天然植物染料的發(fā)展及其應(yīng)用

王昕玥

摘? 要：赤橙黃綠青藍(lán)紫，色彩給世界帶來不一樣的精彩，我們的生活也離不開染料。幾百年前，古人已經(jīng)開始用植物給物品染色。在環(huán)保意識(shí)日益加強(qiáng)的今天，植物染料的開發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)成為科學(xué)家研究的熱點(diǎn)之一。天然植物染料也因其具有環(huán)保、藥用、抗菌等多種價(jià)值，備受人們喜愛。文章簡(jiǎn)述了天然植物染料的發(fā)展過程，介紹當(dāng)下提取植物染料的新型技術(shù)及其在各領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)植物染料的未來發(fā)展做出展望。

關(guān)鍵詞：植物染料;提取技術(shù);應(yīng)用領(lǐng)域;未來發(fā)展

中圖分類號(hào)：TQ611? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）03-0024-03

Abstract： Red， orange， yellow， green， cyan， blue and purple， color brings different splendor to the world， and we can't live without dyes. Hundreds of years ago， the ancients began to dye objects with plants. Today， with the increasing awareness of environmental protection， the development and application of plant dyes has become one of the hotspots of scientists. Natural plant dyes are also loved by people because of their environmental protection， medicinal， antibacterial and other values. This paper briefly describes the development process of natural plant dyes， introduces the new technology of extracting plant dyes and its application in various fields， and looks forward to the future development of plant dyes.

Keywords： plant dyes; extraction technology; application field; future development

1 歷史發(fā)展與現(xiàn)狀

早在幾千年前，人們就已懂得從植物中獲得顏色來裝飾自己的服裝。他們從植物中擠出汁液，用于染色或繪制圖案。我們熟知的指甲花、蘭草都是常見的染料植物。許多古籍中也有關(guān)于植物染料的記載，如東漢《說文解字》記載了39種關(guān)于植物色彩的名稱。到了唐朝，染色工藝飛速發(fā)展，顏色甚至一度成為階級(jí)等級(jí)的象征。隨著絲綢之路等對(duì)外開放的發(fā)展，中國(guó)的印染技術(shù)廣泛傳播到西亞各國(guó)，對(duì)世界印染產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在幾百年后的工業(yè)革命中，合成染料由于它色彩繽紛、價(jià)格便宜、經(jīng)久耐用，逐步取代天然植物染料染色，植物染料慢慢退出歷史舞臺(tái)。

21世紀(jì)以來，人們對(duì)健康、環(huán)保和生態(tài)意識(shí)的追求日益增加，并且合成染料在一定條件下會(huì)釋放有毒有害氣體、危害人體健康，這使得人們將注意力重新轉(zhuǎn)移到天然植物染料上來。在植物染料提取過程中，大多數(shù)植物染料具有無毒無害、無致敏物、無致癌性和可降解性，而被廣泛應(yīng)用于紡織染料、服飾用品等領(lǐng)域。同時(shí)，由于部分植物具有藥用價(jià)值，天然植物染料在衛(wèi)生、醫(yī)藥、美妝等領(lǐng)域也被廣泛應(yīng)用。

2 天然植物染料分類

自然界中用于提取染料的植物種類高達(dá)幾百種，常見的植物染料原料有：茜草、紫蘇、姜黃、靛藍(lán)、石榴皮等等。植物中所含的用于制備染料的成分大多以化合物形式存在。根據(jù)他們的化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以分為以下幾類[1]：

（1）類胡蘿卜素：類胡蘿卜素包括葉紅素和葉黃素，其大量存在于植物葉片中，該類染料植物分布最為廣泛，主要呈現(xiàn)紅色或者黃色。這種顏色是由長(zhǎng)鏈共軛多烯的結(jié)構(gòu)引起的。這類染料有良好的親油性，故大部分用萃取法來提取。圖1為紅色染料蘇木素和黃色染料姜黃素的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1

（2）萘醌類：含有這一類化合物的植物染料主要是紫色，大量存在于紫草草根中，主要結(jié)構(gòu)是α-萘醌。典型的例子有紫草醌、指甲花等。

（3）蒽醌染料：紅色的植物染料都具有蒽醌結(jié)構(gòu)，它的耐光牢度較好，染色時(shí)它們與金屬媒染劑結(jié)合形成金屬絡(luò)合物，具有良好的強(qiáng)度，水洗不易褪色[2]。如圖2，茜草是典型的蒽醌類染料。

