天然染料的应用及发展

蔡雨杭，陶荣静，郭荣辉

(四川大学轻纺与食品学院，四川成都 610065)

天然染料通常是指没有经过人工合成、十分少甚至是没有经过化学加工的染料，一般是从动植物或矿产资源中获取的染料[1]。天然染料在我国的历史深远。自从1856年合成出现苯胺紫，合成染料因为它的色彩丰富，染色效率高，色谱齐全，价格低廉等优点，迅速占领了市场，取代天然染料的地位[2]。然而，合成染料在生产和使用过程中出现了越来越多的问题，例如致使水资源污染、土壤污染、空气质量变差以及有致病致癌物质产生等问题，使人们倍感担忧[3]。从自然界制取的天然染料，不仅绿色环保、无毒害、可以生物降解，而且具有可杀虫抗菌功能、保健性能良好的功能等，是当今炙手可热的研究对象[4-5]。

本文将从天然染料的分类、天然染料在纺织、食品、化妆品和医疗保健中的应用以及未来的发展方向进行介绍。

1 天然染料的分类

1.1 按来源分类

天然染料根据获取来源可分为四种即植物染料、动物染料、微生物染料、矿物染料。

1.1.1 植物染料

植物染料是天然染料的主要来源，染料可从植物的根、茎、叶、花等部位中获得。植物染料不仅使上染的织物具有鲜艳自然的色泽，而且还具有抗菌、消炎等功效[6]。当前，研究者对苏木、黄连、薄荷、花生衣、紫草、樟树落叶、姜黄、茶叶、茜草、马蓝、栀子、指甲花、石榴、桑树等植物染料进行研究，下面将举例介绍几种植物染料。

(1)苏木。苏木中提取的天然染料即苏木红素，为苏木中的隐色素被空气氧化形成。目前苏木具备良好的活血化瘀功效，主要用于染红色、黄色。提取苏木染料可以采用水煮等方式[7]。

(2)黄连。从黄连中可提取的天然染料黄连素又被称为盐酸小柴碱。黄连具有抗菌、消炎作用，主要用于染黄色。曹机良等研究使用利用水提取法从黄连中制取的黄连染料即黄连素上染超细腈纶纤维。实验发现，黄连染料对腈纶染色最佳温度为95℃～100℃，且随黄连素的用量增加，上染的腈纶K/S值也随之增大[8]。柯贵珍等研究从黄连中制取天然染料黄连素的工艺，以及探讨黄连染料上染腈纶纤维的性能和工艺，并通过实验发现，高温有利于提高腈纶纤维与黄连上染性能[9]。

(3)紫叶酢浆草(红叶酢浆草或三角紫叶酢浆草)。于颖研究紫叶酢浆草染料上染羊毛织物的性能以及外界环境对实验的影响。研究发现染料提取液为红色时pH≤5，染料提取液为黄绿色时pH≥6，并且pH值越大黄绿色越趋向于黄色[10]。

(4)樟树落叶。樟树落叶中含有的染料主要用来染棕黑色。陈美云等发现，从樟树落叶中提取的天然染料的染色效果，受外界条件比如pH值、温度等影响，同时樟树落叶中提取的天然染料对丝绸染色的效果受外界条件比如pH值、时间等影响[11]。

(5)冰岛衣。冰岛衣在抗病毒性、抗菌性能、抗氧化性能等方面表现出其优点。丁思佳等研究提取的冰岛衣染料上染西藏羊毛纤维的染色工艺，以及染色的效果受外界条件的影响。实验发现，随着pH值的升高，冰岛衣染料的颜色从黄棕色变到红棕色再到棕黑色，并且溶液呈碱性时，冰岛衣染料颜色变深[12]。

(6)薄荷。薄荷的味道清凉沁人，不仅可以使人提神醒脑，而且具有良好的抗菌性。薄荷上染的织物也会具有抗菌消炎的功能。薄荷主要用于染绿色。徐静等对于从薄荷中制取染料的工艺，及薄荷上染真丝织物的工艺进行研究。研究发现，在20℃的染色温度，20min的染色时间，pH值为10的染液是适宜薄荷染料对真丝染色的工艺[13]。

(7)花生衣。花生衣呈红棕色，在抗氧化性、抗菌消炎、抑制肿瘤等方面有良好的表现。曹志强等从花生衣中采用沸水提取法制取花生衣天然染料并上染羊毛织物，并对其工艺及性能方面进行测试研究。实验发现，温度较高、反应时间较长以及溶液pH值呈中性时，提取液更偏向于红色[14]。

