黄方千，李强林，杨东洁，伏宏斌

(1.四川省纺织品生态染整高校重点实验室，四川成都611731;2.成都纺织高等专科学校，四川成都611731)

0 前言

胭脂虫红，又称胭脂红酸、洋红酸(图1)，是从寄生在仙人掌上的雌性胭脂虫体内提取的一种蒽醌类天然色素，呈粉红至紫红，其LD50＞21.5g/kgBW，无毒、无致癌致畸性，其安全性很高，它是美国唯一允许用于眼部的有机色素，也是唯一一种美国食品药物管理局允许既可用于食品又可用于药品和化妆品的天然色素，是保持经久不衰的颜料之一［1］，被视作最安全的天然色素而用于食品、化妆品、药品及纺织品等领域［2，3］。并且，胭脂虫红酸在成熟的雌性虫体内含量占干虫体质量的17%～24%，其年产量在200吨左右并以每年3% ～5%的速度增加［4］。目前世界上进行胭脂虫色素生产及技术研究的主要国家有西班牙、秘鲁、日本、韩国、德国、丹麦等，其中秘鲁系胭脂虫主产国。中国无胭脂虫的自然分布，自2000年开始引进了胭脂虫及其优良寄主印榕仙人掌并在云南省繁育成功［5］。因此胭脂虫色素的研究与应用在我国还有很大的潜力。

图1 胭脂虫红的分子结构式

本文综述了近十多年来采用超声波或微波辅助水提取法、树脂纯化法、膜分离法、蛋白酶预处理法等方法提取纯化胭脂虫红色素的工艺，及其在纺织品染色中的应用。

1 胭脂虫红的提取工艺

根据国内外胭脂虫的相关文献报道，结合其产地、养殖方法和含量等性质不同，提取工艺不同，胭脂红酸的收率也不同，一般采用的提取工艺流程如图2。

1.1 粗提取工艺

胭脂虫红色素可采用传统的水/乙醇浸泡、煮沸回流和索氏提取法，也可以采用超声波或微波辅助水/醇提取法，还可采用蛋白酶水解法除去具有致敏性的虫体蛋白等杂质，其处理工艺一般包括图2单点划线框内流程。

1.1.1 水提取法

在胭脂虫红的水提取的条件实验中，将正交试验［6］、响应面分析法和回归分析法［7］应用于实验设计中。

张弘小组［8］制备胭脂虫红提取液的方法是称取一定量的胭脂虫干体，先石油醚(4ml/1g色素)煮沸回流6h，再乙醇(4ml/1g色素)煮沸回流6h，最后用纯水(4ml/1g色素)提取4h，提取次数8次，用纱布过滤两次，合并滤液，减压浓缩至合并液体积的1/3，即得胭脂虫红色素粗提液。再对粗提取液进行预处理，预处理条件为:室温，pH≈4，静置24h后减压抽虑得滤液，可直接将滤液干燥的粗制胭脂虫红色素。

该小组［6］又利用正交试验研究了水溶法提取胭脂虫红色素的工艺，得出最佳工艺条件:料液比1:4(g:ml)，提取温度80℃，提取时间5h、提取次数6次，红色素提取率41.89%，其纯度达32.15%。

西北大学崔易［7］将响应面分析法(RSM)应用于胭脂虫红色素的索氏提取中，得出最佳提取条件:液料比1∶2(g:ml)，60%的乙醇提取剂，提取温度为40℃，提取时间32min，提取次数3次，提取率达30.62%。

1.1.2 超声波辅助水提取法

张弘小组［9］通过单因素试验和正交试验法研究了超声波辅助提取胭脂虫红色素的方法。其处理工艺:胭脂虫→除杂→石油醚除蜡→乙醇除醇溶物→超声波处理→水浴浸提→抽滤→色素提取液。结果表明，最佳工艺条件:超声波功率1400W，超声波处理时间12min，脉冲时间(10s，4s)，料液比1∶6(g∶ml)，提取次数5次，色素得率可达42.08%，其纯度达31.97%。