圖2

（4）花色素：天然花色素包括天然橙和天然藍(lán)兩種，天然橙可以從植物的花中提取，天然藍(lán)是從根莖部提取。

（5）單寧類：大多數(shù)植物果實(shí)、果皮、樹皮等枝干部分都有單寧類化合物，它與金屬大多形成灰色、深棕色、黑色等金屬絡(luò)合物。紅茶中含有大量單寧酸，單寧素具有殺菌消毒的藥用價(jià)值，故被人們廣泛應(yīng)用。圖3為單寧素的結(jié)構(gòu)圖。

圖3

3 提取方法

3.1 水煮法

這是古代常用的提取方法，成本較低、無需高級(jí)設(shè)備。在古代，由于大部分植物染料溶于水，人們會(huì)把植物搗成渣，放入鍋中煮沸，用于染色。但由于只依靠水的浸泡來提取色素，提取率不高，這種方法已經(jīng)被人們棄用。

3.2 萃取法

天然染料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和它的性質(zhì)密切相關(guān)，染料的性質(zhì)又決定了它的提取方法。如上文所述的類胡蘿卜素類的植物染料不易溶于水、但具有良好的親油性，就可以用乙醇等成本較低的溶劑來萃取此類染料。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是成本低、操作簡(jiǎn)單、適用于大規(guī)模生產(chǎn)。但缺點(diǎn)是需要回收大量有機(jī)溶劑且溶劑對(duì)色素會(huì)產(chǎn)生一定影響。這種方法目前被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)市場(chǎng)中。

3.3 超聲波提取法

超聲波在溶液中會(huì)形成沖擊波和微小輻射流，它可以激活反應(yīng)分子大大提高反應(yīng)活性[3]。將植物碎片和水在超聲波反應(yīng)器中粉碎，冷卻后過濾出殘?jiān)稍餅V液，從而制備染液。由于超聲波穿透力強(qiáng)，所以它的提取率較高，制備出的染料也有較好的溶劑穿透力，可以更牢固的附著在纖維上。和傳統(tǒng)提取方法相比，這種方法具有質(zhì)量好、產(chǎn)量高、快速節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。

3.4 超臨界萃取法

超臨界流體具有液體和氣體雙重特點(diǎn)，具有極強(qiáng)的溶解能力[4]，它可以深入到提取材料的基質(zhì)中，發(fā)揮極高的萃取能力。超臨界萃取法的原理和有機(jī)溶劑萃取的原理基本相同，它大大簡(jiǎn)化了提取的工藝，同時(shí)具有速度快、效率高、污染小的特點(diǎn)，一定程度上規(guī)避了傳統(tǒng)方法中效率低、污染大的缺點(diǎn)。近期，研究人員已經(jīng)成功利用超臨界技術(shù)提取葉綠素。

3.5 酶提取法

酶提取是用合適的酶，催化植物組織在溫和條件下快速的進(jìn)行分解，以此讓色素化合物快速釋放的一種方法。酶工程技術(shù)近年來飛速發(fā)展，是用于從天然植物中提取的有效方法。它綠色環(huán)保，使反應(yīng)條件溫和、有效成分理化性質(zhì)穩(wěn)定。此外，酶促反應(yīng)還可以改變色素的化學(xué)結(jié)構(gòu)，例如改變梔子黃中梔子苷的結(jié)構(gòu)，制造出梔子紅、梔子藍(lán)等。

4 應(yīng)用領(lǐng)域及前景

在上述討論中，我們已經(jīng)簡(jiǎn)述了植物染料等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，根據(jù)這些特點(diǎn)和人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求，天然植物染料可以被應(yīng)用于許多領(lǐng)域。

4.1 服裝紡織業(yè)

天然植物染料與絲、棉等材質(zhì)有良好的親和性，染色效果好、色澤鮮艷、不易褪色。同時(shí)，某些具有殺菌消炎、活血化瘀藥用價(jià)值的植物染料可以用于加工制造保健類服飾，滿足當(dāng)代人們追求健康環(huán)保的需求。在嬰兒服裝制備方面，由于新生兒皮膚嬌嫩、易受刺激，所以在嬰兒服裝染色領(lǐng)域，天然植物染料成了人們的不二之選。由此可見，它的開發(fā)前景深遠(yuǎn)，必將成為未來服裝領(lǐng)域的主力軍。

