臺灣化學教育

植物染缸論化學

劉曉倩

國立彰化高級中學
教育部高中化學學科中心

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n  前言

藍染產業是臺灣早期很重要的傳統產業，由文獻中得知，除了梔子、茜草、薑黃、鬱金等曾經種植為經濟作物的染料外，相思樹、薯榔、檳榔、艾草等也都曾是常用的染料植物。但是這些珍貴的歷史文化資產，隨著時代演變，化學染料的興起，步驟繁複的天然植物藍染已經被化學染料及工業技術所取代。化學染料雖然具有較好的色牢度與耐久性，但是卻有毒性與環境污染的隱憂。近幾年來世界環保意識抬頭，具有健康、安全及獨特性等特點的植物染料重新引起大家的注意，我們可以藉由植物染應用在教學實作上，讓學生對植物在生活應用上有了更深層的認識，並且瞭解植物種類及特性，引導學生了解植物染裡的化學變化及如何結合美學創作讓自己的作品更具有藝術性，同時藉由推廣植物染瞭解植物的種源及種植過程，尊重傳統文化裡先民的智慧。

n  家庭廚房開染房－黑豆染汁染

染布前先將布的素材精煉漂白，一般纖維在紡成纖維時會上漿料用樹脂包住纖維，讓纖維不會毛羽過長方便織布，而退漿就是將包住纖維的樹脂退掉，讓我們後面的印花加工和柔軟加工能深入纖維裡面去。

一般去漿方式是將棉布放入重量百分率2~3%的苛性鈉（氫氧化納，NaOH）來精煉，處理方式如下：

1.將棉布放入不銹鋼鍋中充分浸水。

2.以少量水溶解氫氧化鈉，再將其倒入步驟1的不銹鋼鍋中攪拌。

3.開火煮沸後，再加熱30~60分鐘，靜置放涼再以清水充分清洗。

在家庭廚房中多半是以熬煮的方式萃取色素，煮的時間就得憑自己的經驗，煮得太短，無法萃取出顏色，但是煮得太久，顏色會變得很混濁。使用的鍋具及刀刃務必使用不銹鋼，避免刀刃釋放出鐵離子，使染料變得很混濁。

熬煮萃取出來的色素可以將染布直接浸泡，或者也可以使用酸液或鹼液等使染汁呈現不同的的色彩。為使染料與布料充分結合，可以加入媒染劑，廚房裡最好使用明礬當作媒染劑，除了操作安全以外，也不會有重金屬離子的汙染。

 

黑豆染汁的化學原理

筆者示範的是黑豆汁染布，黑豆含豐富的營養素及礦物質，具有健脾利水、消腫下氣、滋腎陰、潤肺燥、止盜汗，烏髮黑髮以及延年益壽的功能。現代藥理研究證實，黑豆除含有豐富的蛋白質、卵磷脂，脂肪及維生素外，尚含黑色素及菸酸。熬煮黑豆後除了可將黑豆煮熟食用以外，所剩的汁液含有花青素，可以用酸液及鹼液調整染液的顏色變化。

黑豆皮含有豐富的花青素，而花青素（anthocyanins）是一種常見的植物色素，自然界有超過500種不同的花青素。花青素是由花青素配質（anthocyanidin）和一個或多個葡萄糖或半乳糖等所組成，存在於細胞漿中。黑豆皮所含的花青素主要是以飛燕草色素（delchindin）、錦葵花色素（malvidin）及芍藥花色素（peonidin）三種為主。這三種色素也是紫色高麗菜、紅蔥頭及藍莓的色素主要成分，

花青素的主結構如圖1所示，在不同位置接上數目不等的取代基而造成不同種類的花青素，其中R^3’、R^4’、R^5’、R³、R⁵、R⁶和R⁷為−H、−OH或−OCH₃。

 

圖1：花青素的主結構

花青素與食品化學息息相關，通常花青素很耐高溫，且在不同的酸鹼度下，會轉變不同的結構，並呈現不同的顏色，可以做為酸鹼指示劑使用。黑豆煮汁在加入醋酸後呈現粉紅色，應該也與黑豆含有花青素有關，其他例如紫色高麗菜中的花青素在酸中呈紅色，在中性呈紫色，在鹼中則呈黃綠色。

