Indigo: Wiederherstellung des Farbstoffs der Pharaonen Teach article

Übersetzt von Verena Müller. Was haben Ihre Jeans, Meeresschnecken, der Färberwaid und die ägyptische königliche Familie gemeinsam? Es ist der Farbstoff Indigo. Lernen Sie mehr über seine faszinierende Geschichte und wie Sie ihn in der Schule extrahieren können.

Im alten Ägypten hatte nur ein Schiff ein purpurnes Segel. Es gehörte dem Pharao und war für die anderen Nilbefahrer ein kraftvolles und mächtiges Zeichen, dass sie Platz machen sollten, um das königliche Schiff vorbei zu lassen.

Selbst heute verbindet man die Farben Tiefblau, Purpur und Karminrot noch traditionell mit Königtum, Luxus und Wohlstand. Der Grund dafür ist, dass es schwierig und teuer ist, ihre Färbung mit natürlichen Farbstoffen zu erhalten. Bis zum Aufkommen von synthetischen Farbstoffen vor 100 Jahren boten natürliche Farbstoffe (aus Pflanzen, Tieren oder Mineralien) die einzige Möglichkeit Stoffe einzufärben.

Das lebendige Purpur des Segels des Pharaos wurde mit Indigo hergestellt – einem natürlichen Farbstoff, der aus bestimmten Pflanzen und Tieren gewonnen werden kann. Wir haben es dem römischen Naturforscher Plinius dem Älteren (siehe Kasten zu Plinius dem Älteren), zu verdanken, dass wir die Färbemethoden der antiken Kulturen überhaupt kennen. Die Aufgaben hier ermöglichen es Ihren Schülern in die Fußstapfen dieser frühen Chemiker zu treten und Indigo aus dem Färberwaid zu extrahieren.

Mit einer Laborgrundausstattung können Schüler von weiterführenden Schulen die Extraktion in ein oder zwei Praktikumsveranstaltungen ausführen.

Jüngere Schüler (11-15 Jahre) könnten nur die Extraktion an sich durchführen, ohne großartig ins Detail über die chemische Reaktion zu gehen [beachten Sie jedoch, dass der Gutachter die Aufgaben für Schüler ab 14 empfiehlt]. Schüler, die in der organischen Chemie fortgeschrittener sind (ab 16 Jahren) könnten die Stoffe und Reaktionen gründlicher untersuchen. Das Experiment ist auch für die Anwendung von Wissenschaft in der Industrie nützlich und könnte als Teil eines Projektes über dieses Thema durchgeführt werden.

Alles über Indigo

Indigo ist ein organischer Stoff, der in drei verschiedenfarbigen Formen vorkommt – Indigo selbst, was blau ist, purpurviolettes Mono-Bromoindigo und purpurrotes Di-Bromoindigo (Abbildung 1). Natürliche Farbstoffe können nur eines dieser Pigmente beinhalten oder eine Mischung von zweien oder dreien, die in unterschiedlichen Verhältnissen vorkommen können, was eine Farbspektrum von Rot zu Blau ergibt (Cooksey, 2001). Die Intensität der Farbe wird auch durch die Verarbeitung beeinflusst, zum Beispiel, ob der gefärbte Stoff in der Sonne oder im Schatten getrocknet wird.

Im alten Ägypten wurde der hochwertigste Indigo aus Meeresschnecken der Gattung Murex gewonnen, welche einst zahlreich in den Küstengewässern des östlichen Mittelmeers zu finden waren. Archäologische Funde aus Kreta deuten darauf hin, dass das Gewinnen von Indigo aus Murex-Schnecken um 2000 v. Chr. begann. Bis 1000 v. Chr. beuteten die Phönizier, eine Volk, das im heutigen Libanon lebte diesen wertvollen Farbstoff aus.

Die Grundlage ihrer Wirtschaft war der Handel mit Tyrianischem Purpur, einem violet-purpurnem Indigofarbstoff, der aus der Schnecke Murex brandaris (heute bekannt als Bolinus brandaris) gewonnen wurde. Sie wurden so berühmt dafür, dass sich ihr Name Phönizier von dem griechischen Wort ‘phoinίsso’ ableitet, was “Rot machen” bedeutet.

