天然植物染料的發展及其應用

王昕玥

摘? 要：赤橙黃綠青藍紫，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，古人已經開始用植物給物品染色。在環保意識日益加強的今天，植物染料的開發與應用已經成為科學家研究的熱點之一。天然植物染料也因其具有環保、藥用、抗菌等多種價值，備受人們喜愛。文章簡述了天然植物染料的發展過程，介紹當下提取植物染料的新型技術及其在各領域的應用，并對植物染料的未來發展做出展望。

關鍵詞：植物染料;提取技術;應用領域;未來發展

中圖分類號：TQ611? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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 歷史發展與現狀

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。許多古籍中也有關于植物染料的記載，如東漢《說文解字》記載了39種關于植物色彩的名稱。到了唐朝，染色工藝飛速發展，顏色甚至一度成為階級等級的象征。隨著絲綢之路等對外開放的發展，中國的印染技術廣泛傳播到西亞各國，對世界印染產生深遠的影響。在幾百年后的工業革命中，合成染料由于它色彩繽紛、價格便宜、經久耐用，逐步取代天然植物染料染色，植物染料慢慢退出歷史舞臺。

21世紀以來，人們對健康、環保和生態意識的追求日益增加，并且合成染料在一定條件下會釋放有毒有害氣體、危害人體健康，這使得人們將注意力重新轉移到天然植物染料上來。在植物染料提取過程中，大多數植物染料具有無毒無害、無致敏物、無致癌性和可降解性，而被廣泛應用于紡織染料、服飾用品等領域。同時，由于部分植物具有藥用價值，天然植物染料在衛生、醫藥、美妝等領域也被廣泛應用。

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幾百種，常見的植物染料原料有：茜草、紫蘇、姜黃、靛藍、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。根據他們的化學結構特點，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，主要呈現紅色或者黃色。這種顏色是由長鏈共軛多烯的結構引起的。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構示意圖。

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，主要結構是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構，它的耐光牢度較好，染色時它們與金屬媒染劑結合形成金屬絡合物，具有良好的強度，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兩種，天然橙可以從植物的花中提取，天然藍是從根莖部提取。

（5）單寧類：大多數植物果實、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值，故被人們廣泛應用。圖3為單寧素的結構圖。

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、無需高級設備。在古代，由于大部分植物染料溶于水，人們會把植物搗成渣，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，這種方法已經被人們棄用。

3.2 萃取法

天然染料的化學結構和它的性質密切相關，染料的性質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。這種方法的優點是成本低、操作簡單、適用于大規模生產。但缺點是需要回收大量有機溶劑且溶劑對色素會產生一定影響。這種方法目前被廣泛應用于生產市場中。

3.3 超聲波提取法

超聲波在溶液中會形成沖擊波和微小輻射流，它可以激活反應分子大大提高反應活性[3]。將植物碎片和水在超聲波反應器中粉碎，冷卻后過濾出殘渣，干燥濾液，從而制備染液。由于超聲波穿透力強，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。和傳統提取方法相比，這種方法具有質量好、產量高、快速節能的優勢。

3.4 超臨界萃取法

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

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。酶工程技術近年來飛速發展，是用于從天然植物中提取的有效方法。它綠色環保，使反應條件溫和、有效成分理化性質穩定。此外，酶促反應還可以改變色素的化學結構，例如改變梔子黃中梔子苷的結構，制造出梔子紅、梔子藍等。

4 應用領域及前景

在上述討論中，我們已經簡述了植物染料等優勢特點，根據這些特點和人們日益增長的需求，天然植物染料可以被應用于許多領域。

4.1 服裝紡織業

天然植物染料與絲、棉等材質有良好的親和性，染色效果好、色澤鮮艷、不易褪色。同時，某些具有殺菌消炎、活血化瘀藥用價值的植物染料可以用于加工制造保健類服飾，滿足當代人們追求健康環保的需求。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域，天然植物染料成了人們的不二之選。由此可見，它的開發前景深遠，必將成為未來服裝領域的主力軍。

4.2 保健日用業

此行業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，可以用于制造染發劑和護膚產品。日前，日本、韓國[5]等國家已經開始出售用茜草、郁金香等制作出的唇膏、護膚品等產品。

4.3 裝飾品制備

將植物染色法和傳統的扎染技術相結合，制造出的豐富多彩的藝術品，具有極高的藝術價值，同時，由于植物染料不易褪色，它可以保存較長時間。這些染制品深受國內外人們的喜愛，近年來，已經成為我國大量出口的商品之一，出口率高達95%。

4.4 食品行業

近年來食品合成色素危害的報道讓人膽戰心驚，即使各國已經制定相關法定來規范食品色素的使用，但是仍有許多商家追求低成本高利潤而使用合成添加劑。然而天然植物色素的出現，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 未來發展及展望

植物染料無毒、對環境相容性好和特殊的藥用價值等眾多優點使它成為近年來染整領域新的寵兒，也引起了科學家的廣泛關注與研究。針對植物染料存在的問題，在此，我認為它有以下幾個發展方向：

5.1 改進提取工藝

通過深入研究植物色素的化學結構、染色效果，從而選擇合適的色素提取方法，提高染色質量和牢固強度。同時，對于不同的加工工藝也要進行改進，縮短染色時間、提高提取效率、降低生產成本、增加環境友好性。利用植物自身的藥用價值開發功能型染料、環保型染料，滿足當代人們的需求。

5.2 生物工程培育植物

雖然我國地大物博、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，市場上逐漸出現供不應求的狀態。基于此，利用當下最為先進的生物工程技術可以大大縮短培育時間，擴大生產規模、增加產量、減少占用耕地。也避免了對大量植物的砍伐破壞，一定程度上保護了植物多樣性，維護生態平衡。我們還可以通過基因工程技術，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，以此擴大植物染料的應用領域。

5.3 染色助劑的開發

新型染色助劑的研制，不僅可以提高染色效率，還可以提高染色質量、增加染色的牢度[7]，使其不易褪色脫色。目前，科學家正在積極研制環境友好型的媒染、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，讓植物染料的應用過程更加趨于綠色、零污染。這更加體現了天然染料的價值。

總而言之，天然植物染料取代合成工業染料已經成為大勢所趨，如何提高技術、發展工藝是我們這一代青年人應當關注的重點。特別是開發研制以下多功能、高產量的植物染料更是有巨大的發展前景。隨著時代的發展和生活水平的提高，人們對于綠色環保的追求越來越迫切，我們應當利用好得天獨厚的地理資源和先進的技術成就，推動植物染料的發展，使其發展為一條完整的產業鏈，既滿足人們需求、造福百姓，更是我國經濟、科學技術的重大進步。

參考文獻：

[1]路振翔.天然植物染料的應用及發展[J].成都紡織高等專科學校學報，2015，32（4）：106-110.

[2]李輝芹，鞏繼賢.天然染料的應用現狀與研究新進展[J].染料與染色，2003，40（1）：36-38.

[3]趙其明，張義安.超聲波對植物靛藍染棉織物染色性能的影響[J].紡織學報，2009，30（12）：66-70.

[4]董鵬，李春，鄭奧柯.天然植物染料開發、應用與未來展望[J].上海染料，2018（3）：6-9.

[5]韓國開發成功生物天然染料技術[J].絲網印刷，2007（2）：55.

[6]鄭力偉，吳贊敏.天然植物染料的提取及應用前景[J].天津紡織科技，2009（1）：24-26.

[7]楊自來，韓增強.天然染料的應用現狀及發展[J].河北紡織，2006，126（3）：26-31.