Indygo: odtwarzanie barwnika faraonów Teach article

Tłumaczenie: Jakub Kościelniak. Co łączy twoje dżinsy, morskie ślimaki, urzet barwierski i egipską rodzinę królewską? To barwnik - indygo. Poznaj jego fascynującą historię i dowiedz się, jak wyprodukować go w szkole.

W starożytnym Egipcie tylko jedna łódź miała purpurowy żagiel. Kolor ten przynależał Faraonowi i był jasnym i mocnym znakiem dla innych podróżujących po Nilu, aby rozstąpili się i pozwolili przepłynąć królewskiej łodzi.

Nawet dzisiaj głęboki błękit, purpura i karmazyn są zwykle związane z rodzinami królewskimi, luksusem i bogactwem. Jest tak dlatego, że uzyskanie takich kolorów za pomocą naturalnych barwników jest drogie i trudne. Przed pojawieniem się przed 100 laty syntetycznych barwników, te naturalne (uzyskiwane z roślin, zwierząt lub surowców mineralnych) były jedynymi środkami do barwienia tkanin.

Żywa purpura żagli łodzi faraona była uzyskiwana dzięki indygo – naturalnemu barwnikowi, który może być pozyskany z pewnych roślin i zwierząt. Dzięki rzymskiemu przyrodnikowi Pliniuszowi Starszemu (zobacz dotyczącą go ramkę) możemy nawet poznać metody barwienia używane przez starożytne cywilizacje. Dzięki temu twoi uczniowie mogą pójść śladami tych pierwszych chemików, wyodrębniając indygo z liści urzetu.

Wykorzystując podstawowy sprzęt laboratoryjny uczniowie gimnazjów i liceów mogą przeprowadzić ekstrakcję w trakcie jednych czy dwu zajęć praktycznych.

Młodsi uczniowie (11-15 lat) mogą po prostu wykonać ekstrakcję, bez konieczności zagłębiania się w szczegóły reakcji chemicznych, [jednakże proszę zauważyć, że recenzent określił, że doświadczenie to jest odpowiednie dla uczniów w wieku 14 i więcej lat]. Uczniowie bardziej zaznajomieni z chemią organiczną (w wieku 16 i więcej lat) mogą przeanalizować substancje i bieg reakcji bardziej dokładnie. Eksperyment ten także odzwierciedla wykorzystanie nauki w przemyśle i może być wykorzystany w ramach projektu dotyczącego tego tematu.

Wszystko o indygo

Indygo jest związkiem organicznym występującym w trzech formach o różnym zabarwieniu – w postaci indygo, które jest niebieskie; purpurowego monobromoindygo i czerwono-purpurowego dibromoindygo (Ryc. 1). Barwniki pochodzenia naturalnego mogą zawierać tylko jeden z tych pigmentów lub mieszaninę dwu lub trzech z nich w różnych proporcjach, co daje zakres kolorów od czerwonego do niebieskiego (Cooksey, 2001). Intensywność barwy zależy także od sposobu barwienia, jak na przykład od tego, czy tkanina barwiona jest na świetle, czy w cieniu.

W starożytnym Egipcie indygo najwyższej jakości pozyskiwano ze ślimaków morskich z rodzaju Murex, które podówczas występowały powszechnie w przybrzeżnych wodach we wschodniej części Morza Śródziemnego. Dowody archeologiczne pochodzące z Krety wskazują, że ekstrakcja indygo ze ślimaka Murex rozpoczęła się w 2000 r. p.n.e. W 1000 r. p.n.e. Fenicjanie, cywilizacja zamieszkująca obszary dzisiejszego Libanu, także wykorzystywała ten ceniony barwnik.

Cała ich gospodarka opierała się na handlu purpurą tyryjską, fioletowo-purpurowym barwnikiem uzyskiwanym ze ślimaka Murex brandaris (dziś znanym jako Bolinus brandaris). Słynęli oni z tego na tyle, że nazwa Fenicjanie została wywiedziona od greckiego słowa „phoinίsso”, co oznacza „czynić czerwonym”.

Indygo otrzymywane ze ślimaka Murex było niesamowicie kosztowne, ponieważ z 12 000 ślimaków uzyskiwano jedynie 1,4 g purpury tyryjskiej – czyli ilość wystarczającą do zafarbowania chustki do nosa! Związki służące do wytwarzania barwnika wydzielane są w gruczole podskrzelowym ślimaka, znajdującym się pomiędzy jelitami a narządem skrzelowym. Wydaje się, że ślimak wytwarza prekursory indygo jako odpowiedź obronną, ze względu na ich właściwości antybakteryjne. Świeże wydzieliny są bezbarwne, ciemnieją pod wpływem kontaktu z powietrzem. Podając za Pliniuszem Starszym, barwnik wyodrębniano krusząc ślimaki, pozostawiając je w solance o odczynie alkalicznym na 3 dni, aż do ich rozkładu, a następnie gotujące je nawet przez 10 dni – wyobraźcie sobie tylko ten zapach!

