天然植物染料的真空冷凍乾燥提取法的製作方法
2023-08-10 02:58:31 2
專利名稱：天然植物染料的真空冷凍乾燥提取法的製作方法
技術領域：
本發明涉及由天然原料製備的天然來源的染料。其製備工藝中僅用水製成溶液，而後進行乾燥的方法提取粉末狀產品。
背景技術：
天然植物染料無毒，生態，色澤柔和、自然而有特色，而且它具有良好的環境相容性和藥物保健性能，有著廣闊的發展前景。從目前天然植物染料的染色工藝來看，大部分通過水或溶劑經過加熱萃取染料，而把染液直接用於紡織品的染色([1]賈吶，龔建培.常見植物染料黃色系的色素提取及染色，染整技術[J]，2006，第28卷(3)24-27；[2]中國發明專利公開號CN 1204667，一種毯類用天然植物正黃色素及其製備和使用方法)。此方法有如下缺點，①染料部分受熱分解，穩定性差②天然植物染料的升華特性受到破壞③易腐爛，不宜儲存④染色重現性難以掌握([3]餘靜，賈麗霞.天然染料應用的現狀與發展，新紡織[J]，2005(4)26-28)。就拿黃柏來說，天然植物黃柏因受地理環境、氣候、季節等條件的影響，其樹皮中所含小檗鹼的含量將有所不同，因而其色素含量也不同。植物染料色素含量的多少受上述因素影響非常大，這使得即使同一株植物因採摘時間不同植物中所含色素量也會不盡相同，用來染織物的重現性可想而知。再者，由於天然植物染料中有部分色素不穩定，在不同的實驗條件下進行重複性實驗時也有可能出現較明顯的色差，現實應用中基本上是每次都要重新萃取、過濾，而造成每次的色素含量不能量化，也就更是重現性難以實現了。
目前，缺乏成熟的提取天然植物染料的方法和質量穩定、性能優良的天然植物染料產品。
發明內容
針對現有技術存在的缺陷，本發明旨在提供一種有效、易行的提取天然植物染料的方法，且所得到的天然植物染料質量穩定、性能優良。
許多天然植物含有色素，可以利用其作為染料。本發明所述的天然植物染料從包括所有的含有染料的植物的葉、花、果實、莖、杆、枝、根、種子、皮等、天然植物部分組合或全枝中提取的染料。例如黃柏、榿子、五倍子、紅花、茜草、蘇木、紫草、靛藍等天然植物染料都是從這類植物的不同部位提取出來的。
本發明的技術方案是以水萃取含有天然植物染料的植物，所得的溶液進行冷凍、真空冷凍乾燥而得到粉末狀的天然植物染料。植物染料因其水溶性、穩定性、與植物結合的緊密度等因素的不同其提取工藝條件會有所差異。總的來說具體的提取方法和工藝條件為(1)萃取用水萃取，水與天然植物的重量比為1∶5～15；萃取溫度40～90℃；萃取時間20～60min；萃取次數1～3次，萃取液合併待用。
(2)預冷凍冷凍溫度-20～-50℃；冷凍時間1～5h。
(3)真空冷凍乾燥冷凍溫度-45～-55℃；真空度10～20Pa；時間15～25h。
經過上述方法操作，得到粉末狀的植物染料。
在實踐中，如下的提取工藝條件效果比較好(1)萃取水與天然植物的重量比為1∶9～11；萃取溫度55～75℃；萃取時間30～50min；萃取次數2次；(2)預冷凍冷凍溫度-35～-45℃；冷凍時間2～3h；(3)真空冷凍乾燥冷凍溫度-45～-50℃；真空度18～20Pa；時間18～20h。
預冷凍後提取物最好儘快地進行真空冷凍乾燥。
本發明將製得的天然植物染料進行了如下的測試和實驗，並得出結論I.粉末染料的溶解性將製得的天然植物染料進行在20℃，30℃，40℃，50℃，60℃等不同溫度條件下的溶解性試驗。其結果是所有測試染料都溶解於水，而且隨著溫度的升高，其溶解性越來越好。
II.染料的儲存性將同樣重量的用本發明所得天然植物染料和用傳統方法所得天然植物染料在同一條件下放置1個月，定期觀察其外觀變化。其結果是本發明所得天然植物染料沒有任何變化；而傳統法提取的染液，第五天就開始發黴且有異味，不利於儲存。
III.染色重現性在其它條件不變的前提下，調整染液濃度、染色溫度、處理時間以及浴比，對6塊重量相等、大小相同的棉針織布樣進行了染色重現性實驗，重現率可達到100％；而傳統法提取的染液染色，其重現性較差，重現率不足85％。