(8)茶叶。茶叶可以将天然纤维上染出不同深浅的棕色。王雪梅等研究了采用茶叶天然染料对不同纤维试样染色，以及染色时不同媒染剂对纤维颜色的影响。实验发现，不同媒染剂媒染过的纤维颜色会有所不同，采用铜离子型媒染剂会使纤维略微偏向蓝绿色；采用媒染剂铬离子型使纤维偏棕色；采用媒染剂铁离子型使纤维偏深绿色；采用铝、锡离子型媒染剂会使纤维略微偏向于红色[3]。

(9)姜黄。姜黄具有活血化瘀、降血脂等方面功效，也是一种传统的、著名的，用于染鲜艳黄色的天然染料。王雪梅等研究姜黄染料对多种纤维染色效果及使用不同的媒染剂对纤维上染效果。实验结果显示，姜黄染料上染动物纤维羊毛和蚕丝的颜色是土黄色，而姜黄染料对植物纤维染色的颜色为橘黄色。并且在溶液呈酸性时姜黄染料是黄色的，在溶液呈碱性时姜黄染料是红棕色的[15]。

1.1.2 动物染料

动物染料的种类较少，主要有虫(紫)胶、贝紫、胭脂虫等。

(1)虫胶。虫胶红又被称之为紫胶红色素，其主要是雌性紫胶虫分泌的树脂状物质中提取出的红色素。张丽平等探索了虫胶红对铬鞣皮革染色工艺条件。实验发现，在55℃以上的热水或酸性溶液中，虫胶红具有良好的溶解性，但在溶液呈碱性时虫胶红变色严重[16]。陈美云等研究紫胶天然染料的稳定性受外界条件如pH值、温度等会产生影响[17]。

(2)贝紫。贝紫染料是海贝身体中分泌出含有不溶于水的贝紫色素的分泌物。在酶、空气和阳光的作用下，贝紫染料将从黄色变为绿色，然后变为蓝色，最后变为牢度最佳的紫色[18]。

(3)胭脂虫。胭脂虫染料是指从寄生在仙人掌上的雌性胭脂虫体内提取出的胭脂虫红(又名胭脂红酸或洋红酸)，颜色为粉色到紫色[29]。曹红梅等探讨了胭脂虫红上染丝织物的染色性能，及使用不同金属媒染剂对其上染性能的影响。结果表明，采用媒染剂，染色织物具有优异的色牢度[20]。柳艳等研究染色温度、时间、染液pH值等方面对胭脂虫红上染羊毛织物的上染性能。结果显示，胭脂虫红上染羊毛织物的适宜工艺条件为：pH值3～4，80℃以上的染色温度染色50min～60min[21]。

1.1.3 微生物染料

天然染料还可源于细菌、真菌、霉菌等微生物产生的色素[6]。

(1)红曲色素。红曲霉产生的染料为红曲色素。不仅具有安全无毒的特点，而且还具有活血散瘀，帮助消化的作用[22]。刘艳春等研究外界条件如溶液pH值、使用媒染剂的种类等对红曲色素染蚕丝织物的染色性能影响以及染色织物的性能变化[23]。刘小钊等研究外界条件如pH值、温度等对红曲色素上染蚕丝织物的A/S值、对染色性能、染色织物性能的影响[24]。

(2)银杏叶内生菌染料。银杏叶中的微生物分泌出的红色素为银杏叶内生菌染料。程荣煌等研究从培养的银杏叶内生菌提取出分泌的红色素，考察对改性真丝织物的染色。结果表明，适宜的染色工艺条件为70℃的染色温度， pH值为3，时间为60min[25]。

1.1.4 矿物染料

矿物染料主要是指小分子化合物，特点为具有简单的化学结构，有色矿石其化学成分主要是SiO2、TiO2、FeO等，随化学结构的不同，颜色不同，并且在经过研磨后拼混可使色谱颜色增加达到20多种[26]。