1.1.3 微波辅助水提取法

张弘小组［10］利用正交试验研究了微波萃取胭脂虫红色素的影响因素，确定了最佳提取工艺:微波功率560W，微波作用时间40s，料液比1∶4(g∶ml)，合适的萃取次数 10次，色素收率可达42.11%。

该小组［11］利用微波辅助水提取胭脂虫红色素，其处理工艺如下:胭脂虫→水浸泡→微波处理→水浴浸提→色素提取液。单因素试验最佳工艺:5g胭脂虫干样，先常温浸泡40min，液料比7∶1(g:ml)，微波功率700W，辐射60s后用75℃水浴浸提40min适宜于色素提取。在单因素试验的基础上，进行3因素3水平响应面分析试验，得到最优条件为5g胭脂虫干样，液料比7∶5(g:ml)，微波功率714W，辐射73s，提取12次，首次色素得率可达7.30%，色素总得率达到 29.95%，提取率为95.13%。

崔永珠小组等［12］利用蛋白酶辅助提取胭脂虫红。蛋白酶萃取工艺:将风干虫体原料10 g加入250 mL水中，萃取采用(a)酶法提取(1%酶w/w，pH=4，50℃，2h)、(b)酶-水法提取(1% 酶，pH=4，50℃，1h，再 pH=4，90℃，1h)和(c)水法提取(pH=4，90℃，2h)三种方法进行比较。结果发现，(b)酶-水法萃取染液的吸光度比(c)水法高28.47%，比(a)酶法高6.59%。这是由于在蛋白酶的作用下，胭脂虫体内的蛋白质水解成多肽，蛋白质的空间结构被破坏，减小萃取的阻力，致使胭脂虫酸红容易从胭脂虫体内溶出，且温度越高越有利于色素溶入萃取介质中。高效、专一的蛋白酶能缩短萃取时间达到良好的萃取效果。因此，采用(b)酶-水法达到最佳萃取效果。

2 胭脂虫红的精制

2.1 粗提取液预处理

图2 胭脂虫红的提取纯化工艺流程

为了除去胭脂虫色素粗提取液中含有的大分子虫体蛋白和类似污染物等，可以采取如图2的双点划线框内流程预处理工艺，调节色素粗提液的pH值，对其进行酸解，再静置后过滤可以除去大部分有机胶体、机械颗粒等杂质［8，13］。

为了进一步除去胭脂虫色素中的小分子虫体蛋白等杂质，可以利用酶解法消除杂蛋白，可采用超滤膜、纳滤、反渗透和电渗析纯化分离技术，也可利用大孔吸附树脂法富集、纯化胭脂虫红色素。

2.2 超滤膜分离精制胭脂虫酸

张弘小组［8］用膜分离技术处理胭脂虫色素提取液，用的Prep/scale超滤系统(Millipore公司生产)，其装置图见图3。操作方法:样品液经输液泵输入卷式膜分离组件，以切相流的方式通过超滤膜，分为透过液和截留液，在压力驱动下分别从膜分离柱外腔的透过口和循环口流出，如此反复循环，一直达到分离要求，超滤过程中压力可以通过改变泵的转速与调节循环口端的开闭度实现。该方法先调节色素粗提液的pH≈4，静置24h后滤去沉淀，所得液体用截留分子量为5000 Da的螺旋卷式再生纤维素超滤膜进行精制，可以截留73%虫体蛋白，提高胭脂虫红色素的纯度，胭脂虫红酸含量可达54%。

图3 Prep/scale超滤系统

2.3 大孔吸附树脂提取法

大孔吸附树脂是一种不溶于酸、碱和有机溶剂的有机高分子聚合物，大孔吸附树脂分离技术是20世纪60年代末发展起来的继离子交换树脂后的分离新技术。

天津科技大学吕晓玲等［14］研究了S-8大孔吸附树脂纯化胭脂虫红色素的工艺(表1)。以胭脂虫干体为原料，通过粉碎、蒸馏水热浸提、过滤、滤液经树脂吸附、蒸馏水冲柱、乙醇解吸、浓缩、冷冻干燥等得到胭脂虫红色素粉末。实验表明最佳粗提取工艺条件:料液比1∶60(g:ml)、提取温度85℃、浸提时间2h、提取次数2次。通过静态吸附和解吸实验确定最佳的纯化树脂为S-8大孔吸附树脂。通过解吸率研究确定了最佳纯化工艺条件:上柱浓度 0.75×15、流速2BV/h、pH=4;洗脱剂pH=2的60%的乙醇、洗脱流速2BV/h，得到色素粉末的色价为102，胭脂虫红酸的含量达到70.93%。

