生物技术可以简单的定义为:用有机体与其构成部分加工制造成工业品。它包含了一系列生物科学与工程技术应用范围,用制造的方法或材料转换的方式生成新型产品。目前,为使加工过程更加环保绿色,使材料更能适用于人类,世界上与纤维相关的工业已开始大量使用生物技术。而生物技术可以开发出十分有宜于人类的纤维产品,称之为生物纤维。
用细菌制造纤维
细菌繁殖与生长十分迅速。依赖于广泛的原材料,如醣类、淀粉、葡萄糖、气态和液态烃如甲烷、乙醇,细菌制造纤维的速度惊人,可为人类大量制造细菌纤维素纤维、细菌聚酯及其他纤维。
1)细菌性纤维素
纤维素是植物细胞壁最主要的构成元素。细菌生成的纤维素被称之为生物纤维素或细菌纤维素。植物纤维素和细菌纤维素具有同样的化学结构,但化学与物理属性不同。生物纤维素包括醋酸培养基,它需要大量介质,即蔗糖、氮和盐分。细菌在生长过程中产生诸如纤维素纤维,其纤维胶体十分稀薄,其直径只有50毫米,但其化学性十分纯净,不存在木质素或半纤维素。在交替的作用下生成多聚糖。其晶状体球蛋白具有很高的拉升和撕扯耐受强度,也具有很强的亲水性。
细菌纤维素的应用:人们曾把人造血管称之为显微外科。但却把极度精细的丝用来生产新型的人造皮革,其原因就在于它拥有极强的亲水性,因此还可以用来医治皮肤损伤。不仅如此,由于其杰出的音效重复能力,人们又用细菌纤维素制造扬声器扩音器振膜。日本索尼公司已成功的将细菌纤维素用来制造高品质耳机,也有其他企业将其用来制造吸收毒气的活性碳纤维。
2)细菌聚酯
世界上拥有一百余种细菌物种可以用来生产聚酯,如杆状菌、光和菌以及蓝绿菌都是最好的聚酯材料。这些微生物有机体内生产并储藏聚酯体,以糖原质和胶淀粉的形态成其为动物与植物的能量之源。人类可以通过有机溶解方式提取细菌中的纤维素。
最近,一种新型的方法被用来提取生产细菌聚合体聚酯,其原理是利用发酵,结合细菌与养料。英国公司ICI就是利用发酵技术成功的提取了生物3-氢氧根聚酯(3HB)和3-氢氧根戊酸盐(3HV),这种聚酯很快应用于商业,其贸易名称为BIOPOL。
细菌聚酯的应用:如今,一种用于农艺化学系统,即利用生物分解聚酯化学胶囊的技术被开发出来。这种微胶囊可在泥土里缓慢降解。由于生物聚酯具有生物兼容性,因此可以大量应用于医学外科缝合技术绷带纱布或修复骨质疏松等症,并且不会引发器官组织的炎症。除此之外,生物聚酯纤维具有光学活性,也具有压电光学与电子应用潜力。因此,这一领域的研究具有十分广阔的空间。
羊毛制品的开发
随着进一步的生物技术开发成功,西方许多公司开始把着眼点放在传统动物纤维材料上。他们发现,把生物技术方法应用于动物毛发纤维可以强化羊毛纤维的品质。利用鉴别有用的基因,饲养人可以选择繁殖品种,以更改羊毛的生产品质。遗传工程已开始帮助动物基因实行改良,使羊毛有了专门的特性,可以抵御羊毛滋生幼虫,也可以分泌出一种专门排斥毛发小囊的杀虫剂。现代生殖技术如人工受精、精液冷冻技术、胚胎移植显微操纵技术已开始应用于培育绵羊新型基因。如今,澳大利亚美利奴绵羊的生长要比过去快13%,并且体型也比过去更大。
生物剪毛技术
