微生物染料及其在纺织品染色中的应用

杨慕莹， 翟红霞， 邢铁玲， 盛家镛， 陈国强， 田 驰， 刘雅光

(1. 现代丝绸国家工程实验室， 江苏 苏州 215123； 2. 苏州大学 纺织与服装工程学院， 江苏 苏州 215021；3. 辽宁美麟集团有限公司， 辽宁 铁岭 112000)

微生物染料及其在纺织品染色中的应用

杨慕莹1，2， 翟红霞1,2， 邢铁玲1,2， 盛家镛2， 陈国强1,2， 田 驰3， 刘雅光3

(1. 现代丝绸国家工程实验室， 江苏 苏州 215123； 2. 苏州大学 纺织与服装工程学院， 江苏 苏州 215021；3. 辽宁美麟集团有限公司， 辽宁 铁岭 112000)

为实现环保染色，以近些年国内外对微生物染料在染色中的应用研究为基础，介绍了微生物水溶性色素和脂溶性色素的性质、不同生成形式，概述了菌体染色和萃取液染色2种常见的微生物染色方法及其适用范围。以紫色杆菌、弧菌、曲霉菌等几种常见的已应用于染整领域或有潜在应用价值的菌种为例，从菌种的性质、培养过程、发酵条件、染色方法及最佳工艺、染色后织物的主要性能等方面进行探讨。结果表明:微生物染料生物相容性好，发酵工艺成熟且产量高，能够较好地上染织物，部分主要牢度达到服用性能要求，且少数染料还能赋予织物抗菌等性能;然而，作为一种天然染料，微生物染料同样也存在着诸如色谱不全、日晒牢度有待提高等缺点。

真菌； 细菌； 微生物染料； 天然染料； 染色； 发酵

早在远古时期，人类就开始使用天然染料对纺织品织物进行染色。在19世纪，大量价格便宜且制取方便、色谱广的合成染料逐步占领市场[1]。迄今为止，合成染料仍然被大量应用于纺织、制革、造纸、食品等各个行业[2]，但是，一部分合成染料由于合成前体或者产物对人体有致癌、致敏的作用而被禁用[3]。随着人们生活水平的提高，健康、环保的生活理念开始备受推崇。天然染料无毒，无致癌性且生物相容性好，可降解，目前被认为是可取代合成染料的环保型化学品，因此，激发了学者对天然染料开发与研究的热情[4-5]。

植物、动物和微生物所产生的天然染料被认为是目前可能替代合成染料的几大来源[6]。在食品和纺织行业应用最为广泛的便是植物和微生物。虽然一些植物(如：银杏[7]、红豆杉[8]、桑葚[9])含有天然色素，但是植物的生长周期长，培育占用大量土地资源，在一定程度上限制了天然色素的工业化生产。细菌、真菌等微生物可通过发酵培养的方法稳定地产生天然色素，比如类胡萝卜素、黄酮类、醌类、红色有机胺类等[10]。常见的产色素菌种有黄色短杆菌、金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌、黏质沙雷氏菌、紫色杆菌等[11]。微生物发酵方法，不仅色素产量高，且与动植物相比产生的残渣少，对空间和环境的要求低。而产生的天然染料的发色基团还能够进一步经化学修饰，得到更为广泛的光谱。此外，一些蒽醌类的微生物染料除色彩明亮外，还具有一定的抗菌作用，这表明部分微生物染料在织物的功能性整理上同样具有潜在的应用价值。

通过微生物发酵来产生色素对纺织品进行染色是目前实现环保染色的有效途径之一,因此，本文对微生物色素的性质、生成形式进行分析，总结国内外现有的几种微生物色素的研究方法(培养条件、培养基配方、色素获得方式等)，探究将色素应用于纺织品染色的工艺条件，以期为今后对微生物天然染料的进一步研究提供基础。

1 微生物色素的生成形式

微生物可分为真菌、细菌和藻类等。微生物色素可分为水溶性色素和脂溶性色素。水溶性色素又叫胞外色素，在固体培养时，此类色素能够渗透到培养基中，使培养基显现出一定的颜色，比如：绿脓杆菌；在液体发酵过程中，水溶性色素则会溶于培养液中。脂溶性色素又称胞内色素，由于其不溶于水而存在于菌体内，使菌体呈现出特定的颜色，培养基无颜色，比如：黄色短杆菌、灵杆菌等。发酵后往往需要进行破壁处理，释放胞内色素。

