利用微波辐照将仙人掌果（Opuntia ficus-indica）果皮废弃物升级再利用于可持续羊毛染色

《Scientific Reports》：Up cycling prickly pear peel waste for sustainable wool dyeing using microwave irradiation

　　

本研究探讨了将仙人掌果（Opuntia ficus-indica）果皮废弃物高值化（valorization）为羊毛织物可持续天然染料的可行性。染色分别采用传统媒染辅助法（加入4%鞣酸）和无媒染微波辅助法。研究人员对染色时间和pH等关键参数进行了优化，以提高色强（K/S）。与传统方法相比，微波辅助染色显著缩短了加工时间并降低了能耗。研究对染色织物的力学性能、色强、色牢度、紫外防护因子（UPF）、以及抗菌活性进行了评价。微波染色样品表现出更高的色强、更优的色牢度评级、更高的UPF值和更好的抗菌活性。此外，微波工艺所产生废液的生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）和总溶解固体（TDS）水平均更低。这些结果表明，将仙人掌果皮提取物与微波技术相结合，为制备兼具附加功能特性的有色羊毛织物提供了一种前景良好的环境友好型策略，同时可降低环境影响。

该论文发表于《Scientific Reports》，聚焦纺织染整领域中农业废弃物资源化与清洁生产的交叉问题。研究背景在于，传统纺织染色高度依赖合成染料及媒染剂，常伴随危险化学品使用、较高能耗和大量废水排放，因而面临显著生态压力。天然染料因具备可生物降解性、较低毒性以及潜在功能整理价值而受到重视，但其在羊毛上的应用仍存在上染效率、固着效率和耐久性不足等问题。与此同时，仙人掌果（Opuntia ficus-indica）果皮作为农业副产废弃物，富含甜菜色素（betalains）及多酚类物质，兼具着色潜力与生物活性，具有较高资源化利用价值。因此，开展以仙人掌果皮废弃物为天然染源、并引入微波辐照技术以提升羊毛染色效率与功能性的研究，具有明确的环境与产业意义。

研究人员围绕仙人掌果皮提取物在羊毛上的染色应用，比较了传统鞣酸媒染法与无媒染微波辅助法的差异，系统评估了染色时间、染浴pH对色强的影响，并对染后织物的力学性质、色度学参数、染料竭染率、固着率、色牢度、紫外防护性能、抗菌活性及废水污染负荷进行了综合分析。研究结论显示，微波辅助法不仅能够在更短时间内获得更高色强，而且可提高染料竭染与固着水平，改善洗涤、摩擦、汗渍和耐光牢度，赋予织物更高的紫外防护因子（UPF）和更强的抗菌活性，同时显著降低废液生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）和总溶解固体（TDS）。这说明，将农业废弃物升级再利用与微波清洁加工耦合，是制备多功能、低环境负荷羊毛纺织品的有效路径。

研究所用主要技术方法可概括如下：研究以澳大利亚美利奴羊毛织物为基材，提取仙人掌果皮水溶性天然色素，并分别采用传统耗尽染色与家用微波炉条件下的间歇式微波辅助耗尽染色进行比较；利用紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）表征提取物色素组成，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析染料与羊毛角蛋白（keratin，羊毛主要结构蛋白）之间的相互作用；通过分光测色仪测定色强（K/S）与CIE Lab^*色度参数，按标准方法评价色牢度、紫外防护因子（UPF）、抗菌率，并检测废液BOD、COD和TDS。

在研究结果部分，论文首先给出了“Statistical analysis”。研究中所有定量实验均进行了3次重复，以均值±标准差表示，并采用独立样本t检验或单因素方差分析评价传统法与微波辅助法之间的显著性差异，从统计学上保证了结果比较的可靠性。

