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细菌纤维素的制取方法及在服装设计中的应用

作者:jkyxc 浏览数:

摘 要:在艺术设计领域,生物技术的运用是近年较为引人注目的创新之一。本文试就生物技术中的细菌纤维素在服饰设计中的运用作一个方法技术的阐述,提供服装创意设计的一种新方法新思路。

关键词:细菌纤维素;制取;服装设计;应用

生物技术是利用、改造生物体进行物质制造或服务应用的新兴技术,不仅运用于医药、食品、工业和环境保护领域,也是艺术领域的新兴实践对象。在当今艺术领域,与生物技术的跨界合作具有相当的前沿性和话题性,也取得了一些引人注目的成就。因此,设计受艺术思潮影响,从生物技术领域寻找灵感也是一种可见的趋势。其中,细菌纤维素就是生物技术运用的一种。

1 细菌纤维素简述

1.1 细菌纤维素的特点

纤维素是自然界中最丰富的天然高分子。我们的食物(蔬菜)中就含有丰富的植物纤维素,是植物细胞壁的组成部分。用天然合成和人工化学合成的方法可以获取纤维素,纤维素可以组成纤维,在造纸、纺织行业运用最广。

细菌纤维素是生物纤维素的一种,也称微生物纤维素,是由微生物发酵合成的葡萄糖发生缩聚反应而形成的纤维素。不同于植物纤维素,它不是细胞壁的结构成分,是细菌分泌到细胞外的一种高聚物,呈独立的丝状纤维形态,某些细菌在培养液中的自由运动能形成高度发达的精细网络结构。常温下的细菌纤维素多为乳白色凝胶态膜状物,弹性、吸水性和生物相容性都非常出色。古代文献《齐民要术》中,就有食醋酿制过程中出现凝胶状物质的记载,所说的正是细菌纤维素。

细菌纤维素中的纤维素含量高于植物细胞壁,而且不掺杂果糖、木质素。因此,在工业运用前,无需进行繁杂的预处理来去除这些杂质,提取处理都较为简便,具有可工业化生产的一个优势。

1.2 细菌纤维素的种类

最早对菌膜进行研究并确定其本质的学者则是英国的R.M.Brown。他于1886年在乙酸发酵实验中确定发酵产生的“凝胶”化学本质是纤维素,并把产生这种纤维素的细菌命名为“木醋杆菌”。这是人类历史上发现的第一种细菌纤维素,由此引发细菌纤维素领域的研究。目前,已知的细菌纤维素菌属有醋酸菌属(Acetobacter)、假单胞杆菌属(Pseudomonas)、土壤杆菌属(Agrobacterium)、无色杆菌属(Achromobacter)、根瘤菌属(Rhizobium)、八叠球菌属(Sarcina)、气杆菌属(aerobacter)、动胶菌属(zoogloea)等。作为最早发现并研究的醋酸菌属中的木醋杆菌,是纤维素产生的菌株,其合成纤维素的能力是已知菌株中最强的,并被国内外专家通过紫外诱变、基因工程等方式不断改良,具有大规模生产的潜力,因而成为设计运用的首选。

1.3 细菌纤维素在当下的应用

目前,细菌纤维素材料主要应用于声学材料、吸附剂、增强材料、可降解塑料、膳食纤维、纤维素纺丝、纤维素液晶材料以及生物医学等方面。细菌纤维素的微观结构是极其精细而独特的网络结构,具有高吸水性和高保水性。它的透气性也极为出色,优异的性能使细菌纤维素纤维既可在食品工业中作为食品成型剂、增稠剂、分散剂,也可在造纸工业中提高纸张的纤维强度,进而提高纸张的耐用性。而它高聚合度、高结晶度以及分子高度取向的特性,则使其广泛应用于高级音响设备振动膜。近年来,在医学方面,细菌纤维素材料凭借其出色的生物相容性,在人造血管、人造皮肤、骨骼支架等方面的应用占有重要地位。

2 细菌纤维素材料的制取

细菌纤维素材料的获取并不是太复杂,无需高端的设备与环境,是适合自制性的创意实验类型。

2.1 菌种、培养基和实验环境

细菌纤维素的制取一般用合成纤维素能力最强的红茶菌,其主要成分为即为木醋杆菌。木醋杆菌和其他一些微生物混合的红茶菌在发酵时会产生大量极其纤细的纤维素材料。现在改良后的红茶菌产纤维素的能力多在4g/L(干重)以上,产品的纯度较之以前也提高了很多。

培养基是提供红茶菌生长和维持用的人工配制的养料,不同菌种的差异,使它们对各类营养物质的需求也不尽相同,但绝大多数菌种的培养基都是不同比例的绿茶或红茶、白糖、少量醋酸以及适量的水。

培养基的pH值应当控制在4.0~7.0(弱酸性)之间,并在发酵过程中通入富氧空气(实际操作中若条件限制保持通风就可以)以确保装置含氧量充足。因为随着发酵的进行,培养液的黏滞性增加会导致氧气的传递速率下降,进而降低纤维产生速率。因此,生长池(培养容器)要放在具备良好通风条件的环境中。

