細菌纖維素的制取方法及在服裝設(shè)計中的應(yīng)用

葉為

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

關(guān)鍵詞：細菌纖維素；制??；服裝設(shè)計；應(yīng)用

生物技術(shù)是利用、改造生物體進行物質(zhì)制造或服務(wù)應(yīng)用的新興技術(shù)，不僅運用于醫(yī)藥、食品、工業(yè)和環(huán)境保護領(lǐng)域，也是藝術(shù)領(lǐng)域的新興實踐對象。在當今藝術(shù)領(lǐng)域，與生物技術(shù)的跨界合作具有相當?shù)那把匦院驮掝}性，也取得了一些引人注目的成就。因此，設(shè)計受藝術(shù)思潮影響，從生物技術(shù)領(lǐng)域?qū)ふ异`感也是一種可見的趨勢。其中，細菌纖維素就是生物技術(shù)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(yè)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(fā)酵合成的葡萄糖發(fā)生縮聚反應(yīng)而形成的纖維素。不同于植物纖維素，它不是細胞壁的結(jié)構(gòu)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(tài)，某些細菌在培養(yǎng)液中的自由運動能形成高度發(fā)達的精細網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。常溫下的細菌纖維素多為乳白色凝膠態(tài)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(shù)》中，就有食醋釀制過程中出現(xiàn)凝膠狀物質(zhì)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(zhì)素。因此，在工業(yè)運用前，無需進行繁雜的預(yù)處理來去除這些雜質(zhì)，提取處理都較為簡便，具有可工業(yè)化生產(chǎn)的一個優(yōu)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(zhì)的學者則是英國的R.M.Brown。他于1886年在乙酸發(fā)酵實驗中確定發(fā)酵產(chǎn)生的“凝膠”化學本質(zhì)是纖維素，并把產(chǎn)生這種纖維素的細菌命名為“木醋桿菌”。這是人類歷史上發(fā)現(xiàn)的第一種細菌纖維素，由此引發(fā)細菌纖維素領(lǐng)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(fā)現(xiàn)并研究的醋酸菌屬中的木醋桿菌，是纖維素產(chǎn)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(nèi)外專家通過紫外誘變、基因工程等方式不斷改良，具有大規(guī)模生產(chǎn)的潛力，因而成為設(shè)計運用的首選。

1.3 細菌纖維素在當下的應(yīng)用

目前，細菌纖維素材料主要應(yīng)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(yī)學等方面。細菌纖維素的微觀結(jié)構(gòu)是極其精細而獨特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有高吸水性和高保水性。它的透氣性也極為出色，優(yōu)異的性能使細菌纖維素纖維既可在食品工業(yè)中作為食品成型劑、增稠劑、分散劑，也可在造紙工業(yè)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(jié)晶度以及分子高度取向的特性，則使其廣泛應(yīng)用于高級音響設(shè)備振動膜。近年來，在醫(yī)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(yīng)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(fù)雜，無需高端的設(shè)備與環(huán)境，是適合自制性的創(chuàng)意實驗類型。

2.1 菌種、培養(yǎng)基和實驗環(huán)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(fā)酵時會產(chǎn)生大量極其纖細的纖維素材料?，F(xiàn)在改良后的紅茶菌產(chǎn)纖維素的能力多在4g/L（干重）以上，產(chǎn)品的純度較之以前也提高了很多。

培養(yǎng)基是提供紅茶菌生長和維持用的人工配制的養(yǎng)料，不同菌種的差異，使它們對各類營養(yǎng)物質(zhì)的需求也不盡相同，但絕大多數(shù)菌種的培養(yǎng)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(yǎng)基的pH值應(yīng)當控制在4.0～7.0（弱酸性）之間，并在發(fā)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(fā)酵的進行，培養(yǎng)液的黏滯性增加會導(dǎo)致氧氣的傳遞速率下降，進而降低纖維產(chǎn)生速率。因此，生長池（培養(yǎng)容器）要放在具備良好通風條件的環(huán)境中。

適宜的溫度可以提高纖維素的產(chǎn)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(qū)間是木醋桿菌產(chǎn)生纖維素速率最快的區(qū)間。

2.2 操作過程

紅茶菌的培養(yǎng)過程并不復(fù)雜，主要包括制備、發(fā)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(zhì)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(fā)酵過程會產(chǎn)生酸可能會導(dǎo)致金屬器皿腐蝕），倒入紅茶菌后，再加入少量醋酸調(diào)節(jié)pH至4.0～7.0之間（制造弱酸環(huán)境）。制作過程中，建議鼓入富氧空氣，若條件限制則應(yīng)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(yīng)速率最快）。

（2）發(fā)酵。發(fā)酵方式有靜置發(fā)酵和搖瓶振蕩。其中，搖瓶振蕩操作難度較大，并且產(chǎn)生的纖維素多呈現(xiàn)不規(guī)則的絲狀、星狀、團塊狀或絮狀，導(dǎo)致纖維絲質(zhì)量和產(chǎn)量下降。因此，紅茶菌應(yīng)當進行靜置發(fā)酵。在28℃～32℃的環(huán)境中靜置3天左右會出現(xiàn)大量氣泡，發(fā)酵全面開始。5～6天后，紅褐色茶水中會產(chǎn)生大量乳白色絮狀物質(zhì)，并在液體表面逐漸聚集，這些乳白色物質(zhì)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(yǎng)基，需要將水分、雜質(zhì)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(diào)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(shè)計中的應(yīng)用

3.1 材料特點

細菌纖維素材料本身具有的自然質(zhì)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(tǒng)纖維的產(chǎn)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(chǎn)生不同的效果。由于發(fā)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(xiàn)自然生物的變化特色，并不是機械生產(chǎn)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(zhuǎn)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(nóng)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(shù)設(shè)計學院本科學生馮纓舒的手袋作品，也使用了紅茶菌發(fā)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(xiàn)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(jù)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(zhì)。材料本身的成本較低，可降解后再重復(fù)利用，因而具有鮮明的環(huán)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(xù)發(fā)展的觀念日益深入人心，細菌纖維素作為純天然、可循環(huán)的材料，無論從安全性、經(jīng)濟性，還是從環(huán)保性方面來看，都具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳?，細菌纖維素材料的運用還處在實驗室研發(fā)階段，如果要成為工業(yè)化的服裝材料，還需進行更細致的制備研究，提高產(chǎn)量和質(zhì)量，同時解決吸水問題，并進行更多的與其他物質(zhì)、技術(shù)相結(jié)合的嘗試。

就短期而言，細菌纖維素在服裝領(lǐng)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(chuàng)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(lǐng)域，都具有很大的想象潛力。

參考文獻：

[1] 孫東平，揚加志.細菌纖維素功能材料極其工業(yè)應(yīng)用[M].北京：科學出版社，2010.

[2] 陳洪章.纖維素生物技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011.

[3] 黃莉，王英男，夏秀芳，丁一，楊明，王松.細菌纖維素的基本特性與其應(yīng)用[J].包裝與食品機械，2013，31（5）：60-63.

[4] 許歡.培育出來的生物面料，可以“吃”[J].中國纖檢，2016（7）：132-133.

[5] 鄭婷.生物時裝或掀起全球服裝變革[J].綠色中國，2011（12）：71-73.

[6] 李克兢，高原，生物廢棄物在服裝生態(tài)設(shè)計中的應(yīng)用[J].紡織導(dǎo)報，2012（9）：92-94.

[7] 裴燕.細菌和鳴：生物藝術(shù)的預(yù)言[J]. IT經(jīng)理世界，2014（8）：099-103.