合成染料的使用對於環境及人體影響日益受到關注及規範，無毒及可生物分解之染料市場需求將會增加。利用微生物進行生物合成(Biosynthesis)已成為目前開發生質化學品的一大趨勢，其中DuPont公司生產1,3-PDO、BASF及BioAmber等公司生產Succinic Acid、Cargill公司開發生質3-Hydroxypropionic Acid的醱酵與應用，都顯示全球利用微生物生產生質化學品的生產與研發能力已具備工業化水準。
天然染料之現況
天然染料現今多應用於食品工業，全球天然食品色素市場為6億美元，複合年均增長率(CAGR)約為7%。其中蝦紅素、胡蘿蔔素、焦糖色素以及類花色素苷類、葉綠素占最大宗。主要萃取來源為紅蘿蔔、甜菜、甜椒、甘藍、紅花、胭脂樹、微藻等。2016全球特用化學品年鑑中指出，紡織工業全球染料市場規模約90億美元。然而天然染料目前於紡織業中的使用量僅占全球合成染料總量的1%，其中多數為植物來源，萃取自植物的根、莖、葉、花及果實，包括梔子花、紅花、大青葉、茶葉、紫草根、薑黃等。
微生物染料之發展現況
微生物染料之中被廣泛利用並大量生產之染料主要應用端為食品工業，包括紅麴色素、核黃素、蝦紅素、β-胡蘿蔔素及藻藍蛋白(Phycocyanin)，其中以蝦紅素為最。紅麴菌(Monascus purpureus)所生產之紅麴色素Monascorubrin使用於食品添加的歷史已超過千年以上。胡蘿蔔素與蝦紅素全球市場總值約為5億美元，其中胡蘿蔔素只有2%是天然來源，為維生素A之前驅物，被用來當作食品中的營養源及顏色添加。蝦紅素用於飼料添加，用以增進鮭魚及蛋黃色澤
以及食品添加劑等用途，也是目前唯二利用微生物商業化生產的類胡蘿蔔素類。β-胡蘿蔔素生產微生物為微藻類的杜式藻屬(Dunaliella)，生產蝦紅素為微藻類紅球藻屬(Haematococcus)。生產核黃素為真菌Ashbyagossypii。藻藍蛋白為食品及化妝品色素，主要生產微生物為藍綠藻(Arthrospira(Spirulina) platensis)（表二）。
表二、商業化微生物染料生產公司列表
轉殖微生物生產微生物染料
現階段研發方向仍著重在市場較大之食品工業方向，包括DSM及DuPont公司生產β-胡蘿蔔、Amicogene公司利用大腸桿菌生產Lycopene等。其他應用染料包括各式天然染料，如靛藍(Indigo)、呈現紅色並同時具有多種生物活性之靈菌紅素(Prodigiosin)、黑色素(Melanin)、紫色桿菌素(Violacein)等（表三）。轉殖微生物伴隨著基因工程之進步，及在許多領域的成果累積，促使二次代謝產物於轉殖微生物中工業化生產之進展，其中包括更多生產天然染料的物種基因體定序完成、新世代基因體修飾技術(CRISPR-Cas9)的普及化、各物種間蛋白質酵素資料庫的更新擴充、醱酵策略開發等。藉由穩定性更高的基因體修飾，不同物種間同功能更高活性的酵素篩選、憑藉更完整的代謝合成路徑移除不必要的料源消耗，並降低有害中間物質生成，進而提高生產效率及產量，以促進更多天然染料被應用於各式領域。
微生物染料之未來趨勢
工研院團隊從不同微生物以及轉殖大腸桿菌作為微生物染料之來源，透過基因工程、酵素篩選、醱酵策略並規劃利用低成本營養源、對環境友善之萃取技術以生產多色系天然染料。目前所產出之紅色與綠色天然染料於纖維複布之染色結果顯示，紅色染料對於丙烯酸、尼龍、羊毛；綠色染料對於尼龍、棉及羊毛之效果較佳（圖三），未來除了染料生產之外，再結合…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖三、兩種微生物染料(a)紅色；(b)綠色之纖維複布染色測試（材質左而右依序為羊毛、丙烯酸、聚酯、尼龍、棉）
作者：林忠德 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」368期，更多資料請見下方附檔。