天然植物染料的应用及发展

郭荣辉，陈美梅

(四川大学轻纺与食品学院，四川成都 610065)

天然植物染料是指提取自植物的树皮、果皮、果肉、花朵、叶子或根、茎等各个部位用于染色的一类染料[1-3]。在公元2500多年前[4]，我国先辈就已经开始将天然染料运用于染色，彰显出华夏人民的聪明智慧，折射出不同时期人们的审美追求与艺术风尚。自19世纪50年代英国化学家珀金发明了世界上首个化学合成染料苯胺紫开始[5]，合成染料的发展变得十分迅速，相关的研究成果遍地开花。并且凭借着其制作方法简便、色彩丰富多样、染色效率高、色牢度尤其是耐洗和耐晒牢度高、纯度明度高等优点迅速地占领了染色市场，逐渐地替代了天然染料的应用[6-7]。但是它们难以生物降解，有些合成染料有致癌性，威胁着人类的健康，合成染料的制备过程和使用过程也给环境带来污染问题[8]。在21世纪到来，全世界共同呼唤“生态、绿色、环保”的潮流下，天然植物染料凭借其无毒害、与环境友好、生物降解性良好，富有趣味性、民族特色和艺术特色明显，甚至因为染料来源本身的性质而具有一定的医疗保健功能如抗紫外性和抗菌性[9-10]等，再度受到世人的关注。

本文从不同的角度对天然植物染料(以下简称植物染料)进行分类，介绍其提取方法，以及在纺织、食品、化妆品、医疗保健等方面的应用，并分析天然植物染料发展面临的问题及其应对办法。

1 天然植物染料的分类和提取

1.1 天然植物染料的分类

1.1.1 按照化学组成分类

按照其化学组成的不同，可以分为类胡萝卜素类、类黄酮类、萘醌类、蒽醌类、姜黄素类、靛蓝类、叶绿素类等。

1.1.2 按照溶解性能分类

根据溶解性能的差异，可分为3类：水溶型、醇溶型以及油溶型。将在水中以及乙醇的水溶液中均能较好溶解，在无水乙醇中的溶解度较低，在石油醚中不溶的染料称为水溶型染料；在有机溶剂(如石油醚、二氯甲烷等)中的溶解度较大，在无机极性溶剂水以及有机极性溶剂乙醇、丙酮等中不溶或难溶的染料为油溶型染料；醇溶型染料的溶解性介于上述二者之间，换言之，在石油醚中难溶，在无水乙醇中易溶。

1.1.3 按照染色性质分类

可分为直接染色型、还原染色型、媒染型以及其他类型植物染料。

在水中有较好溶解性的色素，可直接吸附并固着于被染物，这类染料采用直接染色法。黄柏、黄连等类碱性染料水溶性好，色素可直接吸附在被染物上，无需媒染。

还原型植物染料色素原本不溶于水，需要使用还原剂使其成为可溶性中间体，在液体中溶解并上染纤维，然后再氧化重新变成不溶性的物质固着于织物上。靛蓝[11-13]的染色就属于这一类型。靛蓝不溶于水，在碱性染液中被还原成可溶性的隐色体靛白，可顺利上染纤维，然后被染物透风氧化，靛白复原成了不溶性的靛蓝而固着在织物上面。

媒染型植物染料色素对水的溶解性不好，需要借助载体(也就是媒染剂)进行着色以增加上染百分率和色牢度。如果植物染料色素对水的溶解度很好，色素可以直接吸附到被染物上，但是染色完成后色牢度较差，则亦需采用媒染剂进行染色[14]。人们所处的环境决定了其认知水平和技术水平的有限，所采用的媒染剂比较原始，包括灰汁、石灰、泥土等。目前人们主要选用明矾、氯化亚锡、硫酸铜、锡酸钠、重铬酸钾等化学试剂。

其他类型植物染料如直染、媒染型植物染料，是指兼具直接染色和媒染方法的一类植物染料，如栀子、黄柏、姜黄等。

1.1.4 按照被染物染色后的颜色分类

主要划分了红色、黄色、绿色、棕色、紫色、蓝色和灰、黑色，具体可见表1。

表1 植物染料按被染物染色后颜色分类

1.2 天然植物染料的提取

对于不同的植物染料色素，其具有最佳染色效果的色素提取时间不同。有的是成熟期，有的在成长期。叶片和草株通常是新鲜提取的，果皮、树皮、根等部位最好是干燥的。而茶叶是例外，可以是在炒制后提取。

染料色素的提取方法主要有传统水煮法、乙醇浸渍法、加分散剂法、超声波法、冷冻干燥法、超临界流体萃取法等[15-16]。

传统水煮法主要是针对可溶于水的植物色素，植物染料大多采取直接用水萃取，此法经济实用并且操作简单。

乙醇浸渍法是将粉碎过后的染材放入容器中，加入乙醇溶液浸渍后将溶液滤出，再次倒入乙醇溶液浸渍，如此反复多次，最后将所有滤液混合，即可作为染液。这种方法特别适合于难溶于水的染料。

