天然植物染料提取、应用与未来展望

董鹏，李春，郑奥柯

       摘  要：由于天然染料的生产无污染，一般可自然降解，大部分无毒性，有利于环保，而且具有独特的天然色调，重新被人们关注，其应用的行业越来越多。随着人们生活水平不断地提高，对自身健康和保健等方面的关注意识越来越强烈；同时，出于对环境保护的需要，开发天然资源更加迫切。随着科技的发展，对天然染料提取技术更加多样化，利用基因工程可望得到性能好、产量高的天然染料，将其作为合成染料的部分替代或补充是很有价值的。因此，加快采用生物技术开发天然染料新来源，研究新的染色方法和媒染剂提高其色牢度，形成一条完整的产业链，从而使得天然染料将拥有广阔的发展前景。

       关键词：天然植物染料；染料提取；染料应用；环保

       进入21世纪，在全球呼唤“生态、绿色、环保”的大潮下，天然植物染料凭借其无毒、无害、与环境友好、生物降解性良好等特性，再度被世人关注，各国竞相从天然植物染料的化学结构着手，研究天然染料的提取方案。随着人们生活水平不断地提高，对自身健康和保健等方面的关注意识越来越强烈；同时，出于对环境保护的需要，开发天然资源更加迫切。天然染料指的是从植物、动物或者矿产资源中获得的没有经过化学加工的染料。天然植物染料的化学结构与其化学性质紧密相关，而化学性质决定了色素的染色性能。

       天然染色产品除了独特的色泽外，还具有一定的保健功能，加上许多染料植物兼具药草或避邪的作用，这使得天然染料所染出的颜色具有独特的出众魅力。如染蓝色的染草具有止血消肿的功效；而染黄色的艾草，在民间是趋吉避凶的护身符；红花、紫草、洋葱等染料植物，也都是民间常用的药材。这些兼具药草与染料身份的植物，能使染料具有杀菌、防皮肤病、防蛇虫与提神醒脑等特殊疗效。

一、历史与现状

       自史前时代，天然染料被应用在各个方面，如天然纤维羊毛、丝、棉、皮革、毛皮的染色，彩妆添加剂以及油墨、水彩的颜料等。我国是最早使用天然染料染色的国家，利用植物染料也是我国古代染色工艺的主流。植物染料染色的历史可以追溯到远古时代的黄帝时期，那时候人们就已知道利用植物的汁液来对所穿衣物进行染色，以达到改善外观的效果。

       在中国许多的古籍文献中也对有关植物染料的色彩进行了多方面的记录，如：东汉《说文解字》中有39种关于植物色彩的名称。明清时期，由于生产技术的成熟和当时社会发展的进步，我国在植物染料的制备和染色的技术等方面都已达到很高的水平，所记载的植物染料色彩的种类更是不计其数，所制备的植物染料除自用外，通过水路大量销往日本、韩国、东南亚等国家。同时在陆地上，中国制造植物染料的经验跟随丝绸、茶叶沿丝绸之路一同传播到西亚各国，对当时世界印染染色产生了久远的影响。

       3000年前古埃及和美索不达米亚人已掌握了织布染色的技术。古埃及的尼罗河畔的金字塔的墓壁上红色和红色的织物就说明了这一点。约在2500年前，印度已有从茜草中提取茜红，在蓝草中提取靛蓝染棉织品的记录。直到1856年英国化学家Perkin发现第一个合成染料——苯胺紫，人类开始使用合成染料。随着工业革命和科学技术的发展，植物染料逐渐被化学合成的染料代替。

       在19世纪以前，染色和印花所用的染料大多是天然的动、植、矿物染料，染色工艺还是采用天然染色；19世纪中叶后，合成染料问世，由于其色彩缤纷、色谱齐全、耐洗耐晒，特别是价格便宜，因而逐步取代了天然染料，成为纺织品最主要的着色剂。大小染坊开始使用化学染料对织物进行染色，只有在偏远的少数民族地区还在继续使用植物染料染色，植物染料慢慢地退出了其历史舞台。

       近年来，由于人们环保意识的增强及对身体健康的重视，合成染料使用中的弊端日益受到关注。进入21世纪后，研究人员发现合成染料能分解出二十余种禁用偶氮染料，在一定条件下还可离解出重金属离子铅、铬、锆、钴和汞等，对环境及人体健康的危害使得人们将注意力重新转回到天然染料。

