咖啡壳（Coffea arabica）作为天然染料，以及牛油果核（Persea americana）作为生物固着剂：提取方法、物理化学性质分析、有机棉织物的染色效果、两者之间的相互作用、染色牢度及紫外线防护性能研究

《Dyes and Pigments》：Coffee husk ( Coffea arabica) as a natural dye and avocado pit ( Persea americana) as a biomordant: extraction, physicochemical characterization, dyeing of organic cotton fabrics, interactions, color fastness properties and UV protection

【字体：大中小】 时间：2026年02月14日 来源：Dyes and Pigments 4.2

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　　可持续纺织工艺中，咖啡壳与牛油果核提取物协同染色棉织物的效果及机理研究。

圣保罗大学艺术、科学与人文学院，纺织与服装专业，圣保罗，03828-000，SP，巴西

摘要

对可持续纺织品生产的兴趣促使人们考虑使用天然染料作为合成染料的环保替代品，因为合成染料通常既不可生物降解也不可再生。最近，研究人员研究了咖啡壳提取物在纺织品染色中的应用，发现其在羊毛和丝绸织物上使用金属媒染剂时效果最佳。本研究旨在探讨咖啡壳（Coffea arabica L.）和牛油果核（Persea americana Mill.）提取物用于有机棉染色的可能性，其染色深度可与使用咖啡提取物对蛋白质纤维染色所得到的深度相当或更高。该方法还旨在消除棉纤维吸收天然染料时对金属媒染剂的需求，从而进一步减少对环境的影响。本研究包括确定优化染料吸收所需的pH值和媒染剂浓度。使用CIELAB系统对染色后的棉织物进行了色度分析，结果发现：在pH 5.08时K/S值为2.9（未添加媒染剂），在pH 7时为3.8，在pH 11时使用牛油果提取物时为4.4，这些结果优于在pH 5和7时使用金属媒染剂的效果。在色牢度方面，最高评分为4（满分5分），UPF测试结果显示为50+，属于优秀等级。因此，使用牛油果提取物作为生物媒染剂，可以实现全天然纤维/媒染剂/染料组合，使棉织物的K/S值与蛋白质纤维相当。

引言

巴西的纺织工业在国际上具有很强的影响力，该国是全球第四大纺织品和服装生产国。该行业占国内就业岗位的18.2%，2022年的收入为1932亿雷亚尔[1]。然而，该行业也以持续增加的污染问题而闻名。根据世界银行的数据，17-20%的工业水污染来源于纺织生产中使用的合成染料，其中一些合成染料属于欧盟认定的致癌芳香胺类[2],[3]。

同样，农业工业也是产生大量废弃物的行业之一，仅在收获前阶段就会损失10%的产量，再加上其他阶段的污染，其污染程度仅次于石油工业。随着该行业的持续增长，各种农作物的产量也将增加，随之产生的废物量也会相应增加。自2017年以来，可持续性已成为重要议题，不仅在行业讨论中受到关注，也在实际行动中得到体现[4]。牛油果是一种常用于药品和化妆品配方的农产品，含有水分、抗氧化剂[5],[6],[8]，并在E. coli、Salmonella typhimurium和S. aureus检测中表现出抗菌特性[9],[10]。2020年巴西产量为266,784吨[11]，2022年出口量超过10,000吨[12]，其用于纺织加工的潜力值得探索。

天然染料作为一种比合成染料危害较小的替代品逐渐受到重视，这代表了人们对传统染色工艺的回归。天然染料被认为无毒、无致癌性且可生物降解。在植物来源中，最常用的天然染料原料包括农业、林业和食品工业中的种子、叶子、根、树皮、树枝和花朵[13],[14]。在天然染料的染色过程中，通常会使用明矾和硫酸亚铁等金属化合物来帮助染料与纺织纤维结合[8]，但这些金属也可能产生有毒废水，需要进行处理[15]。作为替代方案，人们开始研究生物媒染剂[14],[15],[16],[17],[18],[19]。同时，人们也在不断寻找替代合成染料的纺织品染色方法。

鉴于废弃咖啡渣中仍含有大量有用成分，将其用于纺织品染色引起了色彩化学界的兴趣。巴西国家供应公司（CONAB）的一份报告指出，2024年的咖啡产量预计将达到5880万袋，比2023年增加370万袋[20]。牛油果因其植物油富含脂肪酸（如油酸高达66%、棕榈酸12%-24%）而常用于药品和化妆品配方中[2]。

现已知咖啡壳是提取单宁的原料，单宁是一种适用于天然染色的有用化合物[21],[22]。咖啡提取物还含有其他成分，如图1所示的羧基肉桂酸盐和黄酮类染料[23],[24]。相关研究利用微波能量辅助提取废弃咖啡渣，并使用废弃咖啡渣和烤花生皮提取物通过传统水浴或超声波浴对丝绸、棉和尼龙织物进行染色。结果显示，使用传统水浴法染色时，废弃咖啡渣的染色效果更好；而使用烤花生皮提取物时效果较差。无论哪种提取物，都能为丝绸和尼龙织物提供良好的耐洗性能，但在棉织物上的效果不佳。

