天然植物染料的发展及其应用

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　　摘  要：赤橙黄绿青蓝紫，色彩给世界带来不一样的精彩，我们的生活也离不开染料。几百年前，古人已经开始用植物给物品染色。在环保意识日益加强的今天，植物染料的开发与应用已经成为科学家研究的热点之一。天然植物染料也因其具有环保、药用、抗菌等多种价值，备受人们喜爱。文章简述了天然植物染料的发展过程，介绍当下提取植物染料的新型技术及其在各领域的应用，并对植物染料的未来发展做出展望。
　　关键词：植物染料;提取技术;应用领域;未来发展
　　中图分类号：TQ611         文献标志码：A         文章编号：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 历史发展与现状
　　早在几千年前，人們就已懂得从植物中获得颜色来装饰自己的服装。他们从植物中挤出汁液，用于染色或绘制图案。我们熟知的指甲花、兰草都是常见的染料植物。许多古籍中也有关于植物染料的记载，如东汉《说文解字》记载了39种关于植物色彩的名称。到了唐朝，染色工艺飞速发展，颜色甚至一度成为阶级等级的象征。随着丝绸之路等对外开放的发展，中国的印染技术广泛传播到西亚各国，对世界印染产生深远的影响。在几百年后的工业革命中，合成染料由于它色彩缤纷、价格便宜、经久耐用，逐步取代天然植物染料染色，植物染料慢慢退出历史舞台。
　　21世纪以来，人们对健康、环保和生态意识的追求日益增加，并且合成染料在一定条件下会释放有毒有害气体、危害人体健康，这使得人们将注意力重新转移到天然植物染料上来。在植物染料提取过程中，大多数植物染料具有无毒无害、无致敏物、无致癌性和可降解性，而被广泛应用于纺织染料、服饰用品等领域。同时，由于部分植物具有药用价值，天然植物染料在卫生、医药、美妆等领域也被广泛应用。
　　2 天然植物染料分类
　　自然界中用于提取染料的植物种类高达几百种，常见的植物染料原料有：茜草、紫苏、姜黄、靛蓝、石榴皮等等。植物中所含的用于制备染料的成分大多以化合物形式存在。根据他们的化学结构特点，可以分为以下几类[1]：
　　（1）类胡萝卜素：类胡萝卜素包括叶红素和叶黄素，其大量存在于植物叶片中，该类染料植物分布最为广泛，主要呈现红色或者黄色。这种颜色是由长链共轭多烯的结构引起的。这类染料有良好的亲油性，故大部分用萃取法来提取。图1为红色染料苏木素和黄色染料姜黄素的结构示意图。
　　图1
　　 （2）萘醌类：含有这一类化合物的植物染料主要是紫色，大量存在于紫草草根中，主要结构是α-萘醌。典型的例子有紫草醌、指甲花等。
　　（3）蒽醌染料：红色的植物染料都具有蒽醌结构，它的耐光牢度较好，染色时它们与金属媒染剂结合形成金属络合物，具有良好的强度，水洗不易褪色[2]。如图2，茜草是典型的蒽醌类染料。
　　图2
　　（4）花色素：天然花色素包括天然橙和天然蓝两种，天然橙可以从植物的花中提取，天然蓝是从根茎部提取。
　　（5）单宁类：大多数植物果实、果皮、树皮等枝干部分都有单宁类化合物，它与金属大多形成灰色、深棕色、黑色等金属络合物。红茶中含有大量单宁酸，单宁素具有杀菌消毒的药用价值，故被人们广泛应用。图3为单宁素的结构图。
　　图3
　　3 提取方法
　　3.1 水煮法
　　这是古代常用的提取方法，成本较低、无需高级设备。在古代，由于大部分植物染料溶于水，人们会把植物捣成渣，放入锅中煮沸，用于染色。但由于只依靠水的浸泡来提取色素，提取率不高，这种方法已经被人们弃用。
　　3.2 萃取法
　　天然染料的化学结构和它的性质密切相关，染料的性质又决定了它的提取方法。如上文所述的类胡萝卜素类的植物染料不易溶于水、但具有良好的亲油性，就可以用乙醇等成本较低的溶剂来萃取此类染料。这种方法的优点是成本低、操作简单、适用于大规模生产。但缺点是需要回收大量有机溶剂且溶剂对色素会产生一定影响。这种方法目前被广泛应用于生产市场中。 　　3.3 超声波提取法
　　超声波在溶液中会形成冲击波和微小辐射流，它可以激活反应分子大大提高反应活性[3]。将植物碎片和水在超声波反应器中粉碎，冷却后过滤出残渣，干燥滤液，从而制备染液。由于超声波穿透力强，所以它的提取率较高，制备出的染料也有较好的溶剂穿透力，可以更牢固的附着在纤维上。和传统提取方法相比，这种方法具有质量好、产量高、快速节能的优势。
　　3.4 超临界萃取法
　　超临界流体具有液体和气体双重特点，具有极强的溶解能力[4]，它可以深入到提取材料的基质中，发挥极高的萃取能力。超临界萃取法的原理和有机溶剂萃取的原理基本相同，它大大简化了提取的工艺，同时具有速度快、效率高、污染小的特点，一定程度上规避了传统方法中效率低、污染大的缺点。近期，研究人员已经成功利用超临界技术提取叶绿素。
　　3.5 酶提取法
