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本文介绍了天然染料的分类、结构和颜色特征，分析了国内外天然染料的染色方法和保健功能，指出了天然染料染色目前存在的问题和解决思路。
关键词：天然染料；纺织品；染色
Abstract： In this article， the classification， structure and color characteristics of the natural dyes were introduced； the dyeing methods and health functions of natural dyes at home and abroad were analyzed； the problems and solutions for natural dyeing now were also described.
Keywords： natural dye， textile； dyeing
进入21世纪，科技的发展更加注重环保和生态的平衡，人们对地球家园倍加保护珍惜。随着人们生活水平的提高，对纺织品的质量要求也越来越高，“回归大自然”的呼声日益强烈，对衣着追求舒适、自然和保健，因此提高纺织品的附加值，使产品多样化、功能化和高档化是纺织品加工的发展方向。
天然染料染色不仅具有染色的装饰功能，还有医疗效果，也不会造成环境的污染，这种产品对于现代人而言，具有不可抵御的魅力。既满足了环保、生态的生产需求，又符合健康、功能化的服用要求，迎合了现代人回归大自然、保健强身的消费心理。天然染色是一种优化地球环境、自然、人和肌肤的染整加工技术，符合迈向21世纪的时代潮流，在谋求人和自然和谐的同时，以健康的身体享受舒适、安全的生活，将会延续到子孙万代。
1 天然染料的分类及结构
根据英国染料和染色家协会给出的定义，“天然染料”是指从植物、动物或矿产资源中获得的、很少或没有经过化学加工的染料[1]。天然染料有很多种分类方法， 可以按来源、化学结构、俗名等进行分类[2-5]。
（1）按来源分类
天然染料根据来源可分为植物染料、动物染料和矿物染料，其中植物染料是最主要的天然染料。植物染料是从植物的根、茎、叶或果实中提取得到的染料，如茜草、苏木、靛蓝、红花、黄栀子、茶等；动物染料数目较少，主要有虫（紫）胶、胭脂红虫等； 矿物染料是各种无机金属盐和金属氧化物，且一般不溶于水，通常被当颜料使用，只有少部分作为染料使用，经过混拼后可得20多个色谱。
（2）按应用分类
天然染料根据应用分类可分为直接型如红花、槐花、荩草、栀子等，这类天然染料水溶性很好，染料能够直接吸附在纤维上，不用借助媒染。在目前已知的天然染料中，大多数天然染料对纤维是没有亲和力或直接性的，但具有络合配位结构基团，可以通过媒染来提高染色效果，媒染型的天然染料如茜草、苏木等；也有一些为数不多的天然染料属于还原、酸性、阳离子、分散染料，还原型如蓼蓝、菘蓝、马蓝等；酸性类如藏红花等；阳离子型如黄柏、黄连等；分散型如指甲花等；到现在为止还未发现有硫化染料、偶氮染料和活性染料。
（3）按化学结构分类
按化学结构分类可分为吲哚类： 靛蓝、菘蓝、泰尔红紫等；蒽醌类： 茜草、胭脂红、胭脂虫粉等；α- 萘醌类： 指甲花、胡桃、紫草等；黄酮类： 黄木犀草、杨梅、黄芩、槐花等；双酮类： 姜黄等；查尔酮类： 红花等；二氢吡喃类： 苏木、巴西木；类胡萝卜素类： 藏红花、胭脂树橙等；异喹啉类： 黄柏、黄连等；花色素类： 凤仙花、杜若等；叶绿素类： 山蓝叶等；多元酚类（ 鞣酸） ： 五倍子、茶叶、胡桃、栗等。
2 天然染料的颜色特征
天然染料主要有六大色系分别为[6-7]：
（1）蓝色系
蓝色系植物染料有蓼蓝、菘蓝、木蓝、马蓝等，它们的色素主要集中在植物的叶子上，我们可从中提取靛蓝素来进行染色，属于靛系还原染料。
（2）红色系
红色系植物染料有茜草、红花、苏木、樱花、洋葱、苹果花等，茜草属植物攀缘草木，根紫红色或橙红色，茜草根内含大量茜素，以及大黄素甲醚、茜黄素，茜草酸等。红花又名红蓝草，汉时引种于西域是红色植物染料中色光最鲜艳的一种，红花染色在民间应用极广，红花中除含有红色素外，还含有黄色素，其他植物也有类似情况。
（3）黄色系
