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第 33 卷第 6 期 凯里学院学报 Vol． 33 No． 6
2015 年 12 月 Journal of Kaili University Dec． 2015
正交设计优化植物马蓝制靛工艺
＊
莫安飞1 ，邹 勇2 ，陆圆伊2 ，龙世方2
(1．丹寨县第二中学，贵州 丹寨 557500;2．凯里学院，贵州 凯里 556000)
摘 要:为优化植物马蓝提取蓝靛的工艺条件，以靛蓝提取率为检测指标，采用 L16(4
5)正交试
验，考察浸泡液 pH值、温度、水用量、浸泡时间、石灰用量 5 个影响因素，采用高效液相色谱法测
定靛蓝含量，然后运用统计分析软件 SPSS 11. 5 对实验结果进行了有重复观察值无交互作用的
方差分析．结果显示:浸泡液 pH 值、温度、水用量、浸泡时间、石灰用量对检测指标均有显著影
响．最佳提取工艺条件是:浸泡液 pH为 4. 0、温度为 30 ℃、马蓝鲜叶与水的质量比为 1∶ 10、浸泡
时间为 36 h、马蓝鲜叶与石灰的质量比为 1∶ 10．按优化的最佳提取工艺条件进行验证实验，获得
高达 1. 561 mg /g的靛蓝提取率．并且该提取方法具有稳定性好、蓝靛的提取质量高、操作简单、
生产成本低等优点，适合于工业生产．
关键词:植物马蓝;蓝靛;SPSS;正交设计;高效液相色谱法
论文编码:Doi:10． 3969 / j． issn． 1673 -9329． 2015． 06． 12
靛染工艺及设备已被列入了《中华人民共和
国禁止出口、限制出口技术目录》加以保护，自
2002 年 1 月 1 日起禁止出口．从环保的角度看，天
然植物染料靛蓝因具有生产原料可再生、对人体无
不良影响、生产加工过程无污染、产品的遗弃物能
被自然分解的特点，而受到人们的青睐:张志伯［1］
以酶学观点探究了我国古代植物靛蓝的发酵还原
染色的机理;杨璧玲［2］综述了植物靛蓝染色传统
工艺原理及应用现状;王镇轩等［3］报道了微生物
法合成靛蓝及靛蓝类色素的技术应用;台湾学
者［4］测得植物染料靛蓝染色后织物的水洗色牢度
为 3 ～ 4 级，并证明靛蓝具有很好的抗紫外线功能;
张义安［5］等提出了植物靛蓝染料染棉的最佳染色
工艺条件．但传统提取植物靛蓝染料的生产工艺较
复杂，纯度低，且成本高．为此，我们以马蓝鲜叶为
原料，对传统制靛工艺中浸泡液 pH 值、温度、马蓝
鲜叶与水的质量比、浸泡时间、马蓝鲜叶与石灰的
质量比进行多因素无交互作用的方差分析，以靛蓝
提取率为评价指标，寻找植物马蓝提取靛蓝的最佳
工艺条件，来有效地降低植物靛蓝染料的生产
成本．
1 实验材料、试剂与仪器
1. 1 实验材料
马蓝鲜叶(采至贵州省雷山县郎德苗寨农户
种植地) ，靛蓝对照品(中国药品生物制品检定所，
批号为 110716 -200206)．
1. 2 实验仪器
Pro Star210325 高效液相色谱仪，美国瓦里安;
TU -1900 型双光束紫外 －可见光分光光度计，北
京普析通用仪器有限公司;SHZ -D(Ⅲ)型循环水
式真空泵，巩义市英峪予华仪器厂;FA2004 电子天
平，上海精密科学仪器有限公司;DS 6150D型超声
波清洗器，天津市东康科技有限公司;SZ -93 型自
动双重纯水蒸馏器，上海亚荣生化仪器厂．
1. 3 实验试剂
碳酸钙，甲醇(色谱纯，Merck) ，N，N 二甲基甲
酰胺、三氯甲烷、水合氯醛、甲醇、乙酸乙酯等均为
分析纯
2 实验方法
2. 1 靛蓝染料提取
将马蓝鲜叶置于自来水中，设定系统的温度、
酸度及马蓝鲜叶与水的一定质量比，浸泡数小时
