Микробные пигменты и биокрасители

Микроорганизмы производят широкий набор окрашенных соединений: каротиноиды, красные продигинины Serratia, виолацеин, грибные азафилоны Monascus, меланины, синий индигоидин. Получение их ферментацией хорошо показано. Превращение их в текстильные красители — отдельная задача, и именно в ней лежит трудность области.

Почему молекула окрашена

Цвет создаёт хромофор — система чередующихся одинарных и двойных связей, чьи делокализованные электроны возбуждаются видимым светом. Чем длиннее сопряжённая система, тем меньше нужная энергия и тем длиннее поглощаемая волна, — поэтому короткое сопряжение даёт жёлтые тона, а протяжённое красные и синие. Ауксохромы, заместители вроде амино- или гидроксигруппы, сдвигают поглощение дальше и часто дают ту химию, которой краситель к чему-либо крепится.

Этим вопрос цвета и исчерпывается, и микробные пигменты отвечают на него хорошо.

Краситель и пигмент — не синонимы

Пигмент нерастворим и лежит на поверхности, удерживаемый связующим. Краситель растворяется, проникает в волокно и остаётся там после стирки. Это «остаётся» называется субстантивностью и является свойством взаимодействия красителя с волокном, а не свойством красителя самого по себе.

Разные волокна требуют разной химии. Целлюлоза — хлопок, вискоза — богата гидроксилами и в воде слабо анионна; её красят анионными прямыми красителями, связывающимися водородными связями и ван-дер-ваальсовыми силами, либо, ради настоящей устойчивости к стирке, активными красителями, образующими ковалентную связь с гидроксилом волокна. Шерсть и шёлк являются белками с ионизируемыми группами и принимают кислотные красители ионным взаимодействием. Полиэфир неполярен и кристалличен, мест для связывания у него нет вовсе, и его красят дисперсными красителями, вгоняемыми в волокно при высокой температуре.

В этом и состоит ограничение микробных пигментов. Они возникли как метаболиты, а не как текстильные красители, поэтому у большинства нет реакционноспособной группы и мало сродства к целлюлозе. Они вымываются. Доступные ответы заимствованы из практики природных красителей или из синтетической химии: протравливание солями металлов, чтобы связать краситель с волокном, химическое введение в пигмент активного якоря или ограничение применения белковыми волокнами, где работу делает ионное связывание. Каждый из них добавляет стоимость либо возвращает ту химию, от которой уходили.

Поучителен случай индиго

Индиго нерастворим и в таком виде к хлопку сродства не имеет. Его наносят кубовым крашением: восстанавливают до растворимой жёлто-зелёной лейкоформы, дают ей проникнуть в волокно, а затем окисляют на воздухе, так что нерастворимая синяя форма образуется заново внутри волокна и удерживается механически, а не связывается химически.

Биология способна дать молекулу: индол гидроксилируется оксигеназой до индоксила, а тот самопроизвольно димеризуется на воздухе. Но стадия крашения по-прежнему требует восстановления, традиционно дитионитом натрия, а это и есть основная экологическая нагрузка крашения денима. Маршруты, дающие растворимый предшественник индикан с ферментативным высвобождением индоксила прямо на волокне, бьют по настоящей проблеме, — а биологическое получение индиго с последующим обычным кубованием не бьёт.

Одно замечание о безопасности, относящееся к грибным пигментам

Некоторые грибные пигментные пути родственны путям микотоксинов или экспрессируются вместе с ними у тех же и соседних видов; задокументированным примером являются пигменты Monascus и цитринин. Отбор штамма и контроль на токсины входят в квалификацию грибного красителя и не являются формальностью, причём независимо от того, предназначен ли продукт для текстиля или для пищи.