1.2 按化学组成分类

天然染料根据其化学组成不同可以分为天然蒽醌类、天然萘醌类、靛蓝类、叶绿素类、类胡萝卜素类等[27]。

1.3 按应用性能分类

天然染料按照应用性能分为直接染料、媒染染料、还原染料、酸染料、阳离子染料、分散染料[28]，见表1。

表1 天然染料根据应用性能分类

1.4 按颜色分类

天然染料可根据染色后呈现的颜色不同分类，可分为红、黄、蓝、绿、灰、黑、紫、棕等色系[26]，具体分类方法见表2。

表2 天然染料根据颜色分类

2 天然染料应用现状

源自自然的天然染料因为其绿色环保、低毒无害以及多功能等特点，广泛应用在纺织品染色和功能整理、食品着色、化妆品着色染料以及医用组织着色和环保监测等领域应用[2]。

2.1 纺织业中的应用

在纺织品中，采用天然染料对织物染色受到国内外众人欢迎。例如日本，有“西阵织”、“京友禅”、“大岛绸”等多种品牌的天然染料染色的纺织产品，广泛应用于衬衫、睡衣、床单、被罩等日常用品。美国，Allegro公司的天然染料可以让棉变得色彩斑斓。中国中科院采用天然黄和天然绿染色棉和丝绸；采用植物染料染色的“铜牛牌”系列的童装[29];江苏三毛有限公司的高档面料是使用植物染料上染的，该面料不仅满足人们对舒适面料的向往，又响应国际倡导的环保型面料的号召[30]。当前各个国家对天然染料的研究势头不减。

目前在染色方面天然染料具有广泛应用。例如，天然纤维可以利用姜黄、茶叶、青黛、苏木等进行染色，聚酯纤维可以使用茜草、紫草等与分散染料结构十分相似的天然染料染色，聚酰胺纤维可以采用紫草、胡桃等进行染色[31]。

天然染料染色织物已广泛应用于高档服装、纺织产品、日常产品和装饰品等。例如：采用红曲色素上染获得深红色的丝绸织造高档丝绸服装、真丝被面、围巾等。可以是采用姜黄上染的苎麻纤维织造高支轻薄、凉爽环保的服装。采用天然茶染料上染的棉制品可制作衬衫、睡衣、家纺等产品[32]。天然染料因其自身特殊功能，被广泛的应用于开发功能纺织品。例如，Hou等从柑桔皮中提取的天然染料(OP)可用于生产高耐久性的紫外线防护羊毛织物[33]，采用艾蒿染料上染的纺织品具有治疗皮炎的功能[6]。

2.2 食品工业中的应用

在食品中，天然色素即是天然染料。在食品中添加天然染料可以带来丰富的色彩，应用在如蔬菜包点、蛋糕等烘焙食品和冰激凌、饮料、果冻、奶油制品方面。天然可食用的色素如花青素、番茄红素、类胡萝卜素等[34]。天然色素不仅作为调色剂、调味品，还可以用于提高食品的营养价值，如姜黄素在食品中可以呈现出橙黄色外，还具有清除自由基的能力[6]。天然染料在食品中具有广阔的应用前景。

2.3 化妆品中的应用

人们在选择化妆品时，喜好越来越偏向天然材料。在化妆品中应用的染料也不例外。在染发方面，苏木精作为染料的染发剂在法国、印度等国被成功研制出;用胭脂虫红等为染料的染发剂在日本被成功研制出；中国化妆品专家也对何首乌等植物的黑色染料成分进行了研究，为我国今后天然染料染发剂的发展打下坚实的基础[35]。在护肤品中，天然染料不仅对皮肤造成刺激，还可以抗菌、消炎，如可可色素具有保湿滋润肌肤，延缓肌肤衰老等功效。在彩妆中，火龙果果皮色素、高粱红色素、番茄红素等可以作为口红、腮红等的上染剂[34]。

2.4 医药保健中的应用

由于其自身具备特殊功能，天然染料也广泛应用于卫生及医药领域。天然植物染料具有抗菌性能、医疗保健性能。如苏木具有活血化瘀功效；薄荷味道清凉沁人，不仅可以使人提神醒脑，而且具有良好的抗菌效果；花生衣可保护心脑血管，抗炎抗菌、抑制肿瘤等。李亚玲等对木黄酮染料在延缓女性更年期的功效和安全性方面进行相关研究，木黄酮染料能够延缓更年期[36]。