* 收稿日期:2015 -10 -25
基金项目:贵州省教育厅重点项目(编号:黔教合 KY字［2013］187) ;凯里学院院级规划课题(编号:X1508)
作者简介:莫安飞(1967 -) ，男，贵州丹寨人，丹寨县第二中学教师，研究方向为初中化学教育．
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后，滤过除去叶渣，加入新制的石灰乳并不断搅拌，
至形成混悬液．调节滤液 pH值为 9 ～ 10，搅拌均匀
后静置数小时，滤过取沉淀，干燥便得到植物靛蓝
染料即粗靛．
2. 2 靛蓝检测方法建立
采用高效液相色谱法，以靛蓝提取率为检测指
标，对马蓝鲜叶产靛蓝的量进行检测．
色谱条件:色谱柱，采用 Kromasil - C18(4. 6 mm
×250 mm，5 μm) ;体积流量为 1. 0 mL /min;流动
相，甲醇 ∶ 水(70 ∶ 30) ;柱温为 27 ℃;检测波长为
290 nm．
对照品溶液:精密称取靛蓝对照品 5. 0 mg，置
于 100 mL 容量瓶中，加 N，N -二甲基甲酰胺
95 mL，超声处理 30 min使其溶解，冷却至室温，再
用 N，N -二甲基甲酰胺定容至刻度，摇匀，即得浓
度为 5. 0 μg /mL的靛蓝溶液．
供试品溶液:精密称取 0. 05 g 经研匀后的粗
靛，置于 100 mL 容量瓶中，加 N，N -二甲基甲酰
胺 95 mL，超声 30 min使溶解，再用 N，N -二甲基
甲酰胺定容至刻度，摇匀，冷却至室温，过 0. 2 μm
微孔滤膜，取续滤液，即得．
2. 3 正交试验设计
考察浸泡、打靛 2 个阶段的浸泡液 pH 值、温
度、马蓝鲜叶与水的质量比、浸泡时间、马蓝鲜叶与
石灰的质量比 5 个因素对靛蓝提取率的影响，其中
靛蓝提取率以每克马蓝鲜叶所提取的靛蓝质量表
示(mg /g)．实验采用 5 因素 4 水平正交设计，如表
1 所示．
表 1 因素水平设计
水平
浸泡液
pH
(A)
浸泡温
度 /℃
(B)
鲜叶与水
质量比
(C)
浸泡时
间 /h
(D)
鲜叶与石
灰质量比
(E)
1 2 20 1∶ 5 12 1∶ 0. 05
2 4 25 1∶ 10 24 1∶ 0. 10
3 6 30 1∶ 15 36 1∶ 0. 15
4 8 35 1∶ 20 48 1∶ 0. 20
进行 4 个因素 16 个实验，各实验号进行 2 次
平行实验，将粗靛测定结果换算为马蓝鲜叶中的提
取率．
3 结果与讨论
3. 1 正交实验结果
按表 1 的因素水平设计，实验结果见表 2．
表 2 正交实验结果
实验号
因素
浸泡液 pH
(A)
浸泡温度 /℃
(B)
鲜叶与水
质量比(C)
浸泡时间 /h
(D)
鲜叶与石灰
质量比(E)
靛蓝提取率 /(mg /g)
重复Ⅰ 重复Ⅱ
1 2 20 1∶ 5 12 1∶ 0. 05 0. 18 0. 16
2 2 25 1∶ 10 24 1∶ 0. 10 1. 20 1. 18
3 2 30 1∶ 15 36 1∶ 0. 15 1. 13 1. 15
4 2 35 1∶ 20 48 1∶ 0. 20 0. 75 0. 78
5 4 20 1∶ 10 36 1∶ 0. 20 0. 80 0. 82
6 4 25 1∶ 5 48 1∶ 0. 15 0. 82 0. 80
7 4 30 1∶ 20 12 1∶ 0. 10 1. 03 1. 05
8 4 35 1∶ 15 24 1∶ 0. 05 0. 90 0. 93
9 6 20 1∶ 20 48 1∶ 0. 10 0. 79 0. 73
10 6 25 1∶ 15 36 1∶ 0. 05 0. 78 0. 80
