微生物染料及其在紡織品染色中的應用

楊慕瑩， 翟紅霞， 邢鐵玲， 盛家鏞， 陳國強， 田 馳， 劉雅光

(1. 現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室， 江蘇 蘇州 215123； 2. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院， 江蘇 蘇州 215021；3. 遼寧美麟集團有限公司， 遼寧 鐵嶺 112000)

微生物染料及其在紡織品染色中的應用

楊慕瑩1，2， 翟紅霞1,2， 邢鐵玲1,2， 盛家鏞2， 陳國強1,2， 田 馳3， 劉雅光3

(1. 現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室， 江蘇 蘇州 215123； 2. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院， 江蘇 蘇州 215021；3. 遼寧美麟集團有限公司， 遼寧 鐵嶺 112000)

為實現(xiàn)環(huán)保染色，以近些年國內外對微生物染料在染色中的應用研究為基礎，介紹了微生物水溶性色素和脂溶性色素的性質、不同生成形式，概述了菌體染色和萃取液染色2種常見的微生物染色方法及其適用范圍。以紫色桿菌、弧菌、曲霉菌等幾種常見的已應用于染整領域或有潛在應用價值的菌種為例，從菌種的性質、培養(yǎng)過程、發(fā)酵條件、染色方法及最佳工藝、染色后織物的主要性能等方面進行探討。結果表明:微生物染料生物相容性好，發(fā)酵工藝成熟且產量高，能夠較好地上染織物，部分主要牢度達到服用性能要求，且少數染料還能賦予織物抗菌等性能;然而，作為一種天然染料，微生物染料同樣也存在著諸如色譜不全、日曬牢度有待提高等缺點。

真菌； 細菌； 微生物染料； 天然染料； 染色； 發(fā)酵

早在遠古時期，人類就開始使用天然染料對紡織品織物進行染色。在19世紀，大量價格便宜且制取方便、色譜廣的合成染料逐步占領市場[1]。迄今為止，合成染料仍然被大量應用于紡織、制革、造紙、食品等各個行業(yè)[2]，但是，一部分合成染料由于合成前體或者產物對人體有致癌、致敏的作用而被禁用[3]。隨著人們生活水平的提高，健康、環(huán)保的生活理念開始備受推崇。天然染料無毒，無致癌性且生物相容性好，可降解，目前被認為是可取代合成染料的環(huán)保型化學品，因此，激發(fā)了學者對天然染料開發(fā)與研究的熱情[4-5]。

植物、動物和微生物所產生的天然染料被認為是目前可能替代合成染料的幾大來源[6]。在食品和紡織行業(yè)應用最為廣泛的便是植物和微生物。雖然一些植物(如：銀杏[7]、紅豆杉[8]、桑葚[9])含有天然色素，但是植物的生長周期長，培育占用大量土地資源，在一定程度上限制了天然色素的工業(yè)化生產。細菌、真菌等微生物可通過發(fā)酵培養(yǎng)的方法穩(wěn)定地產生天然色素，比如類胡蘿卜素、黃酮類、醌類、紅色有機胺類等[10]。常見的產色素菌種有黃色短桿菌、金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌、黏質沙雷氏菌、紫色桿菌等[11]。微生物發(fā)酵方法，不僅色素產量高，且與動植物相比產生的殘渣少，對空間和環(huán)境的要求低。而產生的天然染料的發(fā)色基團還能夠進一步經化學修飾，得到更為廣泛的光譜。此外，一些蒽醌類的微生物染料除色彩明亮外，還具有一定的抗菌作用，這表明部分微生物染料在織物的功能性整理上同樣具有潛在的應用價值。

通過微生物發(fā)酵來產生色素對紡織品進行染色是目前實現(xiàn)環(huán)保染色的有效途徑之一,因此，本文對微生物色素的性質、生成形式進行分析，總結國內外現(xiàn)有的幾種微生物色素的研究方法(培養(yǎng)條件、培養(yǎng)基配方、色素獲得方式等)，探究將色素應用于紡織品染色的工藝條件，以期為今后對微生物天然染料的進一步研究提供基礎。