Indigo aus Murex-Schnecken war so teuer, weil aus 12 000 Schnecken nur 1,4 g Tyrianisches Purpur gewonnen wurden – gerade genug Farbstoff für ein Taschentuch! Die Verbindungen, die genutzt werden, um den Farbstoff herzustellen, werden von der Hypobranchialdrüse der Schnecke sekretiert, die zwischen dem Darm und dem Branchialorgan liegt. Die Schnecken produzieren diese Indigovorstufen vermutlich als Abwehrmechanismus und wegen ihrer antimikrobiellen Eigenschaften. Die frischen Sekrete sind farblos, dunkeln aber an der Luft. Laut Plinius dem Älteren wurde der Farbstoff durch Zerdrücken der Schnecken gewonnen, die zum Verfaulen drei Tage in alkalisches Salzwasser gelegt und dann bis zu 10 Tage gekocht wurden – stellen Sie sich mal den Gestank vor!

Die Phönizier perfektionierten diesen Prozess über hunderte von Jahren und entdeckten, dass sie, wenn sie verschiedene Schneckenarten, Extraktionsmethoden und Verabeitungstechniken verwendeten, eine Farbpalette von Rot über Lila bis Blau herstellen konnten (Tabelle 1).

Indigo geringer Qualität kann auch aus bestimmten Pflanzen gewonnen werden und diese Technik ist sogar älter als der Farbstoff der Phönizier, der aus der Schnecke gewonnen wird. In Indien waren Methoden zur Indigogewinnung aus dem “echten Indigo”-Strauch Indigofera tinctoria schon vor 2000 v. Chr. bekannt. In Europa wurde der Farbstoff aus dem Färberwaid (Isatis tinctoria) extrahiert. Obwohl diese zwei Pflanzen unterschiedliche Vorstufen enthalten, nämlich Indikan im echten Indigo und Isatan B im Färberwaid (Tabelle 1 und Abbildung 2), ergeben sie am Ende denselben Farbstoff – Indigo.

Die Herstellung von Indigo aus dem Färberwaid findet in drei Hauptschritten statt:

1. Das Kochen der Blätter, um das wasserlösliche Isatan B zu extrahieren (Abbildung 3A; Schritte 1-6 in der Übung unten).
    
2. Zugabe von Lauge (Ammoniak), um das Molekül zu hydrolysieren, wobei die Kohlenstoffgruppe entfernt wird, so dass Indolin-3-on oder sein Tautomer Indoxyl entstehen (Abbildung 3B; Schritt 7 in der Übung unten).
    
3. Oxidation des Extrakts an der Luft und Verbindung von zwei Indolin-3-on Molekülen zum blaugefärbten Indigo (Abbildung 3C; Färben von Wolle und Erhalten von Indigopulver in der Übung unten).

Übung für die Schüler: Extraktion von Indigo aus Blättern des Färberwaids

Materialien

Für jede Schülergruppe:

• Frische Färberwaidblätter (Isatis tinctoria) (genug, um ein 1 l Becherglas zu füllen)
• Färberwaidsamen erhält man leicht in Gartenzentren und in manchen Ländern ist der Färberwaid eine recht häufige Pflanze.
• 20 wt% Ammoniaklösung
• Drei 1 l Bechergläser
• Destilliertes Wasser
• Oktansäure (optional)
• Bunsenbrenner und Dreifuß
• Rührfisch
• Sieb oder Filter
• Messzylinder und/oder 10 ml Pipetten
• Hitzebeständige Handschuhe
• Trichter und Filterpapier
• Messer zum Kleinschneiden der Blätter (optional)
• Wolle zum Färben (optional)
  Ich habe einen Knäuel weiße Strickwolle und raues, grauweißes Schafsvlies genommen.

Vorgehensweise

1. Füllen Sie ein Becherglas mit Färberwaidblättern. Nehmen Sie die Blätter wieder heraus und schneiden oder reißen Sie sie in kleine Stücke.
2. Füllen Sie das Becherglas zu zwei Dritteln mit destilliertem Wasser und bringen Sie es über dem Bunsenbrenner zum Kochen.