11 6 30 1∶ 5 24 1∶ 0. 20 0. 76 0. 74
12 6 35 1∶ 10 12 1∶ 0. 15 0. 78 0. 76
13 8 20 1∶ 20 24 1∶ 0. 15 0. 44 0. 41
14 8 25 1∶ 15 12 1∶ 0. 20 0. 59 0. 62
15 8 30 1∶ 10 48 1∶ 0. 05 0. 71 0. 68
16 8 35 1∶ 5 36 1∶ 0. 10 0. 76 0. 79
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3. 2 方差分析
为了研究全面实验的情况，找出最优的工艺条
件组合，运用统计分析软件 SPSS 11. 5 对实验结果
进行有重复观察值无交互作用的方差分析，其分析
结果见表 3．
表 3 多因素方差分析表
方差来源 第 III类离差平方和 自由度 均值 F值 显著性 P值
校正模型 1. 855(a) 16 0. 116 276. 637 0. 000
截距 19. 096 1 19. 096 45 557. 53 0. 000
pH值 0. 309 3 0. 103 246. 064 0. 000
温度 0. 309 3 0. 103 245. 676 0. 000
叶水比 0. 329 3 0. 110 261. 491 0. 000
浸泡时间 0. 172 3 0. 057 136. 399 0. 000
叶灰比 0. 348 3 0. 116 276. 399 0. 000
重复组 1. 250E -05 1 1. 250E -05 0. 030 0. 865
误差 0. 006 15 0. 000
总和 20. 958 32
校正总和 1. 862 31
注:依变量:蓝靛提取率 a. Ｒ2 = 0. 997(修正 Ｒ2 = 0. 993)
取检验的显著性水平为 α = 0. 05，表 3 中，浸
泡液 pH值、温度、马蓝鲜叶与水的质量比、浸泡时
间、马蓝鲜叶与石灰的质量比 5 个因素的检验 P值
均小于 0. 05．表明浸泡液 pH 值、温度、水用量、浸
泡时间、石灰用量对靛蓝提取率有显著影响． 因为
浸泡液 pH值、温度、水用量、浸泡时间、石灰用量
的自由度相等(df = 3) ，因此可以用因素之间的 F
值来判断影响效果的大小． 不难看出，影响靛蓝提
取率的因素排序为石灰用量 ＞水用量 ＞浸泡液 pH
值 ＞浸泡液温度 ＞浸泡时间．
由于 5 个因素对靛蓝提取率存在极显著的差
异(P = 0. 000 ＜ 0. 001) ，故须进行多重比较 . 选用
S -N -K法作均数间多重两两比较，结果(表 4)表
明:(1)浸泡液 pH 值分别取 2，4，6 和 8 共 4 个水
平，水平间对应的靛蓝提取率均存在显著差异，当
pH值为 4 时，靛蓝提取率最高; (2)浸泡液温度选
取 20，25，30 和 35 ℃共 4 个取值，水平间对应的靛
蓝提取率也存在显著差异，浸泡液为30 ℃时，靛蓝
提取率最高; (3)马蓝鲜叶与水的质量比取 1 ∶ 5，
1∶ 10，1∶ 15 和 1∶ 20，按 α = 0. 05 水准，1∶ 5与 1 ∶ 20
及 1∶ 10、1 ∶ 15 间靛蓝提取率存在显著差异，1 ∶ 20
与 1∶ 5及 1∶ 10、1∶ 15 间靛蓝提取率也存在显著差
异，而 1∶ 10 与 1∶ 15 间靛蓝提取率差异不显著．按
α = 0. 01 水准，1∶ 10 与 1∶ 15 间存在显著差异，即马
蓝鲜叶与水的质量比取 1∶ 10 时，靛蓝提取率最高;
