全球环境的恶化，导致人类暴露在过量紫外线辐射下的机会越来越多，遮蔽皮肤是减少紫外线照射的常用方法。棉织物具有透气性好、手感柔软、不易起毛起球等优点，是常用的服装原料，但由于其紫外线防护系数UPF值较低，不足以应对日益增多的紫外辐射，因此有必要对棉织物进行防紫外线整理。常用的手段是用防紫外线整理剂对织物进行涂层或浸渍整理。目前市场上销售的防紫外线整理剂多为化学类物质，常见的有金属、金属氧化物及其盐类、TiO2、ZnO、Al2O3、高岭土、氧化铁、炭黑、滑石粉、CaCO3和氧化铅等。这些物质大多对环境及人体有害，纺织业正在寻找替代品，一些植物提取物已经取得较好效果。苏毅[1]将黄柏和黄连提取液用于纯棉织物防紫外线整理，整理后织物的UPF值得到提高。陈莉等[2]将黄柏、大黄和姜黄提取液复配为防紫外线整理剂并应用于棉织物防紫外线整理，整理后，织物的UPF值为312.39，紫外线透过率TUVA为0.43%。王成等[3]将芦荟应用于桑蚕织物防紫外线整理，表明整理后织物具有较高的抗紫外性能和抑菌功能。从植物中提取的防紫外线线整理剂不仅具有优异的防紫外线表现，而且对人体皮肤没有害处。苏毅[4]研究发现黄柏、大黄、姜黄、芦荟等植物体中具有黄酮类化合物、苯环类化合物和蒽醌类化合物等物质，这些物质对紫外线有很强的吸收作用。

配方均匀设计是将配方中各组分的用量在试验范围内尽可能地均匀分布，以合理选出少量试验点为目的，利用若干配比不同的试验得出评价指标与各组分百分比之间的回归方程，并进一步探寻各组分与评价指标之间存在的内在规律[5]。均匀试验设计[6]只考虑试验点在试验范围内均匀散布，可以用较少的试验次数，安排多因素、多水平的析因试验，是在均匀性度量下最好的析因试验设计方法，应用于多因素试验效果筛选时具有收敛速度快、可以确定数据变化规律，即用较少的试验点来获得较多的信息。均匀设计法广泛应用于国防科技、医药配方、实验配比等[7]。周丽萍等[8]基于均匀设计法研究柴胡—黄芩药对发挥抗抑郁功效的最佳配伍比例；李颖等[9]利用均匀设计优选麦冬提取工艺。鲁静等[10]利用均匀设计优选淫羊藿多糖的提取工艺。

相关研究表明绿苋和龙葵含有黄酮类物质芦丁、槲皮素和酚类物质没食子酸[11-14]。本文选取绿苋、龙葵和黄柏3种提取液，利用均匀设计法进行复配得到一种天然植物防紫外线整理剂，并将其用于棉织物防紫外线整理，探究防紫外线效果及提取液最佳体积配比。

1 试 验

1.1 材料和仪器

织物：纯棉织物(面密度133.2 g/m2)。

药品：无水乙醇、硫酸铝钾(分析纯，天津市大茂化学试剂厂)，去离子水(自制)，没食子酸标准样、槲皮素标准样、芦丁标准样(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，小檗碱标准样、黄柏酮标准样(北京高科恒辉技术发展有限公司),黄柏、龙葵、绿苋(自购)。

仪器：索氏提取器(北京启文海龙玻璃制品有限公司)，FA1004精密电子天平(上海良平仪器仪表有限公司)，DHZ-D(Ш)循环水真空泵(巩义市英峪华玉仪器厂)，DZ-2A型真空干燥箱(天津市泰斯特仪器有限公司)，FW80型高速万能粉碎机(北京市永光明医疗仪器有限公司)，紫外分光光度计(上海菁华科技仪器有限公司)，UV-2000F紫外透射率分析仪(上海蓝菲光学仪器有限公司)，SF1-21玻璃反应釜(郑州杜甫仪器厂)，傅里叶变换红外光谱仪(美国PerkinElmer公司)。

1.2 植物整理剂的提取

将烘干并粉碎至100目的绿苋称取250 g，每次取5 g绿苋粉末放入索氏提取器中自制的滤纸筒内，加入200 mL 60%乙醇并连接好装置，60 ℃恒温水浴提取至溶液不变色为止，如此反复提取完250 g绿苋，采用同样方法提取龙葵和黄柏，提取完毕用真空抽滤。取部分提取液烘干至粉末。绿苋、龙葵提取物粉末与槲皮素、芦丁和没食子酸做傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析对比，黄柏提取物粉末与小檗碱、黄柏酮做傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析对比。

1.3 纯棉织物防紫外线整理工艺

将织物试样在70 ℃热水中预处理10 min，取出挤干水分用明矾进行络合处理(浴比1∶50，明矾含量5%)1 h，取出冷水冲洗并烘干，将试样分别浸渍于60 ℃的复配植物提取液(浴比1∶50)中3 h。反应完成水洗烘干。

1.4 防紫外线性能测试

将整理后的棉织物裁剪为10 cm×10 cm大小，采用UV-2000F紫外透射率分析仪测定织物的紫外线防护系数UPF、紫外线透过率TUVA和TUVB。

2 均匀设计分析

2.1 设计方案

表1 均匀设计表U7*(74)

表2 U7*(74)使用表

表3 简化表U7*(72)