目前市场上有企业利用天然染料对纺织品进行染色，开发出具有抗菌除臭、防霉防病的保健产品。

3 天然染料的发展

随着人们生活质量的提高,人们发现了合成染料越来越多的危害，人们也逐渐意识到天然染料绿色环保、无危害正是他们所寻求的。然而目前，天然染料在纺织品染色中并还没有得到全面推广，是因为天然染料还有一定的局限性[6]：(1)天然染料获取来源数量少、色谱不齐全。因为植物、动物、矿物质以及微生物等为天然染料的主要来源，天然染料获取的范围小、种类及数量不多、色谱不完全齐全[37]。(2)天然染料的可重现性差。即不是同一批次的天然染料在相同工艺条件下上染同种纤维的颜色不同，究其原因是取得的染料产地来源，产生环境以及采集时间不同而引起的。这种原因会导致它不能建立标准进行生产[6]。(3)天然染料的上染率低和染色牢度差。因为天然染料直接与纤维染色的染色牢度不高，所以，为提高天然染料的染色牢度，在染色过程中加入重金属媒染剂。但是媒染剂中含有的有害重金属不仅不符合绿色环保的要求，还对人体会产生深远的危害。(4)天然染料的提取消耗量大。天然染料主要从动植物体内获得，然而，动植物体内含有色素较少。因此，为满足染料的生产需要，使用大量植物和动物是不可避免的[28]。有些植物本身是具有十分珍贵的药用价值和经济价值的中草药，如果将它们大量用于染料的提取，会造成资源没有得到充分利用导致经济价值不高，还会造成染料价格居高不下的现象，不适于产业化加工[6]。(5)鉴定天然染料质量的标准和上染产品质量标准急需确定。天然染料在染色时受外界条件如媒染剂种类及媒染剂用量、pH值的影响，并且天然染料在生产加工过程中不可避免的要使用某些助剂化学品，会释放出有毒有害物质如甲醛等，这些都可能会导致纺织品或生产等不符合国家标准[28]。

因此，要使天然染料跨越瓶颈，飞速发展需在下面几个方面进行着重研究：(1)扩大天然染料的获取范围、增大其产量方面。例如可在我国荒芜地区种植可提取天然染料的植物，这一措施不仅提供了丰富的天然染料资源，还在改善荒芜地区环境的同时发展当地的经济[22]；还可以使用生物技术获得染料，如利用愈伤组织产生色素；另外从大量废弃的植物中提取天然染料可在解决天然染料的来源问题生物同时，使资源得到了充分的利用。(2)拓宽天然染料的色谱方面。对天然染料进行拼色染色[33]，可以使天然染料具有更加丰富的颜色即拓宽了色谱。(3)改进染色技术。例如利用新媒染剂取代传统媒染剂，Zheng等将稀土氯化物作为媒染剂用于天然染料染色苎麻织物，发现稀土金属可以作为一种环境友好型媒染剂[38]。采用超临界CO2技术、超声波技术、微胶囊技术等新型染色方法，这不仅可以使天然染料的上染率和染色牢度得到提高，还可使生产中减少污染物的排放、助剂的使用等[2]。除此之外，还可以采用前处理或后整理使天然染料的牢度加强[39]。(4)改进天然色素的染色工艺。染色前选择染料的品种,进一步完善天然染料染色工艺。除此之外，制定标准的试验方法和实验中使用的设备，并确定生产中的工艺参数、产品质量标准。(5)增加使用天然染料产品的附加值。研究天然染料的附加性能功能，应用在纺织产品上即可以增加产品附加值。天然染料发展潜力无限[22]。

4 结语

21世纪是一个飞速发展的时代，科技在不断创新，人们生活水平和消费水平迅速提高，人们对纺织品的要求不再仅仅局限在遮体、保暖等简单需求，对于纺织品的色泽美观、功能性高、无毒害等方面要求越来越高。在染色方面，天然染料不仅染出的纺织品颜色鲜艳、饱和、十分的自然，还可具有大量细腻的中间色，满足人们对于时尚的需求。在环保、安全方面，天然染料对环境无污染，可生物降解、安全不刺激等特点，使人们使用过程中安心。在功能多样化方面，天然染料的纺织品不仅可以具有抗紫外线的功能，还可以具有抗菌、消炎等医疗功效，满足人们对于功能的需求。天然染料具有广泛的应用前景，在发展过程中需要不断完善技术，提高研发水平，顺应市场需求，突破天然染料的发展瓶颈，完善天然染料制取和染色工艺，增加色彩种类，发挥天然染料功能上的优势。同时，采用天然染料开发具有多功能和高附加值的有色纺织品，具有广阔的发展前景。