植物染料的现状及其发展趋势

纪俊玲

（1 东华大学材料科学与工程学院，上海，201620  2 常州大学石油化工学院，

江苏常州，213164）

     植物染料是从植物的花、草、树木、茎、叶、果实、种子、皮、根提取色素作为染料。我国应用植物染料的历史已有几千年，植物染料一直是我国古代染色工艺的主流。远在旧石器时代的山顶洞人时期，人们已用植物染料在装饰品的石珠上染色。时至明清时，在染料植物的种植、染料萃取制备工艺和印染工艺技术等方面均已成熟[1]。

    19世纪50年代英国化学家第一次成功地合成了苯胺紫，开创了合成染料的新纪元。合成染料和植物染料相比，以其色谱齐全、工艺简单、重现性好、色牢度高和成本低廉等优点，得以在世界范围内普遍使用 [2] 。但随着现代人生活质量的提高，人们认识到很多用合成染料加工的纺织品对人体的健康和人类的生存环境造成了严重的破坏。所以天然植物染料又受到了人们的青睐。植物染料主要有以下几个方面的优点[3]: ①植物染料来源于植物世界，具有再生性； ②植物染料直接取自于中草药，不添加任何有害化学物质； ③植物染料的生产过程实质上就是一个色素的提取过程，其残渣经过一定的处理可作为优质的肥料。由于植物染料无毒、无害、无污染，具有较好的生物可降解性，与环境有较好的相容性。因此，有着天然色泽、自然芳香和保健功能的植物染料具有合成染料难以比拟的优越性。

1植物染料的分类

    植物染料资源十分丰富，迄今已知的有4000～5000种[4]。其中有乔木、灌木，亦有草本、藤本；有野生植物，也有栽培植物。品种、产地不同，其色素含量亦不相同。常见的植物染料如表（1）所示[5]。

表1   常见植物染料

1.1按颜色分类

    植物染料按颜色可分为1）紫色系，紫草、紫檀、野苋、落葵等；2）红色系，茜草、红花、苏木等；3）黄色系，栀子、槐花姜黄、郁金、银杏、菊花等；4）绿色系，鼠李、苋草等；5）茶色和棕色系，茶叶、桑木、杨梅、橡木、楸叶等；6）蓝色系，蓼蓝、菘蓝、木蓝、马蓝等；7）灰色和黑色系，菱、五倍子、盐肤木、柯树、槲叶和漆大姑等。

1.2 按染色方法分类

    植物染料按染色方法可分为：直接染料:姜黄、红花、石榴等；还原染料:靛蓝、马蓝、菘蓝等；媒染染料: 茜草、紫草、苏木、石榴皮等；分散染料:指甲花、茜草、大黄等；酸性染料:藏红花、槐花、姜黄、石榴等； 碱性染料:黄柏、黄莲等[6]。

1.3 按化学组成分类

    植物染料按化学组成可分为：类胡萝卜素类、蒽醌类、萘醌类、类黄酮类、双酮类、吲哚类、生物碱类等[7]。类胡萝卜素类染料主要是黄、橙、红色, 自然界中分布较广， 如胡萝卜、藏花酸等含有这类色素。蒽醌类染料色素为黄-红色调, 存在于植物的根和动物体内, 如大黄、茜草、虫漆、胭脂等。其结构中含有蒽醌母体, 另有一定数量的羟基或羧基，其特点是有较高的日晒牢度和较强的形成金属络合物的能力。蒽醌类染料主要是紫色， 存在于紫草根中。黄酮类染料以黄、红色调为主，存在于杨梅、芦亭、黄岑、红花中。含靛类结构的两种较主要的天然染料是靛蓝和泰尔红紫。靛蓝在植物中是以配糖体的形式存在的，一般从蓼蓝中提取的，将这种植物的茎叶浸泡在水中，经过发酵、水解、氧化即得靛蓝。

1.4 根据生活用途分类

    大部分植物染料是常用的中草药或是具有食用价值和高度观赏价值的植物，同时某些植物是良好的经济作物。可以按照植物的用途对植物染料分类，如表2所示[8]。

表2按生活用途对植物染料进行分类

2 植物染料的研究现状

    植物染料环保越来越受到人们的关注，植物染料被重新重视，国内研究者日益增多，近来国内外已经有企业将此研究用于纺织品、医药、食品、化妆品等方面。

2.1 在纺织品方面的应用

    大多数植物染料不仅可对蛋白质纤维(羊毛和蚕丝等)和纤维素纤维(棉纤维、麻纤维和粘胶纤维)染色，而且少数植物染料还可以对化学纤维(涤纶、锦纶和腈纶)进行染色[8-10]。紫草、大黄、姜黄、胡桃和洋葱等分子量很小且具有疏水性的植物染料可对聚酯纤维进行染色，机理类似于分散染料；黄檗中所含的小檗碱是目前所知的植物染料中唯一的阳离子染料，可以用来染丙烯腈纤维；紫草、胡桃、胭脂树等都适合上染聚酰胺纤维[5]。