自从1998年以来,世界发达国家的羊毛生产商已不再用电剪剪羊毛了,而是利用生物技术剪毛。生物剪毛方法背后的科学技术是澳大利亚联邦科学与工业研究组织CSIRO家畜工业部历经20余年的开发而成功推出的新技术。生物剪毛技术是依靠人工表皮生长要素原理,将这种药物注射入绵羊体内,终止羊毛生长,一个月后,羊毛纤维自动脱落,而不使用任何机械工具。由此减少了污染,提高了功效,也避免了二次剪毛以及给绵羊皮肤可能带来的感染等等问题。
丝纤维的生物开发
利用生物技术,目前蚕丝的长度可以超过尼龙丝。日本国家三星文化与昆虫研究所成功的饲养出一种新型蚕子,这种蚕可吐长达1500米的单根蚕丝。
1)来自蚕丝的有色纱线:根据纤维科学家的说法,人工染色即将成为过去,取而代之的是,自然色将取代染色。根据中国苏州蚕丝研究院的科学家报道,人类可以通过饲养桑蚕不同的饲料达到生产不同色彩的蚕茧。中国江苏省正在试行有限的自然蚕丝增色,如红、黄、绿。蚕吐彩丝将直接产生更多优越性。
2)记忆型丝纱的出现:与羊毛相比,丝纱因为内在结构不同而缺乏弹性。要产生弹性就需要做角蛋白与胶原质化学处理,进行脱干、褶皱、加热、浸水、高压等处理,让丝纱产生可逆性。这样的丝纤维即能应用于各种纺织物,包括外套服装、紧身编织纱等等。
3) 丝纤维蛋白生物化妆品:日本三大化妆品集团之一佳丽宝公司(Kanebo)利用丝纤维的功能为人类提供了另一种产品,即一种特殊的被称为保鲜霜和生物泡沫霜化妆品,它可让人面部保持端庄典雅,还可祛斑,可生成水解蛋白酶修复坏死皮肤。传统化妆品原本含有蛋白酶,但其水解活性随着时间的推移而很快消失,当表面处于湿润状态时尤其如此。世界上许多科研机构设法为化装品开发蛋白酶活性功能,但只有佳丽宝才开发出酶化固定技术,并且这种蚕丝蛋白不融于水,可压缩入胶囊,在热效应和水解条件下可延续相当长一段时期,其蚕丝蛋白保护蛋白酶,且抗热和抗湿。
除臭纤维
各种不同类型的人造蛋白酶被开发出来用于我们的日常生活。目前,世界上开发出一种可连续除臭一百多次的除臭纤维,其功效远远大于活性碳。这是因为这种技术采用了隐形丝纤维材料,这种材料多孔,渗水。除臭纤维由无形丝构成,能保持人造蛋白酶的功效。这种除臭纤维还可以除去腐烂气味,分解4种微分子,如粪便气味、硫化氢(臭蛋味)以及硫醇等气味。这种除臭纤维已用于商业开发,如生产尿布、鞋垫、冰箱、厕所马桶坐垫等。
角质素纤维
角质素纤维是一种产自蟹和虾等贝壳类动物的角质素纤维。其结构类似于聚乙烯,具有抗凝血酶原特征,且能为身体接受,还能促进身体伤口愈合。日本Unitika公司从蟹壳开发出这种纤维,据称,这种角质素纤维还是最好的过滤纤维材料。
藻酸盐纤维
研究表明,藻酸盐纤维已成为最佳医疗纺织物。创伤要痊愈,保湿效应不可少。藻酸盐纤维具有良好的保湿功能,而这种保湿又具有可变性。不仅如此,藻酸盐纤维还具有天然高分子量多聚糖。
胶原质蛋白纤维
胶原蛋白是一种水凝胶形态。胶原纤维犹如丝纤维,生物能分解,也具有广泛的利用前景。
展望纤维产品的前景和未来,它不应该只是基本的纺织品、绳索、网带的原材料,其应用已远远超出了我们的预期。倘若与生物仿生技术、纳米技术和生物降解技术相结合,那么生物纤维必将产生更大的应用效应。比如,可穿的计算机以及电子发光的可穿显示器即将问世。新型的潜在应用,如汽车、航空航天业、民用工程等也将大量出现。
生物纤维技术属于近几年才出现的交叉技术学科,但已广泛出现在纺织工业领域。生物技术已不再是实验室里的婴儿,它已成为科学开发的热点领域,大规模开发一切就绪,只欠东风。要迅速占领国际市场,企业需抢占先机。