1 微生物色素的生成形式

微生物可分為真菌、細菌和藻類等。微生物色素可分為水溶性色素和脂溶性色素。水溶性色素又叫胞外色素，在固體培養(yǎng)時，此類色素能夠滲透到培養(yǎng)基中，使培養(yǎng)基顯現(xiàn)出一定的顏色，比如：綠膿桿菌；在液體發(fā)酵過程中，水溶性色素則會溶于培養(yǎng)液中。脂溶性色素又稱胞內色素，由于其不溶于水而存在于菌體內，使菌體呈現(xiàn)出特定的顏色，培養(yǎng)基無顏色，比如：黃色短桿菌、靈桿菌等。發(fā)酵后往往需要進行破壁處理，釋放胞內色素。

微生物色素的產生方式主要有2種：一種是微生物生長過程中的分泌物，另一種是以培養(yǎng)基中的某一成分作為底物進行轉化而形成的色素[12]。對于后者，則需要在培養(yǎng)基中加入色素產生需要的物質，促進色素的生成，提高色素產量。

2 微生物染料在染色中的應用

2.1 微生物染色方法

根據微生物色素的性質及其產生方式的不同，采用微生物色素對紡織品織物進行染色的方法分為菌體染色和萃取液染色。

2.1.1 菌體染色

1)發(fā)酵液染色法。配制液體發(fā)酵培養(yǎng)液，滅菌待用。取適量菌種于滅菌的去離子水或生理鹽水中，采用血球計數法在顯微鏡下對孢子或細菌進行計數[13]。待稀釋至一定濃度范圍內，按照某一接種率在液體培養(yǎng)基中加入菌液，在適宜的溫度和轉速的搖床上發(fā)酵培養(yǎng)。菌體發(fā)酵過程中可采用紫外-可見分光光度計測定發(fā)酵液中的色素含量(色價)。待發(fā)酵液中含有最大色素產量時，放入滅菌的織物在搖床上進行低溫染色。染色結束后進行滅菌，取出織物，水洗烘干。此法應用性最為廣泛。

2)瓊脂培養(yǎng)基染色法。取生長狀況良好，背面色澤鮮艷的瓊脂培養(yǎng)基平板，將菌體和培養(yǎng)基置于鍋內，加適量水，煮沸。將織物浸漬一段時間后水洗烘干。此法僅適用于少量無須破壁處理的菌種的實驗室研究。

2.1.2 萃取液染色

根據產生色素的性質，用有機溶劑通過萃取、層析、液相色譜等方式進行提取。經旋轉蒸發(fā)儀濃縮后得到粉末狀的色素。染色時根據浴比配制染液，在一定溫度下進行染色，過程與常規(guī)染色相似。采用該方法則需要對色素的結構進行分析，并進行提純。

2.2 微生物染色現(xiàn)狀

目前應用于染整方面的微生物色素并不多，本文就國內外研究較多的幾個菌種進行總結分析。

2.2.1 細 菌

2.2.1.1 紫色桿菌 自然界產藍紫色色素的微生物比較少，因此，天然的藍色色素比較罕見。周宏湘[13]翻譯了1997年日本報道的一種能夠產生藍色桿菌素和紫色桿菌素的細菌。細菌來源于污染的蠶絲，蠶絲在潤濕狀態(tài)下放置幾個月，有一部分變色為藍紫色。從蠶絲上分離出了該菌株。隨后利用有機溶劑四氫呋喃從菌體中萃取色素。利用該色素對不同織物進行染色實驗，結果表明該色素性能穩(wěn)定，色澤良好，適用于蠶絲、羊毛、棉等天然纖維的染色。對于醋酯纖維等化學纖維，雖然染色后織物色調有所差異，但是同樣具有可行性。