真空冷凍乾燥技術，屬升華乾燥，是將含水物料預先凍結，然後使之在真空狀態下升華的一種方法。經冷凍乾燥的物品，其原有的生物、化學特性基本不變，易於長期保存，加水後能恢復到凍幹前的形態，並且能保持原有的生化特性。利用此技術提取天然植物染料，可以解決傳統提取法遇到的諸多難以解決的問題。由於所提取的固態染料粉末易於量化使用，同時利於存儲，減少浪費，因此它能使天然染料的染色工藝更加規範化、簡便化，以此大大提高染色重現性。
與現有技術相比，本發明突出的特點是1.可以製得粉末狀產品，且不破壞天然植物染料的原有生化性；2.解決了現有技術提取的天然植物染液染色重現性差的難題，提高植物染料染色重現性；3，解決了現有技術提取的天然植物染液無法保存的難題，使得天然植物染料可以長期保存。本發明使用上述法提取的黃柏染料粉末對棉織物進行了相關的實驗，主要探討了染液濃度、上染溫度、處理時間，浴比等工藝參數對染色重現性的影響。實驗結果證明，該方法可大大提高植物染料的染色重現性。
以下用實施例對本發明作進一步的說明。
具體實施例方式
實例一黃柏植物染料的提取及染色1.黃柏植物染料的提取1.1把100克黃柏染材放入盛有1000ml蒸餾水的燒杯內，在70℃下萃取40分鐘後倒出染液，並重複萃取兩次。將上述液體收集混合併過濾兩次，濾液待用；1.2預冷凍把上述萃取染液置於DTY-1SL小型冷凍乾燥機(北京德天佑科技發展有限公司)的物料託盤上，然後把它放入-40℃的低溫冰箱中預凍3小時；1.3真空冷凍乾燥將預凍好的物料從低溫冰箱中取出，迅速裝上託盤架，放置好後，罩上有機玻璃罩，並連接真空態冷阱內部開始凍幹工作。此時真空度為20Pa，冷阱溫度為-45℃，經過20小時得到3克染料粉末。
2黃柏染料的溶解性和儲存性2.1粉末染料的溶解性經過對20℃，30℃，40℃，50℃，60℃等不同溫度進行其溶解性試驗結果，所有測試染料都溶解於水，而且隨著溫度的升高，其溶解性越來越好。表明通過真空冷凍乾燥法提取的粉末染料其原有生化特性沒有改變，絲毫不影響染料的染色工藝。
2.2染料的儲存性把上述提取的2g粉末狀黃柏染料和傳統法萃取的50mL染液分別放入100mL燒杯內，並放置1個月，定期觀察其外觀變化。
表1不同法提取的染料儲存性比較
從表1可看出，通過真空冷凍乾燥法提取的染料隨放置時間的增加，沒有帶來任何變化；而傳統法提取的染液，第五天就開始發黴且有異味，不利於儲存。
3粉末狀黃柏染料的染色與傳統萃取法染色工藝效果的對比3.1配製染液稱取不同質量的黃柏染料粉末分別加入等量蒸餾水中，配製成不同濃度的待用染液。
3.2染色工藝3.2.1粉末提取法染色重現性工藝稱取3g粉末狀黃柏染料→配製不同濃度的染液→把6塊相同布樣分別放入上述染液→染色→水洗→烘乾→測ΔE值，
染色條件50～80℃×20～30min，水洗條件30～50℃×5～10min，烘乾條件80～110℃×3～5min，3.2.2傳統萃取法染色重現性工藝稱取500g黃柏中藥材→加水加熱萃取→配製不同濃度的染液→把6塊相同布樣放入上述染液→染色→水洗→烘乾→測ΔE值染色、水洗、烘乾條件同3.2.1工藝4染液濃度、染色溫度、處理時間以及浴比對重現性的影響4.1上染率評價天然植物染料不同於合成染料，它由多種成分組成，直接關係到每個布樣的明度，純度以及色光。為了更科學地檢測該方法染色後的重現性，我們從染色後布樣顏色的色光、色相及明度等指標考慮，本實驗採用符合CIE1976標準的D65光源的全自動色差計，利用GSB A67002-86陶瓷標準白板作為白度、色度測量用的定標標準，以未經染色處理的實驗用空白布樣作為參比試樣，對染色布樣的ΔE值進行了對比測試。ΔE值代表色差大小(均是染色試樣與空白樣相比較)4.2染色重現性評價在其它條件不變的前提下，調整染液濃度、染色溫度、處理時間以及浴比，對6塊重量相等(0.8g)、大小相同(4cm×4cm)的棉針織布樣進行了染色重現性實驗。染色重現性由重現率評價，計算方法如下重現率＝達到目標值的樣品個數/樣品總數×100％目標樣品試樣色差值ΔE分布密度集中(ΔE±0.5)的樣品5染色工藝對重現性的影響5.1粉末提取法表2染液濃度與染色重現效果(色差值ΔE)
表3染色溫度與染色重現效果(色差值ΔE)
表4處理時間與重現效果(色差值ΔE)
表5染色浴比與重現效果(色差值ΔE)
