靛藍染料發展現況

 

刊登日期:2020/7/5
  • 字級

張珮菁、林忠德、朱向元、黃偕倫、林雅琳/工研院材化所
 
靛藍染料為應用於牛仔褲之主要染料,以化學合成靛藍染料為大宗;隨著全球對於紡織品綠色原物料使用之需求,生質靛藍染料工業化生產的議題再度受到重視。生質靛藍染料來源為植物以及改質微生物,植物種植技術已趨成熟,然因土地面積致產能受限;微生物來源製程穩定,土地需求遠小於種植,具有大量工業化生產之發展性。目前全球陸續有新創公司投入生質靛藍染料之開發生產。本文將描述生質靛藍染料的國際發展現況,並針對微生物靛藍染料生產的優化策略進行探討。
 
【內文精選】
前言
靛藍染料(Indigo)為最古老的紡織品染料之一,在現代仍廣泛的使用於織物染色。1897年BASF在經過17年大量人力物力的投入開發、發表了利用化學合成法生產靛藍染料技術之後,便快速成為BASF最熱賣的商品之一;雖然曾經被Indanthrene(陰丹士林)取代,但在1960年代牛仔褲開始流行之後,再度成為BASF的主要商品之一。目前靛藍染料的年需求量為8萬噸,占所有紡織品染料總量的3%,95%的靛藍染料用於牛仔褲的染色。現今市場上靛藍染料99%為化學合成而來,靛藍染料本身無毒,但製程中使用的化學品以及產生之中間體具有對人體及環境產生危害之疑慮(圖一)。
 
圖一、化學合成靛藍染料反應式
圖一、化學合成靛藍染料反應式
 
生質靛藍染料(Bio-indigo)為透過生物合成(Synthetic Biology)方式所得到的靛藍染料,目前市面上以植物萃取而來,僅占1%全球總需求量。植物來源常受限於耕地面積、生長週期、氣候變化等因素,而影響其批次品質及產量,單價則會依照純度不同高於化學合成靛藍染料8~30倍,因此在紡織產業應用較受限。現況生質靛藍染料多應用於文創產業,透過高單價的特色產品,提高其價值。
 
微生物生產靛藍染料機制
有別於植物透過葉片中的前驅物Indican經過浸泡、氧化、絮凝的過程,以其自身的葡萄糖苷酶作用後得到產物(圖二);微生物透過氧化酵素,針對靛藍染料前驅物吲哚(Indole)以及色胺酸反應後,在菌株體內生成並累積靛藍染料(圖三)。此類氧化酵素被發現並分離出來之後,許多研究方向便著重在分離不同菌株種類的氧化酵素,藉此得到高效率的生產酵素。然而除了酵素活性影響生產效率之外,培養基的組成、前驅物的供應,也為主要的成本來源,因此如何使用低成本料源或甚至是廢棄物料源,搭配結合代謝工程讓菌株同步生產前驅物色胺酸減少額外添加量,皆為目前的技術開發方向。
 
圖三、微生物靛藍染料代謝路徑
圖三、微生物靛藍染料代謝路徑
 
微生物生產靛藍染料產業現況
Genecor公司透過結合氧化酵素以及自行生產前驅物之菌株,在2002年設計建構可生產靛藍染料的微生物,並透過與Levi’s合作生產了40萬碼牛仔布,然而最終Levi’s因微生物靛藍染料成本遠高於化學合成靛藍染料,決定短期內不會使用微生物靛藍染料進行生產。近年合成生物學(Synthetic Biology)、代謝工程(Metabolic Engineering)、基因編輯(Genome Editing)等技術迅速發展,生物精煉(Biorefinery)產品陸續進入市場,透過針對靛藍染料生產菌株進行更進一步的設計及改質,以及紡織產業對於綠色染料的需求,微生物生產靛藍染料再次受到關注。
 
利用菌株表現高效率合成靛藍染料仍為現在的主流研究方向,以日本、韓國、中國、美國為主。由於不同氧化酵素對於靛藍染料前驅物的轉化效率影響甚鉅,故多數研究機構以篩選新型菌株中之氧化酵素或針對特定氧化酵素進行序列改質為其開發標的(表一)。除了酵素本身活性,美國加州大學進一步將靛藍染料生物合成的中間體Indoxyl利用葡萄糖控制其穩定性,再透過葡萄糖苷酶取代一般靛藍染料染色需要使用強還原劑保險粉(連二亞硫酸鈉)的步驟,更進一步…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》403期,更多資料請見下方附檔。

分享