A növényi festékek
Kinek nem gyönyörködik a szeme, amikor a virágzó
rét tarka, de mégis harmonikus színpompáját
látja? Kinek nem nyugszik meg lelke, amikor a hegytetôrôl
szétnéz a zöldelô erdôk felé? Kora
tavasszal még hó takarja az avart, amikor a hóvirág
kedves harangocskái fehérleni kezdenek. Azután a kökörcsin
ibolyaszínû kelyhei jelennek meg a természetjáró
szeme elôtt, hogy egyre gyorsabb iramban átadják a
helyet a késô tavaszi és nyári vadvirágok
sárga, piros, fehér és kék szirmainak. A nyári
hegyoldalon széttekintve azt hinné az ember, csupa egyhangú
zöldet lát. Zöld a tûlevelû fenyô, zöld
a boróka, zöld a bükk és ugyancsak zöld a
tölgy és mégis csodálatosan változatos
árnyalatban mutatják meg a vándornak, milyen különbség
lehet zöld és zöld között. A nyári séták
után egyre rövidebbek a napok, kevesebb a színpompa
a virágos réten. Az erdô megnyugtató, szemet
pihentetô zöldje is megváltozik, fakulni kezd a lomb.
Kimondhatatlanul sok színárnyalatban sárga, barna,
rôt és ibolyás foltok jelennek meg a jólismert
hegyoldalakon. A változhatatlanságot csupán
a fenyôerdôk szinte fájdalmasan elsötétülô
zöld pásztái jelzik. Ez az az ôszi színpompa,
amely annyiszor ihlette meg a mélabú költôit.
Kisvártatva a tél következik. Szelíd hótakarójával
eltakarja a tájat. Egyformán szép és egyaránt
fehérré válik minden; az is, ami azelôtt színpompás,
tarka, bájos képet nyújtott, de az is, ami talán
egyhangú vagy sivár volt elôbb. Néhány
hónap múltán jön a várva várt tavasz,
s újból kezdôdik a bámulatos színjáték.
Az egyszerû vándor megelégszik azzal, hogy gyönyörködik
a növények színpompájában és élvezi
a természet csodás harmóniáját. A természettudós
persze ilyenkor is okozati összefüggést, magyarázatokat
kutat, különösen akkor, ha ráadásul vegyész.
Hogy mi a végsô célja a természetnek azzal, hogy ezt a szemünknek annyira tetszô színpompát évrôl-évre elénk tárja, bizony nem teljesen tisztázott kérdés. Fizika, élettan, biokémia, állattan és örökléstan össze kell hogy fogjon ennek a bonyolult természeti titoknak megfejtésére. Hagyjuk tehát eI ezúttal ezt a bonyolult feladatot és lássunk hozzá a közvetlen okok kikutatásához, nézzük meg közelebbrôl a természetadta növények, a színes virágok, a zöldelô erdô, meg a csábító pompájú gombák színét, vizsgáljuk meg ezt a tarka világot a vegyész szemével és a szerves kémia fegyvereivel.
Mindenki tudja, hogy a növények legapróbb alkotórészeitôl, a sejtektôl függ, hogy milyen színt sugároznak felénk. Ahol a sejtekben levegôbuborékok úszkálnak, ott a növény (vagyis sok ezernyi sejtnek szemünk elôtt egybefolyó tömege) fehérnek látszik. Ahol viszont különféle szerves vegyületek kerülnek a sejtekbe, ott a szivárvány valamelyik színe fog szemünkbe tûnni. Hogy melyik, azt a szerves vegyület (mondhatjuk úgy is, hogy a természetes festék) minôsége szabja meg. Aszerint, hagy a szerves anyag a fehér fénysugárnak melyik alkotórészét nyeli el, ibolyaszínûnek, zöldnek vagy vörösnek fog látszani, vagyis a fehér fénybôl megmaradó színeket fogja kisugározni. Ezt a következô táblázatból könnyen megérthetjük.