綜合上述數據和實驗結果，利用粉末提取技術製備天然染料，由於易於稱重，操作規範，且穩定性好，因此，可大大提高染色重現性，其最大色差值波動範圍不超過±0.5，重現率可達到100％。
5.2傳統萃取法表6染液濃度與染色重現效果(色差值ΔE)
表7染色溫度與染色重現效果(色差值ΔE)
表8處理時間與重現效果(色差值ΔE)
表9染色浴比與重現效果(色差值ΔE)
上述實驗結果證明，利用傳統萃取染液染色，其重現性較差，重現率不足85％。
實例二蘇木植物染料的提取按照實例1的方法，對蘇木植物染料進行了提取100g蘇木加550g水，60～80℃萃取50min，共3次，濾液合併；-25～-30℃預冷5h；-45～-50℃，18～20Pa下進行25h真空冷凍乾燥，得3g粉末蘇木染料。
染色重現性的實驗。實際結果表明，經蘇木粉末染料染色的織物染色重現性高達100％，而經傳統法染色的織物染色重現性不足85％。
實例三五倍子植物染料的提取按照實例1的方法，對五倍子植物染料進行了提取100g五倍子加1350g水，65～70℃萃取50min，共2次，濾液合併；-35～-45℃預冷4h；-50～-55℃，18～20Pa下進行20h真空冷凍乾燥，得3.5g粉末五倍子染料。
進行了染色重現性的實驗。實際結果表明，經五倍子粉末染料染色的織物染色重現性高達100％，而經傳統法染色的織物染色重現性不足85％。
實例四茜草植物染料的提取按照實例1的方法，對茜草植物染料進行了提取100g茜草加1050g水，65～70℃萃取50min，共2次，濾液合併；-42～-45℃預冷5h；-50℃，18～20Pa下進行24h真空冷凍乾燥，得3.0g粉末茜草染料。
染色重現性的實驗。實際結果表明，經茜草粉末染料染色的織物染色重現性高達100％，而經傳統法染色的織物染色重現性不足85％。
實例五紅花植物染料的提取按照實例1的方法，對紅花植物染料進行提取100g紅花加950g水，55～57℃萃取50min，共2次，濾液合併；-35～-40℃預冷3h；-47～-50℃，18～20Pa下進行24h真空冷凍乾燥，得3.0g粉末紅花染料。
染色重現性的實驗。實際結果表明，經紅花粉末染料染色的織物染色重現性高達100％，而經傳統法染色的織物染色重現性不足85％。
權利要求
1.天然植物染料的提取方法，其特徵在於含有染料的植物經水萃取、真空冷凍乾燥的方法獲取粉末狀天然植物染料；其工藝方法為(1)萃取用水萃取，水與天然植物的重量比為1∶5～15；萃取溫度40～90℃；萃取時間20～60min；萃取次數1～3次，萃取液合併待用；(2)預冷凍冷凍溫度-20～-50℃；冷凍時間1～5h；(3)真空冷凍乾燥冷凍溫度-45～-55℃；真空度10～20Pa；時間15～25h。
2.根據權利要求1所述的天然植物染料的提取方法，其特徵在於所述的工藝方法為(1)萃取水與天然植物的重量比為1∶9～11；萃取溫度55～75℃；萃取時間30～50min；萃取次數2次；(2)預冷凍冷凍溫度-35～-45℃；冷凍時間2～3h；(3)真空冷凍乾燥冷凍溫度-45～-50℃；真空度18～20Pa；時間18～20h。
3.根據權利要求1或2所述的天然植物染料的提取方法，其特徵在於所述萃取步驟中萃取液是在萃取完畢用過濾法將濾渣除去而得。
4.根據權利要求1或2所述的天然植物染料的提取方法，其特徵在於所述預冷凍結束立即進行真空冷凍乾燥。
全文摘要
一種天然植物染料的提取方法，是用含有染料的植物經水萃取、真空冷凍乾燥的方法獲取粉末狀天然植物染料；其工藝方法為(1)萃取水與植物重量比為1∶5～15；萃取溫度40～90℃；萃取時間20～60min；萃取次數1～3次，萃取液合併。(2)預冷凍溫度－20～－50℃；時間1～5h。(3)真空冷凍乾燥溫度－45～－55℃；真空度10～20Pa；時間15～25h。本發明突出的特點是1.製得粉末狀產品，且不破壞天然植物染料的原有生化性；2.解決了現有技術提取的天然植物染液染色重現性差的難題，提高植物染料染色重現性；3.解決了天然植物染液無法保存的難題，天然植物染料可以長期保存。
文檔編號C09B61/00GK101037543SQ200710011118
公開日2007年9月19日 申請日期2007年4月26日 優先權日2007年4月26日
發明者崔永珠 申請人:大連輕工業學院