加分散剂法是把分散剂加入染液中，使原先在水中溶解度低的染料形成较稳定的染料颗粒分散良好的体系，分散剂的添加增加了织物与染料颗粒的接触面积和接触机会，因此增强了染色效果。

超声波法是比较新的提取方法，把染材超声处理后滤去残渣得到滤液，然后浓缩干燥制成染料。超声波强的空化效应以及搅拌力破坏植物体细胞，溶剂更容易渗透进入细胞，因而提高了提取速度。

真空冷冻干燥技术，是将含有水的物体先冻结然后在真空条件下升华，物品原有生物化学性能基本不变，染料易于保存，加水后可恢复至冻干前的形貌和特性。此法可使得染色工艺更加规范简便，提高染色重现性。

超临界流体萃取法，利用超临界流体(通常是二氧化碳)作为溶剂，从固态或者液态物体之中萃取有效成分然后进行分离，效率高、能耗小，无有机溶剂残留。

2 天然植物染料的应用

2.1 天然植物染料在纺织领域的应用

2.1.1 茜草色素染色棉织物

茜草[17-18]，又称破血草、八仙草等，是多年生的草质攀援植物，具有止血化瘀、通经活络、止咳祛痰的疗效，还可以有效治疗尿血、便血、血崩和闭经等诸多血症。袁小红等研究者采用氢氧化钠溶液对茜草染料进行提取，用媒染法提高了被染物的上染率和色牢度[19-20]。曹红梅等对棉织物用茜草进行预媒法染色，当媒染剂分别为铝离子和铁离子时，染色完成后的织物颜色不同，织物色牢度均比较好。

2.1.2 丁香色素染色改性亚麻织物

丁香不仅是常用的中药材，而且经晒干之后作为名贵香料使用。丁香所含挥发油具抑菌及驱虫作用，用作芳香，镇痉驱风剂[21]。丁香可以治疗腹痛、神经痛、牙痛、胃病、呕吐等疾病。将其色素应用于织物染色领域，可给予纺织品非凡的药用保健功能。亚麻织物风格古朴典雅、透气排汗、抗霉菌，但是亚麻织物上染率低，色泽暗淡且色牢度不理想[22]。司舒童[23]利用阳离子改性剂对亚麻织物进行了改性，继而使用丁香色素上染亚麻织物。改性剂用量为10%时，改性效果良好。媒染时温度为80℃，媒染剂的浓度为10g/L为宜。所得织物服用性能有所提高，各项色牢度获得提升，且织物获得了一定的抗菌性能。

2.1.3 银杏落叶色素真丝染色

黄色的银杏落叶观赏性强，但是实际利用得较少，如果将其提取色素应用于植物染色，则可大大提升它的价值，真正实现废物利用[24-25]。张鹏[26]以水为溶剂提取银杏落叶色素上染真丝织物，通过设计正交实验得出直接染色的最优工艺方案；在媒染染色过程中分析了媒染剂选取的不同以及媒染方法的变换对于K/S值的影响和对色牢度的影响。结果表明，媒染可以改善真丝织物的色牢度，其中后媒法的效果是最好的。

2.1.4 板栗壳色素染色毛织物

董超萍等[27-31]研究发现，NaOH溶液十分适合用作板栗壳色素[32-34]的提取，在对精纺毛织物染色的时候，其优化的工艺条件是：pH=3，温度T=80℃，染色时间t=100min。染料用量增加时，染色织物的K/S值逐渐增大，染色深度的增加速度有先快后慢的整体趋势。最佳条件是板栗壳天然染料的用量为60mL。在这一条件下，染色效果较好。干、湿摩擦牢度分别为4.5和4，日晒牢度以及汗渍牢度均为4，变色耐洗牢度为3.5，以上指标均已达到服用要求，证明该织物具有一定的实用价值。

2.2 天然植物染料在其他领域的应用

天然植物染料不仅可应用于纺织印染业，在诸如食品、造纸、塑料、建材、化妆品、制药、纹身、彩绘等领域也有广泛应用前景。

栀子蓝色素不仅可用于纺织品印染，还可用于食品行业，比如饮料制品和其他食品添加剂，药品及化妆品的着色[35-37]。桑椹是桑树的果实，外观呈紫色，洗净可直接食用。桑椹色素可以作为食品饮料添加剂。桑椹还具有滋阴补血和清肝明目的功效，故而用于制药行业[38]。番红花可以作为食用色素、染料、墨水色素。高粱色素可用于食品加工，如食品、印刷，还可应用于药品、化妆品和纺织品领域。火龙果色素的色彩明丽，常常作为食品添加剂。研究者利用辣椒中的染色有效成分——辣椒红色素，将辣椒应用于化妆品、医药、食品、饲料等领域。姜黄可作防腐剂和着色剂[39]。

