細菌纖維素的制取方法及在服裝設計中的應用

葉為

摘 要：在藝術設計領域，生物技術的運用是近年較為引人注目的創新之一。本文試就生物技術中的細菌纖維素在服飾設計中的運用作一個方法技術的闡述，提供服裝創意設計的一種新方法新思路。

關鍵詞：細菌纖維素；制?。环b設計；應用

生物技術是利用、改造生物體進行物質制造或服務應用的新興技術，不僅運用于醫藥、食品、工業和環境保護領域，也是藝術領域的新興實踐對象。在當今藝術領域，與生物技術的跨界合作具有相當的前沿性和話題性，也取得了一些引人注目的成就。因此，設計受藝術思潮影響，從生物技術領域尋找靈感也是一種可見的趨勢。其中，細菌纖維素就是生物技術運用的一種。

1 細菌纖維素簡述

1.1 細菌纖維素的特點

纖維素是自然界中最豐富的天然高分子。我們的食物（蔬菜）中就含有豐富的植物纖維素，是植物細胞壁的組成部分。用天然合成和人工化學合成的方法可以獲取纖維素，纖維素可以組成纖維，在造紙、紡織行業運用最廣。

細菌纖維素是生物纖維素的一種，也稱微生物纖維素，是由微生物發酵合成的葡萄糖發生縮聚反應而形成的纖維素。不同于植物纖維素，它不是細胞壁的結構成分，是細菌分泌到細胞外的一種高聚物，呈獨立的絲狀纖維形態，某些細菌在培養液中的自由運動能形成高度發達的精細網絡結構。常溫下的細菌纖維素多為乳白色凝膠態膜狀物，彈性、吸水性和生物相容性都非常出色。古代文獻《齊民要術》中，就有食醋釀制過程中出現凝膠狀物質的記載，所說的正是細菌纖維素。

細菌纖維素中的纖維素含量高于植物細胞壁，而且不摻雜果糖、木質素。因此，在工業運用前，無需進行繁雜的預處理來去除這些雜質，提取處理都較為簡便，具有可工業化生產的一個優勢。

1.2 細菌纖維素的種類

最早對菌膜進行研究并確定其本質的學者則是英國的R.M.Brown。他于1886年在乙酸發酵實驗中確定發酵產生的“凝膠”化學本質是纖維素，并把產生這種纖維素的細菌命名為“木醋桿菌”。這是人類歷史上發現的第一種細菌纖維素，由此引發細菌纖維素領域的研究。目前，已知的細菌纖維素菌屬有醋酸菌屬（Acetobacter）、假單胞桿菌屬（Pseudomonas）、土壤桿菌屬（Agrobacterium）、無色桿菌屬（Achromobacter）、根瘤菌屬（Rhizobium）、八疊球菌屬（Sarcina）、氣桿菌屬（aerobacter）、動膠菌屬（zoogloea）等。作為最早發現并研究的醋酸菌屬中的木醋桿菌，是纖維素產生的菌株，其合成纖維素的能力是已知菌株中最強的，并被國內外專家通過紫外誘變、基因工程等方式不斷改良，具有大規模生產的潛力，因而成為設計運用的首選。

1.3 細菌纖維素在當下的應用

目前，細菌纖維素材料主要應用于聲學材料、吸附劑、增強材料、可降解塑料、膳食纖維、纖維素紡絲、纖維素液晶材料以及生物醫學等方面。細菌纖維素的微觀結構是極其精細而獨特的網絡結構，具有高吸水性和高保水性。它的透氣性也極為出色，優異的性能使細菌纖維素纖維既可在食品工業中作為食品成型劑、增稠劑、分散劑，也可在造紙工業中提高紙張的纖維強度，進而提高紙張的耐用性。而它高聚合度、高結晶度以及分子高度取向的特性，則使其廣泛應用于高級音響設備振動膜。近年來，在醫學方面，細菌纖維素材料憑借其出色的生物相容性，在人造血管、人造皮膚、骨骼支架等方面的應用占有重要地位。

2 細菌纖維素材料的制取

細菌纖維素材料的獲取并不是太復雜，無需高端的設備與環境，是適合自制性的創意實驗類型。

2.1 菌種、培養基和實驗環境

細菌纖維素的制取一般用合成纖維素能力最強的紅茶菌，其主要成分為即為木醋桿菌。木醋桿菌和其他一些微生物混合的紅茶菌在發酵時會產生大量極其纖細的纖維素材料。現在改良后的紅茶菌產纖維素的能力多在4g/L（干重）以上，產品的純度較之以前也提高了很多。

培養基是提供紅茶菌生長和維持用的人工配制的養料，不同菌種的差異，使它們對各類營養物質的需求也不盡相同，但絕大多數菌種的培養基都是不同比例的綠茶或紅茶、白糖、少量醋酸以及適量的水。

培養基的pH值應當控制在4.0～7.0（弱酸性）之間，并在發酵過程中通入富氧空氣（實際操作中若條件限制保持通風就可以）以確保裝置含氧量充足。因為隨著發酵的進行，培養液的黏滯性增加會導致氧氣的傳遞速率下降，進而降低纖維產生速率。因此，生長池（培養容器）要放在具備良好通風條件的環境中。

