可将CO₂排放量减少3.5兆吨，海外团队提出合成靛蓝新方法
可将CO₂排放量减少3.5兆吨，海外团队提出合成靛蓝新方法
牛仔布染色工艺的环保升级迎来重大突破。丹麦技术大学研究团队开发了一种新型合成靛蓝技术，通过酶法和光解法两种工艺，有望将蓝色牛仔布染色对环境的影响降低92%。这一创新技术不仅能够显著减少二氧化碳排放，还能保护纺织工人的健康，为实现可持续发展提供了新的解决方案。
靛蓝（indigo）是一种用于纺织印染最古老的染料，其作为织物染料的历史最早大约可以追溯到 6000 多年前。2009 年，考古学家在秘鲁发现了一块被染成靛蓝色且具有 6200 年历史的布料，这块布料也被推测可能是现今牛仔裤的“始祖”。
靛蓝也是当前已知的唯一能够产生蓝色牛仔布独特颜色的分子。目前，每年生产的 5 万吨靛蓝主要都用于牛仔布染色。这种染料曾经是依赖于从植物中提取，而现在主要是通过人工合成。
不过，靛蓝本身几乎不溶于水，如果要使其溶于水染色需要添加还原剂以及处于碱性条件中，比方说添加强还原剂连二亚硝酸钠。而这些化学物质会损害纺织工人的健康，也会造成水道和土壤污染以及农作物损失。
日前，荷兰丹麦技术大学的研究人员提出了一种更经济环保生产靛蓝的技术并验证了可行性。这是一种称之为“插入式吲哚酚糖苷合成”的技术（drop-in indican synthesis technology），利用一种经工程化改造的吲哚糖基转移酶突变体PtUGT1stable，可将吲哚酚高效转化为吲哚酚糖苷（Indican，靛苷），这种糖苷可在纺纱上直接合成靛蓝染色。
研究团队还展示了一种经济可行且毒性更低的染色工艺，其中酶法牛仔布染色工艺有潜力将蓝色牛仔布染色对环境的有害影响降低 92%。
（来源：Nature Communications）
这项研究已发表在Nature Communications上。论文的通讯作者之一是Ditte Hededam Welner，她是丹麦技术大学诺和诺德基金会生物可持续性中心的高级研究员、组长。Ditte Hededam Welner 的研究方向是酶工程和结构生物学，包括开发酶生物催化剂用于工业生产天然产品，系统研究次生代谢糖基转移酶（GT）的结构和功能决定因素，为有效的次生代谢（GT）发现和工程化改造提供了基础。
Indican （Indoxyl-β-D-glucoside）是吲哚酚的一种糖苷，属于染料靛蓝和靛玉红的前体，这是靛蓝在可提取靛蓝植物中的天然储存形式。基于这种糖苷染色被认为是一种环境友好型蓝色牛仔布染色剂。
Ditte Hededam Welner表示，“吲哚酚糖苷是一种天然产物，而非人工合成的。它的优势在于吲哚酚糖苷可溶于水，基本上可以直接把纺织品浸入其中染色，而靛蓝无法直接实现这一点。这种方法无需添加很多化学物质，已成为一种极具吸引力的解决方案。”
据研究人员介绍，如果想在牛仔布染色中高效利用 Indican 合成的染料染色，前提是必须开发两种工艺，即生产工艺和染色工艺。这两种工艺既要比传统方法具有环境效益，又要经济可行和负担得起。基于此，该团队从经济可行性、环境表现以及社会影响等三个维度入手探讨开发满足上述要求的工艺。研究人员通过结合酶和工艺方法设计了一种糖基转移酶突变体生产 Indican，并评估了两种牛仔布染色工艺。
图 | 靛蓝和 indican 的生产和使用概况（来源：上述论文）
由于无细胞生物催化可以比细胞工厂更具规模化和效率，该团队研究了基于天然吲哚基糖基转移酶PtUGT1 的吲哚基酶法合成靛蓝的三个维度。PtUGT1 是一种可溶性 UDP 依赖性糖基转移酶，存在于可提取靛蓝生物植物黄蓼中。与此前的方法不同，该团队结合一致诱变（consensus mutagenesis）、环移植（loop grafting）和二硫桥工程化等方法，在PtUGT1 活性位点之外合理引入稳定突变，并筛选出了具有最佳稳定性和活性的十倍组合变体PtUGT1stable。该变体在高底物浓度、高温、有机溶剂、长时间储存和无缓冲水中都很稳定。
在经济维度，根据试验数据和预测，原材料价格达到 9.9 美元/公斤，通过对主要原材料销售价格的不确定性分析得出的预估结果为 5-13 美元/公斤。在反应时间缩短至 20.1 小时、产率下降至 53％ 时，这种方法在经济上也是可行的；在环境维度，如果这种方法合成靛蓝的产量可以从 65% 提高到 66%，环境成本将与传统靛蓝相同。如果反应时间和产量减少到上述经济可行性的临界值（20.1 小时和 53％），环境影响将略有增加；在社会可持续性维度，选择定性评估该技术对社会可持续性的影响，包括生产国的宜居性和健康状况。与传统靛蓝生产方法相比，这种方法是一种即插即用技术，几乎不存在刺激性化学物质等健康危害。
“这些结果表明，PtUGT1stable能更经济地生产工业规模的靛苷，有可能显著减少蓝色牛仔布染色对环境和社会的影响，而成本只会略有增加。”
建立 Indican 化学酶途径后，接下来研究团队评估了其作为染料的染色工艺，包括酶法染色工艺和光解法染色工艺。在酶法工艺中，通过优化反应参数，技术经济评估（TEA）方法预计每条牛仔裤的酶染色工艺成本为 0.2 美元，这是传统染色成本的 1.5 倍。研究团队还预计酶促染色工艺有可能将牛仔布染色工艺的年度环境成本降低一个数量级以上。
在光解法工艺中，光解反应的最佳 pH 值为 1.7，不受氧气水平影响，依赖于光。通过优化工艺，在潜在规模扩大效应下，预估每条牛仔裤的染色成本范围为 0.08−0.14 美元。如果每条牛仔裤的用电量可以减少到 0.24 kWh（即达到当前实验条件的 60%），光解法染色将比酶染色更具环保竞争力，且比传统染色在经济上具有竞争力。
图 | 酶法和光解法印染牛仔布，及其工艺对应的经济和环境影响（来源：上述论文）
在目前条件下，光解法染色工艺有可能将蓝色牛仔布染色对环境的影响减少 73%，而酶染色可减少 92%。根据市场分析，鉴于每年交易 40 亿条牛仔裤，这将使全球每年 CO₂ 的排放量减少 3.5 兆吨，并帮助染色工人远离有害化学物质。总之，无论是酶法还是光解法，我们预计 Indican 染色将对印染厂周围社区的宜居性和健康产生显著积极的影响。
“我们这项工作展示了整合生物技术和可持续性研究的力量，为可持续蓝色牛仔布印染提供了一个新方向。”