刘锡建等［15，16］研究了 D-101 大孔吸附树脂纯化胭脂虫红色素的吸附特性和纯化工艺(表1)。实验发现，D-101树脂对胭脂虫红色素的吸附速率快(120min达到平衡)，吸附量高(143.17mg/g树脂)，吸附过程为放热反应，低温有利于吸附。通过优化得到最佳工艺条件:调节提取液pH=3，上柱液体积为2BV，上柱流速为3BV/h，体积分数为75%的乙醇洗脱，洗脱液体积为3.5BV，洗脱速率为2BV/h，在此条件下，吸附量为42.15mg/g树脂，洗脱率高达98.24%，胭脂虫红产品纯度可达58.47%，能够满足一般食品工业的对胭脂虫红色素的纯度要求。

表1 不同树脂提取胭脂虫红色素

大孔吸附树脂的内部具有三维空间立体孔结构，具有物理化学稳定性高、比表面积大、吸附容量大、选择性好、吸附速度快、解吸条件温和、洗脱率高、树脂再生处理方便、使用周期长、宜于构成闭路循环、节省费用等诸多优点，适合工业化大规模生产等优点。

2.4 综合法提取纯化胭脂虫红色素

美国专利 US 20020058016 A1［17］和 US 20030003201 A1［18］发明了一种胭脂虫红色素提取纯化的多种处理工艺，主要包括:使用蛋白酶水解提取液中的蛋白质，然后选择树脂吸附，离子交换，酸处理和膜过滤等多种处理方法，其产品中几乎不含分子量不大于6000的蛋白质分子。其工艺流程如下:

胭脂虫→水提取→蛋白酶处理→过滤→树脂吸附→洗脱→陶瓷膜过滤→减压浓缩→色素。

该方法采用的膜分离法包括超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)纯化胭脂虫色素。可用超滤法去除分子量1万－100万的大分子，可选用的超滤膜有 Nitto Denko公司的 NTU-3150、NTU-3250、NTU-3550、NTU-3800，NGK Insulator和 Cefilt-UF;也可以用 Asahi Chemical公司的 AHP-2013、AHP-3013和AHP-1010等。可用纳滤和反渗透去除2k-8k的低分子量非色素成分，可选用的膜有 NittoDenko公司的 NTR-7250、NTR-7410、NTR-7430、NTR-7450、CF30-S和 Asahi Chemical公司的 AIP-3013、ACP-2013、AIP-2013、AIO-1010 以及相应截留分子量或型号的膜。经过上述方法精制的色素无致敏虫体蛋白，去除了胭脂虫色素提取物的特殊臭味，其水溶液在5℃下放置6个月无沉淀。

该专利采用的离子交换树脂包括阳离子交换树脂(如Mistsubishi Chemical公司的Diaion SK1B，Diaion SK102，Diaion SK116，Diaion PK208，Diaion WK10和Diaion WK20)和阴离子交换树脂(如Mistsubishi Chemical公 司 的 Diaion SA12，Diaion SA20，Diaion PA306，Diaion WA10 和 Diaion WA20)

专利的具体操作方法［17］:将35kg胭脂虫干粉中加入800L水，用柠檬酸调节pH值为6，于温度80～90℃搅拌提取20～30min;用60目金属筛过滤提取液，用柠檬酸调节液相pH=4，冷却到约50℃，在这一步中加入0.1%蛋白酶，并在该温度搅拌混合物3h;再用柠檬酸调节蛋白酶水解产物的pH=3，并与助滤剂和硅藻土相混合，通过滤纸过滤，得到约250L水解产物;将水解产物通过150L的Amberlite XAD-7树脂柱，用8倍体积的水洗涤树脂柱，用130L pH=7.5的50%乙醇-水溶液洗脱被吸附的色素，接着采用0.2μm的MF陶瓷膜滤器，在20×104Pa压力和温度20℃下过滤82L洗脱液，再用截留分子量6000的纳滤膜在30×104Pa和温度20℃下处理，得到80L滤液。减压浓缩滤液，得到20kg色素溶液，其色值E为200。在此色素溶液中加入32.4kg水、13kg乙醇和600g柠檬酸，得到66kg胭脂虫红色素溶液，其色值E为60。