       目前，印度、日本和韩国一家企业和大学研究人员共同开发出了“生物天然染料”的生产技术，对牛仔裤等面料染色时，使用的蓝色染料并非经化学合成，而是通过生物工程制作，且这种染料可以进行大批量生产。这项技术解决了化学染料生产成本虽低但环境问题严重、天然染料绿色环保但生产成本较高的矛盾，为染色工业开辟了一条新的希望之路。

       我国已经建立了植物染料数据库，拥有306种色卡，且有能染毛、丝、棉、麻制品的天然黄、红、绿等色系的植物染料。我国对植物染料的开发和利用已正在积极的探索研究中，多所纺织院校共同努力，且已经建立了植物染料较为完备的数据库和全面的植物染料色卡。植物染料染色的织物已经在高档面料、装饰用品等领域获得广泛应用。在工业生产中已形成生产链，如中国纺织研究院制备的天然黄和天然绿两种植物染料，可用于棉织物和丝绸的染色；江苏三毛集团开发的高支天素丽“绿色”环保型高档面料，就是采用植物染料染色的，该种面料既符合国内人们对面料的追求，又符合国际倡导的环保型面料的要求。

       天然染料的制备以及染色技术已取得了非常大的成就，在很多行业中都有应用，比如纺织业、陶瓷业等，我国的染料除了在经济生产中有广泛的使用，还用于出口。许多天然色素还因其特殊的成分及结构，而应用于新型功能性纺织品的开发。尤其是有些天然染料本身就有药用价值，因而它们在卫生及医药领域都有着广泛的应用。天然染料还被用于化妆品制造，例如唇膏中的色泽增强剂，美肤、美发品中的各种染料等。

二、天然植物染料提取方法

       天然产物提取方法是传统的化学分离法，至今仍在使用，主要是根据有效成分在不同溶剂中溶解性不同的原理而设计的，还有结晶等方法可以考虑。这类方法不需要特殊设备，简便易行。

       1．溶剂提取法

       天然染料中的有效色素物质多易溶于水或极性小的有机溶剂，故可直接使用溶剂提取法进行提取分离。此法工艺简单、设备投资小、技术易掌握、适用范围最广，是目前较普遍采用的方法。在该法中，一般用水或亲水性有机溶剂乙醇、甲醇、丙酮等提取水溶性色素，而用己烷、二氯甲烷、石油醚等提取脂溶性色素。

       总体要求是，溶剂对需要溶出的溶质的溶解度高，对其他杂质物质的溶解度低；溶剂来源广泛，无毒；沸点适当，利于回收再利用。影响提取的因素有被提取物的粉碎程度、提取时间、温度、所使用的设备和溶剂的选择等。

       2．水蒸汽蒸馏法

       由于植物染料的色素分别存在于植物的皮、叶、花和根茎之中，且大部分的植物色素可以和水混溶，故传统最常应用的提取方法就是用水萃取。此方法适用于能随水蒸汽一起蒸馏出来，而不会改变分子结构的植物成分的提取。这些化合物与水不相容或微溶，在水的沸点100℃下有一定的蒸气压，当水沸腾时，能将该物质一起随水蒸气带出。冷凝后，经过油水分离器分离，分去水分得到需要的植物成分。与此类似，分馏法是利用液体组分沸点的不同进行分馏，然后精制纯化。

       3．超声波提取法

       超声波在溶液中可以形成一定的冲击波和微射流，这种特殊形式的能量可以快速地激活反应分子，使反应活性大幅度提高。超声波辅助萃取是近年来新兴的萃取技术，利用超声波产生的强烈的空化效应、机械振动、高加速度、乳化、扩散、击碎和搅拌作用，增大物质分子运动频率和速度，增加溶剂穿透力，微波破碎细胞是基于微波加热的选择性、瞬时性和高效性控制适宜的微波条件而实现的。

       微波的激活作用导致样品基体内不同成分的反应差异，这使得被萃取物与基体快速分离，并达到较高产率，和传统萃取方法相比，微波辅助萃取具有质量好、产量大、对萃取物具有高选择性、快速、节能的特点。

       4．超临界萃取

       超临界流体兼有液体和气体的优点，密度大、粘稠度低、表面张力小，有极高的溶解能力，且这种溶解能力随着压力的升高而急剧增大。能深入到提取材料的基质中，发挥非常有效的萃取功能。萃取分离和去除溶剂等多个单元过程合为一体，大大简化了工艺流程，提高了生产效率。另外，它还具有萃取速度快、选择性好、提取分离可在室温或低温下进行、不存在溶剂残留污染、不污染环境等一系列优点，克服了传统的溶剂分离、水蒸汽蒸馏、压榨等分离方法存在的弊病。如在加工过程中某些天然产物对热敏感，或化学不稳定易被破坏的缺陷，保存了天然产物原有的特色和营养成分。安徽农业大学已经开始利用超临界技术提取叶绿素，效果明显。