“The mechanical properties”部分表明，染色后羊毛织物厚度和单位面积质量均较未染色样品增加，说明染料沉积以及染色过程中纤维溶胀会提高织物体积感。传统染色样品在厚度和克重上的增加略高于微波样品，但其缩水率也更高。微波染色样品缩水约5%，传统染色样品缩水约7.5%。研究据此认为，微波加热因处理时间较短且加热更均匀，对纤维完整性的损伤较小，因此在提升染色效率的同时，能更好地减轻对羊毛力学相关性质的不利影响。

“Spectroscopic analysis of prickly pear fruit waste extract”部分通过UV-Vis光谱揭示了提取物的色素基础。研究观察到约480 nm的吸收峰，对应甜菜黄素（betaxanthins），以及535–540 nm附近的肩峰，对应少量甜菜红素（betacyanins）。这说明该提取物含有复杂的甜菜色素体系，可提供较宽的可见光吸收覆盖范围，有利于形成综合色调。与此同时，自250 nm起持续升高的紫外吸收表明提取物具有较强宽带紫外吸收能力，这为染色织物UPF提升提供了分子层面的解释。

“FTIR spectroscopic analysis”部分显示，仙人掌果皮提取物具有3420 cm^?1、1745 cm^?1和1400 cm^?1等特征吸收带；染色后羊毛样品中这些峰增强，而酰胺Ⅰ带（1655 cm^?1）和酰胺Ⅱ带（1540 cm^?1）出现展宽和轻微位移，并在1050 cm^?1附近出现新肩峰。上述变化表明甜菜色素中的羧酸盐基团和酚羟基可与羊毛角蛋白中的氨基、酰胺基等发生离子作用和氢键作用，且这种相互作用在微波染色样品中更为明显，提示微波有助于染料更深入渗透和更稳定固着。

“Effect of dyeing time”部分研究了染色时间对色强（K/S）的影响。结果显示，两种方法下K/S均随时间延长而增大，并最终趋于平台，但微波辅助法在3–20 min内即可达到较高色强，而传统法通常需15–60 min甚至更长时间才能获得相近染深。研究认为这是由于微波与染浴中极性分子直接相互作用，实现体积加热，从而加快染料扩散、促进羊毛溶胀并提高染料分子迁移率。该结果直接说明微波技术能够显著缩短天然染料在羊毛上的染色周期。

“Effect of pH”部分表明，染浴pH显著影响羊毛对仙人掌果皮提取物的着色。随着pH由酸性向碱性变化，色强明显增加，两种工艺均表现出这一规律，而微波法在整个pH范围内的K/S始终高于传统法。研究将这种现象归因于甜菜色素的pH敏感性：在较高pH下，发色体系去质子化程度增加，共轭增强，从而产生增色效应（hyperchromic effect）和红移效应（bathochromic effect），使色泽更加浓深。该部分还指出，pH变化不仅影响K/S，也影响综合色调，为天然色素的色调调控提供了依据。

“Colorimetric data (L^*, a^*, b^*)”部分进一步从色度学角度验证了上述结论。随着pH升高，L^*值降低，说明颜色变深；b^*值明显升高，说明黄色成分增强；a^*值仅轻度升高，提示红色调贡献较小。微波染色样品整体具有更低L^*和更高b^*，与其更高的K/S相一致，表明微波工艺能获得更浓深、更饱和的金黄色至黄橙色染色效果。

“Dyeing performance: Exhaustion (E %) and fixation (F%)”部分显示，微波辅助染色在竭染率（E%）和固着率（F%）方面均明显优于传统法。研究指出，微波辐照可通过体积加热、离子传导及促进纤维内部局部微沸等作用，加快染料向羊毛无定形区扩散，并增加染料-纤维接触界面，因此在较短时间内即可获得更高的染料消耗和更稳定附着。这是微波染色能够兼顾高色强与低废液污染的重要原因。

