天然植物染料的開發(fā)與應(yīng)用

賀曉亞

（江西服裝學(xué)院，江西南昌 330201）

我國(guó)應(yīng)用植物染料對(duì)服裝進(jìn)行染色有悠久的歷史。植物染料是指從植物的根、皮、種子、果實(shí)、花等部位提取的色素，種類繁多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，能夠從中提取色素對(duì)纖維進(jìn)行染色的植物多達(dá)幾百種，結(jié)構(gòu)多以類胡蘿卜素、α-萘醌、蒽醌、花色素、靛藍(lán)類色素為主。這些類型的染料無毒無害、色彩自然，且原料具有可再生性，在保健內(nèi)衣、嬰幼兒服裝與家紡產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)高端市場(chǎng)擁有廣闊的發(fā)展前景。在實(shí)踐中，植物染料也存在嚴(yán)重的缺陷：（1）植物中的色素含量低，難以批量生產(chǎn)，致使植物染料成本高；（2）染料拼色性能差，難以指定加工顏色，且上染率較低。近年來，日本、韓國(guó)等在天然植物染料的研究上取得了較大的進(jìn)步，日本對(duì)天然植物染料的研究主要集中在媒染劑、染色工藝對(duì)染色性能的影響，韓國(guó)則重在研究植物染料的分子結(jié)構(gòu)、染色機(jī)理。本文介紹天然植物染料的分類、提取工藝及幾種常見天然植物染料的分子結(jié)構(gòu)和染色實(shí)踐。

1 植物染料的分類

1.1 顏色分類法

顏色分類法是植物染料最常用的分類方法，主要依據(jù)染料顏色進(jìn)行劃分，具有直觀、便捷的特點(diǎn)。如紫膠、蘇木、紅花、茜草等屬于紅色系；瑞木、紫蘇、紫草、落葵等屬于紫色系；菘藍(lán)、馬籃、蓼藍(lán)等屬于藍(lán)色系；菊花、銀杏、姜黃、葵花、槐花、郁金、梔子等屬于黃色系；綠色系植物較少，常見的僅冬綠；化香樹、柯樹、五倍子等屬于灰黑色系。

1.2 染整工藝法

染整工藝法依據(jù)染色過程中染料對(duì)織物的上染方式劃分，如石榴、冬綠、姜黃、梔子、槐花、紅花等屬于直接染料；菘藍(lán)、馬籃、蓼藍(lán)等屬于還原染料；五倍子、紫草、蘇木、茜草等屬于媒染染料（該類染料占天然植物染料的大多數(shù)）；指甲花等屬于分散染料；藏紅花屬于酸性染料；黃柏、黃連等屬于陽離子型染料。

1.3 染料結(jié)構(gòu)法

染料有效成分的結(jié)構(gòu)直接決定了染料的顏色與染整工藝，常見的植物染料有效成分結(jié)構(gòu)有靛型（α-吲哚葡糖甙），如古泰爾紫、靛藍(lán)等；萘醌型，如紫草等；類黃酮型，如矢車菊、飛燕草等；類胡蘿卜素型，如辣椒紅素、藏花酸等。

2 植物染料的提取工藝

目前，植物染料的提取還未形成完整的體系，規(guī)?；a(chǎn)能力不足，實(shí)驗(yàn)室常見的植物染料色素提取方法主要有超臨界流體萃取法、微波提取法、吸附提取法、超聲波提取法、有機(jī)溶劑浸出法、常規(guī)水浸法、搗碎過濾法、酶法等，本文僅挑選幾種高效、先進(jìn)、研究較熱的提取工藝進(jìn)行分析。

