天然植物染料的開發與應用

賀曉亞

（江西服裝學院，江西南昌 330201）

我國應用植物染料對服裝進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、花等部位提取的色素，種類繁多。據不完全統計，能夠從中提取色素對纖維進行染色的植物多達幾百種，結構多以類胡蘿卜素、α-萘醌、蒽醌、花色素、靛藍類色素為主。這些類型的染料無毒無害、色彩自然，且原料具有可再生性，在保健內衣、嬰幼兒服裝與家紡產品中得到了廣泛應用，在國內高端市場擁有廣闊的發展前景。在實踐中，植物染料也存在嚴重的缺陷：（1）植物中的色素含量低，難以批量生產，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、韓國等在天然植物染料的研究上取得了較大的進步，日本對天然植物染料的研究主要集中在媒染劑、染色工藝對染色性能的影響，韓國則重在研究植物染料的分子結構、染色機理。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構和染色實踐。

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，主要依據染料顏色進行劃分，具有直觀、便捷的特點。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、馬籃、蓼藍等屬于藍色系；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

染整工藝法依據染色過程中染料對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、馬籃、蓼藍等屬于還原染料；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）；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 染料結構法

染料有效成分的結構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構有靛型（α-吲哚葡糖甙），如古泰爾紫、靛藍等；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，規模化生產能力不足，實驗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、有機溶劑浸出法、常規水浸法、搗碎過濾法、酶法等，本文僅挑選幾種高效、先進、研究較熱的提取工藝進行分析。

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的物理萃取方法，其原理是氣體在低溫高壓作用下轉化為液體，把控臨界溫度與壓力，使物質處于液態與氣態之間，稱為超臨界流體，具有良好的溶解特性與穿透力（基于傳遞性與流動性來評價）。二氧化碳超臨界壓力與溫度都較低，性能穩定且無毒無害，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化了石榴皮原花青素的提取工藝：提取溫度48 ℃、提取時間58 min、提取壓力35 MPa、二氧化碳流速5 L/h、乙醇體積分數65%，原花青素的提取率提高至3.4%，且優化了提取工藝的操作步驟，具有很強的實踐指導性。解謙等［3］研究層析萃取番茄紅素與番茄籽油，通過優化超臨界萃取時間、二氧化碳流速、溫度、壓力來提高萃取率、降低成本。當超臨界萃取時間為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，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蚊效果的青蒿揮發油，李娟等［5］利用超聲波改善超臨界CO2對除蟲菊酯進行提取，均驗證了超臨界流體萃取的可行性。

2.2 微波提取法

微波對色素的提取原理：針對一些對微波吸收能力不強、穿透能力較強的植物染料，其各組分對微波的吸收能力存在差異，可以利用微波超強的穿透性對所提取染料的各組分進行選擇性極化，極化后的分子互相摩擦與撕裂，使細胞內部溫度升高，致使細胞被破壞，從而達到分離植物色素的目的。如陳紅等［6］利用微波對馬齒莧紅色素進行提取，當微波功率為700 W、提取溫度與時間分別為50 ℃、15 min 時具有較好的提取效果。馮作山等［7］利用微波提取技術從番茄中提取番茄紅素，3 次提取率高至92.13%。微波還被應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、應用廣等特點。但在實踐中，微波提取法也存在一定的缺陷，例如微波提取會使某些染料有效成分的結構發生改變。馬倩雯等［10］利用微波提取番茄紅素時，番茄中的纖維素結構被破壞、蛋白質變性與淀粉糊化等導致提取率降低。因此，植物染料的提取往往是多種提取方法綜合運用［5］。

2.3 吸附提取法

吸附提取法一般利用不含交換基團、具有大孔結構的有機高分子聚合物（多為吸附樹脂），通過其較大的比表面積、網狀孔隙與表面氫鍵對植物染料進行篩選與吸附。根據提取對象的不同可將有機高分子聚合物設計為非極性、中性與極性3 類。該方法具有分析純度高、損失少等特點，常被應用在紅花黃色素、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98.8%，廖湘萍等［13-14］通過該方法使梔子黃色素提取率達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用［15-17］。

2.4 過濾提取法

過濾提取法主要基于膜分離技術。依據過濾對象的差異，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能特性，且對過濾物質選擇性強，無污染。史曉博等［18］利用過濾提取法提取番茄紅素，使色素損失率降至10%以下，雜質截留率在60%以上。陳峰等［19］利用該方法提取梔子藍色素，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

蘇木主要生長在我國云南，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（分子結構式如下），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。從分子結構式可知，蘇木素具有多個親水羥基，使之可對含有氨基、羥基等活性基團的織物進行染色，三價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］用蘇木染料對真絲進行了染色實驗，染色織物顏色穩定、色光艷麗，具有很好的染色效果；同時由于蘇木染料的藥性作用，使得染色織物對金黃色葡萄球菌具有明顯的抑制作用。曹機良等［24-25］嘗試用蘇木染料分別對棉織物與羊毛織物進行染色，驗證了蘇木染料對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（分子結構式如下），主要提取于茜草根部，為蒽醌結構，是一系列同分異構體或同系物，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［26］。茜草染料結構類似于蒽醌型分散染料，因為與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，需要借助金屬絡合作用，常以鐵鹽、銅鹽、鋁鹽等作為媒染劑［27］進行媒染染色。茜草可以對羊毛織物、棉織物、黏膠非織造織物進行染色，并且染色織物具有抗紫外線、抗菌、消炎等藥用功效，具有很強的藥用價值和市場前景［28-30］。但蔣利糠等［31］的研究表明，茜草染色后毛紗在LED 燈下老化嚴重，仍需進行改善。

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（分子結構式如下），屬于類黃酮化合物，主要產自四川、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%。由分子結構式可知，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、水楊酸對紅花紅色素進行改性，并對絲織物進行染色，結果表明，紅花紅色素經過改性后對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羊毛織物進行媒染染色，色牢度、勻染性與得色率等指標均較好。

3.4 黃連染料

黃連染料的染色成分主要為小檗堿（分子結構式如下），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真絲織物進行染色，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，對腈綸、錦綸等化學纖維也有較好的染色效果［36-37］。同時，黃連色素染色的真絲織物對金黃色葡萄球菌具有明顯的抑制效果，具有很強的保健功能。［38］

4 結語

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構，解析了天然植物染料無毒無害、抗菌防蟲、色彩自然、原料可再生等優勢及色素含量少、上染率較低、難以批量生產等缺陷。天然植物染料在家紡產品、嬰幼兒服裝與保健內衣等領域擁有廣闊的發展前景。