       5．酶提取法

       酶提取法是选择合适的酶，使植物组织温和快速地进行分解，从而让有效成分加速释放的一种方法，这种生物技术方法较多地用于天然植物中有效成分的提取分离。酶工程技术是近几年来用于天然植物有效成分提取的一项生物技术，选用合适的酶可以较温和地将植物组织分解，加速有效成分的释放，从而提高提取率。

       温度、PH值是影响酶作用的主要因素，酶提取法具有提取条件温和、有效成分理化性质稳定等优点。应用酶促反应还可改变天然桅子黄色素中的桅子苷的结构，生产出桅子红、蓝色素。应用酶法提取花色比单纯用溶剂法可高出72%。

       6．离子沉淀法

       离子沉淀法是利用天然染料在中性或碱性条件下可以跟Al、Zn、Ag、Ca+、Hg等离子产生络合沉淀，从而与其他成分分离，然后经酸溶，再用有机溶剂萃取。其中，复合沉淀剂的使用较受欢迎。

三、天然植物染料开发应用的发展前景

       目前，天然染料其色泽柔和、自然有特色，应用天然染料染色的环保织物在国内外市场上颇受欢迎。如用植物染料制成的高支天素丽“绿色”环保型高档面料，既符合国内外精纺毛料高支轻薄化、功能多样化的要求，又符合目前国际上倡导的环保型天然面料的要求。天然染料不仅可染丝、毛等蛋白质纤维织物，也可对棉、麻等纤维素纤维织物染色，还能染腈纶、涤纶、锦纶等合成纤维织物，因此天然染料拥有良好的应用前景。

       1．高档真丝制品

       因为丝绸穿着舒爽，所以除用作高档礼服外，绝大部分用于内衣、睡衣等贴身衣物，但这对染整加工的环保生态要求也就更高了。用于染丝绸的合成染料本来品种就少，现在又有许多因环保原因被禁用，这使得真丝染色成为问题。天然染料中的大部分品种都可用于丝绸染色，这已经经过了长期实践的检验。

       2．保健内衣及儿童服饰

       如今，人体舒适和保健的绿色纺织品将成为家庭健康消费的最基本内容。大部分内衣、睡衣等贴身衣物，以及儿童服装对染整加工的环保生态要求也就更高了。婴幼儿是最容易受伤害的群体，在婴幼儿服装和用品上使用植物染料染色容易受到市场热捧，有很高的开发前景。婴儿装、童毯、童袜、被褥等都具有极好的使用前景，市场接受度较快，所以用天然染料染制的纺织品，将会成为保健内衣及儿童服饰的生力军。

       3．家纺产品

       随着人们生活水平的提高，天然染料对丝、毛有很高的亲和力，大部分植物染料都可以在温和的条件下被丝纤维吸收，有些染料可以对真丝直接染色，发色效果好，颜色鲜艳丰富。许多天然染料因其特殊的成分和结构应用于新型功能性纺织品的开发。例如大黄防紫外线织物，大豆蛋白纤维织物等的染色。染色牢度好，色泽鲜艳稳定，使织物功能性更强。

       4．日用品

       天然染料还可以用做唇膏的色泽增强剂、美肤美发染料等。因某些染料的护肤作用还有望开发出效果更出众的产品。如，可医治皮炎的艾蒿色织物，以及印、韩、日等国用茜草、靛蓝、郁金香和红花染成的具有护肤及防过敏的新型织物。不但安全环保，而且有自然芳香。

       5．装饰用品

       将天然染料染色与我国传统的扎染、蜡染艺术相结合，则会大大提高产品的档次。云南巍山彝族回族自治县的人们就是用天然染料制作扎染产品。他们将扎好的花样图案，用山上采来的植物染料浸染，染成的花纹图样清新别致，古朴自然，面料可缝制成桌幔、椅垫、窗帘等各种装饰用品。这些天然染料扎染的产品深受国内外客商的喜爱和欢迎，产品出口率达90%以上，进入日本市场成为免检产品。

       6．食品

       合成色素对环境的严重污染和食品污染给人类的健康带来不容忽视的危害，一部分合成色素已被证实对人类健康有明显的影响而被禁用。食用色素的短缺促使人们又将视线转移到天然产物中，从大自然中提取各种各样可供食用的天然色素，用于食品、饮料中作色素添加剂。