適宜的溫度可以提高纖維素的產量。菌種生長池的溫度則最好控制在28℃～32℃之間，因為這段溫度區間是木醋桿菌產生纖維素速率最快的區間。

2.2 操作過程

紅茶菌的培養過程并不復雜，主要包括制備、發酵和脫水風干。

（1）制備。首先將茶煮沸后緩慢冷卻，在茶還是溫熱（50℃～70℃左右）時，加入白糖（其質量約為綠茶的1/7）直至完全溶解。然后倒入生長池中（生長池建議選擇比較寬大，但是深度較淺的容器，并且生長池的材料最好選擇塑料或玻璃，因為發酵過程會產生酸可能會導致金屬器皿腐蝕），倒入紅茶菌后，再加入少量醋酸調節pH至4.0～7.0之間（制造弱酸環境）。制作過程中，建議鼓入富氧空氣，若條件限制則應保證裝置通風性能良好，并利用恒溫裝置將溫度控制在28℃～32℃之間（確保反應速率最快）。

（2）發酵。發酵方式有靜置發酵和搖瓶振蕩。其中，搖瓶振蕩操作難度較大，并且產生的纖維素多呈現不規則的絲狀、星狀、團塊狀或絮狀，導致纖維絲質量和產量下降。因此，紅茶菌應當進行靜置發酵。在28℃～32℃的環境中靜置3天左右會出現大量氣泡，發酵全面開始。5～6天后，紅褐色茶水中會產生大量乳白色絮狀物質，并在液體表面逐漸聚集，這些乳白色物質就是細菌纖維素。2～3周后，液體表面就會形成一層幾厘米厚的類似橡膠墊的纖維毯。

（3）脫水風干。從生長池中撈出的是沉重的膠狀固體，其中，90%是水分（細菌纖維素的吸水性非常好），還有少量木醋桿菌細胞及殘余培養基，需要將水分、雜質去除，才能夠得到更為純凈的材料來使用。最簡單常用的純化方法是，用肥皂水清洗或用熱水浸泡，然后平鋪在木板上，放在太陽下自然脫水風干，就制成了輕薄而堅韌的纖維材料。這種材料表面看上去類似半透明的塑料袋，具有乳白和棕黃色調的豐富細膩的自由肌理，看上去輕薄、脆弱。但是實際上，這種纖維材料比塑料袋還要堅韌，用剪刀需費很大力氣才能將其剪開然后進一步加工。

3 細菌纖維素在服裝設計中的應用

3.1 材料特點

細菌纖維素材料本身具有的自然質感、色澤、機理均具有無可替代的特色，是完全不同于絲、麻、棉等傳統纖維的產品。使用綠茶制成的材料具有皮膚一般的色澤、濕潤、韌感與透明度，而不同種類的茶也可以產生不同的效果。由于發酵過程中各種條件及操作的偶然性，不同時期、不同生長池制出的材料，其面貌都是有隨機性的，能夠充分體現自然生物的變化特色，并不是機械生產的單一面貌。

3.2 運用實例

細菌纖維素的運用實例最著名的是2010（下轉第頁）（上接第頁）年蘇珊娜·李（Suzanne Lee）與其他兩名生物化學家合作的“生物服裝”。她的“面料農場實驗室”不僅獲得了較為成功的效果，而且還在印染方面做了進一步的探索。她用鐵氧化的方法進行色彩加工；用蔬菜、水果的色素印制出有機圖樣，使用靛藍有效、快速地染出深沉的顏色；用剪切雕鏤出形狀，制成了具有特殊風格的奇妙服裝。其他研究成果還包括立體成型的嘗試：在材料未干時，將纖維毯附于鞋楦的表面，待風干后就成為了三維塑形的鞋體。由此推想，未來將有可能用這種方法來制作沒有接縫的三維立體服裝。2016年，北京服裝學院藝術設計學院本科學生馮纓舒的手袋作品，也使用了紅茶菌發酵合成纖維素。在材料完成后，添加了染色、折疊、切割等后處理方法，豐富了材料的表現效果。

3.3 運用的條件限制及利弊

第一，生長池的大小就是面料的大小，這個特點有點類似于皮革。材料風干后會縮水，所以要根據裁片的大小來選擇合適的生長容器。第二，要注意防水。如果遇水會非常容易吸收，使材料變重、變厚，在吸收人體的汗液后會逐漸失去彈性，并最終開線解體，同時也有污染后如何清洗的問題。第三，具有材料的吸水性極佳，因而更加便于染色。第四，細菌纖維素是無污染物質。材料本身的成本較低，可降解后再重復利用，因而具有鮮明的環保特色。

4 細菌纖維素在服飾品類的研究前景

進入21世紀后，可持續發展的觀念日益深入人心，細菌纖維素作為純天然、可循環的材料，無論從安全性、經濟性，還是從環保性方面來看，都具有巨大的發展潛力。目前，細菌纖維素材料的運用還處在實驗室研發階段，如果要成為工業化的服裝材料，還需進行更細致的制備研究，提高產量和質量，同時解決吸水問題，并進行更多的與其他物質、技術相結合的嘗試。

就短期而言，細菌纖維素在服裝領域還屬實驗階段。但從蘇珊娜·李的完成效果看，這種個性化的獨特材料，還是可以運用于創意性的其他各類作品中，在裝飾、鞋履、手包乃至包裝、平面裝幀、家居等生活用品的許多領域，都具有很大的想象潛力。

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