NAMI研細菌製染料減污染

[2024.10.28] 發表

【明報專訊】衣食住行乃人類基本需要，但紡織製衣業大量使用的化學染料及浸染過程，卻產生嚴重的污染，一直是行業難以解開的死結。原來早在1990年代，已有科學家提出利用微生物製造可持續染料，希望從根源徹底解決問題。納米及先進材料研發院(NAMI)最近透露，已在有關技術取得突破，有望約兩年後商業化。

明報記者薛偉傑

攝影賴俊傑

納米及先進材料研發院(NAMI)技術經理柯穎年表示，從定義來說，可持續染料可來自植物、微生物、昆蟲、貝殼生物，甚至礦物等。但實際上，昆蟲類染料、貝殼類染料、礦物類染料的產量十分有限，生產成本亦較高，紡織製衣業使用的可持續染料主要來自植物類染料。近100年，植物類染料產量亦無法應付紡織製衣業的產量，主要只在小規模生產的藝術品或手工藝品使用；工業化生產的紗線和成衣絕大多數都是使用化學染料(又稱「合成染料」)。

兩年後有望商業化

植物類染料的色牢度亦較差，可能在洗滌或陽光暴曬下褪色。此外，還有多個缺點，包括：植物收成時間長；受氣候和環境限制，產量不穩定；成本偏高；每批次的顏色不統一；需要很大的種植面積；會消耗部分糧食或中草藥，有與民爭糧、與糧爭地等問題。這些都限制了植物類染料的應用。

至於以微生物製造可持續染料的研究，在1990年代便開始受到關注，主要是利用細菌、真菌、微藻等天然微生物生產環保染料。其中又以細菌最為主流。因為細菌繁殖快速，容易控制和培養，在大量生產中具優勢。除了使用天然菌株外，研究人員亦會創建基因改造細菌，以加強染料的能力。其中一種常用方式，就是以經過基因改造的大腸桿菌作載體，以某種胺基酸作基材。前者經過改造的基因會產生某些酶蛋白作催化劑，將那種胺基酸轉化成為預先設想的色素。

藉基因改造提升細菌效率

要讓細菌產生色素，需要提供適合的生長環境，包括：溫度、酸鹼值(pH)、氧氣濃度、營養物質。在特定情况下，還需要增加額外的刺激。例如，限制營養、改變鹽度、增添金屬離子等。至於細菌的色素提取則相對容易。但要獲得高純度的色素，通常都需經過多道工序，包括殺菌，以及用水清洗雜質。

NAMI大約兩年前開始這方面的研究。現時已經發現很多可生產色素的微生物，並正在培養能夠產出紅、黃、藍三種主色色素的細菌，尤其是廣泛應用於牛仔衫褲的靛藍色。NAMI設計和構建生產靛藍色素的基因改造細菌，嵌入兩組特別的基因，以產生兩種高效率的酶蛋白作催化劑，令靛藍色素的含量達到大約30%，是植物提取靛藍的1.5倍。

正向中美歐等地申請專利

NAMI的另一項突破，是通過在同一種細菌的培養過程中加入某些添加劑，改變染料中紅色素和藍色素的比例，令色調可控及更豐富。現時，NAMI正在中國內地、美國及歐盟等地區申請專利。除了色素含量較高外，NAMI以基因改造細菌生產的靛藍染料，每5日至7日就可以收穫。從植物提取的靛藍染料，則需要一年才可收獲。植物的生長受氣候和環境影響，可能不太穩定。細菌製造的染料，則可以透過準確控制各種培養條件，重複產出，所需的面積亦比種植植物小。此外，植物染料的色彩範圍有限，細菌製造的染料可以透過基因工程定向設計及在細菌培養過程中添加活性物質，來控制染料的色調，染料的顏色比較豐富。

植物染料有時染上布後色彩不均勻，色牢度也較差，可能在洗滌或陽光暴曬下褪色，影響持久性，亦有可能引發過敏反應。NAMI以基因改造細菌製造的染料染上織物後色彩均勻，水洗色牢度和摩擦色牢度達ISO 105標準的4至5級，亦不會引起皮膚刺激和致敏反應，符合ISO 10993標準。

以基因改造細菌來製造染料，排放物可能有水、有機副產物、殘留的細胞等，但不會釋放有毒金屬、強酸、強鹼等。相對於生產化學染料，這些排放物已少得多和環保得多。NAMI已成功將細菌產生的可持續染料應用在棉、麻、Tencel、真絲、羊毛等天然纖維上，但暫時未在化學纖維上試驗。