彭文芳，黃美瑜

（廣東工業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，廣東廣州 510090）

我國(guó)咖啡豆主要種植在海南、云南等地區(qū)。咖啡渣、茶葉與洋蔥皮并稱3 大可天然染色的農(nóng)業(yè)廢棄物，產(chǎn)量巨大?？Х仍泻胸S富的綠原酸、多酚類等抗氧化物質(zhì)，可在天然色素提取及染色方面進(jìn)行運(yùn)用，但咖啡渣主要用作肥料、飼料、燃料或高溫炭化制作成咖啡碳纖維，既未發(fā)揮其環(huán)保經(jīng)濟(jì)價(jià)值［1-2］，又浪費(fèi)了資源?？Х仍鳛樘烊蝗玖显诩徔椘啡旧械膽?yīng)用鮮有報(bào)道［3-4］。本實(shí)驗(yàn)選用咖啡渣作為原料，以蒸餾水為提取劑，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化超聲波提取咖啡渣色素的工藝，并對(duì)桑蠶絲織物進(jìn)行染色，測(cè)試其顏色特征值，以探究咖啡渣色素在桑蠶絲織物上的染色性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料：桑蠶絲平紋織物（25 g/m2，市售），檸檬酸（分析純），咖啡渣（美國(guó)阿拉比卡咖啡豆），硫酸鋁鉀（市售）。儀器：DK-S28 型電熱恒溫水浴鍋（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司），pH 計(jì)，722G 紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)（上海儀電分析儀器有限公司），TCL-16G 高速臺(tái)式離心機(jī)（上海安亭科學(xué)儀器廠），3NH310 色差儀，超聲波儀。

1.2 咖啡渣色素的提取

稱取干燥粉碎的咖啡渣（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～15%），以蒸餾水為提取劑，在超聲波功率0～250 W 下40～80 ℃提取20～120 min，然后用200 目篩網(wǎng)過(guò)濾，靜置20 min。取1 mL上層濾液稀釋適當(dāng)倍數(shù)，以12 000 r/min離心8 min，靜置15 min，以蒸餾水為空白參比液測(cè)試吸光度。

1.3 咖啡渣提取液直接染色

將潤(rùn)濕的8 cm×8 cm 桑蠶絲織物投入提取液中，染色完畢后取出，用蒸餾水洗凈、陰干。設(shè)置染色時(shí)間、提取液用量、染色溫度、pH，采用單因素控制變量法，探討各因素對(duì)染色織物色差ΔE的影響。

1.4 測(cè)試

吸光度：采用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)在325 nm 處進(jìn)行測(cè)試。

ΔE：以未染色桑蠶絲織物為標(biāo)樣，用色差儀在染色織物不同位置測(cè)試5次，取平均值，計(jì)算ΔE。

耐皂洗色牢度：參考GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗(yàn) 耐皂洗色牢度》，在40 ℃清洗30 min 后測(cè)定；耐摩擦色牢度：參考GB/T 3920—2008《紡織品色牢度試驗(yàn)?zāi)湍Σ辽味取窚y(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 咖啡渣色素提取工藝優(yōu)化

2.1.1 超聲波功率

由圖1 可知，超聲波功率在0～200 W 時(shí)，吸光度快速增大；當(dāng)超聲波功率超過(guò)200 W 時(shí)，繼續(xù)增大超聲波功率，色素提取率上升緩慢，吸光度相差不大。從節(jié)約能源的角度考慮，超聲波功率選擇200 W。

圖1 超聲波功率對(duì)色素提取液吸光度的影響

2.1.2 提取時(shí)間

由圖2 可知，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，咖啡渣色素提取液的吸光度先快速上升后緩慢下降（80 min 以后有所下降）。這可能是因?yàn)樘崛r(shí)間過(guò)長(zhǎng)使咖啡渣中的有效成分損失，溶解雜質(zhì)增多。從提取效率和成本角度考慮，提取時(shí)間選擇80 min。

圖2 提取時(shí)間對(duì)色素提取液吸光度的影響

2.1.3 提取溫度

由圖3 可知，隨著提取溫度的升高，咖啡渣色素提取液的吸光度先快速增大而后下降，在60 ℃時(shí)吸光度達(dá)到最高。這是由于超聲波的作用溫度一般在45～65 ℃，當(dāng)溫度升高，空化核增多，對(duì)產(chǎn)生空化作用有利，加速有效成分的溶解；但提取溫度過(guò)高，氣泡中的蒸汽壓增大，使氣泡在閉合期間增強(qiáng)了緩沖作用而使空化作用減弱，且超聲波的熱效應(yīng)容易破壞咖啡渣中的有效成分，導(dǎo)致吸光度下降，因此提取溫度選擇60 ℃。

圖3 提取溫度對(duì)色素提取液吸光度的影響

2.1.4 咖啡渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由圖4 可知，隨著咖啡渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，色素提取液的吸光度快速增大，咖啡渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%～15%時(shí)，吸光度非常接近，提取效果變化不大。這是因?yàn)榭Х仍|(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)影響液體的黏稠度，從而影響超聲波在液體中的空化作用，質(zhì)量分?jǐn)?shù)太低，不利于空化作用的發(fā)生和色素從植物向提取液轉(zhuǎn)移；質(zhì)量分?jǐn)?shù)太高，液體的黏滯系數(shù)過(guò)大，難以產(chǎn)生空化泡，且傳播過(guò)程中損失也大。從實(shí)際生產(chǎn)和節(jié)約成本角度考慮，咖啡渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇12%。