表3中第k行第j列的元素记为Ukj,对于每个Ukj计算Ckj，得到C值表，见表4。

表4 C值表

分别计算gkj，Xk1,Xkj,Xks得到试验配方表UM7(73),如表5所示。其中原布的UPF、TUVA、TUVB分别为17.35、4.96%、6.00%。

gkj=s-jckj，j=1，2；k=1，2,…，n

xk1=1-gk1，k=1，2,…，n

表5 试验配方UM7(73)

2.2 对UPF进行回归分析

在配方均匀设计中，需要对试验结果进行回归分析[15]，通常选用逐步回归分析法建立线性回归、二次回归或三次回归等数学模型。根据试验结果，利用DPS数据处理系统软件进行回归分析，由于试验因素间存在约束条件X1+X2+X3=1，所以只用X1、X22个自变量对y1(UPF)作回归分析。因为多元线性回归分析无统计意义(F=4.239 8

y=44.007 179 6+0.002 929 229 326 8X2X2

由于逐步回归输出结果较多，只列出主要结果，TUVA的二次多项式逐步回归输出结果见表6。

表6 TUVA二次多项式逐步回归输出结果

由表6可知，回归模型的p=0.010 2，F=16.080 2>F0.05(1,5)=6.61，说明回归方程显著，剩余标准差S=3.767 4。其中只有X2X2和X2显著水平小于0.05，由此可见龙葵对UPF的影响大于绿苋，与测试结果契合程度较高，所以在单独考虑体积分数对UPF的影响时应该使龙葵提取液的体积分数大于绿苋。若采用X1、X2、X3为自变量对y1(UPF)进行回归分析,考虑各因素显著水平和最高指标时各因素影响由大到小顺序为X2>X1>X3。

2.3 对TUVA进行回归分析

根据试验结果，利用DPS数据处理系统软件进行回归分析。用X1、X22个自变量对y2(TUVA)作回归分析。采用多元线性回归得到的回归方程为y2=1.969 8+0.004 9X1-0.008 9X2。其中相关系数R=0.953 602，决定系数RR=0.909 356 调整相关系数R′=0.929 534。方差分析表见表7，通径系数分析见表8。

临界值F0.05(2，4)=6.94，F=20.064 3>F0.05(2，4)=6.94，说明回归方程显著，剩余标准差S=0.122 8。由表8可以看出，绿苋体积分数X1对y2(TUVA)的直接作用为0.364 3，通过龙葵体积分数X2对y2(TUVA)的间接作用为0.404 9，均为正相关；龙葵体积分数X2对y2(TUVA)的直接作用为-0.694 0，通过绿苋体积分数X1对y2(TUVA)的间接作用为-0.212 5，均为负相关，所以在单独考虑体积分数对TUVA的影响时应该使龙葵的体积分数小于绿苋体积分数。若采用X1、X2、X3为自变量对y2(TUVA)进行回归分析,通径系数分析各因素影响由大到小顺序为X1>X2>X3。

表7 方差分析

表8 通径系数分析

2.4 对TUVB进行回归分析

根据试验结果，利用DPS数据处理系统软件进行回归分析。用X1、X22个自变量对y3(TUVB)作回归分析。因为多元线性回归分析无统计意义(F=4.1237

表9 TUVB二次多项式逐步回归输出结果

由表9可知，回归模型的p=0.026 9，F=9.598 6>F0.05(1,5)=6.61，说明回归方程显著，剩余标准差S=1 827。其中只有X2X2和X1显著水平小于0.05，由此可见龙葵对TUVB的影响大于绿苋，与测试结果契合程度较高，所以在单独考虑体积分数对TUVB的影响时应该使龙葵的体积分数大于绿苋。若采用X1、X2、X3为自变量对y3(TUVB值)进行回归分析,考虑各因素显著水平时各因素影响由大到小顺序为X3>X2>X1，最高指标时各因素影响由大到小顺序为X3>X1>X2，所以结合直观分析确定各因素对TUVB的影响由大到小顺序为X2>X1>X3。

2.5 最优方案

由于均匀设计的本质决定了其试验点充分均匀，所以试验中最优方案离试验范围内的理论最优方案接近，实践证明，直观分析法的误差很小[16]。所以，本文选用由DPS数据处理系统对UPF、TUVA、TUVB进行的回归分析，结合直观分析法获得的最优复配比为绿苋体积分数19.82%，龙葵体积分数74.46%，黄柏体积分数5.72%。

3 绿苋、黄柏和龙葵提取物的红外光谱分析

3种植物提取物红外光谱图如图1所示。

图1 绿苋、龙葵和黄柏提取物红外光谱图

由图1(g)～(h)可知： 所制得产品的峰形和小檗碱标准品以及黄柏酮标准品[19]的基本一致,黄柏提取物与黄柏酮标准品在2 973、1 369、1 022 cm-1处的吸收峰相似。由此表明黄柏提取物中含有小檗碱和黄柏酮2种物质。

4 结 论

①绿苋、龙葵和黄柏3种植物经傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析，3种植物体中均含有可吸收紫外线的成分，其中绿苋和龙葵中含有黄酮类物质芦丁、槲皮素以及酚类物质没食子酸，黄柏含有酮类物质黄柏酮和含苯环类物质小檗碱。

②将绿苋、龙葵和黄柏3种植物提取液组成的防紫外线整理剂应用于棉织物整理后织物UPF值、TUVA、TUVB均达到了GB/T 18830—2009《纺织品 防紫外线性能的评定》的要求。

③利用DPS数据处理系统对均匀设计试验结果进行回归分析，结合直观分析法得出3种植物提取液作为防紫外线整理剂的最佳复配体积分数为绿苋提取液19.82%，龙葵提取液74.46%，黄柏提取液5.72%，采用最佳配比整理后棉织物的UPF为61.02，TUVA为1.39%，TUVB为1.61%。