黄色系植物有大黄、黄檗、姜黄、郁金、荩草、栀子、黄柏、槐花、黄栌、桑树银杏、等，大黄素是传统中草药大黄的有效成分；姜黄含黄色素并集中在姜黄的根茎中，能直接染色或用金属盐媒染染得各种黄色。古代多用郁金染妇女服装，微有郁金的香味，色素主要集中在茎秆中。荩草是一年生草本植物（荩草高30cm～40cm）茎秆细弱，直接染色可染得黄色，用铜盐媒染可染得绿色。
（4）紫色系
紫色系植物有紫草、紫檀（青龙木）、野苑、落葵等，紫草是多年生草本植物，八九月茎叶枯萎时采掘，紫草根断面呈紫红色，含乙酰紫草素。紫草素和茜素相似，不加媒染剂染色丝，麻纤维均不会着色，加椿木灰、明矾媒染可染得紫红色。
（5）茶色和棕色系
茶色和棕色系植物染料有茶叶、荷叶、桑木、益母草、杨梅、柳、紫苏、艾、栗子果皮、黑豆、侧柏、栗子果皮、石榴、胡桃、莲子果皮、荞麦、乌梅等，这两种色系植物来源比较丰富，色素主要集中于果皮或者树皮的部位。
（6）黑色和灰色系
黑色和灰色系有苏木、五倍子、皂斗、乌柏、栎树、槲树、菱、盐肤木、柯树、槲若、漆大姑、野葛、化香树、菰等，它们主要是通过媒染获得相应的灰黑色。
3 天然染料的提取
（1）溶剂提取法
植物染料的色素大部分可溶于水，它们存在于植物的根、茎中，所以对植物染料一般可直接用水萃取，也可用某些有机溶剂如乙醇、甲醇、丙酮、烷烃或烯烃、苯及油脂等[8-9]被广泛使用的有机溶剂外，还可以采用碱性水溶液，利于从植物中提取到更多的有色成分[10] 。
具体提取方法有浸渍法、渗漉法、煎煮法、回流提取和连续回流提取法等。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[11]。
（2）水蒸气蒸馏法
此方法适用于能随水蒸气一起蒸馏出来，而不会改变分子结构的植物色素成分的提取；这些化合物不溶于水或微溶，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气带出。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[11]。
（3）微波预处理法
将碾碎后的植物染料加细胞破壁助剂搅拌均匀软化一定时间，把其铺成10 mm厚的薄层，放进微波炉中辐射一定时间后取出，再加乙醇萃取一定时间，抽滤后，收集滤液。与传统浸取相比，微波破细胞提取具有很大的优越性，主要表现在节省提取时间、提取率较传统的提取方法高；但微波破细胞的机理和动力学尚需进一步研究[12]。
（4） 超声波法
将染材与水于超声波发生器中进行处理，冷却后滤去残渣，滤液浓缩干燥，制成染料。利用超声波萃取的染料颗粒要比常规方法制备染料小得多。因此，其渗透能力增强，与纤维结合牢固。并且其日晒牢度、皂洗牢度和浸渍牢度都有明显提高[13]。
（5）酶处理法
张磊[14]等利用纤维素酶酶解黄檗中的纤维素，降低色素从细胞中被萃取出来的阻力，提高黄檗染料的提取率，加快提取速率，研究后发现与传统水浸法相比，生物酶法提取率高，染料萃取率可提高21 %～23 %，具有高效、节能、减排特点。在纤维素酶提取的过程中，纤维素酶没有破坏色素，不影响产物，只是单纯作用于纤维素，加快植物内部色素的萃取速度，发挥生物酶的专一催化作用，且染样色牢度有所提高，但效果不明显[15]。崔永珠等[16]为提高紫草天然染料的提取率，利用纤维素酶和木聚糖酶的复合酶对紫草进行了染料提取，结果表明，利用复合酶法可以达到较高的紫草色素的提取率，而且具有高效节能的特点。
（6）超临界CO2萃取
超临界CO2有极高的溶解性能，提取可以在室温或低温下进行，萃取分离和除溶剂等多个过程合为一体，简化了流程，提高了效率，且提取后无溶剂残留，克服了溶剂提取中残留对染色效果产生影响的缺点，同时也减少了溶剂的使用和起到了无残留污染环保节能的效果[17]，在萃取过程中保留了天然色素中的有效成分。此法特别适于萃取挥发性、热敏性或脂溶性色素，如辣椒红素、胡萝卜素、胭脂树橙、叶黄素和番茄红素[18]。日本从1984年起开始使用超临界技术，用于食品香料、化妆品、医药品、香烟用原料的萃取精制，我国虽然在超临界的应用上起步较晚，但是业已取得了良好的成果，国内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[11]。
