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天然植物染料环保性受青睐, 多技术提取是关键
2018年8期 发行日期:2018-04-13
作者:■ 董鹏 李春 郑奥柯

        近年来,合成染料使用中的弊端日益受到关注,研究人员发现合成染料能分解出20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移到天然染料。日前,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,为染料工业开辟了一条新的希望之路。
        我国对植物染料的开发和利用已在积极的探索研究中,多所纺织院校共同努力,且已经建立了较为完备的植物染料数据库和全面的植物染料色卡。天然染料的制备以及染色技术已经取得了非常大的成就,在诸如纺织业、陶瓷业等很多行业中都有应用,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。我国天然染料除国内消费外,还有出口。  

天然植物染料提取方法
   
  天然植物染料提取方法是传统的化学分离法,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。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溶或微溶,在水的沸点100℃下有一定的蒸汽压,当水沸腾时,能将该物质一起随水蒸汽带出。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,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、效率高、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,有较高的溶解能力,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份。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。酶提取法较多的用于天然植物中有效成分的提取分离。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、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。

发展前景及建议
 
  目前,天然染料因其色泽柔和、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。
    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。利用现代科学技术理论和方法,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,应采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,国内也无行业及国家标准,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,建议相关组织尽快制定相关标准,以促进该产业的健康和快速有序发展。制定标准要研究消费市场,目前,天然染料产品尚属于高端产品,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优良、产量高的天然染料,将其作为合成染料的部分替代或有效补充是很有价值的,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,以期提高色牢度,形成一条完整的产业链,从而使得天然染料拥有广阔的发展前景。

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