天然植物染料的應(yīng)用及發(fā)展

郭榮輝，陳美梅

(四川大學(xué)輕紡與食品學(xué)院，四川成都 610065)

天然植物染料是指提取自植物的樹皮、果皮、果肉、花朵、葉子或根、莖等各個部位用于染色的一類染料[1-3]。在公元2500多年前[4]，我國先輩就已經(jīng)開始將天然染料運用于染色，彰顯出華夏人民的聰明智慧，折射出不同時期人們的審美追求與藝術(shù)風(fēng)尚。自19世紀(jì)50年代英國化學(xué)家珀金發(fā)明了世界上首個化學(xué)合成染料苯胺紫開始[5]，合成染料的發(fā)展變得十分迅速，相關(guān)的研究成果遍地開花。并且憑借著其制作方法簡便、色彩豐富多樣、染色效率高、色牢度尤其是耐洗和耐曬牢度高、純度明度高等優(yōu)點迅速地占領(lǐng)了染色市場，逐漸地替代了天然染料的應(yīng)用[6-7]。但是它們難以生物降解，有些合成染料有致癌性，威脅著人類的健康，合成染料的制備過程和使用過程也給環(huán)境帶來污染問題[8]。在21世紀(jì)到來，全世界共同呼喚“生態(tài)、綠色、環(huán)保”的潮流下，天然植物染料憑借其無毒害、與環(huán)境友好、生物降解性良好，富有趣味性、民族特色和藝術(shù)特色明顯，甚至因為染料來源本身的性質(zhì)而具有一定的醫(yī)療保健功能如抗紫外性和抗菌性[9-10]等，再度受到世人的關(guān)注。

本文從不同的角度對天然植物染料(以下簡稱植物染料)進行分類，介紹其提取方法，以及在紡織、食品、化妝品、醫(yī)療保健等方面的應(yīng)用，并分析天然植物染料發(fā)展面臨的問題及其應(yīng)對辦法。

1 天然植物染料的分類和提取

1.1 天然植物染料的分類

1.1.1 按照化學(xué)組成分類

按照其化學(xué)組成的不同，可以分為類胡蘿卜素類、類黃酮類、萘醌類、蒽醌類、姜黃素類、靛藍(lán)類、葉綠素類等。

1.1.2 按照溶解性能分類

根據(jù)溶解性能的差異，可分為3類：水溶型、醇溶型以及油溶型。將在水中以及乙醇的水溶液中均能較好溶解，在無水乙醇中的溶解度較低，在石油醚中不溶的染料稱為水溶型染料；在有機溶劑(如石油醚、二氯甲烷等)中的溶解度較大，在無機極性溶劑水以及有機極性溶劑乙醇、丙酮等中不溶或難溶的染料為油溶型染料；醇溶型染料的溶解性介于上述二者之間，換言之，在石油醚中難溶，在無水乙醇中易溶。

1.1.3 按照染色性質(zhì)分類

可分為直接染色型、還原染色型、媒染型以及其他類型植物染料。

在水中有較好溶解性的色素，可直接吸附并固著于被染物，這類染料采用直接染色法。黃柏、黃連等類堿性染料水溶性好，色素可直接吸附在被染物上，無需媒染。

還原型植物染料色素原本不溶于水，需要使用還原劑使其成為可溶性中間體，在液體中溶解并上染纖維，然后再氧化重新變成不溶性的物質(zhì)固著于織物上。靛藍(lán)[11-13]的染色就屬于這一類型。靛藍(lán)不溶于水，在堿性染液中被還原成可溶性的隱色體靛白，可順利上染纖維，然后被染物透風(fēng)氧化，靛白復(fù)原成了不溶性的靛藍(lán)而固著在織物上面。

媒染型植物染料色素對水的溶解性不好，需要借助載體(也就是媒染劑)進行著色以增加上染百分率和色牢度。如果植物染料色素對水的溶解度很好，色素可以直接吸附到被染物上，但是染色完成后色牢度較差，則亦需采用媒染劑進行染色[14]。人們所處的環(huán)境決定了其認(rèn)知水平和技術(shù)水平的有限，所采用的媒染劑比較原始，包括灰汁、石灰、泥土等。目前人們主要選用明礬、氯化亞錫、硫酸銅、錫酸鈉、重鉻酸鉀等化學(xué)試劑。