3 胭脂虫红溶液的稳定性

为了保证胭脂虫红色素和其下游产品的品质，研究胭脂虫红色素在不同环境下的稳定性十分重要，便于产品的保存、运输和使用。我国学者［5，19，20］相继研究了光、热、pH 值、氧化剂、还原剂对胭脂虫红色素溶液稳定性的影响。

3.1 光稳定性

由表2可以看出，胭脂虫红色素对光照较为稳定，在室内暗处和散射光下3d后仍能保留90% 以上，在遮光和室内散射光下稳定;在室外阳光直射下3d衰减约20%，7d衰减50%，极不稳定;在白炽灯下，6h后损耗了6.73%，基本稳定，1d衰减约15%，3d衰减约40%。随光照时间延长，胭脂红酸溶液的色素衰减呈下降趋势，特别在日光直射下极不稳定。在胭脂虫的分析、测定及加工过程中，应避免日光直射或长时间白炽灯照射，并在6h内完成工作;在室内散射光及遮光条件下，胭脂虫及其产品的加工、分析测定可延长至3d，作为纺织品染料时，需研究加入稳定剂提高胭脂虫红染料的光稳定性。

表2 胭脂虫红色素溶液的光稳定性

3.2 热稳定性

由表3可以看出，在60℃以下，胭脂红酸色素几乎无衰减;60～80℃衰减幅度很小，在100℃回流8小时后衰减小于5%，说明胭脂虫红色素对温度较为稳定，在低温和高温环境下保存率与常温保存率差异不显著。

表3 不同稳定对胭脂虫红色素稳定性影响

3.3 pH值的影响

由表4可以看出，随着水溶液pH值的增高，最大吸光度的波长也相应增加，色素水溶液由橙红色转变为玫瑰红、紫红色。胭脂虫红色素在强酸环境下(pH＜4)，7d的衰减率达10%，稳定性差;当pH值为6时，保存率最高，最稳定;而在碱性环境下，随着pH值的增加，胭脂虫红色素保存率急剧下降，当pH值为11时，色素水溶液1d后由紫红色转变为黄色，极不稳定。说明胭脂虫红色素在碱性条件下稳定性变差，适合在酸性和中性范围内保存，最好pH=6～7保存。

表4 不同pH值对胭脂虫红色素稳定性的影响

3.4 氧化剂的影响

由表5可以看出，在添加过氧化氢5%浓度下1d后依然有很高的保存率。胭脂虫红色素的抗氧化性较高。

表5 H2O2氧化剂对胭脂虫红色素稳定性的影响

3.5 还原剂的影响

由表6可看出，向胭脂虫红色素水溶液中加入不同浓度的抗坏血酸或亚硫酸钠时，随着时间的延长，其吸光度均有下降;而亚硫酸钠的下降比抗坏血酸下降更显著。且低浓度的还原剂对胭脂红酸是相对稳定的，还原剂浓度越高，胭脂红酸溶液越不稳定。

表6 常见金属离子对胭脂虫红色素稳定性的影响

3.6 常见金属离子对胭脂虫红色素稳定性的影响

由表7可以看出，在胭脂虫红色素水溶液中加入不同金属离子，其吸光度均有变化，这可能是由于金属离子与胭脂红酸发生反应生成络合物，导致溶液吸光度的变化。Fe3+、Fe2+、Ca2+和Sn2+等离子在胭脂虫红色素水溶液中引起颜色变化、产生沉淀，致使红色素损失。Al3+和Mn2+可使胭脂虫红色素稍不稳定。而 Na+、K+、Mg2+、Zn2+、Cu2+等离子对红色素较为稳定，并有增色效应。因此，在胭脂虫红色素加工和储存、使用过程中应不与铁、锡等材料接触，尽量避免使用硬水来提取和配制胭脂虫红色素。