l. TÁBLAZAT
| Hullámhosszúság
ezredmikronokban: |
Elnyelt sugarak: | Megmaradt sugarak
(a tárgy színe): |
| 400
425 450 490 510 530 550 590 640 730 |
ibolyaszín
kék búzavirágkék kékeszöld zöld sárgászöld sárga narancsszín vörös bíborszín |
sárgászöld
sárga narancsszín vörös bíborszín ibolyaszín kék búzavirágkék kékeszöld zöld |
Hogy azután az egyes vegyületek miért éppen a reájuk jellemzô színt mutatják (azaz miért éppen bizonyos hullámhosszúságú sugarakat nyelnek csak el), arra általános szabályt ma még nem tudunk. Annyi bizonyos, hogy a kémiai szerkezet és a vegyület színe között szabályszerû összefüggések vannak. A természetes festôanyagok kivétel nélkül mind szerves vegyületek és érdekes, hogy a szerves vegyületek színének a szerkezettel összefüggését ma is nagyjából a Witt-féle, 1876-ból származó elmélettel lehet megmagyarázni.
WITT szerint ugyanis két feltétele van annak, hegy valamely szerves vegyület színes, illetôleg festék lehessen: a molekulájában legyen úgynevezett chromophor (magyarul : színhordozó) csoport és ehhez úgynevezett auxochrom (magyarul: színkifejlesztô) gyök kapcsolódjék. Ha csupán az elôbbi feltétel teljesül, akkor chromogén csoportról van szó. Ez magában véve lehet színtelen vagy esetleg színes is, de mégsem igazi festék. Szüksége van a kiegészítô auxochrom gyökre. Az auxochrom gyökök sorában az aminogyök (NH2) és a hidroxilgyök (OH) a legfontosabb és leggyakoribb.
A Witt-féle elmélettel nem lehet a szerves festékek igazi festôanyag voltát és a színnek a szerkezetét kielégítôen megmagyarázni; egész sereg újabb elmélet próbálta hibáit kiküszöbölni. Általános érvényû szabályokat azonban egyik utód sem hozott, s ezért a természetes festôanyagok rövid áttekintésénél a legcélszerûbb WIIT elméletéhez ragaszkodnunk.
Mivel WITT elmélete szerint az auxochrom gyökök nem fajlagos megkülönböztetôi, hanem közös alkotórészei a szerves festékeknek, világos, hogy a csoportosításnak csakis a chromophor csoport lehet az alapja. A rendszerbefogladást kissé megnehezíti azután, hegy egy-egy festékben több chromophor csoport is lehet, igen változatos variációkra nyílik e szerint lehetôség.
A chromophor csoportok szerint elsônek a szerves festôanyagoknak azt a családját vehetjük szemügyre, amely etilén kettôs kötéseknek >C=C< köszönheti színezôanyag jellegét.
KUHN és WINTERSTEIN kutatásai alapján tudjuk, hcgy a kettôs kötéseket tartalmazó (telítetlen) szénhidrogének általában hosszabb hullámú sugarakat nyelnek el, mint a megfelelô telített vegyületek. Ahhoz továbbá, hogy észrevehetôen színes legyen a vegyület, legalább 5-6 rendszeresen ismétlôdô kettôs kötésre van szükség. E festékcsoportot szerkezete miatt poliénfestékeknek, vagy legismertebb tagjáról karotinoidoknak hívják.
A vitaminok megismerése óta fokozott figyelmet szenteltek a kutatók a karotinnak, ennek a C40H56 összetételû szénhidregénnek. A karotin ugyanis elôvitaminja az A-vitaminnak, egy-egy molekulája kettéhasadva két-két molekula A-vitaminná alakulhat át az élô szervezetekben. Ez az élettani fontosság indokolttá teszi, hogy a karotin legalább egyik fajta módosulatának, az a-karotinnak a szerkezetét is bemutassuk.