 

媒染劑在植物染上的作用

 

媒染劑的主要作用是做為衣料纖維與染料之間的媒介，使染布效果更明顯。原因是當纖維缺乏與染料之間的親和力時，染色效果會不明顯，此時需要用媒染劑，以達到染色的目的。常用的媒染劑分為天然的和合成化學的兩種，天然媒染劑如鐵銹、烏梅、稻草灰、木灰、茶花…等，化學媒染劑如醋酸酮、醋酸鋁、醋酸鐵、明礬等。當衣料纖維上的花青素與媒染劑的鋁離子發生配位共價作用時，就會形成金屬錯合物，如圖2所示。此金屬離子錯合物吸收光線並反射時，會使顏色變得更加鮮艷（因為光譜變得尖銳 且吸收的光更多）。此外明礬除了會使布的顏色更加鮮艷以外，染料的附著力也會更加穩固。

 

圖2：媒染劑的功能是作為花青素與衣料纖維的媒介

M：媒染劑；Cell：衣服纖維

一、需要的材料            

1.去漿棉布250克（可裁成多塊正方形，做染色比較）

2.黑豆1公斤（棉布重量的4~5倍重）

3.明礬（KAl(SO₄)₂．12H₂O）20克（棉布重的8%）

4.食用醋140毫升（約黑豆染汁的2%）

二、黑豆染布過程

1.約7升的水（棉布重量的30倍）放入生黑豆浸泡一晚【生黑豆易發芽，久浸後會在液面產生氣泡，所以須儘快處理，避免發臭】

2.隔天將黑豆煮沸，須注意過度沸騰，產生大量氣泡造成湯汁外溢，所以一旦沸騰時，須迅速將瓦斯轉成小火續煮20~30分鐘，如圖3所示。

 

圖3：煮沸後續以小火煮的黑豆汁

 

3.等鍋子放冷後，以濾袋過濾煮汁做為染液，黑豆可以放入乾淨的鍋子內，以新水續煮熟食用，如圖4所示。

圖4：將黑豆汁以豆漿濾網過濾

 

4.將準備好的棉布放入溫水中先浸泡潤濕。

5.將明礬媒染液加入約400毫升水中（重量百分濃度5%溶液）溶解。

6.先將浸濕的棉布放入媒染液中加熱，煮沸後轉小火續煮20~30分鐘。熄火後至水溫降至30~40℃時，再以溫水清洗二至三次脫水。

7.將煮好放涼的黑豆過濾液分成兩鍋，一鍋放入食用醋，一鍋則是純黑豆汁液，觀察兩鍋染液顏色的變化，如圖5所示。【黑豆原汁呈現灰黑色，加入食用醋後，黑豆汁液轉成深紅色】

8.將步驟6中浸泡過明礬的染布分成兩部分，分別放入步驟7的兩鍋黑豆煮汁內，煮沸後續轉小火煮30~60分鐘，熄火後等水溫降至30~40℃時，再以溫水充分清洗。

 

圖5：將食用醋加入黑豆汁汁液轉成暗紅色

 

9.將染好的棉布擰乾，續晾乾勿曝曬陽光，以免褪色，如圖6及圖7所示。

 

圖6：將染好的棉布以曬衣夾晾乾

 

圖7：圖中是以不同材質棉布染黑豆汁液所呈現的色澤，最上方是以純黑豆汁染成的棉布，呈現漂亮的摩卡褐色；第二張染布是淡紫色；第三張染布是黑豆汁液中加入食用醋後顏色轉紅，呈現出粉紅色的高雅色彩；第四張染布是將棉布摺疊使其出現粉紅雲彩

