大型海藻用于可持续纺织染色与功能整理：自然色素与生物活性化合物驱动生态创新材料

《Journal of Cleaner Production》：Macroalgae for sustainable textile dyeing and functional finishing: Natural pigments and bioactive compounds driving eco-innovative materials

　　

这篇综述考查了海洋大型海藻作为天然色素和生物活性化合物的可再生来源在纺织染色和整理过程中的可持续应用。研究人员整合了关于大型海藻化学多样性、提取技术、纺织染色和整理性能、环境可持续性以及工业可扩展性的证据。该综述并非仅提供描述性概述，而是批判性地评估了当前技术的成熟度、工业实施的关键障碍，考察了已发表研究中的方法学异质性，并概述了支持从实验室规模演示向可扩展纺织应用过渡所需的研究重点。研究人员将大型海藻色素、多糖、蛋白质和生物活性代谢物与其在纺织着色和功能整理中已报道和潜在的作用联系起来，置于一个统一的框架内。此外，该综述纳入了定量纺织性能数据、生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）证据、技术经济指标和工业障碍，从而超越了大型海藻化合物的描述性汇编，转向对其在促进更清洁纺织生产和基于生物资源的循环材料方面潜在贡献的批判性评估。

**论文解读文章**

**研究背景与意义**

全球纺织业因其生产过程的高强度和对化学投入品的严重依赖，产生了显著的环境影响，包括大量水与能源消耗、温室气体排放、危险废物产生以及有毒物质释放。时尚潮流的快速更迭进一步加剧了这一问题。据估计，纺织业约占全球水污染的20%，主要源于染色和整理过程，这些过程释放重金属、染料、无机盐和有机污染物，对水生生态系统和人类健康造成严重影响。为应对这些影响，源自生物源的解决方案逐渐被整合到纺织工艺中，旨在减少能源消耗、用水量和化学排放。在此背景下，天然染料作为合成染料的可持续替代品应运而生，大型海藻代表了一种有前景的选择。然而，现有证据也表明，基于大型海藻的纺织系统在物种、提取与染色条件、色泽重现性、耐光性以及超出实验室规模协议的验证方面仍面临局限性。因此，这项研究系统性地评估了海洋大型海藻作为天然色素和生物活性化合物可再生来源的可持续应用，整合了其在化学多样性、提取技术、纺织性能、环境可持续性和工业可扩展性方面的证据，旨在推动从实验室演示向可扩展纺织应用的过渡。

**研究内容与结论**

研究人员采用系统综述方法，遵循PRISMA 2020指南，在Scopus、Web of Science、PubMed和ScienceDirect等数据库中进行综合文献检索，最终纳入179项研究进行定性综合。研究结论表明，大型海藻确实是开发更可持续纺织价值链的有前景资源，其提供的天然色素（如类胡萝卜素、叶绿素和藻胆蛋白）和功能性生物分子（如多糖、抗氧化剂和抗菌剂）有助于开发更安全、可生物降解且附加值更高的纺织产品。同时，大型海藻的快速生长、不依赖耕地和高碳固定效率等特性，进一步强化了其作为符合生物经济和循环经济原则可再生资源的潜力。然而，尽管科学上取得了进展，但应用于纺织染色的海藻色素提取实验方案仍然稀少且标准化程度低，现有方案的同质性较差，阻碍了直接比较、可重复性和方法的巩固，限制了工业可扩展性和可持续纺织应用的一致指南的建立。这篇论文发表在《Journal of Cleaner Production》。

**关键技术与方法**

研究人员为开展研究主要使用了以下关键技术方法：1）基于PRISMA 2020指南的系统文献综述（Systematic Literature Review, SLR）方法，用于确保透明度和可重复性；2）对大型海藻化学组成进行定性综合，涵盖色素、多糖、蛋白质、脂质、酚类及萜类等化合物类别；3）评估了多种提取技术，包括常规提取（如固液萃取、浸渍、索氏提取）和辅助/创新技术，如超声波辅助提取（UAE）、微波辅助提取（MAE）、高压均质化（HPH）、超临界流体萃取（SFE）、亚临界流体萃取（SubFE）、加压液体萃取（PLE）、深共晶溶剂（DES/NADES）基提取和酶辅助提取；4）通过生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）评估环境可持续性和工业可扩展性。

**研究结果**

**3.1. 大型海藻的一般特征与主要化学成分**：研究人员通过文献综述发现，大型海藻（绿藻、褐藻、红藻）含有丰富的初级和次级代谢产物。其中，色素（如叶绿素、类胡萝卜素、藻胆素）与纺织着色直接相关，但其应用受限于提取可行性、与纤维的相互作用以及加工过程中的稳定性。多糖（如褐藻胶、琼脂、卡拉胶、岩藻多糖、昆布多糖、绿藻多糖）在纺织整理中更具前景，主要用于涂层、增稠、封装和成膜系统。蛋白质、脂类、矿物质、维生素、酚类化合物和萜类则更多与生物活性或生物精炼价值相关，而非直接作为纺织着色剂。

**4. 大型海藻衍生物在纺织着色中的应用**：研究人员通过分析实验方案，发现大型海藻的着色性能高度依赖于物种、提取条件、纺织基质、媒染或纤维改性策略以及染色参数。例如，Elshemy等（2024）使用微波辅助提取（MAE）从褐藻*Sargassum polycystum*中提取岩藻黄质，在羊毛上实现了高色强度（K/S）和良好色牢度，并具有抗菌活性。多数研究需借助媒染剂（如硫酸亚铁、单宁酸）或表面改性剂（如PAMAM树状大分子、CTAB）来提高色牢度。然而，耐光性差是普遍存在的限制，表明主要挑战在于颜色生成后的色度稳定性。