日本晃立公司批量开发了棕、绿、蓝3 个色系的植物染料。大和染公司推出“草衣染色”,形染公司推出“靛蓝印花”。日本用全天然染料染色的纺织品有“西阵织”、“京友禅”、“大岛绸”等多种品牌,这一系列“草木染”纺织品被用作衬衫和睡衣的面料, 或用于床单、被罩等家纺产品。美国Allegro 天然染料公司可提供100 多种色泽的棉用全天然染料。近年来,我国对天然染料的应用也正在积极的探索之中:中科院已制得用于棉和丝绸染色的天然黄(TR-Y) 和天然绿(TR-G) ；“铜牛牌”系列童装选用纯天然植物染料系列染色；江苏三毛集团也已将植物染料用于制备高支天素丽环保型高档面料,效果较好[11]。

    长沙马王堆一号汉墓出土的深红绢和长寿绣袍的底色，即是用天然染料中的茜草染成的。 尽管在地下埋藏了2000多年，但其色泽依然鲜艳。当前天然染料染制的装饰用品在欧美地区尤其受到欢迎和喜爱。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[12]。

    日本以艾蒿染色的织物来加工制成患特异反应性皮炎患者的睡衣裤。另外，研究表明大黄染色的棉布和丝绸有很好的抗紫外性能(UVA和UVB的透过率均在2％以下)。茜草和靛蓝染色的棉织物也有很好的抗紫外性能[4]。

2.2 在医药方面的应用

    植物染料属天然环保产品，其中绝大多数是中草药，现将一些常用植物染料在医疗保健方面的作用列举如下:

   《本草纲目》言栀子“治吐血、衄血、血痢、下血、血淋、损伤瘀血及伤寒劳复，热厥头痛、疝气、汤火防”诸症，中医多用栀子治疗伤寒、黄疸、口疮、目赤、丹毒等疾病。现代医学药理认为，栀子有利胆、镇静、降压、抗皮肤真菌及加速较组织愈合的柞用，临床用于治疗急性黄疸性肝炎、扭挫伤及上消化道出血等病症[13]。

    桑叶有解痉、抗病原微生物、降血糖、降血脂、利尿等作用，同时对金黄色葡萄球菌、乙型溶血性链球菌、白喉杆菌和大肠杆菌等均有一定抑制作用。另外，还可杀灭钩端螺旋体。

姜黄色素能清除自由基，抗皮肤真菌、抗病毒、抗癌的作用，可用于治疗传染性肝炎、胆结石及皮肤病。番茄红色素具有抗氧化性，其抗氧化性是类胡萝卜素中最强的，其清除线态氧的能力是目前常用抗氧化剂维生素E的100倍，故被称为有效的生物类胡萝卜素单线态氧清除剂；试验证明番茄红素有预防和抑制恶性肿瘤的作用；增强机体免疫功能，能提高人体免疫力；降血脂和抗动脉粥状硬化作用，其能够抑制细胞氧化修饰低密度脂蛋白匀；番茄红素能够防止皮肤受紫外线的伤害，保护皮肤、延缓衰老[14]。

    苏木具有行血、破瘀、消肿、止痛的功效。 医学研究证明，苏木能使心血管收缩增强，对中枢神经有催眠和麻醉作用，并且具有广谱抗菌作用，对呼吸道及肠道病菌的杀灭效果显著。

蓝草的根(板蓝根) 可入药，具有清热解毒功能，从蓝草中提取的蓝靛同样具有清热解毒、消炎的功效，是中药青黛的主要成分。

    紫草有抗菌消炎、抗病毒、抗肿瘤等多种药理作用，临床用于治疗慢性肝炎、肺结核、血小板减少性紫斑、皮肤癌、皮炎、湿疹等，疗效显著。

    红花能活血化瘀、止痛。槐花具有止血定痛、抗菌消炎的作用。艾草能散寒止痛，除常熏洗用外，也是艾灸的原料。五倍子在医药上具有收敛燥湿的作用。 茶有清热降火、消食提神之功效 [15]。