2.1 超臨界流體萃取法

超臨界流體萃取法是目前較為先進(jìn)的物理萃取方法，其原理是氣體在低溫高壓作用下轉(zhuǎn)化為液體，把控臨界溫度與壓力，使物質(zhì)處于液態(tài)與氣態(tài)之間，稱為超臨界流體，具有良好的溶解特性與穿透力（基于傳遞性與流動(dòng)性來評(píng)價(jià)）。二氧化碳超臨界壓力與溫度都較低，性能穩(wěn)定且無毒無害，安全性較好，常被用來提取藥物、食品及植物的有效成分［1］。顏雪琴等［2］利用超臨界二氧化碳萃取法優(yōu)化了石榴皮原花青素的提取工藝：提取溫度48 ℃、提取時(shí)間58 min、提取壓力35 MPa、二氧化碳流速5 L/h、乙醇體積分?jǐn)?shù)65%，原花青素的提取率提高至3.4%，且優(yōu)化了提取工藝的操作步驟，具有很強(qiáng)的實(shí)踐指導(dǎo)性。解謙等［3］研究層析萃取番茄紅素與番茄籽油，通過優(yōu)化超臨界萃取時(shí)間、二氧化碳流速、溫度、壓力來提高萃取率、降低成本。當(dāng)超臨界萃取時(shí)間為1.5 h，溫度為50 ℃，二氧化碳流速為30 kg/h，柱前、柱后壓力分別為20、15 MPa 時(shí)，番茄紅素與番茄籽油的提取率提高至90%、86%，極大地提高了提取效率。該方法除了用于提取植物染料色素外，對(duì)其他植物有效成分的提取同樣適用。如楊陳［4］利用該方法從青蒿中提取具有驅(qū)蚊效果的青蒿揮發(fā)油，李娟等［5］利用超聲波改善超臨界CO2對(duì)除蟲菊酯進(jìn)行提取，均驗(yàn)證了超臨界流體萃取的可行性。

2.2 微波提取法

微波對(duì)色素的提取原理：針對(duì)一些對(duì)微波吸收能力不強(qiáng)、穿透能力較強(qiáng)的植物染料，其各組分對(duì)微波的吸收能力存在差異，可以利用微波超強(qiáng)的穿透性對(duì)所提取染料的各組分進(jìn)行選擇性極化，極化后的分子互相摩擦與撕裂，使細(xì)胞內(nèi)部溫度升高，致使細(xì)胞被破壞，從而達(dá)到分離植物色素的目的。如陳紅等［6］利用微波對(duì)馬齒莧紅色素進(jìn)行提取，當(dāng)微波功率為700 W、提取溫度與時(shí)間分別為50 ℃、15 min 時(shí)具有較好的提取效果。馮作山等［7］利用微波提取技術(shù)從番茄中提取番茄紅素，3 次提取率高至92.13%。微波還被應(yīng)用到紅花黃色素與枸杞紅色素的提取中［8-9］。微波提取法具有效率高、成本低、污染小、應(yīng)用廣等特點(diǎn)。但在實(shí)踐中，微波提取法也存在一定的缺陷，例如微波提取會(huì)使某些染料有效成分的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。馬倩雯等［10］利用微波提取番茄紅素時(shí)，番茄中的纖維素結(jié)構(gòu)被破壞、蛋白質(zhì)變性與淀粉糊化等導(dǎo)致提取率降低。因此，植物染料的提取往往是多種提取方法綜合運(yùn)用［5］。

2.3 吸附提取法

吸附提取法一般利用不含交換基團(tuán)、具有大孔結(jié)構(gòu)的有機(jī)高分子聚合物（多為吸附樹脂），通過其較大的比表面積、網(wǎng)狀孔隙與表面氫鍵對(duì)植物染料進(jìn)行篩選與吸附。根據(jù)提取對(duì)象的不同可將有機(jī)高分子聚合物設(shè)計(jì)為非極性、中性與極性3 類。該方法具有分析純度高、損失少等特點(diǎn)，常被應(yīng)用在紅花黃色素、姜黃素等的提取中［11］。高麗等［12］利用大孔樹脂分離梔子黃色素，提取率高達(dá)98.8%，廖湘萍等［13-14］通過該方法使梔子黃色素提取率達(dá)82.86%以上。吸附提取法在紅花黃色素、火龍果果肉色素、番茄紅素等的提取中均有一定的應(yīng)用［15-17］。

2.4 過濾提取法

過濾提取法主要基于膜分離技術(shù)。依據(jù)過濾對(duì)象的差異，膜可分為反滲透膜、電滲析膜、納濾膜、微濾膜、超濾膜等，具有很高的分離效率與節(jié)能特性，且對(duì)過濾物質(zhì)選擇性強(qiáng)，無污染。史曉博等［18］利用過濾提取法提取番茄紅素，使色素?fù)p失率降至10%以下，雜質(zhì)截留率在60%以上。陳峰等［19］利用該方法提取梔子藍(lán)色素，提取率為59.95%，截留率為88.46%，除雜率為78.29%，具有很好的提取效果。