圖4 咖啡渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)色素提取液吸光度的影響

2.2 咖啡渣色素提取正交實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步優(yōu)化咖啡渣色素的超聲波提取條件，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以咖啡渣色素提取液吸光度為指標(biāo)，選擇提取溫度、提取時(shí)間、咖啡渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲波功率4 個(gè)因素，每個(gè)因素選取3 個(gè)水平進(jìn)行L9(34)正交實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 咖啡渣色素提取正交實(shí)驗(yàn)

由表1 可知，各因素對(duì)咖啡渣色素提取的影響從大到小為A、B、D、C，最優(yōu)提取工藝為A3B3C2D3，即提取溫度80 ℃、提取時(shí)間80 min、咖啡渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%、提取功率250 W。

2.3 咖啡渣提取液對(duì)桑蠶絲織物直接染色工藝優(yōu)化

2.3.1 染色溫度

由圖5 可以看出，隨著染色溫度的升高，織物的ΔE快速增大，這是由于染浴溫度升高，不僅使桑蠶絲纖維溶脹程度提高，且染料分子的動(dòng)能也增加，有利于咖啡渣染料分子擴(kuò)散進(jìn)入桑蠶絲纖維內(nèi)部。60 ℃時(shí)ΔE達(dá)到最大值，色澤均勻、鮮艷、明度高。但繼續(xù)升高染色溫度，ΔE反而略有下降，且織物的明度也下降。這可能是因?yàn)闇囟冗^(guò)高，咖啡渣提取液中的雜質(zhì)溶出量增加，高分子質(zhì)量的蛋白黑素與雜質(zhì)多以結(jié)合體的形式存在，難以擴(kuò)散滲透到纖維內(nèi)部；同時(shí)染色溫度升高，較小的多酚類色素分子獲得了更大的能量，反而不利于其在纖維上的吸附，造成得色量下降［5-8］。而且染色溫度過(guò)高，桑蠶絲織物表面擦傷會(huì)失去原有的光澤，易出現(xiàn)灰傷疵病。所以，染色溫度選擇60 ℃。

圖5 染色溫度對(duì)ΔE 的影響

2.3.2 染色時(shí)間

由圖6 可知，隨著染色時(shí)間的延長(zhǎng)，織物的ΔE先快速上升，60 min 后上升緩慢并趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)槿玖祥_(kāi)始上染纖維時(shí)，吸附數(shù)量遠(yuǎn)大于解吸數(shù)量，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，染色接近動(dòng)態(tài)平衡，染料吸附與解吸的數(shù)量差不斷縮小，所以，ΔE上升變慢。繼續(xù)延長(zhǎng)染色時(shí)間，ΔE增加不大，且染色較不均勻，明度略有下降；同時(shí)，染色時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)不利，所以染色時(shí)間選擇60 min。

圖6 染色時(shí)間對(duì)ΔE 的影響

2.3.3 提取液用量

由圖7 可知，隨著提取液用量的增加，染料在纖維內(nèi)外的濃度梯度增大，織物的顏色純度迅速變深，ΔE快速增大；當(dāng)提取液用量超過(guò)3%后，ΔE變化較小，且明度下降，色澤變得萎暗。從節(jié)約成本的角度考慮，提取液用量選擇3%。

圖7 提取液用量對(duì)ΔE 的影響

2.3.4 pH

由圖8 可知，織物的ΔE隨pH 的增大先增大后減小，當(dāng)提取液pH=4.0～6.0 時(shí)，ΔE呈下降趨勢(shì)，且下降幅度較大。因?yàn)樯ＰQ絲的等電點(diǎn)為3.5～5.2 eV，在pH低于等電點(diǎn)的酸性溶液中絲素帶正電荷，此時(shí)染料負(fù)離子上染桑蠶絲纖維主要依靠庫(kù)侖引力，并以離子鍵結(jié)合；隨著pH 的增大，桑蠶絲纖維所帶的正電荷逐漸減少，庫(kù)侖引力減小，在pH 高于等電點(diǎn)的酸性溶液中絲素帶負(fù)電荷，與多酚類染料負(fù)離子的作用力轉(zhuǎn)變?yōu)閹?kù)侖斥力，咖啡渣染料難以上染桑蠶絲，色深值下降［9-11］。另外，在桑蠶絲的等電點(diǎn)附近染色對(duì)纖維的損傷很小，pH 過(guò)低對(duì)桑蠶絲造成的損傷較大，因此pH 選擇4.0。

圖8 pH 對(duì)ΔE 的影響

2.4 染色牢度

將桑蠶絲在硫酸鋁鉀5 g/L、30 ℃下預(yù)媒處理30 min 后，用直接染色優(yōu)化工藝進(jìn)行染色，色牢度結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 硫酸鋁鉀預(yù)媒染桑蠶絲織物的色牢度

由表2 可知，桑蠶絲織物的各項(xiàng)色牢度指標(biāo)基本達(dá)到紡織面料要求，預(yù)測(cè)能通過(guò)改變?nèi)旧椒ㄊ股味鹊玫郊訌?qiáng)，這將在后續(xù)工作中進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

（1）以蒸餾水為提取液，咖啡渣色素的超聲波優(yōu)化提取工藝為：溫度80 ℃、時(shí)間80 min、咖啡渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%、超聲波功率250 W。

（2）咖啡渣色素提取液對(duì)桑蠶絲織物直接染色的優(yōu)化工藝為：溫度60 ℃、時(shí)間60 min、提取液用量3%、pH=4.0。

（3）染色桑蠶絲織物的各項(xiàng)色牢度基本達(dá)到服用要求。

（4）咖啡渣作為尚未開(kāi)發(fā)的天然廢棄色素，其染色能夠獲得米色、咖啡色、棕色系列，是現(xiàn)代流行色的主流色彩之一，具有潛在的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)價(jià)值。