微生物色素的产生方式主要有2种：一种是微生物生长过程中的分泌物，另一种是以培养基中的某一成分作为底物进行转化而形成的色素[12]。对于后者，则需要在培养基中加入色素产生需要的物质，促进色素的生成，提高色素产量。

2 微生物染料在染色中的应用

2.1 微生物染色方法

根据微生物色素的性质及其产生方式的不同，采用微生物色素对纺织品织物进行染色的方法分为菌体染色和萃取液染色。

2.1.1 菌体染色

1)发酵液染色法。配制液体发酵培养液，灭菌待用。取适量菌种于灭菌的去离子水或生理盐水中，采用血球计数法在显微镜下对孢子或细菌进行计数[13]。待稀释至一定浓度范围内，按照某一接种率在液体培养基中加入菌液，在适宜的温度和转速的摇床上发酵培养。菌体发酵过程中可采用紫外-可见分光光度计测定发酵液中的色素含量(色价)。待发酵液中含有最大色素产量时，放入灭菌的织物在摇床上进行低温染色。染色结束后进行灭菌，取出织物，水洗烘干。此法应用性最为广泛。

2)琼脂培养基染色法。取生长状况良好，背面色泽鲜艳的琼脂培养基平板，将菌体和培养基置于锅内，加适量水，煮沸。将织物浸渍一段时间后水洗烘干。此法仅适用于少量无须破壁处理的菌种的实验室研究。

2.1.2 萃取液染色

根据产生色素的性质，用有机溶剂通过萃取、层析、液相色谱等方式进行提取。经旋转蒸发仪浓缩后得到粉末状的色素。染色时根据浴比配制染液，在一定温度下进行染色，过程与常规染色相似。采用该方法则需要对色素的结构进行分析，并进行提纯。

2.2 微生物染色现状

目前应用于染整方面的微生物色素并不多，本文就国内外研究较多的几个菌种进行总结分析。

2.2.1 细 菌

2.2.1.1 紫色杆菌 自然界产蓝紫色色素的微生物比较少，因此，天然的蓝色色素比较罕见。周宏湘[13]翻译了1997年日本报道的一种能够产生蓝色杆菌素和紫色杆菌素的细菌。细菌来源于污染的蚕丝，蚕丝在润湿状态下放置几个月，有一部分变色为蓝紫色。从蚕丝上分离出了该菌株。随后利用有机溶剂四氢呋喃从菌体中萃取色素。利用该色素对不同织物进行染色实验，结果表明该色素性能稳定，色泽良好，适用于蚕丝、羊毛、棉等天然纤维的染色。对于醋酯纤维等化学纤维，虽然染色后织物色调有所差异，但是同样具有可行性。

余莹莹[14]研究了能够产生紫色杆菌素的蓝黑紫色杆菌。采用蛋白胨酵母膏作为发酵培养基的主要成分，将高色价的发酵液作为染液对蚕丝织物进行染色。

2.2.1.2 弧菌 Farzaneh Alihosseini等[15]从海洋沉淀物中分离出一株能够产生鲜艳的红色染料的菌株——弧菌，并采用其产生的灵菌红素对羊毛、锦纶、蚕丝等织物进行染色。细菌培养过程中首先将基础的海水培养基(SBRM)琼脂平板上的单菌落接种到含有SBRM液体培养基的锥形瓶中，在30 ℃，转速为200 r/min的摇床上培养12 h，随后进行扩大培养。通过过滤、浓缩、洗脱等步骤进行提纯获得灵菌红素，该色素在紫外-可见分光光度计中530 nm处有吸收峰。

将提取的染料溶解于甲醇和水中，在80 ℃，pH值为4.5条件下对不同的织物进行染色。染色后织物经过1%的洗涤剂来洗除表面物理吸附的染料。结果表明， 腈纶和改性腈纶都能获得鲜艳的颜色，而棉、黏胶和丙纶仅有极少量的染料上染。

在稳定性上，染料经60 min高温处理后上染率降低了15%，进一步说明染料并不具有较好的热稳定性和耐酸性。此外，灵菌红素还具有一定的抗菌作用，染色后的羊毛织物对大肠杆菌的抑菌率达52%，因此，灵菌红素可作为具有抗菌作用的染料对织物进行功能性整理，在染整行业显示出了巨大的潜力。