**4.3. 染色纺织品的色牢度性能与质量评价**：研究人员通过系统比较发现，尽管在特定条件下（尤其是使用媒染剂、表面改性或优化参数后）可以获得良好的耐洗、耐摩擦和耐汗渍色牢度，但耐光性仍是普遍存在的限制因素。所报道的色牢度结果具有系统依赖性，而非大型海藻着色剂的固有属性，不同物种、提取物组成、基质和染色条件均会影响结果。

**5. 大型海藻衍生化合物在功能性纺织整理中的应用**：研究人员通过文献综述指出，海藻酸盐（alginate）和琼脂（agar）等多糖在纺织中已有明确应用，如海藻酸钠作为印花糊料、微胶囊化基质以及用于功能性涂层/整理。其他化合物如岩藻多糖（fucoidan）、卡拉胶（carrageenan）、绿藻多糖（ulvan）和酚类化合物等，虽具有抗氧化、抗菌等生物活性，但在纺织上的直接实验验证仍有限，大多处于前瞻性阶段。研究强调，生物活性本身不等同于纺织功能性，需在纤维或织物上进行应用后的验证，包括固着、洗涤耐久性等。

**6. 环境可持续性**：研究人员通过生命周期评估（LCA）证据分析指出，基于大型海藻的纺织系统其环境性能并非仅由生物质的可再生性决定。提取、干燥、浓缩、溶剂使用、废物处理等阶段均影响最终的可持续性平衡。LCA研究表明，能源密集型阶段（如干燥、提取）是主要热点，集成生物精炼（cascade biorefinery）策略、湿生物质加工、绿色能源和溶剂回收是改善环境性能的关键。

**7. 可扩展性与工业适用性**：研究人员通过技术经济分析（TEA）发现，单一产品提取（如仅海藻酸盐）在经济上不可行，而集成多产品回收（如海藻酸盐+岩藻多糖）可显著改善经济性。此外，生物质可及性、工艺标准化、法规不确定性以及许多纺织应用仍处于实验阶段，是当前工业化的主要障碍。

**总结讨论与结论**

**讨论部分总结**：讨论部分指出，尽管大型海藻衍生的色素和生物活性化合物代表了可持续纺织染整的有前景资源，但当前证据主要支持其可行性，而非完全的技术成熟度。它们不应被解读为传统合成染料的直接替代品。更广泛的纺织应用仍受限于耐光性差、色泽重现性不佳、提取物表征不足、协议标准化缺乏、对媒染剂或助剂的依赖以及在可扩展和实际应用条件下的验证有限。未来的进展将依赖标准化的提取和染色方案、更强的化合物表征、可比的纺织性能指标报告、重复使用周期后的功能保留、完整纺织工艺的生命周期评估以及在可扩展条件下的技术经济验证。

**结论翻译**：这篇综述表明，大型海藻构成了开发更可持续纺织价值链的有前景资源，具有帮助减少与常规纺织染色和整理过程相关的环境影响的潜力。所综述的研究表明，这些生物体不仅提供天然色素，如类胡萝卜素、叶绿素和藻胆蛋白，还提供功能性生物分子，包括多糖、抗氧化化合物和抗菌剂，从而有助于开发更安全、可生物降解且附加值更高的纺织产品。同时，其内在特性，如快速生长、不依赖耕地和高碳固定效率，进一步强化了其作为符合生物经济和循环经济原则的可再生资源的潜力。尽管取得了科学进展，结果表明应用于纺织染色的大型海藻色素的提取实验方案仍然稀少且标准化程度低。现有有限方案的同质性阻碍了直接比较、可重复性和方法的巩固，限制了工业可扩展性和可持续纺织应用的一致指南的建立。同样，尽管对生物活性化合物及其功能的认识相对完善，但它们在纺织领域的许多潜在应用仍未得到充分探索。这些差距凸显了进一步实验研究的必要性，以验证大型海藻色素和生物活性化合物在可扩展和应用相关条件下与不同纺织基质的效率、稳定性和相容性。从环境角度来看，使用大型海藻通过减少对石化投入品的依赖和提供更清洁的加工路线提供了显著优势。然而，在提取、纯化和应用阶段仍存在挑战，特别是由于能源消耗、溶剂使用、生物质的季节性变化以及影响颜色固着和色牢度的技术限制。新兴技术，如超声波辅助提取、微波辅助提取和超临界CO₂，以及绿色溶剂的采用，显示出克服其中一些障碍的潜力，但仍需在成本、安全性和工业性能方面进行验证。利用大型海藻的经济可行性可通过集成生物精炼方法得到增强，该方法能够利用多种生物质组分，减少废物，并产生更高价值的产品。基于所综述的证据，大型海藻衍生的色素和生物活性化合物代表可持续纺织染色和功能整理的有前景资源。然而，当前证据支持的是可行性而非完全的技术成熟度，并且尚不能证明其可作为传统合成染料的直接替代品。更广泛的纺织应用仍受限于耐光性、色泽重现性、提取物表征、协议标准化、对媒染剂或助剂的依赖以及在可扩展和应用相关条件下的有限验证。