4 天然染料的染色方法
天然植物染料的染色方法包括直接染色法、还原染色法、媒染法、阳离子改性染色法等[19-22]。
（1） 直接染色法
部分植物染料的色素对水的溶解度好，染液可直接吸附到纤维上，如栀子、姜黄等可采用直接染色法。
（2） 媒染法
某些植物染料天然色素对水的溶解度颇好，染液成分虽然能直接吸附到纤维上，但为提高染色牢度和增加色谱，要求采用媒染法进行染色。媒染的过程一般分为先染色再媒染、先媒染再染色、同时染色媒染或先媒染再染色再媒染等方法。其中先媒染后染色再媒染的方法采用不同媒染剂分别先后处理织物，可获得比先媒染法或后媒染法均好的染色效果。
（3） 还原染色法
植物中已存在天然色素化合物，在染色过程中最终形成不溶于水的色素，如蓝草。此种方法染色前首先对原染料进行还原，浸染织物再采用空气氧化，使其氧化显色，重新成为不溶于水的还原染料，固着在织物上。
（4）阳离子改性染色法
阳离子改性法一般是在碱性条件下对织物进行改性，主要是给织物接枝阳离子基团使其表面带上正电荷，从而使更多的染料可以吸附上去，提高染料上染率从而加深色泽。
（5） 其他染色法
利用植物染料中的天然色素对酸、碱性溶剂的溶解度不同，对纤维进行处理，使之在纤维上固着染色，如红花、郁金等。除此之外还有超声波染色和微波染色法等。染色时可以用染色残液对织物反复染色来减少染料的浪费，或者收集残液通过一系列分析手段计算残液中染料的含量，再按需要补充染料进行续色，此法节约成本，减排环保。
5 染色织物保健功能
天然染料染出的织物色泽纯朴、自然，并具有自然的香气，而且部分植物染料本身就是中草药，可赋予所染织物保健功能。
5.1 天然染料染色织物的抗菌性能
中草药染色织物普遍具有抗菌性能。全绍华[23]等人在对天然植物染料姜黄、大黄、黄连及黄芩的抗菌性能进行了测试后指出天然染料在染色的同时，赋予织物较强的抗菌性，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、肺炎杆菌、绿脓杆菌均有一定的抑菌效果；且不影响织物手感与服用性能，使用安全，染色整理同时完成，有利于降低成本、节约能源和减少环境污染；Rajni[24]等用儿茶、紫胶、没食子和茜草染织物后，对织物进行了常见病菌的抗菌性试验，如大肠杆菌、枯草杆菌、克雷伯氏肺炎菌、变形杆菌和绿脓杆菌等，结果表明，天然染料没食子的抗菌效果最好，对试验所选全部菌种都具有较好的抗菌性；儿茶可以有效地抑制除绿脓杆菌以外的所有菌种；茜草可以有效地抑制克雷伯氏肺炎菌；紫胶对所选菌种没有抑菌性。显然，抗菌性与染料的结构（特别是染料结构中某些功能性基团）密切相关。
5.2 天然染料染色织物的抗紫外性能
中草药染色织物普遍具有抗紫外线性能，冯新星[25-26]等人发现大黄和紫草具有很好的抗紫外性能，用它们染色后的织物对紫外线的吸收达到了80%，这样的防紫外性能与苯甲酮相当。紫草染料的主要成分是紫草素，由含有两个酚羟基的α-萘醌及其配糖体组成，紫草的这种特殊结构使染色后的织物具有良好的紫外吸收功能；韩国Catholic大学的Kim Sinhee教授和中国的Wang Lu等研究了绿茶和槐花的提取色素对棉、丝绸的染色性和抗紫外线性，发现染后织物有较好的上染率和抗紫外线性。
6 展望
随着人们环保意识的增强，大家对健康环保的呼声越来越强烈，特别是欧盟对部分合成染料的禁用，使得近年来有关天然染料的研究报道逐年增多，但是真正能用于生产工业制备的天然染料品种却极为有限，究其原因主要是天然染料原材料供应的不确定性造成了染色效果的不确定性，从而没法达成一个标准，同时天然染料的色素稳定性不高、上染的色泽不深、染色牢度不好等缺点都影响了天然染料的工业性推广。
因此要提高天然染料的染色性能，可以从开发新的色素，改善提取方法，利用生物技术培育色素植物，对植物进行改性处理，开发天然染料等同体，通过分子化学改性提高天然色素的稳定性和色牢度等方面来着手研究[27]。
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（作者单位：南通大学纺织服装学院）
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