唇膏中的增色剂、护肤品、洗发水、染发剂中存在的植物染料色素，就是植物染料在日用化妆品中的应用。生姜在洗发水中的应用为大家熟知。胡玉莉等[40]人研究了植物色素染料在染发剂中的应用，总结了常见染发剂的种类及原理，归纳了代表性的植物染色剂，阐述了这类染发剂的价值和市场前景。胡玉莉研究团队总结了诸多可以用作染发剂的植物染料，栀子、甘菊、槟榔、苏木、金缕梅、茶、墨旱莲、槐米、胡桃、五倍子、散沫花、何首乌等，均可以应用于染发剂。金缕梅还可以作为睫毛染色剂，散沫花还用于指甲染色和纹身、彩绘。

因为一些植物染料色素本身就来源于中草药植物，故而在卫生防护及医药保健的领域发挥着重要作用。艾蒿色织物可有效治疗皮炎；用茜草、靛蓝、郁金香和红花染成的功能性织物具有杀菌防虫、防过敏的效用；皂角可以用于保健品。

3 天然植物染料发展面临的问题与解决办法

3.1 天然植物染料的优缺点

天然植物染料由于取自大自然的植物资源，因此其再生性较强，来源丰富且环保，对人体无毒害作用，对环境友好，带有天然的香气，有的甚至还具有抗紫外线、抗菌、防虫等功效。染色后的织物色泽自然、典雅、柔和，所以高档服装品牌会选择植物染料染色以提高产品附加值。至今仍然有不少少数民族地区延续着植物染色工艺。在全社会崇尚环保以及追求个性的思潮下，天然植物染料拥有广阔的发展前景。

但是植物染料很大的缺点是其染色色素含量较低，多数植物本是作为中草药使用，所以如果将植物采撷只是为了提取色素，难免付出较高的成本代价。植物的生长受到气候、温湿度等多因素的影响，难以批量供给。而且植物染料色素的上染百分率低，大部分植物染料需反复媒染，有些媒染剂对人体健康不利，残留的媒染剂给环境造成负担。天然染料染色时间长，给色量低也制约了它的发展。

3.2 天然植物染料发展中的问题

虽然如今合成染料占有绝对市场优势，植物染料在印染行业也仍拥有少量份额，并渐渐吸引了服装品牌的目光。然而植物染色技术不够系统和成熟，许多产品局限于景区工艺品、少数民族手工工艺品领域。合成染料工业化发展已有百年历史，而植物染色产业化还处于试验期和起步期，有许多技术难关需要去攻克。目前市场上粗制滥造和假冒伪劣的产品颇多，印染行业存在着企业为了吸引消费者而谎称自己的产品属于天然染色制品的乱象；相关资源如大规模的原材料种植地匮乏，多数植物有较强季节性和区域性，给原料获取带来困难，如果植物原料收集之后需要保鲜，其存储难度也较大；植物染色面临相当的成本代价，其中包括色素提取的成本，再加上染料利用率低，势必导致成本增加；原料色光单调，色牢度偏低，无法满足现代人对于丰富而明丽的色彩的追求；与此同时，植物染料染色难度较大，易出现原料溶解度低的问题和色花、染色不匀现象。

3.3 问题的解决办法

纵观天然植物染料发展全局，其染色技术尚未大量应用，要想得到长远的发展，必须解决如下问题：(1)着力解决染色植物原料供应问题。要进行工业化生产，原料供应必须充足，建议人工规模化种植[41]。(2)规范染料的提取。为了提升植物染色效率，应该摒弃以往的随取随用方式，将染料制成半成品或成品染料，染色时可以直接使用。这涉及到储存问题，也需要做好技术攻关。(3)精选助剂。对于有效成分含量低的传统助剂，其利用率低，而且容易造成污染。比如明矾等含铝固色剂效果不佳，对人体健康有不利影响。要想实现植物染色工业化则必须精选助剂。(4)开发纺织品新功能。合理运用具有药理疗效的染色植物，将会促进人体健康，同时也将大力推动植物染色自身的发展。(5)强调绿色发展。不管是合成染料还是植物染料，其发展都应该注重环境保护，要关心生产过程中的水资源耗费问题和废水处理问题，不断钻研更加优化的生产工艺，才能立足于市场。(6)相关企业要形成自己的品牌，要在同质化严重的大背景下突出自己的竞争优势，规范行业标准，形成良性竞争。政府部门要加强市场监督，严厉打击生产假冒伪劣产品的行为，共同促进植物染色的稳定发展。

4 结语

在合成染料得到极大运用的同时，天然植物染料凭借着它毒害性小，对环境污染小的优势，以及部分植物染料由于本身属性而具有药理的特定功效，其染色过程可以兼备艺术性和趣味性，从而引起了科研人员的研究兴趣。但是天然植物染料也存在着短板，原料供应问题、有效色素的提取方法和提取成本、上染率和色牢度的提升等问题限制了它的发展。科研工作者需要将目光集中在这些劣势上，运用新的技术手段和发展模式，才能让天然植物染料展现出更加广阔的应用前景。