四、天然染料未来的发展建议

       天然染料因其无毒、环境友好和特殊的药用价值而具有不可替代的优势。利用现代科学技术，开发具有多功能的天然染料，提高纺织产品的附加值，具有丰富的开发潜力和广泛的应用前景。

       1．传统染色方法需改进

       在当今社会崇尚绿色环保的趋势下，天然染料凭借其无毒无害、自然有特色、色泽柔和，具有较好的环境相容性和生物降解性等特性，拥有较大的发展前景。但由于天然染料的种种限制，使其完全商品化比较困难，要完全取代化学合成染料是不现实的。绝大多数天然染料都需要经过反复媒染来完成染色，同时天然染料染色时间长，给色量低也制约了其发展，因此在天然染料未来的发展中其传统染色方法需进行改进。

       2．加大植物染料色素的提取及染色工艺的研究

       植物染料染色后颜色的重现性比较差，即使是同一种植物但由于产地不同、气候条件不同及采集时间不同，都可能会影响色素的组成及色泽，这使得它难以进行标准化生产。因此，植物染料色素的提取及染色工艺的研究，还需进行规范的试验和设备的设计，以及通过实验确定各种工艺参数、制订产品质量指标，为更好的工业化生产打下基础。同时，应该着重研究新的染色方法，开发新型媒染剂，以解决天然色素牢度和稳定性的问题，拓宽其应用领域。

       3．利用生物工程的方法培育植物

       天然植物染料的制备需要更多的植物，然而植物的生长周期较慢，为了获得更多的植物，可以利用生物工程方法、人工培养植物细胞组织的方法对各种植物进行培育，其色素含量比天然植物高。细胞生长速度快，减缓染料色素提取周期。当前利用生物工程方法对植物进行培育已经取得了一些成就，比如可以利用培养液培育出了紫根、茜草根、麒麟等植物，经过人工培育的植物组织中含有更多的色素，不仅可以获得更多的植物染料，还可以避免对自然界中的植物进行砍伐，造成生态环境的破坏。

       在未来的发展过程中，应该要利用生物工程方法培育更多的植物，丰富天然植物染料的种类，同时，开发天然染料等同体也极具价值。因此，研究性能优良的天然染料的品种，测定其结构，再研究其合成方法，逐步实现工业化大生产，以代替种植、提取天然染料和安全性有问题的合成染料。

       4．天然植物染色纺织品标准亟待出台

       天然植物染色纺织品目前在国际上还没有一个标准，行业标准及国家标准也没有，实行的参照标准是生态纺织品标准100（OEKO-TEX Standard 100）。但这个标准是针对化学染料染色的纺织品而制定的，在很多方面滞后，不适合天然植物染色纺织品使用。

       为规范起见，结合我国具体国情，参考国际染料学会的文件，应尽快制定相关标准，以促进该产业的健康和快速发展解决天然染料的问题。制定标准要研究消费市场，从大的方面讲是要有消费群体，天然染料产品还属于高端产品，要对这些消费人群进行包括消费心理的研究。

       总之，随着生物技术的发展，利用基因工程可望得到性能好、产量高的天然染料，将其作为合成染料的部分替代或补充是很有价值的，尤其是用天然染料开发一些高附加值多功能的纺织品具有更广阔的发展前景。目前，要使天然染料完全代替合成染料还是不现实的，但是随着时代的进步，人们对纺织品生态安全性的要求越来越高，开发环保型的染料是大势所趋。

       我国有丰富的天然染料资源，应用天然染料历史悠久，在天然染料染色方面有得天独厚的物质和技术条件。加快采用生物技术开发天然染料新来源，研究新的染色方法和媒染剂提高其色牢度，形成一条完整的产业链，从而使得天然染料拥有更广阔的发展前景。

作者简介：

       ①董鹏，高级工程师，媒体资深撰稿人、专栏作家。在浙江、江苏工作多年，经验丰富，长期从事天然植物燃料研究和应用开发，具有大企业工作阅历。先后在《染整技术》、《印染》、《上海染料》等核心期刊发表多篇论文。从事印染工艺的研究和产品质量攻关近十年，解决了染整工艺中的许多技术难题，特别是主导研制的“前处理剂”，改进印染工艺，提高染整技术水平，致力为印染工业做出重大贡献。

       手  机：15961730075

       ②李春，青岛理工大学，博士。

       ③郑奥柯，浙江省纺织印染助剂行业，博士。