“Mordant–dye–fiber interactions in conventional dyeing”部分解释了传统媒染体系中鞣酸的作用机制。鞣酸凭借多酚羟基可在甜菜素与羊毛角蛋白之间形成氢键、离子相互作用、配位复合以及π-π堆积等多位点桥联网络，从而增强色素固着。然而，尽管传统法使用了4%鞣酸媒染，微波无媒染法仍表现出更高色强和固着率。研究将其归因于微波促进更快、更深层的染料渗透，以及无需媒染剂即可实现染料羧基/酚羟基与羊毛官能团之间的直接稳定结合。

“Fastness properties”部分表明，采用仙人掌果皮提取物染色的羊毛样品总体具有良好至很好的耐洗、耐汗渍、耐摩擦和耐光牢度。洗涤、汗渍和摩擦牢度多在4至4–5级，耐光牢度达到6至7级。微波染色样品在多数条件下与传统法相当或略优，尤其在偏碱性pH下表现更佳。这说明甜菜色素在优化条件下可与羊毛形成较为稳定的结合，并满足一定实际使用要求。

“Effluent comparison”部分从环境角度比较了两种工艺的废液质量。结果表明，微波辅助法排放废液中的BOD、COD和TDS均低于传统法。研究认为，这一方面源于微波法更高的竭染率和固着率，使残留在染液中的有机物更少；另一方面，微波法省去了鞣酸媒染剂，从源头上降低了有机负荷和溶解物含量。因此，微波辅助天然染色不仅提升染色性能，也更符合可持续纺织加工对清洁排放的要求。

“Ultraviolet protection factor (UPF)”部分指出，未染色羊毛本身已具有约31–31.5的UPF，属于“very good”防护水平；经仙人掌果皮提取物染色后，UPF进一步提升。传统染色样品UPF约39.2–39.5，仍属“very good”，而微波染色样品UPF达到59.5–60，达到“excellent protection”即UPF 50+等级。研究认为，甜菜黄素和少量甜菜红素具备天然紫外吸收能力，而微波工艺因带来更高的染料上染量和更深色强，使其在纤维中的沉积更充分，因此产生更优越的紫外屏蔽效果。

“Antibacterial activity”部分显示，未染色羊毛对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）的抑菌率分别仅为20%和40%；而微波染色羊毛对二者的抑菌率分别提高到80%和85%。研究将该现象归因于仙人掌果皮提取物中甜菜色素及其他生物活性成分的抗菌效应，以及微波工艺带来的更强固着和更深渗透，使活性分子更有效地保留于纤维中并与细菌接触。

讨论部分的核心在于：仙人掌果皮废弃物不仅能够作为天然着色来源，而且能够在微波技术加持下兼具高效染色、功能整理和减污排放等多重优势。论文同时指出研究存在若干局限，例如实验在实验室尺度和家用微波炉条件下完成，仅考察了一种澳大利亚美利奴羊毛织物，尚未评价反复洗涤、长期光照和储存条件下颜色及功能性能的长期稳定性，且所得色域主要集中于黄橙色范围。因此，后续仍需围绕工艺放大、不同羊毛基材适用性、色域扩展以及生命周期评价展开深入研究。总体而言，该研究较为完整地证明了农业废弃物资源化与微波清洁加工协同应用于羊毛天然染色的可行性与优势。

研究结论部分可译为：综上所述，本研究证明了仙人掌果（Opuntia ficus-indica）果皮废弃物作为羊毛织物天然染料来源的成功高值化利用。与传统方法相比，微波辅助染色在不使用鞣酸媒染剂的条件下，以显著更短的处理时间实现了更高的色强、更优的染料竭染率和固着率，并获得了相当或更好的色牢度性能。染色羊毛织物表现出良好至很好的色牢度、较高的紫外防护性能（UPF最高可达60）以及显著的抗菌活性。此外，微波工艺还降低了废液污染负荷，包括BOD、COD和TDS。上述结果表明，将农业废弃物高值化利用与微波技术相结合，是制备多功能羊毛纺织品的一种前景良好的环境友好型策略。为推动该方法的实际应用，仍建议进一步开展工业化放大、长期耐久性测试以及色域扩展研究。