天然染料的應(yīng)用及發(fā)展

蔡雨杭，陶榮靜，郭榮輝

(四川大學(xué)輕紡與食品學(xué)院，四川成都 610065)

天然染料通常是指沒有經(jīng)過人工合成、十分少甚至是沒有經(jīng)過化學(xué)加工的染料，一般是從動(dòng)植物或礦產(chǎn)資源中獲取的染料[1]。天然染料在我國的歷史深遠(yuǎn)。自從1856年合成出現(xiàn)苯胺紫，合成染料因?yàn)樗纳守S富，染色效率高，色譜齊全，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，迅速占領(lǐng)了市場，取代天然染料的地位[2]。然而，合成染料在生產(chǎn)和使用過程中出現(xiàn)了越來越多的問題，例如致使水資源污染、土壤污染、空氣質(zhì)量變差以及有致病致癌物質(zhì)產(chǎn)生等問題，使人們倍感擔(dān)憂[3]。從自然界制取的天然染料，不僅綠色環(huán)保、無毒害、可以生物降解，而且具有可殺蟲抗菌功能、保健性能良好的功能等，是當(dāng)今炙手可熱的研究對(duì)象[4-5]。

本文將從天然染料的分類、天然染料在紡織、食品、化妝品和醫(yī)療保健中的應(yīng)用以及未來的發(fā)展方向進(jìn)行介紹。

1 天然染料的分類

1.1 按來源分類

天然染料根據(jù)獲取來源可分為四種即植物染料、動(dòng)物染料、微生物染料、礦物染料。

1.1.1 植物染料

植物染料是天然染料的主要來源，染料可從植物的根、莖、葉、花等部位中獲得。植物染料不僅使上染的織物具有鮮艷自然的色澤，而且還具有抗菌、消炎等功效[6]。當(dāng)前，研究者對(duì)蘇木、黃連、薄荷、花生衣、紫草、樟樹落葉、姜黃、茶葉、茜草、馬藍(lán)、梔子、指甲花、石榴、桑樹等植物染料進(jìn)行研究，下面將舉例介紹幾種植物染料。

(1)蘇木。蘇木中提取的天然染料即蘇木紅素，為蘇木中的隱色素被空氣氧化形成。目前蘇木具備良好的活血化瘀功效，主要用于染紅色、黃色。提取蘇木染料可以采用水煮等方式[7]。

(2)黃連。從黃連中可提取的天然染料黃連素又被稱為鹽酸小柴堿。黃連具有抗菌、消炎作用，主要用于染黃色。曹機(jī)良等研究使用利用水提取法從黃連中制取的黃連染料即黃連素上染超細(xì)腈綸纖維。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黃連染料對(duì)腈綸染色最佳溫度為95℃～100℃，且隨黃連素的用量增加，上染的腈綸K/S值也隨之增大[8]。柯貴珍等研究從黃連中制取天然染料黃連素的工藝，以及探討黃連染料上染腈綸纖維的性能和工藝，并通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高溫有利于提高腈綸纖維與黃連上染性能[9]。

(3)紫葉酢漿草(紅葉酢漿草或三角紫葉酢漿草)。于穎研究紫葉酢漿草染料上染羊毛織物的性能以及外界環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。研究發(fā)現(xiàn)染料提取液為紅色時(shí)pH≤5，染料提取液為黃綠色時(shí)pH≥6，并且pH值越大黃綠色越趨向于黃色[10]。

(4)樟樹落葉。樟樹落葉中含有的染料主要用來染棕黑色。陳美云等發(fā)現(xiàn)，從樟樹落葉中提取的天然染料的染色效果，受外界條件比如pH值、溫度等影響，同時(shí)樟樹落葉中提取的天然染料對(duì)絲綢染色的效果受外界條件比如pH值、時(shí)間等影響[11]。

(5)冰島衣。冰島衣在抗病毒性、抗菌性能、抗氧化性能等方面表現(xiàn)出其優(yōu)點(diǎn)。丁思佳等研究提取的冰島衣染料上染西藏羊毛纖維的染色工藝，以及染色的效果受外界條件的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著pH值的升高，冰島衣染料的顏色從黃棕色變到紅棕色再到棕黑色，并且溶液呈堿性時(shí)，冰島衣染料顏色變深[12]。