其他類型植物染料如直染、媒染型植物染料，是指兼具直接染色和媒染方法的一類植物染料，如梔子、黃柏、姜黃等。

1.1.4 按照被染物染色后的顏色分類

主要劃分了紅色、黃色、綠色、棕色、紫色、藍(lán)色和灰、黑色，具體可見表1。

表1 植物染料按被染物染色后顏色分類

1.2 天然植物染料的提取

對于不同的植物染料色素，其具有最佳染色效果的色素提取時間不同。有的是成熟期，有的在成長期。葉片和草株通常是新鮮提取的，果皮、樹皮、根等部位最好是干燥的。而茶葉是例外，可以是在炒制后提取。

染料色素的提取方法主要有傳統(tǒng)水煮法、乙醇浸漬法、加分散劑法、超聲波法、冷凍干燥法、超臨界流體萃取法等[15-16]。

傳統(tǒng)水煮法主要是針對可溶于水的植物色素，植物染料大多采取直接用水萃取，此法經(jīng)濟實用并且操作簡單。

乙醇浸漬法是將粉碎過后的染材放入容器中，加入乙醇溶液浸漬后將溶液濾出，再次倒入乙醇溶液浸漬，如此反復(fù)多次，最后將所有濾液混合，即可作為染液。這種方法特別適合于難溶于水的染料。

加分散劑法是把分散劑加入染液中，使原先在水中溶解度低的染料形成較穩(wěn)定的染料顆粒分散良好的體系，分散劑的添加增加了織物與染料顆粒的接觸面積和接觸機會，因此增強了染色效果。

超聲波法是比較新的提取方法，把染材超聲處理后濾去殘渣得到濾液，然后濃縮干燥制成染料。超聲波強的空化效應(yīng)以及攪拌力破壞植物體細(xì)胞，溶劑更容易滲透進入細(xì)胞，因而提高了提取速度。

真空冷凍干燥技術(shù)，是將含有水的物體先凍結(jié)然后在真空條件下升華，物品原有生物化學(xué)性能基本不變，染料易于保存，加水后可恢復(fù)至凍干前的形貌和特性。此法可使得染色工藝更加規(guī)范簡便，提高染色重現(xiàn)性。

超臨界流體萃取法，利用超臨界流體(通常是二氧化碳)作為溶劑，從固態(tài)或者液態(tài)物體之中萃取有效成分然后進行分離，效率高、能耗小，無有機溶劑殘留。

2 天然植物染料的應(yīng)用

2.1 天然植物染料在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1.1 茜草色素染色棉織物

茜草[17-18]，又稱破血草、八仙草等，是多年生的草質(zhì)攀援植物，具有止血化瘀、通經(jīng)活絡(luò)、止咳祛痰的療效，還可以有效治療尿血、便血、血崩和閉經(jīng)等諸多血癥。袁小紅等研究者采用氫氧化鈉溶液對茜草染料進行提取，用媒染法提高了被染物的上染率和色牢度[19-20]。曹紅梅等對棉織物用茜草進行預(yù)媒法染色，當(dāng)媒染劑分別為鋁離子和鐵離子時，染色完成后的織物顏色不同，織物色牢度均比較好。

2.1.2 丁香色素染色改性亞麻織物

丁香不僅是常用的中藥材，而且經(jīng)曬干之后作為名貴香料使用。丁香所含揮發(fā)油具抑菌及驅(qū)蟲作用，用作芳香，鎮(zhèn)痙驅(qū)風(fēng)劑[21]。丁香可以治療腹痛、神經(jīng)痛、牙痛、胃病、嘔吐等疾病。將其色素應(yīng)用于織物染色領(lǐng)域，可給予紡織品非凡的藥用保健功能。亞麻織物風(fēng)格古樸典雅、透氣排汗、抗霉菌，但是亞麻織物上染率低，色澤暗淡且色牢度不理想[22]。司舒童[23]利用陽離子改性劑對亞麻織物進行了改性，繼而使用丁香色素上染亞麻織物。改性劑用量為10%時，改性效果良好。媒染時溫度為80℃，媒染劑的濃度為10g/L為宜。所得織物服用性能有所提高，各項色牢度獲得提升，且織物獲得了一定的抗菌性能。