2.3 在食品方面的应用

    很早人类就从一些水果和蔬菜中摄取色素，合成色素的出现一度取代了天然色素，但由于合成色素给环境和人类的健康带来了不容忽视的危害，食用色素的短缺又促使人们将视线转移到天然色素中，从大自然中提取的各种天然色素可作为色素添加剂用于食品、饮料中。我国的地域辽阔，地形和气候多样,植物品种资源十分丰富，具有生产各种食用天色色素的丰富植物资源。

    萝卜红色素是从十字花科植物红心萝卜中提取的天然食用色素。主要成分为含天竺葵素的花色苷。纯品为深红色粉末，易溶于水及乙醇水溶液，不溶于油脂和无水乙醇。其色调及稳定性受pH影响较大：酸性时呈稳定的橙红色；中性时呈蓝色；碱性时呈不稳定的绿色。该色素适用于酒、碳酸饮料、果汁、果酱、糖果等产品的着色或补色[16]。

    胭脂树橙和降胭脂树橙是西方食用天然色素的重要品种，早已通过了FAO／WH0的JECFA的评价，已进入世界167个国家的食品添加剂允许使用的法规，有较大的国际市场空间。1997年我国卫生部已批准进入GB2760-1996，因此我国早已开始使用这两种天然色素[17]。

3 植物染料的发展趋势

    植物染料不仅可应用在纺织、医药、食品方面，在太阳能电池、化妆品、造纸、塑料、建材[18]等诸多领域都有广泛的应用前景。

3.1 植物染料在太阳能电池中的应用

    植物染料可以作为敏化剂应用于敏化太阳能电池中。目前，黄酮类化合物、叶绿素及其衍生物和类胡萝卜素化合物等植物染料是最成功的天然敏化剂，入射光光电转换效率已超过60％。在模拟太阳光下最大的总光电转换效率在2％以上。

    Chang和Lo [19] 用从桑叶中提取的花青素作为太阳能电池的敏化剂，制备的太阳能电池的光电转换效率为0.548%，其开路电压为0.555 V，短路电流密度为1.89 mA/cm2,填充因子为0.53。进一步将叶绿素和花青素混合作为太阳能电池的敏化剂，制备的太阳能电池的光电转换效率为0.722%，其开路电压为0.53 V，短路电流密度为2.8 mA/cm2，填充因子为0.49。

    Chang等[20]又将从菠菜和甘薯叶子中提取的叶绿素(图5)应用于天然染料敏化太阳能电池上。考察了其填充因子，光电转换效率和封装的太阳能电池的入射光电流效率。根据电流电压曲线的实验结果可知，在提取温度为50℃，提取液pH值为1.0时，用从甘薯叶子中提取的天然染料制备的太阳能电池的光电转换效率为0.318%。

    Zhang等[21]从红甜菜根中提取甜菜红色素作为敏化剂敏化太阳能电池。紫红色的甜菜红色素是一种容易被氧化，具有较强可见光吸收的水溶性色素，其在535 nm处有最大的摩尔消光系数约65000 M-1cm-1。在一定的条件下，用甜菜红色素敏化的太阳能电池最大的开路电压为0.44 V，短路电流为2.42 mA/cm2。

3.2 植物染料在化妆品中的应用

    植物多酚是一大类广泛存在于植物体内的复杂多元酚类化合物。狭义地看,可以认为植物多酚指的是单宁(Tannins)或鞣质,其相对分子质量在500～3000之间。广义地看,它还包括了小分子酚类化合物,如花青素、儿茶素、栎精、没食子酸、鞣花酸和熊果苷等天然酚类。在当前日化领域中,人们更注重的是后者的利用。

    植物多酚具有独特的化学和生理活性,在护肤品中可起到多重作用。例如抗氧化、抗衰老、抗紫外线、增白及保湿等,因而对多种因素造成的皮肤的老化(皱纹和色素沉着)都有独到的功效。人们一直从某些特殊种类的植物中得到用于化妆品的多酚,如从熊果叶中提取熊果苷,从槐花中提取芦丁,从银杏叶中提取黄酮[22]。

4 结束语

    植物染料以其自然的色相、柔和的色调，对皮肤无过敏、致癌性，及其具有保健功能的优势，受到了人们的青睐。目前，植物染料虽不能取代合成染料，但随着人们对植物染料越来越重视，其必将纺织、医药、食品、电池等领域中拥有广阔的发展前景。

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[1] 纪俊玲，1967年生，2007年7月毕业于南京理工大学，获博士学位（常州大学，教授）。现于东华大学材料科学与工程学院进行博士后研究工作。研究方向：植物染料的提取及生态纺织品关键技术研发。