表7 常见金属离子对胭脂虫红色素稳定性的影响

(接上表)

4 胭脂虫红染料的加工利用及其在纺织品中的应用

胭脂虫红可用于固体粉末剂型着色时，宜先将其溶于小量浓氨液中，然后加至粉末中，经长时间研磨，以期获得分布均匀的最佳颜色用铝盐或锡盐媒染，可将蚕丝和羊毛染成鲜艳的红色。胭脂虫红也可与天然色素姜黄素、胭脂树橙、辣椒红、β-胡萝卜素等混合可调出一系列不同色调的产品［21］。

4.1 胭脂虫红染料的加工利用

日本稻波治等［22］制备了一种热稳定性极佳的胭脂虫红鲜红色制剂。该法将100g胭脂虫红粉(色值100)与10g～20g NH4HCO3或 (NH4)2CO3混合，即成稳定化色素。该色素能完全溶于95℃热水中，用柠檬酸调节pH=3.0后，在85℃加热10min，溶液仍为鲜艳的红色，而对照样此时转变为橙色。

发明专利2013102882238［23］公开了一种幻彩效果的胭脂虫红颜料制备工艺，该产品系基于多重涂覆片状基材的强干涉颜料。制备方法是以铝盐、胭脂虫红、透明片状基材为原料，在常温常压，连续搅拌，pH值维持在6.3－6.5的条件下反应，再通过过滤、洗涤、干燥，即得成品。该工艺简单，生产效率高，可获得色相丰富，色彩艳丽，具有幻彩闪光效果的珠光颜料，且无毒，可广泛应用于食品、化妆品、医药和织物染色等领域，扩展了胭脂虫红的应用范围。

4.2 胭脂虫红在纺织品中的应用

胭脂虫红可用于蚕丝、胶原膜、羊毛等纺织品染色，宜用铝盐等金属离子为媒染，可将染成鲜艳的红色。

大连工业大学崔永珠小组［12］研究了天然染料胭脂虫红色素对柞蚕丝织物进行染色工艺。通过实验得到了最佳的染色工艺:胭脂虫红质量浓度1.5g/L，染色温度80℃，染色时间40min，pH值为4，浴比 1∶40。

天津工业大学周岚等［24］通过对棉纤维阳离子化改性，有效地改善了胭脂虫红、胭脂树橙等天然染料在棉纤维上的染色性能，其优化的染色工艺为:染色温度60～70℃，染色时间50～60min，浴比1∶20;染色织物的耐洗色牢度达到4级，耐摩擦色牢度达到3级，且具有很好的紫外防护效果。

四川大学李国英小组［25］研究了天然染料胭脂虫红对胶原膜进行染色。结果表明，最佳染色工艺为:在胭脂虫红色素浓度0.15%、温度50℃及pH值为5的染浴液中反应60s。红外光谱分析表明胭脂虫红分子的引入增强了胶原氢键的作用。染色后胶原膜的热变性温度提高了10.5℃，起始分解温度升高了约90℃，耐热性得到了较大的改善。染色后胶原膜的吸水率和亲水性增加，机械强度均有所提高。

苏州大学柳艳等［26］从染液pH值、染色温度、染色时间、染料提升性等方面入手对胭脂虫红色素上染羊毛织物的性能进行研究，并对染色牢度和生态安全性进行测试。研究表明，最佳工艺条件为:染液pH值3～4，染色温度为80℃以上，染色时间为50～60min，胭脂虫红色素对羊毛织物具有较好的提升性;染色后的羊毛织物的金属离子含量和禁用偶氮染料含量达到生态纺织品的要求。

5 展望

随着人们对生态纺织品的关注增加，人类社会对天然染料的需求量将会越来越大，胭脂虫红及其制品作为一种安全健康的天然染料，其需求量也将随之增加。据估计，市场需求量将会以每年3% ～5%的速度增加，因此，胭脂虫红染料及其制品将有很广阔的发展前景。

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