2.1.3 銀杏落葉色素真絲染色

黃色的銀杏落葉觀賞性強，但是實際利用得較少，如果將其提取色素應(yīng)用于植物染色，則可大大提升它的價值，真正實現(xiàn)廢物利用[24-25]。張鵬[26]以水為溶劑提取銀杏落葉色素上染真絲織物，通過設(shè)計正交實驗得出直接染色的最優(yōu)工藝方案；在媒染染色過程中分析了媒染劑選取的不同以及媒染方法的變換對于K/S值的影響和對色牢度的影響。結(jié)果表明，媒染可以改善真絲織物的色牢度，其中后媒法的效果是最好的。

2.1.4 板栗殼色素染色毛織物

董超萍等[27-31]研究發(fā)現(xiàn)，NaOH溶液十分適合用作板栗殼色素[32-34]的提取，在對精紡毛織物染色的時候，其優(yōu)化的工藝條件是：pH=3，溫度T=80℃，染色時間t=100min。染料用量增加時，染色織物的K/S值逐漸增大，染色深度的增加速度有先快后慢的整體趨勢。最佳條件是板栗殼天然染料的用量為60mL。在這一條件下，染色效果較好。干、濕摩擦牢度分別為4.5和4，日曬牢度以及汗?jié)n牢度均為4，變色耐洗牢度為3.5，以上指標(biāo)均已達(dá)到服用要求，證明該織物具有一定的實用價值。

2.2 天然植物染料在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

天然植物染料不僅可應(yīng)用于紡織印染業(yè)，在諸如食品、造紙、塑料、建材、化妝品、制藥、紋身、彩繪等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用前景。

梔子藍(lán)色素不僅可用于紡織品印染，還可用于食品行業(yè)，比如飲料制品和其他食品添加劑，藥品及化妝品的著色[35-37]。桑椹是桑樹的果實，外觀呈紫色，洗凈可直接食用。桑椹色素可以作為食品飲料添加劑。桑椹還具有滋陰補血和清肝明目的功效，故而用于制藥行業(yè)[38]。番紅花可以作為食用色素、染料、墨水色素。高粱色素可用于食品加工，如食品、印刷，還可應(yīng)用于藥品、化妝品和紡織品領(lǐng)域?；瘕埞氐纳拭鼷悾３Ｗ鳛槭称诽砑觿Ｑ芯空呃美苯分械娜旧行С煞帧苯芳t色素，將辣椒應(yīng)用于化妝品、醫(yī)藥、食品、飼料等領(lǐng)域。姜黃可作防腐劑和著色劑[39]。

唇膏中的增色劑、護膚品、洗發(fā)水、染發(fā)劑中存在的植物染料色素，就是植物染料在日用化妝品中的應(yīng)用。生姜在洗發(fā)水中的應(yīng)用為大家熟知。胡玉莉等[40]人研究了植物色素染料在染發(fā)劑中的應(yīng)用，總結(jié)了常見染發(fā)劑的種類及原理，歸納了代表性的植物染色劑，闡述了這類染發(fā)劑的價值和市場前景。胡玉莉研究團隊總結(jié)了諸多可以用作染發(fā)劑的植物染料，梔子、甘菊、檳榔、蘇木、金縷梅、茶、墨旱蓮、槐米、胡桃、五倍子、散沫花、何首烏等，均可以應(yīng)用于染發(fā)劑。金縷梅還可以作為睫毛染色劑，散沫花還用于指甲染色和紋身、彩繪。

因為一些植物染料色素本身就來源于中草藥植物，故而在衛(wèi)生防護及醫(yī)藥保健的領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。艾蒿色織物可有效治療皮炎；用茜草、靛藍(lán)、郁金香和紅花染成的功能性織物具有殺菌防蟲、防過敏的效用；皂角可以用于保健品。

3 天然植物染料發(fā)展面臨的問題與解決辦法

3.1 天然植物染料的優(yōu)缺點

天然植物染料由于取自大自然的植物資源，因此其再生性較強，來源豐富且環(huán)保，對人體無毒害作用，對環(huán)境友好，帶有天然的香氣，有的甚至還具有抗紫外線、抗菌、防蟲等功效。染色后的織物色澤自然、典雅、柔和，所以高檔服裝品牌會選擇植物染料染色以提高產(chǎn)品附加值。至今仍然有不少少數(shù)民族地區(qū)延續(xù)著植物染色工藝。在全社會崇尚環(huán)保以及追求個性的思潮下，天然植物染料擁有廣闊的發(fā)展前景。

