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.

Indygo uzyskiwane z liści
roślin

Zdjęcie dzięki uprzejmości
gitane; źródło zdjęcia:
Wikimedia Commons

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.

Współczesne wyobrażenie
egipskiej łodzi królewskiej,
ze zwiniętym żaglem w
kolorze cesarskiej purpury.
Zwróć uwagę, że „purpura”
nie zawsze oznaczała koloru
takiego, jaki znamy dziś.
Kliknij na obrazek aby
powiększyć

Zdjęcie dzięki uprzejmości
dudchik / iStockphoto

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

Ryc. 1: Struktury indygo (na
górze), monobromoindygo
(w środku) i dibromoindygo
(na dole). Kliknij na obrazek
aby powiększyć

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Gianluca Farusi

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.

Skorupa ślimaka Murex
brandaris
, którego wydzieliny
już w 2000 r p.n.e. służyły do
wytwarzania indygo

Zdjęcie dzięki uprzejmości H
Zell; źródło zdjęcia:
Wikimedia Commons

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).

Tabela 1: Naturalne źródła indygo
Zdjęcie dzięki uprzejmości H Zell, Dezidor, Kurt Stüber and Pethan; źródło zdjęcia: Wikimedia Commons

Gatunek

Wygląd

Prekursor barwnika znaleziony w organizmie

Nazwa barwnika

Barwa

Struktura chemiczna barwnika

Bolinus brandaris (właśc. Murex brandaris)

6-bromoindoksyl

Purpura tyryjska / purpura antyczna / argaman

Czerwono-purpurowa

Głównie dibromoindygo

Hexaplex trunculus (właśc. Murex trunculus)

Indoksyl i 6-bromoindoksyl

Błękit królewski / tekhelet

Niebiesko-purpurowa

Mieszanina indygo, mono- i dibromoindygo

Indigofera tinctoria (indygowiec barwierski)

Indykan

Indygo Błękitna Indygo

Isatis tinctoria (urzet barwierski)

Isatan B Indygo Błękitna Indygo

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.

Ryc. 2: Prekursory indygo obecne w roślinach: indykan (β-D-glikozyd indoksylu z indygowca; A) oraz isatan B (3-ketoglukonian indoksylu z urzetu; B)
Zdjęcie dzięki uprzejmości Gianluca Farusi
Ryc. 3: Przemiana isatanu B w
indygo. Kliknij na obrazek
aby powiększyć

Zdjęcia dzięki uprzejmości
Gianluca Farusi

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).
Indoksyl (A) i indolin-3-on (B) są tautomerami – izomerami współistniejącymi w równowadze ze sobą.
Kliknij na obrazek aby powiększyć

Zdjęcia dzięki uprzejmości Gianluca Farusi

Ćwiczenie: wyodrębnianie indygo z liści urzetu

Materiały

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Jeff Dahl; źródło zdjęcia:
Wikimedia Commons

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. Barwiony indygo len z 1873 r
    Zdjęcie dzięki uprzejmości
    PKM; źródło zdjęcia: Wikimedia
    Commons

    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.

Sproszkowane indygo na tle
urzetu, z którego zostało
otrzymane

Zdjęcie dzięki uprzejmości
naturaldyer; źródło zdjęcia:
Flickr

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.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
SixRevisions; źródło zdjęcia:
Flickr

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.
Wykonana w XI wieku Tkanina z Bayeux upamiętnia podbój Anglii przez Normanów; punkt zwrotny w Angielskiej historii. Pokazany fragment przedstawia Bitwę pod Hastings, w trakcie której Wilhelm, książę Normandii, pokonał Harolda, earla Wessex 14 października 1066 r. Trzy barwniki pochodzenia roślinnego, stosowane samodzielnie lub jako mieszaniny, zostały użyte do osiągnięcia dziesięciu różnych barw obecnych na tej 70-metrowej, haftowanej tkaninie; wykorzystano urzet (błękity i zielenie), marzannę (Rubia tinctorum; czerwienie) i rezedę (Reseda luteola; żółcie i ciemne zielenie). Aby osiągnąć pożądaną intensywność barw wełna była po kolei namaczana i suszona na powietrzu. Kliknij na obrazek aby powiększyć
Zdjęcie dzięki uprzejmości Marcel Douwe Dekker; źródło zdjęcia: Flickr

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

XII-wieczny manuskrypt
Historii naturalnej. Kliknij
na obrazek aby powiększyć

Zdjęcie dzięki uprzejmości
PHGCOM; źródło zdjęcia:
Wikimedia Commons

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

References

Resources

  • Seefelder M (1994) Indigo in culture, science and technology. Landsberg, Germany: Ecomed Verlagsgesellschaft. ISBN 978-3609651606

Author(s)

Gianluca Farusi uczy chemii w technikum (Istituto Tecnico Industriale) Galileo Galilei w Avenza-Carrana we Włoszech i od 2004 roku prowadził zajęcia ze stechiometrii na Uniwersytecie w Pizie we Włoszech dla dyplomantów na chemii i technologii medycznej. Jest także regionalnym tutorem włoskiego programu rządowego „Insegnare Scienze Sperimentali” („dydaktyka nauk eksperymentalnych”). Gianluca jest także regionalnym tutorem programu REACH (rejestracji, oceny, udzielania zezwoleń i stosowanych ograniczeń w zakresie chemikaliów) dla szkół średnich. Jest nauczycielem od 16 lat i nic nie cieszy go bardziej, niż wyraz tryumfu na twarzach jego uczniów, kiedy właśnie rozwikłają złożony, chemiczny problem.


Review

W tym artykule i w kilku innych, opublikowanych na łamach Science in School, tekstach Gianluca Farusi z powodzeniem łączy starożytną historię i chemię w niezwykłą mieszankę – w tym przypadku powstało twórcze i proste ćwiczenie polegające na wyodrębnianiu indygo z liści urzetu (Isatis tinctoria). Z mojego doświadczenia wynika, że ćwiczenia, w których pracuje się z kolorami są skuteczną drogą do przyciągnięcia uwagi uczniów.

Dodatkowe propozycje ćwiczeń i pytań do przedyskutowania, które zostały zasugerowane w artykule powinny pomóc uczniom zdobyć jeszcze więcej praktycznej wiedzy, a także stymulować ich do zadawania intrygujących pytań i udzielania odpowiedzi.


Vladimir Petruševski, Republika Macedonii




License

CC-BY-NC-SA