紅茶菌纖維素膜在生活家居產品中的研究應用

湯斌

中國美術學院 創新設計學院 浙江 杭州 310000

紅茶菌是一種菌類共生生物由乳酸菌、醋酸菌和酵母菌等菌體發酵生成，英文翻譯為kombucha。這種菌類通過糖茶水或者其他溶液發酵后產生的對人體有益的液體可供食用，表面形成一層纖維素膜。紅茶菌纖維素膜因為培育方式簡單上、手難度低等原因，人們可以通過在家培育發酵自制，也有不少工廠量化生產由公司進行商業銷售。近幾年來，國外開始興起對紅茶菌纖維素膜的研究潮。由于在培養過程中，培養液表面形成的纖維素膜隨著培養時間不斷變厚，因此這纖維素膜也慢慢的開始被當作新材料研發。

據二手資料的研究分析發現，該材料是一種有望代替塑料制品或者皮革類制品的新型材料。而在塑料問題日趨嚴重和生態問題凸顯的當下，對這種新型材料的研究就顯得尤為重要。紅茶菌纖維素膜作為新型材料符合“Cradle to Cradle”理念中提到的生物循環模型（如圖1所示），它滿足材料的健康性與可循環性，以及產品的功能性和無污染性，與技術循環模型相比，它更具有生態環保價值。因此，該材料具有一定研究價值與意義。

圖1 生物與技術循環模型

一、 紅茶菌纖維素膜的研究方法與實驗

筆者查閱大量現有文獻資料并進行整理分析，歸納總結紅茶菌纖維素膜有以下幾個特征與可進行實驗的研究方向：特征一：吸附性強。紅茶菌的細菌纖維對金屬離子具有吸附作用，在治理污水方面具有一定的應用前景；由于較高的吸附性，紅茶菌可以在培養期使用含有不同色素的培養液或者在后期添加色素達到染色目的，所以可對其進行著色實驗。 特征二：紅茶菌纖維素膜具有極高的含水量，脫水后的紅茶菌纖維素膜在一定濕度下會吸收空氣中的水分從而達到“膨脹”效果。因此在后期實驗中將對其進行提升防水防潮效果的實驗來達到提升材料的穩定性和適用性；特征三：延展性強。紅茶菌纖維素膜富含本身質量90%以上的水分，在未經干燥情況下是一種濕潤的膜狀物，在顯微鏡下呈現多層次的網狀的結構，其復雜交錯的纖維結構具有超強的延展性。并且這種纖維結構在干燥后仍然存在。脫水后的紅茶菌纖維素膜具有類皮革的質感，是可以作為一種新片材應用于產品上，因此，可以對該材料進行物理特性試驗分析其強度與適用性；特征四：天然、有機和可降解。紅茶菌屬于真菌類生物，因此可在自然界中無污染的分解。這種可再利用的、再循環的材料能夠減少能源消耗和改善環境污染問題，應該充分發揮紅茶菌纖維素膜作為可循環材料的價值。

1.天然染料染色研究分析

根據這種纖維素膜的良好吸附特性，挑選以下幾種天然染料進行著色實驗，分別為藍靛、蘇木染料、槐花染料、柿漆、紫薯提取液等。研究時記錄和控制染色液體的濃度配比、浸染方式和時間長度。在實驗過程中，為獲得良好著色效果，對纖維素膜的著色時間也進行多次測試。如：在蘇木染料中浸染時間相對較短，僅5～10秒就可以達到較好的著色效果；在紫薯提取液浸染時間需要10～15分鐘；在藍靛染料中浸染時間需要3～5分鐘才能達到最佳效果，時間過久會導致樣本顏色過深導致材料通透度下降。織物類和紅茶菌纖維素膜使用同一種染料時呈現在樣本上的顏色略有區別，對此通過制作了纖維素膜的樣本圖冊，包含了本次研究的所有顏色樣本（如圖2所示），為后期設計提供樣本參考。

圖2 不同染色與處理樣本的效果（圖片來源：作者）

2.纖維素膜防水性能研究分析

自然干燥后的紅茶菌纖維素膜在潮濕環境下具有一定的吸水性。據筆者觀察空氣濕度大于75%時呈現下會出現纖維素膜吸收空氣中水分的現象。因此需要對紅茶菌纖維素膜的防水性問題進行試驗和探究。研究方法如下：使用相同培養模式下的若干自然干燥脫水的紅茶菌纖維素膜，纖維素膜表面添加不同防水涂料處理后，進行防水測試與分析并得出最佳防水防潮方式（如表1）。根據可持續性材料的特點，選擇以下具環保且具有防水作用的涂料，如：桐油、蜂蠟、蟲膠和柿漆等。通過對照實驗法對比上完涂料的纖維素膜的防水時間，得出最佳天然防水涂料與處理方式。其中浸泡桐油的纖維膜與浸泡蟲膠的纖維素膜具有較好的防水防潮效果；表面涂抹這兩種涂料干燥后只能起到暫時的防水效果。表面涂抹蜂蠟的防水效果一般。與此同時，不同的涂料對纖維素膜的表面質感也有著不同的影響程度。使用桐油、環保清漆和蟲膠涂層的紅茶菌纖維素膜樣本呈現高亮效果，而使用蜂蠟涂層的樣本則呈現表面磨砂質感。