(6)薄荷。薄荷的味道清涼沁人，不僅可以使人提神醒腦，而且具有良好的抗菌性。薄荷上染的織物也會(huì)具有抗菌消炎的功能。薄荷主要用于染綠色。徐靜等對(duì)于從薄荷中制取染料的工藝，及薄荷上染真絲織物的工藝進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，在20℃的染色溫度，20min的染色時(shí)間，pH值為10的染液是適宜薄荷染料對(duì)真絲染色的工藝[13]。

(7)花生衣?；ㄉ鲁始t棕色，在抗氧化性、抗菌消炎、抑制腫瘤等方面有良好的表現(xiàn)。曹志強(qiáng)等從花生衣中采用沸水提取法制取花生衣天然染料并上染羊毛織物，并對(duì)其工藝及性能方面進(jìn)行測(cè)試研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溫度較高、反應(yīng)時(shí)間較長以及溶液pH值呈中性時(shí)，提取液更偏向于紅色[14]。

(8)茶葉。茶葉可以將天然纖維上染出不同深淺的棕色。王雪梅等研究了采用茶葉天然染料對(duì)不同纖維試樣染色，以及染色時(shí)不同媒染劑對(duì)纖維顏色的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同媒染劑媒染過的纖維顏色會(huì)有所不同，采用銅離子型媒染劑會(huì)使纖維略微偏向藍(lán)綠色；采用媒染劑鉻離子型使纖維偏棕色；采用媒染劑鐵離子型使纖維偏深綠色；采用鋁、錫離子型媒染劑會(huì)使纖維略微偏向于紅色[3]。

(9)姜黃。姜黃具有活血化瘀、降血脂等方面功效，也是一種傳統(tǒng)的、著名的，用于染鮮艷黃色的天然染料。王雪梅等研究姜黃染料對(duì)多種纖維染色效果及使用不同的媒染劑對(duì)纖維上染效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，姜黃染料上染動(dòng)物纖維羊毛和蠶絲的顏色是土黃色，而姜黃染料對(duì)植物纖維染色的顏色為橘黃色。并且在溶液呈酸性時(shí)姜黃染料是黃色的，在溶液呈堿性時(shí)姜黃染料是紅棕色的[15]。

1.1.2 動(dòng)物染料

動(dòng)物染料的種類較少，主要有蟲(紫)膠、貝紫、胭脂蟲等。

(1)蟲膠。蟲膠紅又被稱之為紫膠紅色素，其主要是雌性紫膠蟲分泌的樹脂狀物質(zhì)中提取出的紅色素。張麗平等探索了蟲膠紅對(duì)鉻鞣皮革染色工藝條件。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在55℃以上的熱水或酸性溶液中，蟲膠紅具有良好的溶解性，但在溶液呈堿性時(shí)蟲膠紅變色嚴(yán)重[16]。陳美云等研究紫膠天然染料的穩(wěn)定性受外界條件如pH值、溫度等會(huì)產(chǎn)生影響[17]。

(2)貝紫。貝紫染料是海貝身體中分泌出含有不溶于水的貝紫色素的分泌物。在酶、空氣和陽光的作用下，貝紫染料將從黃色變?yōu)榫G色，然后變?yōu)樗{(lán)色，最后變?yōu)槔味茸罴训淖仙玔18]。

(3)胭脂蟲。胭脂蟲染料是指從寄生在仙人掌上的雌性胭脂蟲體內(nèi)提取出的胭脂蟲紅(又名胭脂紅酸或洋紅酸)，顏色為粉色到紫色[29]。曹紅梅等探討了胭脂蟲紅上染絲織物的染色性能，及使用不同金屬媒染劑對(duì)其上染性能的影響。結(jié)果表明，采用媒染劑，染色織物具有優(yōu)異的色牢度[20]。柳艷等研究染色溫度、時(shí)間、染液pH值等方面對(duì)胭脂蟲紅上染羊毛織物的上染性能。結(jié)果顯示，胭脂蟲紅上染羊毛織物的適宜工藝條件為：pH值3～4，80℃以上的染色溫度染色50min～60min[21]。