4.2 保健日用業(yè)

此行業(yè)主要利用植物染料的藥用特性。從植物中提取的色素溫和不刺激，致敏因素較少，帶有天然芳香，可以用于制造染發(fā)劑和護(hù)膚產(chǎn)品。日前，日本、韓國(guó)[5]等國(guó)家已經(jīng)開始出售用茜草、郁金香等制作出的唇膏、護(hù)膚品等產(chǎn)品。

4.3 裝飾品制備

將植物染色法和傳統(tǒng)的扎染技術(shù)相結(jié)合，制造出的豐富多彩的藝術(shù)品，具有極高的藝術(shù)價(jià)值，同時(shí)，由于植物染料不易褪色，它可以保存較長(zhǎng)時(shí)間。這些染制品深受國(guó)內(nèi)外人們的喜愛，近年來，已經(jīng)成為我國(guó)大量出口的商品之一，出口率高達(dá)95%。

4.4 食品行業(yè)

近年來食品合成色素危害的報(bào)道讓人膽戰(zhàn)心驚，即使各國(guó)已經(jīng)制定相關(guān)法定來規(guī)范食品色素的使用，但是仍有許多商家追求低成本高利潤(rùn)而使用合成添加劑。然而天然植物色素的出現(xiàn)，巧妙地解決了這一問題，人們可以從天然植物中提取色素制造食品、飲料等，這無疑有利于人們的身體健康。

5 未來發(fā)展及展望

植物染料無毒、對(duì)環(huán)境相容性好和特殊的藥用價(jià)值等眾多優(yōu)點(diǎn)使它成為近年來染整領(lǐng)域新的寵兒，也引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注與研究。針對(duì)植物染料存在的問題，在此，我認(rèn)為它有以下幾個(gè)發(fā)展方向：

5.1 改進(jìn)提取工藝

通過深入研究植物色素的化學(xué)結(jié)構(gòu)、染色效果，從而選擇合適的色素提取方法，提高染色質(zhì)量和牢固強(qiáng)度。同時(shí)，對(duì)于不同的加工工藝也要進(jìn)行改進(jìn)，縮短染色時(shí)間、提高提取效率、降低生產(chǎn)成本、增加環(huán)境友好性。利用植物自身的藥用價(jià)值開發(fā)功能型染料、環(huán)保型染料，滿足當(dāng)代人們的需求。

5.2 生物工程培育植物

雖然我國(guó)地大物博、幅員遼闊，但由于植物染料需求日益增多、植物色素含量低且植物培育周期較長(zhǎng)，市場(chǎng)上逐漸出現(xiàn)供不應(yīng)求的狀態(tài)。基于此，利用當(dāng)下最為先進(jìn)的生物工程技術(shù)可以大大縮短培育時(shí)間，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、增加產(chǎn)量、減少占用耕地。也避免了對(duì)大量植物的砍伐破壞，一定程度上保護(hù)了植物多樣性，維護(hù)生態(tài)平衡。我們還可以通過基因工程技術(shù)，定向培育某些功能性染料植物，例如抗菌、抗紫外線等等[6];也可以增加染色顏色種類，以此擴(kuò)大植物染料的應(yīng)用領(lǐng)域。

5.3 染色助劑的開發(fā)

新型染色助劑的研制，不僅可以提高染色效率，還可以提高染色質(zhì)量、增加染色的牢度[7]，使其不易褪色脫色。目前，科學(xué)家正在積極研制環(huán)境友好型的媒染、還原、固色等助劑，來代替市面上大部分有毒有害的印染助劑，讓植物染料的應(yīng)用過程更加趨于綠色、零污染。這更加體現(xiàn)了天然染料的價(jià)值。

總而言之，天然植物染料取代合成工業(yè)染料已經(jīng)成為大勢(shì)所趨，如何提高技術(shù)、發(fā)展工藝是我們這一代青年人應(yīng)當(dāng)關(guān)注的重點(diǎn)。特別是開發(fā)研制以下多功能、高產(chǎn)量的植物染料更是有巨大的發(fā)展前景。隨著時(shí)代的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)于綠色環(huán)保的追求越來越迫切，我們應(yīng)當(dāng)利用好得天獨(dú)厚的地理資源和先進(jìn)的技術(shù)成就，推動(dòng)植物染料的發(fā)展，使其發(fā)展為一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈，既滿足人們需求、造福百姓，更是我國(guó)經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)的重大進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

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