Fenicjanie udoskonalali ten proces przez setki lat i odkryli, że w zależności od gatunku ślimaka, metody wyodrębniania i przerobu mogą uzyskiwać różne barwy, od czerwieni – poprzez purpurę – do błękitu (Tabela 1).

Niższej jakości indygo może być też pozyskane z niektórych roślin, a technika ta była znana już wcześniej, niż fenicki sposób wyodrębniania barwnika ze ślimaków. W Indiach metody wyodrębniania indygo z krzewu indygowca barwierskiego (Indigofera tinctoria) były znane przed 2000 r. p.n.e. W Europie barwnik ten ekstrahowano z urzetu (Isatis tinctoria). Mimo że rośliny te zawierają różne prekursory: indykan w indygowcu i isatan B w urzecie (patrz Tabela 1 i Ryc. 2), ostatecznie i tak otrzymuje się taki sam barwnik – indygo.

Otrzymywanie indygo z urzetu przebiega w trzech głównych etapach:

1. Gotowanie liści celem ekstrakcji rozpuszczalnego w wodzie isatanu B (Ryc. 3A; kroki 1-6 w poniższym opisie).
    
2. Dodawanie zasady (amoniaku) celem hydrolizy cząsteczki, eliminacja reszty cukrowej prowadzi do otrzymania wolnego indolin-3-onu lub jego tautomeru – indoksylu (Ryc. 3B; krok 7 poniżej).
    
3. Wystawienie ekstraktu na działanie powietrza, co prowadzi do utlenienia i połączenia dwu cząsteczek indolin-3-onu w jedną cząsteczkę niebieskiego barwnika – indygo (Ryc. 3c; barwienie wełny i otrzymywanie stałego indygo opisano poniżej).

Ćwiczenie: wyodrębnianie indygo z liści urzetu

Materiały

Dla każdej grupy uczniów:

• Świeże liście urzetu (Isatis tinctoria; tyle, by wypełnić 1-litrową zlewkę)
• Nasiona urzetu można łatwo dostać w sklepach ogrodniczych, a w niektórych krajach urzet występuje powszechnie (w Polsce jest bardzo rzadki w stanie dzikim – przyp. tłum.).
• 20 wag. roztwór amoniaku
• Trzy zlewki 1 L
• Woda destylowana
• Kwas oktanowy (opcjonalnie)
• Palnik Bunsena i trójnóg
• Pręcik do mieszania
• Sitko lub filtr
• Menzurki i/lub pipety 10 mL
• Rękawice żaroodporne
• Lejek i bibuła filtracyjna
• Nóż do cięcia liści (opcjonalnie)
• Bawełna do barwienia (opcjonalnie)
  W oryginalnym eksperymencie wykorzystano wełnę dziewiarską i nieprzetworzone, szarobiałe owcze runo.

Przepis

1. Wypełnij zlewkę liśćmi urzetu. Wysyp liście ze zlewki i potnij je lub porozdzieraj na małe kawałki.
2. Wypełnij zlewkę w dwóch trzecich wodą destylowaną i podgrzewaj palnikiem Bunsena do zagotowania.

3. 

   Dodaj kilka porozdzieranych liści do wrzącej wody, zamieszaj i kontynuuj ogrzewanie. Kiedy woda ponownie się zagotuje, dodaj jeszcze trochę liści. Dodawaj liście i podgrzewaj zawartość zlewki, aż zużyjesz cały materiał roślinny.

4. Po dodaniu wszystkich liści podgrzewaj całość jeszcze przez minutę.
5. Oddziel wygotowane liście, a płyn przenieś do czystej zlewki.
6. Ochłódź ekstrakt do temperatury pokojowej poprzez umieszczenie zlewki w płytkim naczyniu zawierającym lodowatą wodę, mieszając zawartość zlewki i naczynia. W ten sposób otrzymałeś roztwór zawierający, poza wieloma innymi związkami, isatan B, który jest nietrwałym glikozydem indoksylu.
7. Po wystygnięciu określ objętość ekstraktu i dodaj amoniaku w ilości 1% objętości, np. na 1 L ekstraktu dodaj 10 mL amoniaku; na 100 mL ekstraktu dodaj 1 mL amoniaku. Roztwór powinien natychmiast zmienić barwę z brązowej przez brązowo-żółtą do zielonej. Teraz otrzymany roztwór zawiera, poza wieloma innymi związkami, indoksyl.

Barwienie wełny

Zwilż wełnę i umieść w ekstrakcie na 10 minut. Wyjmij ją następnie z roztworu i pozostaw na powietrzu do wyschnięcia.

Otrzymywanie sproszkowanego indygo

1. Napowietrz ekstrakt przez przelewanie go z jednej do drugiej zlewki przez 10 minut.
    
2. Opcjonalnie: jeśli podczas napowietrzania powstaje za dużo piany, dodaj trochę kwasu oktanowego, kropla po kropli. Działa on jak surfaktant.
    
3. Przefiltruj ekstrakt przez zwykłą bibułę filtracyjną, aby otrzymać sproszkowane indygo.

Aby używać proszku jako barwnika, musi być on rozpuszczony w wodzie i wymieszany ze związkiem redukującym, jak na przykład ditionin sodu (Na₂S₂O₄). Kiedy barwiony materiał (np. wełna) zostanie wystawiony na działanie powietrza, zmieni barwę na niebieską.