1.1.3 微生物染料

天然染料還可源于細(xì)菌、真菌、霉菌等微生物產(chǎn)生的色素[6]。

(1)紅曲色素。紅曲霉產(chǎn)生的染料為紅曲色素。不僅具有安全無毒的特點(diǎn)，而且還具有活血散瘀，幫助消化的作用[22]。劉艷春等研究外界條件如溶液pH值、使用媒染劑的種類等對(duì)紅曲色素染蠶絲織物的染色性能影響以及染色織物的性能變化[23]。劉小釗等研究外界條件如pH值、溫度等對(duì)紅曲色素上染蠶絲織物的A/S值、對(duì)染色性能、染色織物性能的影響[24]。

(2)銀杏葉內(nèi)生菌染料。銀杏葉中的微生物分泌出的紅色素為銀杏葉內(nèi)生菌染料。程榮煌等研究從培養(yǎng)的銀杏葉內(nèi)生菌提取出分泌的紅色素，考察對(duì)改性真絲織物的染色。結(jié)果表明，適宜的染色工藝條件為70℃的染色溫度， pH值為3，時(shí)間為60min[25]。

1.1.4 礦物染料

礦物染料主要是指小分子化合物，特點(diǎn)為具有簡單的化學(xué)結(jié)構(gòu)，有色礦石其化學(xué)成分主要是SiO2、TiO2、FeO等，隨化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同，顏色不同，并且在經(jīng)過研磨后拼混可使色譜顏色增加達(dá)到20多種[26]。

1.2 按化學(xué)組成分類

天然染料根據(jù)其化學(xué)組成不同可以分為天然蒽醌類、天然萘醌類、靛藍(lán)類、葉綠素類、類胡蘿卜素類等[27]。

1.3 按應(yīng)用性能分類

天然染料按照應(yīng)用性能分為直接染料、媒染染料、還原染料、酸染料、陽離子染料、分散染料[28]，見表1。

表1 天然染料根據(jù)應(yīng)用性能分類

1.4 按顏色分類

天然染料可根據(jù)染色后呈現(xiàn)的顏色不同分類，可分為紅、黃、藍(lán)、綠、灰、黑、紫、棕等色系[26]，具體分類方法見表2。

表2 天然染料根據(jù)顏色分類

2 天然染料應(yīng)用現(xiàn)狀

源自自然的天然染料因?yàn)槠渚G色環(huán)保、低毒無害以及多功能等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在紡織品染色和功能整理、食品著色、化妝品著色染料以及醫(yī)用組織著色和環(huán)保監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用[2]。

2.1 紡織業(yè)中的應(yīng)用

在紡織品中，采用天然染料對(duì)織物染色受到國內(nèi)外眾人歡迎。例如日本，有“西陣織”、“京友禪”、“大島綢”等多種品牌的天然染料染色的紡織產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于襯衫、睡衣、床單、被罩等日常用品。美國，Allegro公司的天然染料可以讓棉變得色彩斑斕。中國中科院采用天然黃和天然綠染色棉和絲綢；采用植物染料染色的“銅牛牌”系列的童裝[29];江蘇三毛有限公司的高檔面料是使用植物染料上染的，該面料不僅滿足人們對(duì)舒適面料的向往，又響應(yīng)國際倡導(dǎo)的環(huán)保型面料的號(hào)召[30]。當(dāng)前各個(gè)國家對(duì)天然染料的研究勢(shì)頭不減。

目前在染色方面天然染料具有廣泛應(yīng)用。例如，天然纖維可以利用姜黃、茶葉、青黛、蘇木等進(jìn)行染色，聚酯纖維可以使用茜草、紫草等與分散染料結(jié)構(gòu)十分相似的天然染料染色，聚酰胺纖維可以采用紫草、胡桃等進(jìn)行染色[31]。

天然染料染色織物已廣泛應(yīng)用于高檔服裝、紡織產(chǎn)品、日常產(chǎn)品和裝飾品等。例如：采用紅曲色素上染獲得深紅色的絲綢織造高檔絲綢服裝、真絲被面、圍巾等?？梢允遣捎媒S上染的苧麻纖維織造高支輕薄、涼爽環(huán)保的服裝。采用天然茶染料上染的棉制品可制作襯衫、睡衣、家紡等產(chǎn)品[32]。天然染料因其自身特殊功能，被廣泛的應(yīng)用于開發(fā)功能紡織品。例如，Hou等從柑桔皮中提取的天然染料(OP)可用于生產(chǎn)高耐久性的紫外線防護(hù)羊毛織物[33]，采用艾蒿染料上染的紡織品具有治療皮炎的功能[6]。