钟绵国等[16]研究了灵菌红素对羊毛和腈纶织物的染色，提出灵菌红素对羊毛的染色过程符合朗缪尔模型，对腈纶的染色为能斯特模型。染色后湿摩擦牢度为3～4级，干摩擦牢度为2～3级，皂洗牢度为2～3级。由于壳聚糖在染色过程中有增深作用，且具有一定的抑菌效果，在实验设计过程中将织物浸轧不同分子质量的壳聚糖，抑菌率达90%以上。

2.2.2 真 菌

2.2.2.1 黑曲霉孢子粉 黑曲霉是广泛分布在谷物、空气和土壤中的曲霉属真菌[17]，目前已被应用于柠檬酸和酶类的生产，被FDA[18]认定为“通常认为是安全的”，而作为食品着色剂应用于酱油、醋等副食品上。翟红霞等[19]创造性地采用黑曲霉孢子粉对蚕丝织物进行染色。采用马铃薯葡萄糖作为液体培养基，将一定量的混合稀土加入到黑曲霉孢子粉的扩大培养液中作为染色液，后加入灭菌的蚕丝织物进行染色。研究表明，当加入的黑曲霉孢子粉为4 g/L，媒染剂混合稀土0.4 g/L，pH=6.5的条件下染色24 h，得到的织物匀染性好，皂洗牢度和摩擦牢度为4级或4～5级，日晒牢度达到3级。直接采用工业化生产的孢子粉进行发酵染色，不仅避免了微生物在前期培养基上周期较长的培养过程，而且可通过控制加入孢子粉的质量来改变织物的色泽深浅，方便、可控，是未来微生物染色投入生产应用最为简便的方法之一。

2.2.2.2 丝状真菌 Palanivel Velmurugan 等[20]分别从5种丝状真菌中提取不同颜色的天然染料，并将5种染料应用于皮革的染色。取纯化后直径为12 mm的菌块置于特定的葡萄糖无机盐培养基中， 27 ℃下发酵4～6 d。随后采用不同浓度的乙醇对染料进行萃取、离心，得到萃取液。

研究所用皮革为常规的含铬山羊蓝湿皮，优化得到最佳染色工艺为：染料用量6%(o.w.f)，pH=5，温度70 ℃，染色时间120 min。对上染百分率、色光、牢度等进行研究，皮革的上染率从40%～70%不等，织物的各项牢度达到服用要求，且随着时间的推移，牢度并没有较大的变化。这表明该染料具有一定的稳定性，可作为皮革织物染色的一种天然染料。但是，染料的提取方式有待进一步改进。

2.2.2.3 红曲霉菌 红曲霉菌属于真菌门，子囊菌亚门，不整子囊菌纲，红曲科[21]。由于其能产生大量的天然红曲色素而出名。文献[22]表明，红曲色素中主要含有6种醇溶性的色素和4种水溶性的色素，主要有红色素、紫色素和橙色素、黄色素等。对其性质进行研究发现，醇溶性的色素较水溶性的色素更有工业应用价值[23]。刘艳春等[24]采用红曲霉的分泌产物红曲红素应用于蚕丝的染色加工。刘雅光等[25]公开了一种直接采用红曲霉菌对蚕丝织物进行染色的方法。将培养好的红曲霉菌接种到培养液中，在28～30 ℃培养作为扩大培养液，后加入稀土作为媒染剂，对灭菌后的蚕丝织物进行低温染色，染色织物的各项牢度均能达到基本服用要求。

由于红曲霉菌经发酵产生的色价相对较低，且提取效率差，因此，必须通过多种方法来提高红曲霉的色素产量。Mohd Shamzi Mohamed 等[26]通过使用一种新型的双飞行螺旋带状的叶轮(HRI)来对发酵罐进行搅拌，从而改善红曲霉菌株生产红色素的产量。童爱均等[27]通过固体发酵基质和外加碳源的方式来提高红曲霉的产色素量。徐伟等[28]采用微波辐照来诱变选育高产橙色素的红曲红菌株。通过不同条件的诱变，筛选产量高且色泽鲜艳的菌株进行培养，是扩大微生物染料色谱范围的方法之一。