　　酶提取是用合适的酶，催化植物组织在温和条件下快速的进行分解，以此让色素化合物快速释放的一种方法。酶工程技术近年来飞速发展，是用于从天然植物中提取的有效方法。它绿色环保，使反应条件温和、有效成分理化性质稳定。此外，酶促反应还可以改变色素的化学结构，例如改变栀子黄中栀子苷的结构，制造出栀子红、栀子蓝等。
　　4 应用领域及前景
　　在上述讨论中，我们已经简述了植物染料等优势特点，根据这些特点和人们日益增长的需求，天然植物染料可以被应用于许多领域。
　　4.1 服装纺织业
　　天然植物染料与丝、棉等材质有良好的亲和性，染色效果好、色泽鲜艳、不易褪色。同时，某些具有杀菌消炎、活血化瘀药用价值的植物染料可以用于加工制造保健类服饰，满足当代人们追求健康环保的需求。在婴儿服装制备方面，由于新生儿皮肤娇嫩、易受刺激，所以在婴儿服装染色领域，天然植物染料成了人们的不二之选。由此可见，它的开发前景深远，必将成为未来服装领域的主力军。
　　4.2 保健日用业
　　此行业主要利用植物染料的药用特性。从植物中提取的色素温和不刺激，致敏因素较少，带有天然芳香，可以用于制造染发剂和护肤产品。日前，日本、韩国[5]等国家已经开始出售用茜草、郁金香等制作出的唇膏、护肤品等产品。
　　4.3 装饰品制备
　　将植物染色法和传统的扎染技术相结合，制造出的丰富多彩的艺术品，具有极高的艺术价值，同时，由于植物染料不易褪色，它可以保存较长时间。这些染制品深受国内外人们的喜爱，近年来，已经成为我国大量出口的商品之一，出口率高达95%。
　　4.4 食品行业
　　近年来食品合成色素危害的报道让人胆战心惊，即使各国已经制定相关法定来规范食品色素的使用，但是仍有许多商家追求低成本高利润而使用合成添加剂。然而天然植物色素的出现，巧妙地解决了这一问题，人们可以从天然植物中提取色素制造食品、饮料等，这无疑有利于人们的身体健康。
　　5 未来发展及展望
　　植物染料无毒、对环境相容性好和特殊的药用价值等众多优点使它成为近年来染整领域新的宠儿，也引起了科学家的广泛关注与研究。针对植物染料存在的问题，在此，我认为它有以下几个发展方向：
　　5.1 改进提取工艺
　　通过深入研究植物色素的化学结构、染色效果，从而选择合适的色素提取方法，提高染色质量和牢固强度。同时，对于不同的加工工艺也要进行改进，缩短染色时间、提高提取效率、降低生产成本、增加环境友好性。利用植物自身的药用价值开发功能型染料、环保型染料，满足当代人们的需求。
　　5.2 生物工程培育植物
　　虽然我国地大物博、幅员辽阔，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较长，市场上逐渐出现供不应求的状态。基于此，利用当下最为先进的生物工程技术可以大大缩短培育时间，扩大生产规模、增加产量、减少占用耕地。也避免了对大量植物的砍伐破坏，一定程度上保护了植物多样性，维护生态平衡。我们还可以通过基因工程技术，定向培育某些功能性染料植物，例如抗菌、抗紫外线等等[6];也可以增加染色颜色种类，以此扩大植物染料的应用领域。
　　5.3 染色助剂的开发
　　新型染色助剂的研制，不仅可以提高染色效率，还可以提高染色质量、增加染色的牢度[7]，使其不易褪色脱色。目前，科学家正在积极研制环境友好型的媒染、还原、固色等助剂，来代替市面上大部分有毒有害的印染助剂，让植物染料的应用过程更加趋于绿色、零污染。这更加体现了天然染料的价值。
　　总而言之，天然植物染料取代合成工业染料已经成为大势所趋，如何提高技术、发展工艺是我们这一代青年人应当关注的重点。特别是开发研制以下多功能、高产量的植物染料更是有巨大的发展前景。随着时代的发展和生活水平的提高，人们对于绿色环保的追求越来越迫切，我们应当利用好得天独厚的地理资源和先进的技术成就，推动植物染料的发展，使其发展为一条完整的产业链，既满足人们需求、造福百姓，更是我國经济、科学技术的重大进步。
　　参考文献：
　　[1]路振翔.天然植物染料的应用及发展[J].成都纺织高等专科学校学报，2015，32（4）：106-110.
　　[2]李辉芹，巩继贤.天然染料的应用现状与研究新进展[J].染料与染色，2003，40（1）：36-38.
　　[3]赵其明，张义安.超声波对植物靛蓝染棉织物染色性能的影响[J].纺织学报，2009，30（12）：66-70.
　　[4]董鹏，李春，郑奥柯.天然植物染料开发、应用与未来展望[J].上海染料，2018（3）：6-9.
　　[5]韩国开发成功生物天然染料技术[J].丝网印刷，2007（2）：55.
　　[6]郑力伟，吴赞敏.天然植物染料的提取及应用前景[J].天津纺织科技，2009（1）：24-26.
　　[7]杨自来，韩增强.天然染料的应用现状及发展[J].河北纺织，2006，126（3）：26-31.
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