1. ábra. Az a-karotin (C40 H56) szerkezeti képlete
Amint a szerkezeti képletbôl Iátjuk, az a-karotin hosszú szénatomláncú vegyülete nem teljesen szimmetrikus, a két vége egymástól elütô, s ez magyarázza meg, miért téríti el útjából a fénysugarat (optikailag aktív). Képzeljük el már most, hegy a szénláncnak mindkét végén az elôbb a jobboldalon látatt szerkezet szerepel, s akkor tisztában vagyunk a b-karotinnal is. Ha ez utóbbit a középvonalon elhasítjuk, két egymással teljesen megegyezô darabot kapunk. Folytatva a karotin váltazatainak sorozatát, a g-karotin következik. Ennél elmarad az egyik lánc végén a zárt szerkezet, kinyílik a kör. Ha végül ez a nyitott szerkezet a láncnak mindkét végén megjelenik, a paradicsom festôanyaga, a likopin áll elôttünk. Érdekes egyébként, hegy a karotinnak, ennek a közismert sárga festôanyagnak mindhárom módosulata egészen tiszta, kristályos alakban, ibolyaszínû prizmák képében jelentkezik. A növényvilágban nagyon elterjedt ez a festékcsoport, a természet festôpalettájának kedvenc színei a karotinoidok sorából kerülnek ki. Az elôbb említettek közül a karotin nemcsak a sárgarépának a fô festôanyaga, hanem kisebb-nagyobb mennyiségben elõfordul a fûfélékben, a csalánban, sok gyümölcsben és néhány virágban (pl. sárga nárcisz). Hasonlóképen a likopin elterjedése sincsen csupán a paradicsomra korlátozva, hanem más növényi termésben és gyümölcsben is megtalálható. Az érett görögdinnye húsában pl. a paradicsom és a sárgarépa festékének, azaz a likopinnak és a karotinnak a keveréke a festôanyag. Aszerint, hogy a piros likopinból, avagy a sárga karotinból van több, a dinnye színe is a sötétvöröstôl a halványsárgáig váltakozni szokott. A vadrózsa jólismert terméseinek is a likopin adja meg piros színüket. A paprikában ugyancsak megtalálható a karotin és a likopin egész sereg más festôanyag kíséretében.
Meg kell ugyanis jegyeznünk, hogy a természetben távolról sinesenek meg az elméletileg elképzelt teljes elkülönítések. Amint az anyagcsere sem egyszerû oxidáció, hanem rendkívül bonyolult, Iépcsõzetesen lejátszódó reakciókból összetett és a szervezet pillanatnyi szükséglete szerint változó módon lejátszódó folyamat, úgy a növények világának színeit sem egészen egységes, egyetlen festôanyagból álló vegyületek okozzák. Jóformán minden növény levelében, virágjában és termésében összetett festékrendszerbôl, rendszerint egy-két fôalkotórészbôl és számtalan kis mennyiségben jelenlévô kísérô festékanyagból áll a színt adó vegyületcsoport. Valahogy úgy képzelhetnõk a dolgot, mintha csak az általános utasítás volna nagy vonalakban meghatározva a növényfaj szerint. Hogy azután az egyed a sok reakciólehetôség közül melyiket használja ki és a növény "nyersanyagaiból", a vízbôl, levegôbôl és a napfénybôl a bonyolult katalitikus reakciók eredményeként milyen arányban állítja elô a fôfestékeket és milyenben a kísérôanyagokat, az az egyodi tulajdonságoktól, a körülményektôl és az átöröklött hajlamoktól függ.
A festékrendszer bonyolultságát Iegjobban egy minden magyar embert érdeklô példával, a paprika festõanyagaival mutathatjuk be. ZECHMEISTER és CHOLNOKY kutatásai kiderítették, hogy az érett paprikának poliéneszterekbôl áll a festôanyaga, ez azonban távolról sem tekinthetô egységes anyagnak, hanem színes viaszok keveréke. Az elôbb felsorolt poliénfestékek közül b-karotin és nyomokban a-karotin van ebben a viaszkeverékben, a poliénalkoholok sorából pedig a capsanthin, capsorubin, zeaxanthin, lutein, kryptoxanthin és néhány eddig ismeretlen szerkezetû poliénfesték található benne. Ez utábbi festékek különféle szerves savakhoz kapcsolódva, természetesen igen sok változatban szerepelhetnek. Ugyanaz a poliénalkohol hol palmitinsavval, hol stearinsavval, miristinsavval, carnaubasavval, vagy olajsavval alkothat esztereket, esetleg két-két savval is képezhet vegyületeket. Egyáltalán nem túlzás tehát a kutatóknak az a meglepôen ható állítása, hogy az érett paprika terméshúsában legalább száz egymástól különbözô festôanyag szokott jelen lenni. Mennyiségileg az összes többi festéket a capsanthin szárnyalja túl, ez tehát a fô festékanyag, amely mellett a többiek aránya természetesen a paprika fajtája és egyedei szerint elég tág határok között váltakozik.