2.2.2.4 尖孢镰刀菌(F.oxysporum) Nagia等[29]从感染根腐病的柑橘树根中分离出了5种尖孢镰刀菌，从中筛选了一株能够产生粉紫色蒽醌染料的菌株并应用于羊毛织物的染色。取直径为5 mm的菌块接种到特定的葡萄糖矿物盐培养基[30]上进行培养。发酵4～6周后进行过滤、提纯、浓缩。核磁共振结果表明染料为蒽醌型。羊毛织物经5 g/L的非离子洗涤剂洗涤30 min，水洗后烘干待用。染液中加入一定量的 NaCl，非离子洗涤剂3 g/L，浴比为1∶40，在50 ℃下染色30 min。探讨染色因素的影响并测定上染速率、色牢度、毒理性等。结果表明：当染色pH=3时羊毛表现色深值最大；随着无机盐浓度的增加，色牢度下降；染色温度越高，表面色深值和牢度均增加。水洗牢度、摩擦牢度和耐汗渍牢度、日晒牢度可达到纺织品服用性能要求。织物不仅可获得亮丽的色泽，并且色牢度较高。

2.2.2.5 冬虫夏草菌 冬虫夏草BCC1869是一种昆虫病原真菌，可制造出6种红色萘醌类物质，这些萘醌类的物质的化学结构类似于商用红色颜料紫草素和紫朱草素[31]。Panida Unagul 等[32]将冬虫夏草BCC1869 接种于马铃薯葡萄糖肉汤(简称PDB)培养液的烧瓶中培养7 d。在26 ℃，pH=7, 一定通气量，静止培养50 d或200 r/min 的摇床培养28 d条件下，可获得3,5,8-三羟基-6-甲氧基-2-(5-羰基(6-C)-1，3-二烯)-1,4-萘醌(简称3,5,8-TMON)，其质量浓度最高可达到 3 g/L。

进一步研究表明，3,5,8-TMON具有极高的热稳定性和较强的耐酸碱性，抗菌性，因此，冬虫夏草 BCC1869作为红色的染料对纺织品进行染色后整理具有巨大的商业应用价值，但是利用其进行染色的相关报道目前还未出现。

3 微生物染料存在的不足

微生物分泌的色素虽然是一种天然色素，然而要将其应用于纺织品的染色中，则菌种必须满足以下几个条件：首先，菌种必须是对人体无致病性；发酵过程中不产生毒素或色素，能够与毒素进行完全地分离；为实现工业化生产，菌种还必须可用于液体发酵，因此，作为天然染料，其弊端主要有色谱不全、染色过程相对比较繁琐且染色的重演性相对较差，拼色存在一定的难度，染色牢度尤其是日晒牢度不高。此外，生物安全性将是微生物染料应用的最大障碍，红曲霉菌是亚洲最早应用于食品上的真菌之一，但是在美国依旧是被禁止的[33]，因此，为完成微生物染料的工业化应用需要进行长期的生物试验，确保对人体的安全性。

4 结 语

微生物天然染料由于其生态环保，发酵工艺成熟，生物相容性好等优点，越来越受到人们的关注。采用微生物染料对纺织品织物进行染色加工，染色方法多样，色泽独特且部分染色牢度可达服用标准显示出了巨大的应用前景。

FZXB

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Microorganisms pigments and application thereof in textile dyeing

YANG Muying1,2, ZHAI Hongxia1,2, XING Tieling1,2, SHENG Jiayong2, CHEN Guoqiang1,2, TIAN Chi3, LIU Yaguang3

(1.NationalEngineeringLaboratoryofModernSilk,Suzhou,Jiangsu215123,China; 2.CollegeofTextileandClothingEngineering,SoochowUniversity,Suzhou,Jiangsu215021,China; 3.LiaoningMeilinGroupCo.,Ltd.,Tieling,Liaoning112000,China)

Based on the recent researches of microorganism pigments in dyeing and finishing, the different properties and formations of water/lipid-soluble pigments, two methods of dyeing were introduced. The study and development status of fungi and bacteria (chromobacteriumviolaceum,Vibrio,aspergillus, et al.) which have been or might be used in dyeing were discussed, including the cultivate progress, fermentation conditions, dyeing process and the properties of the dyed fabrics. The results indicated that microorganisms pigments were widely used due to their better biodegradability, well-developed cultivation technology and higher yield. The fabrics could achieve great color and some main color fastness could satisfy the requirement of wearability. Some fabrics were endowed with antibacterial properties. However, as natural pigments, some problems of microorganisms pigments such as light fastness, color spectrum also needed to be solved.

fungi; bacteria; microorganism pigments; natural pigments; dyeing; fermentation

10.13475/j.fzxb.20150905206

2015-09-22

2016-04-19

杨慕莹(1992—)，女，硕士生。主要研究方向为蚕丝织物的生物染色。陈国强，通信作者，E-mail：chenguojiang@suda.edu.cn。

TS 193.5

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