余瑩瑩[14]研究了能夠產生紫色桿菌素的藍黑紫色桿菌。采用蛋白胨酵母膏作為發(fā)酵培養(yǎng)基的主要成分，將高色價的發(fā)酵液作為染液對蠶絲織物進行染色。

2.2.1.2 弧菌 Farzaneh Alihosseini等[15]從海洋沉淀物中分離出一株能夠產生鮮艷的紅色染料的菌株——弧菌，并采用其產生的靈菌紅素對羊毛、錦綸、蠶絲等織物進行染色。細菌培養(yǎng)過程中首先將基礎的海水培養(yǎng)基(SBRM)瓊脂平板上的單菌落接種到含有SBRM液體培養(yǎng)基的錐形瓶中，在30 ℃，轉速為200 r/min的搖床上培養(yǎng)12 h，隨后進行擴大培養(yǎng)。通過過濾、濃縮、洗脫等步驟進行提純獲得靈菌紅素，該色素在紫外-可見分光光度計中530 nm處有吸收峰。

將提取的染料溶解于甲醇和水中，在80 ℃，pH值為4.5條件下對不同的織物進行染色。染色后織物經過1%的洗滌劑來洗除表面物理吸附的染料。結果表明， 腈綸和改性腈綸都能獲得鮮艷的顏色，而棉、黏膠和丙綸僅有極少量的染料上染。

在穩(wěn)定性上，染料經60 min高溫處理后上染率降低了15%，進一步說明染料并不具有較好的熱穩(wěn)定性和耐酸性。此外，靈菌紅素還具有一定的抗菌作用，染色后的羊毛織物對大腸桿菌的抑菌率達52%，因此，靈菌紅素可作為具有抗菌作用的染料對織物進行功能性整理，在染整行業(yè)顯示出了巨大的潛力。

鐘綿國等[16]研究了靈菌紅素對羊毛和腈綸織物的染色，提出靈菌紅素對羊毛的染色過程符合朗繆爾模型，對腈綸的染色為能斯特模型。染色后濕摩擦牢度為3～4級，干摩擦牢度為2～3級，皂洗牢度為2～3級。由于殼聚糖在染色過程中有增深作用，且具有一定的抑菌效果，在實驗設計過程中將織物浸軋不同分子質量的殼聚糖，抑菌率達90%以上。

2.2.2 真 菌

2.2.2.1 黑曲霉孢子粉 黑曲霉是廣泛分布在谷物、空氣和土壤中的曲霉屬真菌[17]，目前已被應用于檸檬酸和酶類的生產，被FDA[18]認定為“通常認為是安全的”，而作為食品著色劑應用于醬油、醋等副食品上。翟紅霞等[19]創(chuàng)造性地采用黑曲霉孢子粉對蠶絲織物進行染色。采用馬鈴薯葡萄糖作為液體培養(yǎng)基，將一定量的混合稀土加入到黑曲霉孢子粉的擴大培養(yǎng)液中作為染色液，后加入滅菌的蠶絲織物進行染色。研究表明，當加入的黑曲霉孢子粉為4 g/L，媒染劑混合稀土0.4 g/L，pH=6.5的條件下染色24 h，得到的織物勻染性好，皂洗牢度和摩擦牢度為4級或4～5級，日曬牢度達到3級。直接采用工業(yè)化生產的孢子粉進行發(fā)酵染色，不僅避免了微生物在前期培養(yǎng)基上周期較長的培養(yǎng)過程，而且可通過控制加入孢子粉的質量來改變織物的色澤深淺，方便、可控，是未來微生物染色投入生產應用最為簡便的方法之一。

2.2.2.2 絲狀真菌 Palanivel Velmurugan 等[20]分別從5種絲狀真菌中提取不同顏色的天然染料，并將5種染料應用于皮革的染色。取純化后直徑為12 mm的菌塊置于特定的葡萄糖無機鹽培養(yǎng)基中， 27 ℃下發(fā)酵4～6 d。隨后采用不同濃度的乙醇對染料進行萃取、離心，得到萃取液。