Okunk van feltenni, hogy ez a részletesen megvizsgált eset nem egyedülálló, hanem jóformán áll a természet minden színes anyagára. Mindenütt kísérôanyagok szerepelnek a fô hatóanyagok mellett. Hasonló természetûek a növények zamat- és illatanyagai is. A jellegzetes fôalkotórészt finom érzékkel összeválogatott és az igazi zamatot tökéletes biztonsággal megadó mellékanyagek kísérik. Ez teszi annyira, nehézzé a természetadta zamatnak, íznek és illatnak a tökéletes utánzását. Ezért bonyolult és ezért kerülne sokba ezeket a természetes vegyületkeverékeket a laboratóriumban elôállítani. Rendesen megelégszenek a fôalkotórészek elegyítésével, ami felületes szemlélôben, avagy gyári tömegcikkekhen megközelíti a természetes anyagnak érzékeinkre gyakorolt hatását.
Térjünk azonban vissza a >C=C< kötésû chromophor csoport többi festôanyagához. Eddig a tisztán szénbôl és hidrogénbôl álló poliéneket ismertük csak meg, van azonban sok olyan polién is, amelyben már oxigén is van. Ezeket a poliénalkoholokat gyûjtônéven xanthophylloknak hívják. Szerkezetükben a hosszú szénláncokat a jellegzetes kettôs kötések tarkítják és a láncok végén megjelennek a karotinoknál ismertetett különleges atomcsoportok. Említésre méltók e sorozatban a következô festôanyagok.
A kryptoxanthin, C40H56O, a kukoricának és a paprikának sárgásvörös festôanyaga, sok bogyóban is megtalálható. A kristályalakban vöröses Iutein, C40H56O2, a növényvilágban igen elterjedt sárga festék. Sok van belôle a csalánban. Rendszerint a levelek zöld festôanyagának, a klorofillnak a kísérôje. Ugyanilyen az összetétele, csak más a térbeli elrendezôdése a kukorica jellegzetes halványsárga festôanyagának, a zeaxanthinnak.
A sorban most egy oxi-gamma-karotin, a rubixanthin következik. Ez színezi rézvörössé a csipkerózsa bogyóit. Három OH-csoport van a szironták élénksárga szirmainak festôanyagában, a fIavoxanthinban. Az ibolya szirmaiból egy barnásvörös oszlopkákban kristályosodó festôanyagot különítettek el. Ennek a violaxanthinnak négy OH-csoport szerepel a molekulájában. Ugyancsak négy hidroxilt találtak a pitypang szirmait élénksárgára festô taraxanthin molekuláiban. Végül valóságos OH-halmozást Iátunk a barna moszatok festékjének a szerkezetében. Ez a fucoxanthinnak elnevezett poliénalkohol ugyanis hat hidroxilcsoporttal dicsekedhetik.
Ha azután az alkoholok savakkal kombinálódnak, újabb színváltozatok jönnek létre. Ezek közül a természetadta eszterek közül "látásból" mindnyájan ismerjük a helenient. A luteinnek ez a dipalmitinsavas esztere festi narancsszínûre a Peruból hozzánk került kerti virágnak, a sarkantyúkának szirmait. A zeaxanthinnak ugyanilyen eszterét, a physalient, a kukoricában és sok bogyós gyümölcsben találták meg a kutatók. A caricaxanthin pedig a kryptoxanthinnak az esztere s a Carica Papayában, ebben a trópusi gyümölcsben szerepel színezôanyagként. A sorozat végére illeszthetjük a tiszafa termésének vörös festékanyagát, a rhodoxanthint. Ez nem alkohol, nem is eszter, hanem kettôs keton. A hosszú, negyven szénatomos lánc mindkét végén ugyanis egy-egy ketoncsoport (C=O) szerepel.