3. 

   Fügen Sie ein paar zerrissene Blätter zum kochenden Wasser, rühren Sie und erhitzen Sie es weiterhin. Wenn das Wasser wieder kocht, fügen Sie weitere Blätter hinzu. Fahren Sie so mit der Blätterzugabe und dem Erhitzen fort, bis alle Färberwaidblätter aufgebraucht sind.

4. Nachdem Sie alle Blätter zugegeben haben, lassen Sie die Flüssigkeit noch 1 Minute kochen.
5. Seihen Sie alle Flüssigkeit von den gekochten Blättern in ein sauberes Becherglas ab.
6. Kühlen Sie den Extrakt auf Raumtemperatur ab, wobei Sie das Becherglas in eine flache Wanne mit kaltem Wasser stellen und den Extrakt im Becherglas sowie das Wasser in der Wanne rühren. Sie haben nun eine Lösung, die neben vielen anderen Stoffen auch Isatan B enthält, was ein instabiles Indoxyl-Glykosid ist.
7. Wenn der Extrakt abgekühlt ist, messen Sie sein Volumen und geben Sie so viel Ammoniak dazu, wie 1 % des Volumens entspricht d.h. geben Sie 10 ml Ammoniak zu 1 l Extrakt und 1 ml Ammoniak zu 100 ml Extrakt. Die Lösung sollte sofort von braun zu braungelb und dann zu grün umschlagen. Sie haben nun eine Lösung, die neben vielem anderem Indoxyl enthält.

Färben von Wolle

Machen Sie die Wolle nass und legen Sie diese 10 Minuten in den Extrakt. Nehmen Sie die Wolle heraus und lassen Sie sie an der Luft trocknen.

Gewinnung von Indigopulver

1. Fügen Sie dem Extrakt Luft zu, indem Sie die Lösung 10 Minuten lang zwischen zwei Bechergläsern hin- und herschütten.
2. Optional: Falls während der Luftzufuhr zu viel Schaum entsteht, geben Sie etwas Oktansäure tropfenweise hinzu. Diese wirkt als Tensid.
3. Filtrieren Sie den Extrakt durch gewöhnliches Filterpapier, um Indigopulver zu erhalten.

Um das Indigopulver als Farbstoff zu verwenden, muss es in Wasser gelöst werden und mit einem Reduktionsmittel vermischt werden, wie etwa Natrium-Hydrosulphit (Na₂S₂O₄). Wenn das gefärbte Material (z.B. Wolle) Luft ausgesetzt wird, wird es blau.

 

Sicherheitshinweis

Denken Sie daran, dass Indigo und viele seiner Vorstufen Farbstoffe sind und seien Sie daher vorsichtig, dass Sie nichts auf Kleidung oder Haut verschütten. Tragen Sie Handschuhe und Schutzbrille und arbeiten Sie unter dem Abzug, wenn Sie mit konzentrierter Ammoniaklösung sowie mit Indigo und seinen Vorstufen hantieren. Beachten Sie auch die generellen Sicherheitshinweise von Science in School.

Fragen zur Diskussion

• Warum kochen wir die Blätter? Was passiert dabei?
• Was passiert, wenn der Ammoniak zugegeben wird?
• Wenn man die Wolle färbt, wieso erscheint die Blaufärbung, wenn die Wolle trocknet?
• Was passiert während der Herstellung des Pulvers, wenn die Lösung zwischen den Bechergläsern hin- und hergeschüttet wird? Warum fällt der Indigo aus?
• Können Sie herausfinden, wie Indigo heute industriell hergestellt wird? Für was wird er hauptsächlich verwendet?

Zusätzliche Aufgaben

Sie können Ihre Schüler mit den folgenden Aufgaben auch auffordern, die Chemie des Indigo und anderer Farbstoffe weiter zu untersuchen.