适宜的温度可以提高纤维素的产量。菌种生长池的温度则最好控制在28℃~32℃之间,因为这段温度区间是木醋杆菌产生纤维素速率最快的区间。

2.2 操作过程

红茶菌的培养过程并不复杂,主要包括制备、发酵和脱水风干。

(1)制备。首先将茶煮沸后缓慢冷却,在茶还是温热(50℃~70℃左右)时,加入白糖(其质量约为绿茶的1/7)直至完全溶解。然后倒入生长池中(生长池建议选择比较宽大,但是深度较浅的容器,并且生长池的材料最好选择塑料或玻璃,因为发酵过程会产生酸可能会导致金属器皿腐蚀),倒入红茶菌后,再加入少量醋酸调节pH至4.0~7.0之间(制造弱酸环境)。制作过程中,建议鼓入富氧空气,若条件限制则应保证装置通风性能良好,并利用恒温装置将温度控制在28℃~32℃之间(确保反应速率最快)。

(2)发酵。发酵方式有静置发酵和摇瓶振荡。其中,摇瓶振荡操作难度较大,并且产生的纤维素多呈现不规则的丝状、星状、团块状或絮状,导致纤维丝质量和产量下降。因此,红茶菌应当进行静置发酵。在28℃~32℃的环境中静置3天左右会出现大量气泡,发酵全面开始。5~6天后,红褐色茶水中会产生大量乳白色絮状物质,并在液体表面逐渐聚集,这些乳白色物质就是细菌纤维素。2~3周后,液体表面就会形成一层几厘米厚的类似橡胶垫的纤维毯。

(3)脱水风干。从生长池中捞出的是沉重的胶状固体,其中,90%是水分(细菌纤维素的吸水性非常好),还有少量木醋杆菌细胞及残余培养基,需要将水分、杂质去除,才能够得到更为纯净的材料来使用。最简单常用的纯化方法是,用肥皂水清洗或用热水浸泡,然后平铺在木板上,放在太阳下自然脱水风干,就制成了轻薄而坚韧的纤维材料。这种材料表面看上去类似半透明的塑料袋,具有乳白和棕黄色调的丰富细腻的自由肌理,看上去轻薄、脆弱。但是实际上,这种纤维材料比塑料袋还要坚韧,用剪刀需费很大力气才能将其剪开然后进一步加工。

3 细菌纤维素在服装设计中的应用

3.1 材料特点

细菌纤维素材料本身具有的自然质感、色泽、机理均具有无可替代的特色,是完全不同于丝、麻、棉等传统纤维的产品。使用绿茶制成的材料具有皮肤一般的色泽、湿润、韧感与透明度,而不同种类的茶也可以产生不同的效果。由于发酵过程中各种条件及操作的偶然性,不同时期、不同生长池制出的材料,其面貌都是有随机性的,能够充分体现自然生物的变化特色,并不是机械生产的单一面貌。

3.2 运用实例

细菌纤维素的运用实例最著名的是2010(下转第页)(上接第页)年苏珊娜·李(Suzanne Lee)与其他两名生物化学家合作的“生物服装”。她的“面料农场实验室”不仅获得了较为成功的效果,而且还在印染方面做了进一步的探索。她用铁氧化的方法进行色彩加工;用蔬菜、水果的色素印制出有机图样,使用靛蓝有效、快速地染出深沉的颜色;用剪切雕镂出形状,制成了具有特殊风格的奇妙服装。其他研究成果还包括立体成型的尝试:在材料未干时,将纤维毯附于鞋楦的表面,待风干后就成为了三维塑形的鞋体。由此推想,未来将有可能用这种方法来制作没有接缝的三维立体服装。2016年,北京服装学院艺术设计学院本科学生冯缨舒的手袋作品,也使用了红茶菌发酵合成纤维素。在材料完成后,添加了染色、折叠、切割等后处理方法,丰富了材料的表现效果。

3.3 运用的条件限制及利弊

第一,生长池的大小就是面料的大小,这个特点有点类似于皮革。材料风干后会缩水,所以要根据裁片的大小来选择合适的生长容器。第二,要注意防水。如果遇水会非常容易吸收,使材料变重、变厚,在吸收人体的汗液后会逐渐失去弹性,并最终开线解体,同时也有污染后如何清洗的问题。第三,具有材料的吸水性极佳,因而更加便于染色。第四,细菌纤维素是无污染物质。材料本身的成本较低,可降解后再重复利用,因而具有鲜明的环保特色。

4 细菌纤维素在服饰品类的研究前景

进入21世纪后,可持续发展的观念日益深入人心,细菌纤维素作为纯天然、可循环的材料,无论从安全性、经济性,还是从环保性方面来看,都具有巨大的发展潜力。目前,细菌纤维素材料的运用还处在实验室研发阶段,如果要成为工业化的服装材料,还需进行更细致的制备研究,提高产量和质量,同时解决吸水问题,并进行更多的与其他物质、技术相结合的尝试。

就短期而言,细菌纤维素在服装领域还属实验阶段。但从苏珊娜·李的完成效果看,这种个性化的独特材料,还是可以运用于创意性的其他各类作品中,在装饰、鞋履、手包乃至包装、平面装帧、家居等生活用品的许多领域,都具有很大的想象潜力。

参考文献:

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