3 幾種常見植物染料的解析

3.1 蘇木染料

蘇木主要生長(zhǎng)在我國(guó)云南，蘇木染料作為堿性天然植物染料由來已久。蘇木染料的染色成分主要為蘇木素（分子結(jié)構(gòu)式如下），是從蘇木芯材中提取出來的具有一定抗菌消炎作用的中藥。從分子結(jié)構(gòu)式可知，蘇木素具有多個(gè)親水羥基，使之可對(duì)含有氨基、羥基等活性基團(tuán)的織物進(jìn)行染色，三價(jià)鋁鹽或鐵鹽常用作媒染劑與蘇木素一起使用，以獲得較好的染色牢度與顏色深度［20-21］。蘇木染料可染織物的種類多樣，如楊雋穎等［22-23］用蘇木染料對(duì)真絲進(jìn)行了染色實(shí)驗(yàn)，染色織物顏色穩(wěn)定、色光艷麗，具有很好的染色效果；同時(shí)由于蘇木染料的藥性作用，使得染色織物對(duì)金黃色葡萄球菌具有明顯的抑制作用。曹機(jī)良等［24-25］嘗試用蘇木染料分別對(duì)棉織物與羊毛織物進(jìn)行染色，驗(yàn)證了蘇木染料對(duì)棉織物與羊毛織物有較好的染色效果及藥物保健功能。

3.2 茜草染料

茜草染料的染色成分主要為茜素（分子結(jié)構(gòu)式如下），主要提取于茜草根部，為蒽醌結(jié)構(gòu)，是一系列同分異構(gòu)體或同系物，如偽羥基茜草素、羥基茜草素、甲基異茜草素、茜根素、茜草素等，具有無毒、芳香、殺菌等特點(diǎn)［26］。茜草染料結(jié)構(gòu)類似于蒽醌型分散染料，因?yàn)榕c纖維分子間形成的氫鍵較少，范德華力較小，所以移染性較好，但色牢度較差，不適合直接染色，需要借助金屬絡(luò)合作用，常以鐵鹽、銅鹽、鋁鹽等作為媒染劑［27］進(jìn)行媒染染色。茜草可以對(duì)羊毛織物、棉織物、黏膠非織造織物進(jìn)行染色，并且染色織物具有抗紫外線、抗菌、消炎等藥用功效，具有很強(qiáng)的藥用價(jià)值和市場(chǎng)前景［28-30］。但蔣利糠等［31］的研究表明，茜草染色后毛紗在LED 燈下老化嚴(yán)重，仍需進(jìn)行改善。

3.3 紅花染料

紅花染料的染色成分主要為紅花黃色素與紅花紅色素（分子結(jié)構(gòu)式如下），屬于類黃酮化合物，主要產(chǎn)自四川、湖南、河南等地，具有散濕去腫、活血化瘀等功效。紅花黃色素在紅花色素中的占比約為30%，紅花紅色素為0.5%～1.4%。由分子結(jié)構(gòu)式可知，紅花紅色素在酸性溶液中溶解性較差，可以溶于堿性溶液，但在堿性溶液中染色織物得色率較低，染色效果較差［32］。魯青玲等［33］利用阿魏酸、肉桂酸、芥子酸、水楊酸對(duì)紅花紅色素進(jìn)行改性，并對(duì)絲織物進(jìn)行染色，結(jié)果表明，紅花紅色素經(jīng)過改性后對(duì)絲織物的上染率與色牢度提高。紅花黃色素的酸性水溶性應(yīng)用效果較好，是紅花染料的主要來源。黃芳等［34］利用紅花黃色素在硫酸鎂存在的條件下對(duì)羊毛織物進(jìn)行媒染染色，色牢度、勻染性與得色率等指標(biāo)均較好。

3.4 黃連染料

黃連染料的染色成分主要為小檗堿（分子結(jié)構(gòu)式如下），提取于黃連根部。柯貴珍等［35］以水煮法提取小檗堿，并以硫酸銅為媒染劑對(duì)真絲織物進(jìn)行染色，得色率與色牢度均較好。黃連色素除了可以染色天然纖維之外，對(duì)腈綸、錦綸等化學(xué)纖維也有較好的染色效果［36-37］。同時(shí)，黃連色素染色的真絲織物對(duì)金黃色葡萄球菌具有明顯的抑制效果，具有很強(qiáng)的保健功能。［38］

4 結(jié)語

闡述了植物染料的分類、提取工藝與幾種常見植物染料的結(jié)構(gòu)，解析了天然植物染料無毒無害、抗菌防蟲、色彩自然、原料可再生等優(yōu)勢(shì)及色素含量少、上染率較低、難以批量生產(chǎn)等缺陷。天然植物染料在家紡產(chǎn)品、嬰幼兒服裝與保健內(nèi)衣等領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展前景。