研究所用皮革為常規(guī)的含鉻山羊藍濕皮，優(yōu)化得到最佳染色工藝為：染料用量6%(o.w.f)，pH=5，溫度70 ℃，染色時間120 min。對上染百分率、色光、牢度等進行研究，皮革的上染率從40%～70%不等，織物的各項牢度達到服用要求，且隨著時間的推移，牢度并沒有較大的變化。這表明該染料具有一定的穩(wěn)定性，可作為皮革織物染色的一種天然染料。但是，染料的提取方式有待進一步改進。

2.2.2.3 紅曲霉菌 紅曲霉菌屬于真菌門，子囊菌亞門，不整子囊菌綱，紅曲科[21]。由于其能產生大量的天然紅曲色素而出名。文獻[22]表明，紅曲色素中主要含有6種醇溶性的色素和4種水溶性的色素，主要有紅色素、紫色素和橙色素、黃色素等。對其性質進行研究發(fā)現(xiàn)，醇溶性的色素較水溶性的色素更有工業(yè)應用價值[23]。劉艷春等[24]采用紅曲霉的分泌產物紅曲紅素應用于蠶絲的染色加工。劉雅光等[25]公開了一種直接采用紅曲霉菌對蠶絲織物進行染色的方法。將培養(yǎng)好的紅曲霉菌接種到培養(yǎng)液中，在28～30 ℃培養(yǎng)作為擴大培養(yǎng)液，后加入稀土作為媒染劑，對滅菌后的蠶絲織物進行低溫染色，染色織物的各項牢度均能達到基本服用要求。

由于紅曲霉菌經發(fā)酵產生的色價相對較低，且提取效率差，因此，必須通過多種方法來提高紅曲霉的色素產量。Mohd Shamzi Mohamed 等[26]通過使用一種新型的雙飛行螺旋帶狀的葉輪(HRI)來對發(fā)酵罐進行攪拌，從而改善紅曲霉菌株生產紅色素的產量。童愛均等[27]通過固體發(fā)酵基質和外加碳源的方式來提高紅曲霉的產色素量。徐偉等[28]采用微波輻照來誘變選育高產橙色素的紅曲紅菌株。通過不同條件的誘變，篩選產量高且色澤鮮艷的菌株進行培養(yǎng)，是擴大微生物染料色譜范圍的方法之一。

2.2.2.4 尖孢鐮刀菌(F.oxysporum) Nagia等[29]從感染根腐病的柑橘樹根中分離出了5種尖孢鐮刀菌，從中篩選了一株能夠產生粉紫色蒽醌染料的菌株并應用于羊毛織物的染色。取直徑為5 mm的菌塊接種到特定的葡萄糖礦物鹽培養(yǎng)基[30]上進行培養(yǎng)。發(fā)酵4～6周后進行過濾、提純、濃縮。核磁共振結果表明染料為蒽醌型。羊毛織物經5 g/L的非離子洗滌劑洗滌30 min，水洗后烘干待用。染液中加入一定量的 NaCl，非離子洗滌劑3 g/L，浴比為1∶40，在50 ℃下染色30 min。探討染色因素的影響并測定上染速率、色牢度、毒理性等。結果表明：當染色pH=3時羊毛表現(xiàn)色深值最大；隨著無機鹽濃度的增加，色牢度下降；染色溫度越高，表面色深值和牢度均增加。水洗牢度、摩擦牢度和耐汗?jié)n牢度、日曬牢度可達到紡織品服用性能要求。織物不僅可獲得亮麗的色澤，并且色牢度較高。

