張珮菁、蔡宜霖、林雅琳 / 工研院材化所
紡織產業與其特用化學品相依相存，部分因對環境污染飽受爭議，歐盟陸續採取了許多控管方式，使紡織製程朝向永續、環保、零危害的方向發展。面對紡織業被認為是世界上污染最嚴重行業的問題，積極處理已是全球共識。綠色科技與製程演進，許多以前無法替代的高風險具危害化學品陸續出現替代品；纖維與染料皆為綠色紡織品之開發起點與關鍵環節，更是紡織產業上游的重要原料。
【內文精選】
色素發展及概要
天然色素是指從植物、動物、微生物等自然資源所萃取的有色化學品，主要是透過動植物本身的代謝機制所產生。鮮豔的色彩在大自然中處處可見，從動植物鮮豔的外表、章魚及烏賊等頭足類動物所噴吐的墨水、人類的膚色、髮色等都是來自於天然色素。與化學合成色素相比，天然色素製程相對環保安全，且使用可再生原料、低碳排、零廢水排放、生物相容性高；除此之外，天然色素有抗癌、抗氧化、抗發炎等生物活性，讓其應用領域更為寬廣。
1. 類黃酮
類黃酮(Flavonoid)屬植物次生代謝產物，普遍存在於蔬菜、水果、堅果、種子中，賦予植物繽紛多彩的顏色。如存在薑黃根莖中的黃色薑黃素(Curcumin)、桑椹與藍莓中的紅色花青素(Cyanidin3-O-glucoside)、十字花科蔬菜中的黃色槲皮素(Quercetin)等都是類黃酮素的代表。類黃酮屬多酚(Polyphenol)化合物，其主要化學結構為基本的15碳核心（圖一），由兩個苯環透過一個線性或環狀三碳結構連結而成，透過不同的官能基連結組成可改變其顏色及化學特性。大自然中已發現超過6,000種不同的類黃酮素，其色系多元豐富，從紅到藍都有。除了鮮豔顏色外表以外，類黃酮化合物也具有多種生物活性特質，包括抗紫外線、分子信號傳導、生長素運輸、逆境反應等。
圖一 、類黃酮之結構及生產路徑
3. 生物鹼
生物鹼(Alkaloid)為胺基酸或嘌呤(Purine)所衍生的含氮特化品，其中又以吲哚類(Indole)特化品為生物鹼中最大的一類，最廣為人知的色素則為色桿菌(Chromobacterium)的紫色桿菌素(Violacein)及木蘭類植物(Magnoliids)的靛藍(Indigo)(圖三)。除了廣泛染色應用以外，吲哚色素同時也是酯解酶(Esterase)的抑制物，具有抗癌、抗腫瘤、抗病毒、抗糖尿病等醫藥相關特性。其主要原料為色胺酸(Tryptophan)，屬宿主原生的胺基酸之一。靛藍生產路徑為先透過色胺酸酶(Tryptophanse)將色胺酸轉換為吲哚，並由加氧酶(Oxygenase)將吲哚轉換為靛藍。紫色桿菌素則是先由氧化酶(Oxidase)將色胺酸氧化成IPA Imine後再經由一系列的酵素氧化反應所形成。
圖三、紫色桿菌素和靛藍之結構及生產路徑
微生物色素合成技術回顧
儘管已在自然界中找到多種天然色素，但以動植物所萃取為主要色素來源並無法以工業規模量產，因而限制了它們的應用潛力。其主要原因為動植物的生長週期較長、產出受地域、氣候等不可預測的因子所限，產量低和產出色素品質不穩定導致價格波動。近年來隨著分子生物及基因編輯技術持續創新、DNA定序與合成價格降低，合成生物學(Synthetic Biology)逐漸成為未來工業化主流方向之一。合成生物學的核心理念為透過生物工程的應用，在生物系統上使用精準設計來製造更實用的產品，其應用領域廣泛，包括了醫藥、農業、食品、能源、材料等，其中也包含了如色素的特化品。
微生物生產天然色素的技術挑戰及契機
儘管微生物生產天然色素在商業化取得了初期的成果，但仍有許多障礙需要克服才能廣泛推廣這項技術，其主要挑戰之一為工業級生產之天然色素缺乏顏色多樣性。上面所介紹的8家新創公司中就有3家公司選擇生產靛藍相關之色系。缺乏顏色多樣性主要可歸因於：①未知的天然色素合成途徑；②色素生產途徑、菌株、醱酵參數優化之複雜性；③有些天然色素的化學性質不適用於醱酵生產。
高效率色素生產微生物並不只是將天然色素合成路徑從其原生物種轉移到另一種生物體中。在大自然中，天然色素通常除染色之外，具有如抗UV、氧化等其他生物活性，其對應的合成路徑及所用的酵素並未以色素高產量為自然演化篩選目標。酵素可用人工的方式，如蛋白質工程技術，來提升酵素活性、穩定性、特異性、基質結合等特性，以提升色素產量。僅僅優化色素合成路徑往往是不夠的，色素合成並不是一個獨立的路徑，而是與微生物宿主的原生代謝機制有緊密的連結---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》432期，更多資料請見下方附檔。