A nagyven szénatomos karotinoidok lebontása révén képzôdhetnek olyan kisebb szénláncú vegyületek, amelyek közt ugyancsak akadnak szép színárnyalatú festékanyagok. Említésreméitó ezek sorában a sáfrány élénksárga színezôanyaga, a narancsszínû oszlopkákban kristályosodó azafrin (C27H38O4). Ennek a szerkezetében érdekes, hogy a rendszeresen ismétlôdô kettôs kötéseket mutató szénlánc egyik végén a karotinnál találthoz hasonló atomcsoport foglal helyet, magában foglalva két OH-csoportot. A lánc másik végzôdése nyított: egy COOH-gyök zárja le. Az azafrin szakszerû meghatározása tehát: dioxi-karbonsav. Van a sáfrányban egy másik karbonsav-festék is, a crocetin (C20H24O4). Ez azonban glükózhoz kapcsolódva fordul elô a növényben. A szénatomok láncának mindkét végén karbonsav azerepel a Bixa orellana nevû délamerikai növény festékanyagában, a bixinben (C25H30O4). Vegytiszta, kristályos állapotban barnásvörös ez a vegyület, a természetben pedig nagy hígításban fordul elô és tetszetôs élénksárgára festi a termést.
A vegyészek és gyógyszerészek jó ismerôsével, a kurkumával zárhatjuk le a chromophor csoportok e sorát. A kurkumapapiros igen elterjedt indikátor, savanyú közegben sárgásvörös a azíne, lúgos oldatban pedig vörösesbarnává sötétül. Színezôanyagát, a kurkumint, a természet évezredek óta elôállítja, a vegyészek azonban csak 1918 óta tudják a felépítést a laboratóriumokban utánozni. Teljesen szimmetrikus a szerkezete:
2. ábra. A kurkumin szerkezeti képlete
Festôanyag jellegét kétféle chromophor csoport adja meg, a >C=C< gyökök mellett ugyanis két >C=O gyök is szerepel benne. Kristályos állapotban élénk narancsszínû.
>C=O és >C=C< csoportok a chromophorok a következô csoportban is, itt azonban már nem találunk hosszú, nyílt szénláncot (alifás vegyületeket), hanem C6H6 csoportok (benzolgyûrûk) alkotják a festôanyag szerkezetét.
Néhány gomba színezôanyagával kezdhetjük a felsorolást. A zsemlyegomba-fajták (Polyporus) ibolyástól barnáig váltakozó színárnyalatait a polyporsav jelenléte okozza. Ennek szerkezete egyszerû, de szépen szimmetrikus. Vegytiszta állapotban haragos ibolyaszínnek a kristályai. E festékcsoport szerkezetének felderítését KÖGLnek köszönhetjük. 1928-ban sikerült tisztáznia, hogy cinkporral lepárolva, három benzolgyûrûbôl álló vegyület, a terphenyl képzôdik belôlük. Ez igazolta tehát, hogy az eredeti festékekben is három egymáshoz kapcsolódó benzolgyûrûnek kell lennie, miként a polyporsav alábbi szerkezeti képlete mutatja.
3. ábra. A polyporsav (3,6 dioxy-2,5-diphenyl-4-benzochinon) szerkezeti képlete
Ha azután a polyporsav két szélsô benzolgyûrûjébe egy-egy OH-csoport lép be szimmetrikusan, a bársonyostönkû cölöpgombának (Paxillus atrotomentosus) sárgásbarna, bronzszínû festôanyaga alakul belôle. A cölöpgomba latin nevérôl atromentinnek nevezték el ezt a festõanyagot.
A mérges gombák királyának, a légyölô galócának egyik színezôanyaga, a narancsszínû muscarufin is ebbe a csoportba tartozik.
A hármas benzolgyûrûre ebben az esetben a két oxigénátomon felül egy OH–, két COOH– és egy telítetlen CH=CH–CH=CH–COOH lánc akaszkodik reá. Nincs még teljesen igazolva, de valószínû, hogy a gombában nemcsak ebben az oxitrikarbonsavas alakban, hanem glukózhoz kötötten is jelen van ez a festôanyag.