 

Informacje dotyczące bezpieczeństwa

Pamiętaj, że indygo i jego prekursory są barwnikami, więc uważaj, aby nie polać nimi ubrania albo skóry. W czasie pracy ze stężonym roztworem amoniaku, jak również z indygo i jego prekursorami należy nosić rękawice i okulary ochronne i pracować pod wyciągiem. Zobacz też ogólne informacje Science in School dotyczące bezpieczeństwa.

Zagadnienia do dyskusji

• Dlaczego gotuje się liście? Co się wtedy dzieje?
• Co staje się po dodaniu amoniaku?
• Dlaczego, w czasie farbowania wełny, barwa widoczna jest dopiero po jej wyschnięciu?
• Co obserwujesz w czasie otrzymywania suchego barwnika, kiedy roztwór jest przelewany ze zlewki do zlewki? Dlaczego indygo wypada w postaci osadu?
• W jaki sposób dziś przemysłowo wytwarzane jest indygo? Jakie są jego główne zastosowania?

Dodatkowe ćwiczenia

Uczniowie mogą głębiej prześledzić chemię indygo i innych barwników, wykonując niektóre z poniższych ćwiczeń.

Obliczanie wydajności otrzymywania indygo

Zważ liście przed ekstrakcją i wysuszony proszek indygo. Oblicz wydajność procentową otrzymywania indygo następująco: (masa indygo / masa liści) x 100% Możesz porównać wydajność otrzymywania barwnika z liści świeżych i suszonych lub porównać ją z wydajnością otrzymywania indygo z innych źródeł, jak choćby Indigofera tinctoria.

Używanie indygo jako barwnika

W naszym doświadczeniu indygo wykorzystywane jest do barwienia wełny. Ale czy indygo może być używane do farbowania innych materiałów? Możesz sprawdzić, jak przebiega farbowanie materiałów naturalnych, jak wełna, len i jedwab oraz włókien syntetycznych (np. mieszanek poliester-wełna czy wełna-lycra).

Efektywność otrzymywania indygo

1. Skąd można uzyskać więcej indygo – z dużych, starszych liści czy z małych, młodych listków? Określ ilość otrzymanego indygo jako masę na liść (policz liście przez przeprowadzeniem ekstrakcji). Z których uzyskano największą ilość indygo?
2. Hoduj rośliny z użyciem i bez nawozu azotowego. Dąż do uzyskania zawartości 2-4 g azotu na m² gleby (musisz obliczyć ilość nawozu, która da taką zawartość azotu). Czy używanie nawozu azotowego skutkuje zwiększeniem ilości wytwarzanego indygo?
3. Spróbuj też umieścić rośliny na kilka dni w zaciemnionym miejscu (albo zakryj je czarnym, plastikowym workiem). Jaki to ma wpływ na ilość wytwarzanego przez roślinę barwnika? Co możesz powiedzieć na temat metabolizmu isatanu B w roślinie?
4. Zbadaj wpływ innych czynników na roślinę lub ucięte liście.
5. Zbadaj wpływ różnych metod ekstrakcji, na przykład z wykorzystaniem różnych zasad.

Badanie innych barwników

Moi uczniowie wytwarzali barwniki z łusek cebuli, z marzanny (Farusi, 2006) i jagód mirtu. Ponadto badali one trwałość koloru uzyskiwanego z pomocą różnych barwników poprzez pranie zabarwionych materiałów w różnych warunkach.

Uczymy się chemii z Pliniuszem Starszym

Ćwiczenie to jest częścią większego, interdyscyplinarnego projektu, opracowywanego wraz z uczniami w wieku 14-15 lat celem odkrywania metod naukowych wykorzystywanych w starożytności. Pliniusz Starszy (23-79 n.e.) był rzymskim pisarzem i przyrodnikiem. Jego encyklopedia, Historia naturalna, dostarcza nam wiele wiedzy na temat osiągnięć naukowych tamtych czasów. Każde zajęcia rozpoczynały się dyskusją fragmentu z Historii naturalnej i opracowaniem sposobu odtworzenia doświadczenia opisanego w tekście lub podobnego.

Dzięki temu uczniowie, wychodząc od „przed-naukowej” wiedzy Pliniusza, poprzez prace doświadczalne i dyskusje, zdobywali współczesną wiedzę naukową na każdy z omawianych tematów. Sposób ten pozwalał zmotywować nawet najmniej entuzjastycznych uczniów.

Inne, związane z projektem, ćwiczenia obejmują odtwarzanie starożytnych perfum (Farusi, 2011), przygotowywanie szklanej mozaiki za pomocą kwasu borowego, symulowanie luminescencji mięczaka Pholas dactylus i przygotowywanie atramentu żelazowo-galusowego (Farusi, 2007).

Podziękowanie

Autor pragnie podziękować dr. Davidowi Hillowi z Uniwersytetu Bristolskiego, Wielka Brytania, za jego cenne wskazówki dotyczące ekstrakcji indygo z urzetu.

Download

Download this article as a PDF