但是植物染料很大的缺點是其染色色素含量較低，多數(shù)植物本是作為中草藥使用，所以如果將植物采擷只是為了提取色素，難免付出較高的成本代價。植物的生長受到氣候、溫濕度等多因素的影響，難以批量供給。而且植物染料色素的上染百分率低，大部分植物染料需反復(fù)媒染，有些媒染劑對人體健康不利，殘留的媒染劑給環(huán)境造成負(fù)擔(dān)。天然染料染色時間長，給色量低也制約了它的發(fā)展。

3.2 天然植物染料發(fā)展中的問題

雖然如今合成染料占有絕對市場優(yōu)勢，植物染料在印染行業(yè)也仍擁有少量份額，并漸漸吸引了服裝品牌的目光。然而植物染色技術(shù)不夠系統(tǒng)和成熟，許多產(chǎn)品局限于景區(qū)工藝品、少數(shù)民族手工工藝品領(lǐng)域。合成染料工業(yè)化發(fā)展已有百年歷史，而植物染色產(chǎn)業(yè)化還處于試驗期和起步期，有許多技術(shù)難關(guān)需要去攻克。目前市場上粗制濫造和假冒偽劣的產(chǎn)品頗多，印染行業(yè)存在著企業(yè)為了吸引消費者而謊稱自己的產(chǎn)品屬于天然染色制品的亂象；相關(guān)資源如大規(guī)模的原材料種植地匱乏，多數(shù)植物有較強季節(jié)性和區(qū)域性，給原料獲取帶來困難，如果植物原料收集之后需要保鮮，其存儲難度也較大；植物染色面臨相當(dāng)?shù)某杀敬鷥r，其中包括色素提取的成本，再加上染料利用率低，勢必導(dǎo)致成本增加；原料色光單調(diào)，色牢度偏低，無法滿足現(xiàn)代人對于豐富而明麗的色彩的追求；與此同時，植物染料染色難度較大，易出現(xiàn)原料溶解度低的問題和色花、染色不勻現(xiàn)象。

3.3 問題的解決辦法

縱觀天然植物染料發(fā)展全局，其染色技術(shù)尚未大量應(yīng)用，要想得到長遠(yuǎn)的發(fā)展，必須解決如下問題：(1)著力解決染色植物原料供應(yīng)問題。要進行工業(yè)化生產(chǎn)，原料供應(yīng)必須充足，建議人工規(guī)?；N植[41]。(2)規(guī)范染料的提取。為了提升植物染色效率，應(yīng)該摒棄以往的隨取隨用方式，將染料制成半成品或成品染料，染色時可以直接使用。這涉及到儲存問題，也需要做好技術(shù)攻關(guān)。(3)精選助劑。對于有效成分含量低的傳統(tǒng)助劑，其利用率低，而且容易造成污染。比如明礬等含鋁固色劑效果不佳，對人體健康有不利影響。要想實現(xiàn)植物染色工業(yè)化則必須精選助劑。(4)開發(fā)紡織品新功能。合理運用具有藥理療效的染色植物，將會促進人體健康，同時也將大力推動植物染色自身的發(fā)展。(5)強調(diào)綠色發(fā)展。不管是合成染料還是植物染料，其發(fā)展都應(yīng)該注重環(huán)境保護，要關(guān)心生產(chǎn)過程中的水資源耗費問題和廢水處理問題，不斷鉆研更加優(yōu)化的生產(chǎn)工藝，才能立足于市場。(6)相關(guān)企業(yè)要形成自己的品牌，要在同質(zhì)化嚴(yán)重的大背景下突出自己的競爭優(yōu)勢，規(guī)范行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，形成良性競爭。政府部門要加強市場監(jiān)督，嚴(yán)厲打擊生產(chǎn)假冒偽劣產(chǎn)品的行為，共同促進植物染色的穩(wěn)定發(fā)展。

4 結(jié)語

在合成染料得到極大運用的同時，天然植物染料憑借著它毒害性小，對環(huán)境污染小的優(yōu)勢，以及部分植物染料由于本身屬性而具有藥理的特定功效，其染色過程可以兼?zhèn)渌囆g(shù)性和趣味性，從而引起了科研人員的研究興趣。但是天然植物染料也存在著短板，原料供應(yīng)問題、有效色素的提取方法和提取成本、上染率和色牢度的提升等問題限制了它的發(fā)展。科研工作者需要將目光集中在這些劣勢上，運用新的技術(shù)手段和發(fā)展模式，才能讓天然植物染料展現(xiàn)出更加廣闊的應(yīng)用前景。