 

n  保健聖品也可當染料－薑黃染布

色彩嫩黃及略帶辛辣滋味的薑黃（如圖8所示），除了是咖哩中黃色成分來源以外，更可增添食材的風味。近幾年來，臨床研究證實，薑黃中獨特薑黃素成分，具有抗氧化、抗發炎以及促進代謝的功效。印度人認為薑黃是多產及昌盛的象徵，所以黃色及橘色是印度教中最重要的顏色，早期薑黃就是被用來當作染料。在薑黃染布時依處理的程序而有所不同，若是在鹼性溶液中，薑黃可以製成鮮紅色的染料，但是在酸性溶液中，溶液顏色就是亮黃色，用來當作媒染劑的明礬溶液是酸性，所以很適合用來做固色使用。

圖8：薑黃外表與一般食用薑神似，但味道不嗆

 

一、需要的材料

1.去漿棉布6塊（30×30公分見方）

2.薑黃300克（若是要顏色更亮麗，可以多加一些）

3.明礬（KAl(SO₄)₂．12H₂O）重量百分濃度5%，1升

二、薑黃染布過程

1.學生在老師教導下，自行發揮創意將棉布做繩紮、揉皺、摺疊及交叉攪染，如圖9所示。

 

圖9：學生發揮創意完成繩紮、揉皺、摺疊及交叉綑綁

（國立彰化高中張靜嫻老師提供）

2.為避免染色不均，將綑綁的布先泡水浸濕。

3.將薑黃切片打成汁液後放入約2升的水中煮沸。

4.將捆好的棉布放入煮沸的薑黃汁液中續煮，須注意過度沸騰，產生大量氣泡造成湯汁外溢，所以一旦沸騰時，須迅速將瓦斯轉成小火續煮20~30分鐘，如圖10所示。

圖10：染布放入後須注意轉成小火，以免湯汁外溢 

5.將布取出，若是覺得顏色不夠深，可以將染布以清水沖洗約10秒，再放浸入染液中，重複步驟4及5，直到染布顏色滿意為止。

6.將橡皮筋、冰棒棍…等綑綁拆開，以清水沖洗直到沒有顏色殘留為止，將染布浸泡明礬1~2分鐘，續再以清水沖洗約10秒鐘後擰乾，續晾乾勿曝曬陽光，以免褪色，如圖11、12、13及14所示。

 

圖11、12：學生作品2

圖13、14：學生作品3

7. 學生相互欣賞彼此作品，並討論綑綁方式不同，所造成染布圖案差異及美感。

n  結語

教育部有鑑於舊課綱較著重在「核心科學概念內容」等科學能力的培養，對於學生實驗探究能力及科學素養能力的培養較為缺乏，所以在新課綱十二年國教課綱規劃發展中，特別重視學生在「探究能力」和「科學的態度與本質」兩方面的學習表現。整體規劃上更著重於科學探究與實作，期許學生在學習過程中，將化學知識與生活結合，使學生能知能行，進而具有科學素養，以因應未來個人或社會發展之需要。

此教學活動的設計可以讓學生了解，在工業革命及化學染料開始之前，我們的老祖先即會使用大自然中各種植物及礦石等天然染料為絲織品增加色彩。然而近幾年隨著工業發展進步，我們生活環境卻也歷經環境汙染的慘痛教訓，若是我們在校本位特色課程中融入環保概念課程，相信對於學生科學素養的培育會更有幫助。此教學活動「化學染指藝術」，可以藉由對於天然染料的認識，讓學生重溫古人藍染的工藝智慧，體驗返樸歸真的真善美，重新看待自然環保的傳統產業。

n  誌謝

感謝國立彰化高級中學美術老師張靜嫻老師在染布綑綁技術上提供教學建議、照片及資料。此外十分感激國立彰化師範大學楊水平教授在先前撰文時提供的參考資料及撰文建議，對筆者在編寫此文時受益良多。

n  參考資料

1.快樂的植物染，松本道子著，積木文化出版。

2.圖2是由國立彰化高級中學化學科涂程議老師協助繪製。

3. Indigo dye，Wikipedia，https://en.wikipedia.org/wiki/Indigo_dye

4.化學情境試題：色彩鮮豔的花青素（Colorful Anthocyanins）〔II〕，科學Online，高瞻自然科學教學資源平台，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=23003