Három benzolgyûrû található a sátángomba (Boletus satanas) festôanyagának, a sárga színû boletolnak a szerkezetében is. Egyúttal azonban nem a polyporsavnál látott módon kapcsolódik egymáshoz a három benzolmag, hanem anthrachinon-kötésben.
Ismeretes, hogy ennek a gombának élénksárga színû húsa a felmetszés után a levegôn hamarosan megpirosodik, majd megkékül. KÖGL szerint ez a színváltozás egyszerû oxidáció eredménye. Egy gyors hatású erjesztô lép mûködésbe s a levegõ oxigénjével egyesíti a boletol jobboldali benzolgyûrûjére kapcsolt OH-csoportok hidrogénjeit. Az ekként képzôdô dichinonnak kék a színe. Ez a rövid idô alatt lejátszódó vegyi folyamat természetesen nincs összefüggésben a sátángomba mérgezô hatásával, de elegendô ahhoz, hogy elijessze az embert. Az ijedtségbôl azután bámulat lesz, ha megértjük, milyen bonyolult reakció ez az enyhe oxidálódás. Szégyenszemre be kell vallanunk, hogy bizony a vegyészeknek különleges vegyszerekre, óvatos hevítésre és nagy tudásra van szükségük, hogy "lekapcsolják" a hidroxilcsoportok hidrogénjeit anélkül, hogy egyéb változás történjék a vegyülettel. A vadon termô erdei gomba parányi "vegyi gyárá"-ban a saját maga termelte erjesztô pillanatok alatt biztos eredménnyel elintézi az enyhe oxidálást, mégpedig pompás kitermeléssel.
4. ábra. A boletol (trioxyanthrachinon-karbon sav) szerkezeti
képlete (balra)
5. ábra. A boletol kék színû oxidációs
terméke, dichinonja (jobbra)
Anthrachinonos a szerkezete a festôbuzér színezôanyagának,
az alizarinnak is. Az anthrachinonban csupán a középsô
benzolgyûrûhöz van két O-atom chinonkötésben
hozzákapcsolva, az alizarinban, ebben a szép vörös
festôanyagban pedig a jobboldali benzolmagon még két
OH-csoport is függ. Évszázadokig igen nagy volt a természetes
alizarin ipari jelentôaége. GRAEBE és LIEBERMANN 1868-ban
fedezte fel az alizarin vegyi szerkezetét s ettôl már
csak egy lépés volt a laboratóriumi felépítés
megvalósulása. A vegyi gyárak versenyét nem
bírta el a természetes buzérfesték, úgyhogy
ma már nem is termesztik. Van a buzérban az alizarinon felül
is egy másik anthrachinon-szerkezetû festôanyag, a purpurin.
Szakszerû elnevezése 1, 2, 4-trioxianthrachinon, ami annyit
jelent, hogy az egyik benzolgyûrûjén nem két,
hanem három OH-csoport függ. Érdekes, hogy ennek az
egyetlen OH-csoportnak a hozzákapcsolódása a vörösbôl
a bíborszín felé tolja el a vegyület színét.
A baloldali benzolgyûrût kibontva látjuk egy másik
festôgyökér színezôanyagának szerkezetét.
Az alkanna festôanyagának, az alkanninnak ugyanis a
következôképen ábrázolhatjuk az összetételét.
6. ábra. Az alkannin szerkezeti képlete
Érdemes megemlíteni, hegy ez a vörös festôanyag optikailag aktív, aránylag igen erôsen balra téríti a fénysugarakat. Szimmetriátlan szerkezete magyarázza ezt a viselkedését. Ritka azonban az az eset, hogy a természetes festékek sorában optikai ellenlábasát, a fénysugarat jobbra forgató vegyületet is megtalálhassuk. 1922-ben fedezték fel ugyanis MAJIMA és KURODA japán vegyészek a shikon nevû japán növény gyökerében a C16H16O5 összetételû és az alkanninnal megegyezô azerkezetû vegyületet, amely optikailag ellentétes hatású. Az elôfordulás megjelölésére shikoninnak nevezték el ezt az ugyancsak vöröses színû festékanyagot.