Berechnen der Ausbeute an Indigo

Wiegen Sie die Blätter vor der Extraktion und wiegen Sie das getrocknete Indigopulver. Berechnen Sie die prozentuale Ausbeute wie folgt: (Masse des Indigo / Masse der Blätter) x 100. Sie können die Ausbeute zwischen frischen und getrockneten Blättern oder sie mit der Aubeute aus anderen Indigoquellen, wie Indigofera tinctoria, vergleichen.

Nutzung des Indigo als Farbstoff

Unser Experiment beinhaltet die Nutzung des Indigo zur Färbung von Wolle. Kann Indigo auch zu Färbung anderer Materialien genutzt werden? Sie könnten Naturmaterialien wie Baumwolle, Leinen oder Seide mit synthetischen Stoffen oder synthetischen Mischstoffen vergleichen (z. B. Polyester-Baumwolle, Baumwoll-Lycra).

Die Effektivität der Indigoherstellung

1. Woraus lässt sich mehr Indigo gewinnen – aus größeren, älteren Blättern oder aus jungen, kleineren Blättern? Berechnen Sie die Menge an gewonnenem Indigo in Gewicht und pro Blatt (zählen Sie die Blätter vor der Extraktion). Woraus lässt sich am meisten Indigo gewinnen?
2. Kultivieren Sie die Pflanzen mit und ohne Stickstoffdünger. Versuchen Sie 2-4 g Stickstoff pro m² Erde zu benutzen (Sie müssen die Menge an Dünger berechnen, welche die oben genannte Menge an Stickstoff ergibt). Vergrößert der Einsatz von Stickstoffdünger die Indigo-Ausbeute?
3. Probieren Sie aus, was geschieht, wenn Sie die Pflanzen ein paar Tage ins Dunkle stellen (decken Sie sie mit schwarzer Folie ab). Beeinflusst dies die Menge an hergestelltem Indigo? Was können Sie über den Stoffwechsel von Isatan B in der Pflanze sagen?
4. Untersuchen Sie den Einfluss anderer äußerer Einflüsse auf die Pflanze oder die geschnittenen Blätter.
5. Untersuchen Sie den Einfluss verschiedener Extraktionsmethoden. Benutzen Sie zum Beispiel unterschiedliche Laugen.

Die Untersuchung von anderen Farbstoffen

Meine Schüler haben Farbstoffe aus Zwiebelschalen, Färberkrapp (Farusi, 2006), und aus den Beeren der Myrte hergestellt. Außerdem haben sie ausprobiert, wie farbecht ihre Farbstoffe waren, indem sie die gefärbten Materialien auf unterschiedliche Arten gewaschen haben.

Chemie lernen mit Plinius dem Älteren

Diese Übung gehört zu einem größeren, fächerübergreifenden Projekt, das mit 14- bis 15-jährigen Schülern entwickelt wurde, um alte wissenschaftliche Techniken zu ergründen. Plinius der Ältere (23-79 n. Chr.) war ein römischer Schriftsteller und Naturforscher. Seine Enzyklopädie Naturalis Historia fasst viele der wissenschaftlichen Erkentnisse dieser Zeit zusammen. Wir haben jedes Thema mit der Besprechung eines Absatzes aus Naturalis Historia begonnen und dann überlegt, wie wir das im Text beschriebene Experiment oder ein ähnliches durchführen können.

Dadurch waren die Schüler zu Beginn auf demselben vor-wissenschaftlichen Stand wie Plinius und haben durch Laborarbeit und Diskussionen Einblicke in die moderne Wissenschaft bekommen. Dieser Arbeitsablauf motivierte sogar die desinteressiertesten Schüler.

Andere Aufgaben dieses Projekts beinhalten die Herstellung von alten Parfums (Farusi, 2011), die Herstellung von Glasmosaiksteinen mit Borsäure, die Simulation der Lumineszenz des Schalentiers Pholas dactylus, und die Herstellung von Eisengallustinte (Farusi, 2007).

Danksagung

Der Autor möchte Herrn Dr. David Hill von der Universität Bristol, UK für seine Ratschläge zur Indigoextraktion aus dem Färberwaid danken.

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