2.2 食品工業(yè)中的應(yīng)用

在食品中，天然色素即是天然染料。在食品中添加天然染料可以帶來豐富的色彩，應(yīng)用在如蔬菜包點(diǎn)、蛋糕等烘焙食品和冰激凌、飲料、果凍、奶油制品方面。天然可食用的色素如花青素、番茄紅素、類胡蘿卜素等[34]。天然色素不僅作為調(diào)色劑、調(diào)味品，還可以用于提高食品的營養(yǎng)價(jià)值，如姜黃素在食品中可以呈現(xiàn)出橙黃色外，還具有清除自由基的能力[6]。天然染料在食品中具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.3 化妝品中的應(yīng)用

人們?cè)谶x擇化妝品時(shí)，喜好越來越偏向天然材料。在化妝品中應(yīng)用的染料也不例外。在染發(fā)方面，蘇木精作為染料的染發(fā)劑在法國、印度等國被成功研制出;用胭脂蟲紅等為染料的染發(fā)劑在日本被成功研制出；中國化妝品專家也對(duì)何首烏等植物的黑色染料成分進(jìn)行了研究，為我國今后天然染料染發(fā)劑的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[35]。在護(hù)膚品中，天然染料不僅對(duì)皮膚造成刺激，還可以抗菌、消炎，如可可色素具有保濕滋潤肌膚，延緩肌膚衰老等功效。在彩妝中，火龍果果皮色素、高粱紅色素、番茄紅素等可以作為口紅、腮紅等的上染劑[34]。

2.4 醫(yī)藥保健中的應(yīng)用

由于其自身具備特殊功能，天然染料也廣泛應(yīng)用于衛(wèi)生及醫(yī)藥領(lǐng)域。天然植物染料具有抗菌性能、醫(yī)療保健性能。如蘇木具有活血化瘀功效；薄荷味道清涼沁人，不僅可以使人提神醒腦，而且具有良好的抗菌效果；花生衣可保護(hù)心腦血管，抗炎抗菌、抑制腫瘤等。李亞玲等對(duì)木黃酮染料在延緩女性更年期的功效和安全性方面進(jìn)行相關(guān)研究，木黃酮染料能夠延緩更年期[36]。

目前市場上有企業(yè)利用天然染料對(duì)紡織品進(jìn)行染色，開發(fā)出具有抗菌除臭、防霉防病的保健產(chǎn)品。

3 天然染料的發(fā)展

隨著人們生活質(zhì)量的提高,人們發(fā)現(xiàn)了合成染料越來越多的危害，人們也逐漸意識(shí)到天然染料綠色環(huán)保、無危害正是他們所尋求的。然而目前，天然染料在紡織品染色中并還沒有得到全面推廣，是因?yàn)樘烊蝗玖线€有一定的局限性[6]：(1)天然染料獲取來源數(shù)量少、色譜不齊全。因?yàn)橹参?、?dòng)物、礦物質(zhì)以及微生物等為天然染料的主要來源，天然染料獲取的范圍小、種類及數(shù)量不多、色譜不完全齊全[37]。(2)天然染料的可重現(xiàn)性差。即不是同一批次的天然染料在相同工藝條件下上染同種纖維的顏色不同，究其原因是取得的染料產(chǎn)地來源，產(chǎn)生環(huán)境以及采集時(shí)間不同而引起的。這種原因會(huì)導(dǎo)致它不能建立標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)[6]。(3)天然染料的上染率低和染色牢度差。因?yàn)樘烊蝗玖现苯优c纖維染色的染色牢度不高，所以，為提高天然染料的染色牢度，在染色過程中加入重金屬媒染劑。但是媒染劑中含有的有害重金屬不僅不符合綠色環(huán)保的要求，還對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的危害。(4)天然染料的提取消耗量大。天然染料主要從動(dòng)植物體內(nèi)獲得，然而，動(dòng)植物體內(nèi)含有色素較少。因此，為滿足染料的生產(chǎn)需要，使用大量植物和動(dòng)物是不可避免的[28]。有些植物本身是具有十分珍貴的藥用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的中草藥，如果將它們大量用于染料的提取，會(huì)造成資源沒有得到充分利用導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高，還會(huì)造成染料價(jià)格居高不下的現(xiàn)象，不適于產(chǎn)業(yè)化加工[6]。(5)鑒定天然染料質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)和上染產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)急需確定。天然染料在染色時(shí)受外界條件如媒染劑種類及媒染劑用量、pH值的影響，并且天然染料在生產(chǎn)加工過程中不可避免的要使用某些助劑化學(xué)品，會(huì)釋放出有毒有害物質(zhì)如甲醛等，這些都可能會(huì)導(dǎo)致紡織品或生產(chǎn)等不符合國家標(biāo)準(zhǔn)[28]。