当使用传统媒染剂对用咖啡壳（Coffea arabica L.）提取物染色的棉、丝绸和羊毛织物进行染料吸收和色牢度测试时，发现铁（Fe）和铜（Cu）是提高色强度的最佳媒染剂，但K/S值的测定方法尚不明确[25]。在使用金属媒染剂时需谨慎选择，因为某些金属对环境有害（例如铜、镍）。

本研究比较了用不同天然染料提取物染色的棉、丝绸和羊毛织物的技术性能[26]。研究发现，染色效果显著受提取物浓度、生物色素结构和织物类型的影响。例如，不同提取物的色强度（K/S值）排序为：Cassia tora. L. > 石榴 > 咖啡 > 栀子。在该研究中，咖啡染料在棉和丝绸上的吸收效果不明显。另一项关于染色羊毛织物性能的研究表明，后期用单宁处理对耐洗性没有改善作用。此外，在0.5%-2.0%（owf）的染料浓度范围内，K/S值变化不大[27]。

本研究旨在探索咖啡壳（Coffea arabica L.）作为纺织纤维生物色素来源的潜力，特别是针对棉织物。尽管棉织物对咖啡提取物的亲和力较低，但它仍是重要的纺织纤维之一。因此，未来的研究重点应放在开发能够增强棉织物染料吸收能力的生物基媒染剂上，超越现有的单宁类媒染剂。基于这一思路，本研究采用了牛油果核（Persea americana Mill.）提取物作为生物媒染剂，用于与咖啡壳提取物共同染色棉织物。通过物理化学和色度分析方法对提取物进行了表征，并评估了其在棉织物上的色牢度、紫外线防护和抗菌性能。咖啡中含有多种具有抗癌、抗炎、心脏保护[28],[29]和抗氧化[30]作用的成分，以及对多种病原菌和产毒真菌的抗菌活性[21],[31]。

材料

有机咖啡壳来自米纳斯吉拉斯州的Coperativa dos Camponeses Sul Mineiros，牛油果核（Persea americana）则从圣保罗物流仓储公司（CEAGESP）的当地供应商处购买。金属媒染剂包括分析级的明矾（KAl(SO₄)₂·12H₂O）和硫酸亚铁（FeSO₄·7H₂O）。针织面料为100%有机棉，GOTS认证，重量为160克/平方米，厚度为0.50毫米

产率和粒径分析

咖啡壳和牛油果核在湿润状态下称重，干燥研磨后的产率分别为75%和78.4%。两种颗粒的平均直径分别为0.16毫米（咖啡壳）和0.47毫米（牛油果核），标准偏差分别为0.093毫米和0.230毫米。

水提取和冻干工艺

提取物经过冻干处理，有机咖啡壳的干重为105.4克，产率为52.7%；牛油果核的干重为16.5克，产率为23.5%。

紫外-可见光谱分析

结论

研究结果表明，牛油果核可作为用废弃咖啡壳提取物染棉的合适生物媒染剂。根据染色实验，使用牛油果核作为生物媒染剂的最佳条件为：1）pH 7，使用0.06克媒染剂，此时K/S值为3.8；2）pH 11，使用0.09克媒染剂，此时K/S值为4.4。所得到的色深度（K/S值）显著高于常规报道的值（例如2.0）

CRediT作者贡献声明

卡米拉·西顿·普契尼（Camila Citton Puccini）：撰写初稿、进行研究、进行数据分析。哈罗德·S·弗里曼（Harold S. Freeman）：撰写、审稿与编辑、进行数据分析。西尔琳·玛丽亚·达科斯塔（Sirlene Maria Costa）：撰写、审稿与编辑、提供监督、协调研究资金、构建研究概念。马塞洛·马鲁奇·佩雷拉·坦杰里纳（Marcelo Marucci Pereira Tangerina）：确定研究方法、进行数据分析。凯莉·石田（Kelly Ishida）：确定研究方法、进行数据分析。朱莉安娜·卡贾多·索萨·卡瓦略（Juliana Cajado Souza Carvalho）：确定研究方法、进行数据分析。马塞洛·何塞·佩纳·费雷拉（Marcelo José Pena Ferreira）：确定研究方法

未引用参考文献

[44]

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

数据可用性

本文研究未使用任何数据。

致谢

作者感谢米纳斯吉拉斯州Coperativa dos Camponeses Sul Mineiros提供的材料支持，感谢Golden Technology公司提供的保护因子分析帮助，感谢圣保罗州研究支持基金会（FAPESP）的项目2023/15419-9，感谢巴西高等教育人员发展协调机构（CAPES）的资助，以及NAP Geoanalítica - USP研究支持中心的合作。

摘要

引言

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