2.2.2.5 冬蟲夏草菌 冬蟲夏草BCC1869是一種昆蟲病原真菌，可制造出6種紅色萘醌類物質，這些萘醌類的物質的化學結構類似于商用紅色顏料紫草素和紫朱草素[31]。Panida Unagul 等[32]將冬蟲夏草BCC1869 接種于馬鈴薯葡萄糖肉湯(簡稱PDB)培養(yǎng)液的燒瓶中培養(yǎng)7 d。在26 ℃，pH=7, 一定通氣量，靜止培養(yǎng)50 d或200 r/min 的搖床培養(yǎng)28 d條件下，可獲得3,5,8-三羥基-6-甲氧基-2-(5-羰基(6-C)-1，3-二烯)-1,4-萘醌(簡稱3,5,8-TMON)，其質量濃度最高可達到 3 g/L。

進一步研究表明，3,5,8-TMON具有極高的熱穩(wěn)定性和較強的耐酸堿性，抗菌性，因此，冬蟲夏草 BCC1869作為紅色的染料對紡織品進行染色后整理具有巨大的商業(yè)應用價值，但是利用其進行染色的相關報道目前還未出現(xiàn)。

3 微生物染料存在的不足

微生物分泌的色素雖然是一種天然色素，然而要將其應用于紡織品的染色中，則菌種必須滿足以下幾個條件：首先，菌種必須是對人體無致病性；發(fā)酵過程中不產生毒素或色素，能夠與毒素進行完全地分離；為實現(xiàn)工業(yè)化生產，菌種還必須可用于液體發(fā)酵，因此，作為天然染料，其弊端主要有色譜不全、染色過程相對比較繁瑣且染色的重演性相對較差，拼色存在一定的難度，染色牢度尤其是日曬牢度不高。此外，生物安全性將是微生物染料應用的最大障礙，紅曲霉菌是亞洲最早應用于食品上的真菌之一，但是在美國依舊是被禁止的[33]，因此，為完成微生物染料的工業(yè)化應用需要進行長期的生物試驗，確保對人體的安全性。

4 結 語

微生物天然染料由于其生態(tài)環(huán)保，發(fā)酵工藝成熟，生物相容性好等優(yōu)點，越來越受到人們的關注。采用微生物染料對紡織品織物進行染色加工，染色方法多樣，色澤獨特且部分染色牢度可達服用標準顯示出了巨大的應用前景。

FZXB

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Microorganisms pigments and application thereof in textile dyeing

YANG Muying1,2, ZHAI Hongxia1,2, XING Tieling1,2, SHENG Jiayong2, CHEN Guoqiang1,2, TIAN Chi3, LIU Yaguang3

(1.NationalEngineeringLaboratoryofModernSilk,Suzhou,Jiangsu215123,China; 2.CollegeofTextileandClothingEngineering,SoochowUniversity,Suzhou,Jiangsu215021,China; 3.LiaoningMeilinGroupCo.,Ltd.,Tieling,Liaoning112000,China)

Based on the recent researches of microorganism pigments in dyeing and finishing, the different properties and formations of water/lipid-soluble pigments, two methods of dyeing were introduced. The study and development status of fungi and bacteria (chromobacteriumviolaceum,Vibrio,aspergillus, et al.) which have been or might be used in dyeing were discussed, including the cultivate progress, fermentation conditions, dyeing process and the properties of the dyed fabrics. The results indicated that microorganisms pigments were widely used due to their better biodegradability, well-developed cultivation technology and higher yield. The fabrics could achieve great color and some main color fastness could satisfy the requirement of wearability. Some fabrics were endowed with antibacterial properties. However, as natural pigments, some problems of microorganisms pigments such as light fastness, color spectrum also needed to be solved.

fungi; bacteria; microorganism pigments; natural pigments; dyeing; fermentation

10.13475/j.fzxb.20150905206

2015-09-22

2016-04-19

楊慕瑩(1992—)，女，碩士生。主要研究方向為蠶絲織物的生物染色。陳國強，通信作者，E-mail：chenguojiang@suda.edu.cn。

TS 193.5

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