因此，要使天然染料跨越瓶頸，飛速發(fā)展需在下面幾個(gè)方面進(jìn)行著重研究：(1)擴(kuò)大天然染料的獲取范圍、增大其產(chǎn)量方面。例如可在我國荒蕪地區(qū)種植可提取天然染料的植物，這一措施不僅提供了豐富的天然染料資源，還在改善荒蕪地區(qū)環(huán)境的同時(shí)發(fā)展當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)[22]；還可以使用生物技術(shù)獲得染料，如利用愈傷組織產(chǎn)生色素；另外從大量廢棄的植物中提取天然染料可在解決天然染料的來源問題生物同時(shí)，使資源得到了充分的利用。(2)拓寬天然染料的色譜方面。對(duì)天然染料進(jìn)行拼色染色[33]，可以使天然染料具有更加豐富的顏色即拓寬了色譜。(3)改進(jìn)染色技術(shù)。例如利用新媒染劑取代傳統(tǒng)媒染劑，Zheng等將稀土氯化物作為媒染劑用于天然染料染色苧麻織物，發(fā)現(xiàn)稀土金屬可以作為一種環(huán)境友好型媒染劑[38]。采用超臨界CO2技術(shù)、超聲波技術(shù)、微膠囊技術(shù)等新型染色方法，這不僅可以使天然染料的上染率和染色牢度得到提高，還可使生產(chǎn)中減少污染物的排放、助劑的使用等[2]。除此之外，還可以采用前處理或后整理使天然染料的牢度加強(qiáng)[39]。(4)改進(jìn)天然色素的染色工藝。染色前選擇染料的品種,進(jìn)一步完善天然染料染色工藝。除此之外，制定標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)中使用的設(shè)備，并確定生產(chǎn)中的工藝參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。(5)增加使用天然染料產(chǎn)品的附加值。研究天然染料的附加性能功能，應(yīng)用在紡織產(chǎn)品上即可以增加產(chǎn)品附加值。天然染料發(fā)展?jié)摿o限[22]。

4 結(jié)語

21世紀(jì)是一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)代，科技在不斷創(chuàng)新，人們生活水平和消費(fèi)水平迅速提高，人們對(duì)紡織品的要求不再僅僅局限在遮體、保暖等簡單需求，對(duì)于紡織品的色澤美觀、功能性高、無毒害等方面要求越來越高。在染色方面，天然染料不僅染出的紡織品顏色鮮艷、飽和、十分的自然，還可具有大量細(xì)膩的中間色，滿足人們對(duì)于時(shí)尚的需求。在環(huán)保、安全方面，天然染料對(duì)環(huán)境無污染，可生物降解、安全不刺激等特點(diǎn)，使人們使用過程中安心。在功能多樣化方面，天然染料的紡織品不僅可以具有抗紫外線的功能，還可以具有抗菌、消炎等醫(yī)療功效，滿足人們對(duì)于功能的需求。天然染料具有廣泛的應(yīng)用前景，在發(fā)展過程中需要不斷完善技術(shù)，提高研發(fā)水平，順應(yīng)市場需求，突破天然染料的發(fā)展瓶頸，完善天然染料制取和染色工藝，增加色彩種類，發(fā)揮天然染料功能上的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，采用天然染料開發(fā)具有多功能和高附加值的有色紡織品，具有廣闊的發(fā)展前景。