表1 不同防水涂層處理實驗

3.纖維素膜材料復合化研究分析

在實驗過程中由于培養容器的截面面積直接決定了纖維素膜形成的面積，而且容器的截面積越大培養的纖維素膜越容易產生氣泡，并在整體厚度上也很不均勻，即培養容器截面面積越大培養形成良好的纖維素膜的概率也越低。而且實驗過程中有很多余料產生，為了充分利用這些余料，筆者根據制作傳統水抄紙的方式，將其解構后融入水中，并用特制抄網模具重組，從而形成一張更完整面積更大且厚度均勻的纖維素膜。用這種方式來控制并獲得穩定的、均衡可控的纖維素膜材料。在打碎重組的過程中可以通過多材料組合的方式，產生新的質感與材料特性。如將竹篾、刀麻絲、桑蠶絲、瓊脂等天然材料進行材料復合化實驗。其中疊加蠶絲后的紅茶菌纖維素膜復合材料質感最佳且具有良好的韌性與強度。選擇蠶絲作為復合材料的原因如下：一是桑蠶絲屬于天然有機材料，符合可循環材料的設計理念；二是拉蠶絲需要一定的技術與方式屬于中國傳統工藝，現存信息和處理方式有跡可尋，為結合桑蠶絲后的新型材料提升文化氣質；三是蠶絲和紅茶菌都具有自然偶然性肌理，這種不規律性帶來隨機美感；四是添加蠶絲后使得新型材料在光照下更具細節感（如圖3所示）；五是桑蠶絲本身具有良好的韌性，可增加新材料的整體韌性和強度。

圖3 紅茶菌纖維素膜與蠶絲進行材料復合化樣品（圖片來源：作者）

由于常規培養的纖維素膜帶有淡黃色，使用亞氯酸鈉對其進行褪色處理，實驗過程中使得該復合材料的質感產生一定的變化，處于紙和皮革之間的質感，且根據不同濕度可呈現不同質感。據觀察，空氣濕度為50%以下時，該材料偏紙質的觸感；空氣濕度為50%-60%左右時，該材料具有棉制品的觸感；空氣濕度為60%以上時，該材料偏皮質的觸感。空氣濕度同樣也作為影響復合材料材質的重大因素，在后期設計制作過程通過對該材料添加涂層來控制其穩定性。用破壁機打碎纖維素膜大小的程度也影響著重構后纖維素材料的肌理和質感，打碎后片材越小纖維素膜表面肌理越光滑微妙，反之，纖維素膜表面肌理越明顯粗糙。重組后的纖維素面積與厚度可以根據模具隨意設定，這極大的提升了新材料的標準化屬性。

二、研究成果的設計應用實踐

1. 研究成果與設計實踐

通過實驗研究，筆者對紅茶菌纖維素膜這種新材料得出以下結論：第一，纖維素膜具有很好的固色性能與在液體中吸附細小顆粒的性能。筆者使用含有色素的培養基底液或將纖維素膜浸泡在有色溶液中，纖維素膜都能吸附液體中的色素達到著色效果，且纖維素膜的著色強度與溶液濃度和著色時間成正比。第二，纖維素膜具有良好的吸水性和透氣性。現有二手資料中并未發現改善纖維素膜防水效果的方式，因此通過使用五種涂層來提升其防水效果，分別為桐油、蜂蠟、蟲膠、環保清漆和柿漆。經過對比后四種涂層都有疏水性，表面涂有桐油的纖維素膜賦予纖維素膜啞光質感，可以短時間防水；表面涂有蜂蠟的纖維素膜也可以短暫防水；表面涂有蟲膠的纖維素膜呈現金棕色且有光澤，可以較長時間防水；表面涂有清漆的纖維素膜也呈現光澤，可以長時間防水。第三，纖維素膜具有良好的重構性。由于培養纖維素膜的容器切面積決定了自然生成的纖維素膜面積，這限制了纖維素膜作為材料使用的面積大小與適用性。將纖維素膜用破壁機打碎后用特制模具重新組合可得到標準化尺寸。且在重組的過程中添加其他豐富肌理的材料，來增加質感和機理的表現，而這個過程中不需要添加其他粘合劑就可以讓纖維素膜與桑蠶絲良好的組合起來。

根據研究的成果，對該材料進行生活家居產品的設計實踐（如圖4所示）。選擇屏風、坐具和燈具作為實踐載體來體現該新材料的美感、強度與透光性。結構造型上參考傳統繡花方式中的繡花框來固定纖維素膜材料，既可以很好的展現這種材料質感與美感也起到了固定材料的功能。根據改進傳統造紙方式來解決了因培養條件限制的尺寸問題，用金屬作為輔助材料制作外框來提升產品感，結合這種自然的不規律的菌類復合材料作為大面積呈現的面料，給人們展現出一種簡約大氣卻又有豐富變化的視覺感受，通過藍染與肌理表現營造出一種安靜、寧和的空間氛圍（如圖5所示）。制作工藝上也融合了傳統手工藝與現代工業技術，既融合了文化感也提升了產品使用感和規范性。

圖4 以紅茶菌纖維素膜為原材料的產品設計實踐（圖片來源：作者）

圖5 產品細節與色彩（圖片來源：作者）

結語

國內對紅茶菌的研究大部分為食品工程領域，缺少對其纖維素膜的研究與開發。紅茶菌只是萬千菌類中的一種，菌類作為材料也只是眾多環保材料中的一類。作為設計從業者，筆者在研究與分析紅茶菌纖維素膜的過程中也更深刻的體會到了環境問題與可持續設計之間關聯。大眾不僅應該重新認識了解這種新型環保材料，更應該去接受它、傳播它帶來的影響與意義。相信會有越來越多的新型環保材料會被關注和發掘，來緩解甚至解決日趨嚴重的塑料污染問題。紅茶菌纖維素膜復合材料的研究在使用廢棄后也不會對環境造成影響，很有可能是一種塑料或者皮革的代替品，因此菌類材料是一種極具潛力和探討性的研究對象。若有機會我將在未來一段時間里與跨學科專業領域的從業人員進行進一步合作。