(4)浸泡时间分别取 12，24，36 和 48 h 共 4 个水
平，水平间对应的靛蓝提取率均存在显著差异，浸
泡时间为 36 h时，靛蓝提取率最高; (5)马蓝鲜叶
与石灰的质量比取 1 ∶ 0. 05，1 ∶ 0. 10，1 ∶ 0. 15 和
1∶ 0. 20，水平间对应的靛蓝提取率均存在显著差
异，当取 1∶ 0. 10 时，靛蓝提取率最高．
3. 3 验证试验
称取 3 份马蓝鲜叶各 100 g，置于 1 000 g 自
来水中，设定系统温度为 30 ℃、pH 值为 4，浸泡
36 h后，滤过除去叶渣，加入 10 g CaO 新制的石灰
乳并不断搅拌，至形成混悬液．调节滤液 pH≈9 ～
10，搅拌均匀静置 24 h 后滤过，将沉淀干燥制得粗
靛．分析粗靛中靛蓝的含量，将粗靛测定结果换算
为马蓝鲜叶中的提取率． 进行 3 次平行实验，测得
靛蓝的平均提取率为 1. 561 mg /g，由此说明此方
案可行．
4 结论
采用正交设计 L16(4
5)的方法优化从天然植物
马蓝鲜叶中提取蓝靛染料的工艺条件，其实验次数
少，数据处理较简便;运用 SPSS软件对实验结果进
行有重复观察值无交互作用的方差分析，结果表
明:浸泡液 pH值、温度、水用量、浸泡时间、石灰用
量均是影响提取效果的显著因素，植物马蓝提取蓝
靛的最佳工艺条件是浸泡液 pH 值为 4，温度为
30 ℃，马蓝鲜叶与水的质量比为 1∶ 10，浸泡时间为
36 h，马蓝鲜叶与石灰的质量比为 1∶ 10．该提取方
法具有稳定性好、蓝靛的提取质量高、操作简单、生
产成本低等优点，适合于工业生产． 该实验结果为
开发天然植物染料提供了参考．
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表 4 5 个因素对应靛蓝提取率均数间两两比较(S -N -K法，α = 0. 05)
因素 N
α = 0. 05
1 2 3 4
pH
8 8 0. 625 0
6 8 0. 755 0
2 8 0. 816 2
4 8 0. 893 8
sig 1. 000 1. 000 1. 000 1. 000
温度 /℃
20 8 0. 541 3
35 8 0. 806 3
25 8 0. 848 7
30 8 0. 893 8
sig 1. 000 1. 000 1. 000 1. 000
叶水比
1∶ 5 8 0. 613 8
1∶ 20 8 0. 747 5
1∶ 15 8 0. 862 5
1∶ 10 8 0. 866 3
sig 1. 000 1. 000 0. 719
浸泡时间 /h
12 8 0. 646 3
48 8 0. 747 5
24 8 0. 807 5
36 8 0. 878 8
sig 1. 000 1. 000 1. 000 1. 000
叶灰比
0. 05 8 0. 642 5
0. 20 8 0. 720 0
0. 15 8 0. 786 3
0. 10 8 0. 941 3
sig 1. 000 1. 000 1. 000 1. 000
参考文献:
［1］张志伯．我国古代植物靛蓝染色的探讨［J］．上海纺织
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［2］杨璧玲．阐述了植物靛蓝染色传统工艺原理及应用现
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［5］张义安，赵其明． 植物靛蓝染料染棉工艺优化［J］． 纺
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［责任编辑:刘红霞］