剝繭抽絲新技術革新全球絲製品行業

中國人是世界上最早養蠶的民族。根據可考的資料，至少有 5000 千年之久，難怪中國又有「絲國」之稱。

蠶是唯一馴化的昆蟲，所以稱為家蠶。人們長期養蠶，自然而然產生了許多和蠶或蠶絲有關的成語，譬如鯨吞蠶食、作繭自縛、抽絲剝繭、破繭而出、一絲不掛等等。讓我選擇「抽絲剝繭」作為樣本，來談談蠶繭和蠶絲吧。

蠶卵孵化後，吃著桑葉長大。經過三眠或四眠，開始吐絲結繭，把自己裹起來。蠶在繭裡化蛹，羽化後變成蠶蛾。蠶蛾從口中吐出鹼性液體，讓蠶繭一端軟化，就可以破繭而出，飛出去尋找配偶，產生下一代。

蠶結繭時，抬著頭不停地繞著身體吐絲。若非受到干擾，吐的絕不間斷，一根絲竟然長達 500-1000 公尺！人們養蠶的目的，就是為了取得蠶絲。那麼怎麼將蠶繭上的絲抽出來呢？

抽絲時要把蠶繭放在水裡煮，讓蠶絲間的膠質溶化，然後找出絲頭，才能將每個蠶繭上的絲抽出來，最後只剩下已被煮死的蠶蛹。抽絲時，同時抽取好幾個蠶繭，撚成一股絲線，這個過程稱為繅絲。

繅絲時，絲得一根一根地抽，繭得一層一層地剝。成語「抽絲剝繭」，比喻由表及裡，細緻地分析，以發掘真相。讓我們造兩個句吧。

這宗刑案，經過警方抽絲剝繭，終於真相大白。

在我抽絲剝繭之下，這道數學難題終於解開了。

家蠶屬於鱗翅目、蠶蛾科。鱗翅目分為蛾類和蝶類兩大類，牠們是完全變態昆蟲，一生分為卵、幼蟲、蛹和成蟲等 4 個階段。蛾類和蝶類有若干差異，包括蛾類的觸鬚呈羽狀，蝶類呈棍棒狀；蛾類大多夜間活動，蝶類大多白晝活動。此外還有一個差異，就是蛾類會結繭；蝶類不結繭，牠們的蛹有個硬殼保護。

由於蛾類會結繭，所以除了家蠶，還有幾種野蠶可養來抽絲。最有名的野蠶是柞蠶，屬於天蠶蛾科，以殼斗科的植物為食。柞蠶起源於中國北方，現已傳播到韓國、日本、印度等地。篦麻蠶，屬於天蠶蛾科，起源於印度，現已傳播到中國、日本及義大利等地。

這兩種野蠶都採野放的方式，也就是在野外飼養，結繭時到樹上採收。野蠶絲的織品，不如家蠶絲細緻，但堅韌耐磨。尼龍沒發明前，降落傘的繩索就是柞蠶絲製的。

蠶絲是自然界中最輕最柔最細的天然纖維，被廣泛用於織制各種綢緞和針織品，在工業、國防和醫藥等領域也有大量應用。

目前市場上絕大部分蠶絲都來自家養的桑蠶（也叫家蠶）繭。栽桑養蠶起源於中國，距今約有6000多年的歷史。幾千年的養殖過程使得桑蠶繭易於抽絲和染色。

桑蠶蠶絲的提取只需經過相對簡單的處理，而由於野蠶繭表面附有礦物層，野蠶絲的提取一直都是一個近乎不可能的難題。野蠶繭表面的礦物層一旦被去除，就能夠得到商用價值極高的野蠶絲，這種長度和品質都極佳的天然纖維將大大促進絲製品相關產業的發展。

最近，一本名叫《生物大分子》（Biomacromolecules）的雜誌中的一項調查研究顯示，來自英國和肯尼亞的研究人員發現了一種使用酸性 溶液去除野蠶繭表面礦物的新方法，降低了野蠶絲的提取難度，並表示去除野蠶繭表層礦物之後，能夠較為容易地獲得優質長蠶絲。他們還嘗試了多種酸性溶液，試 圖找到一種能夠有效去除礦物質的同時不對蠶絲產生任何破壞的最佳選擇。

一種叫做白斑枯葉蛾（Gonometa postica）的繭面附著礦物為一水草酸鈣（calcium oxalate monohydrate）。有證據表明乙二胺四乙酸（EDTA）可以有選擇性地去除一水草酸鈣，完好地保留絲膠物質，避免蠶絲蛋白纖維絲的破壞和纏結，使 得野蠶絲可以通過熱濕處理提取。這種方法顯然有別於標準的「脫膠法」，而是一種「礦物去除法」。機械測試表明，相比現用的相對粗糙的脫膠、梳理或者乾燥抽 絲等方法，這種新技術使得蠶絲不易斷裂，大大減少了抽絲過程中可能帶來的破壞。這一項新技術的發現，將有可能極大促進絲製品產業的發展，使絲製品產業拓展 到亞洲之外的新地域。

作為這項研究的參與者之一，來自牛津大學的動物學家弗裡茨•沃拉斯（Fritz Vollrath）說：「你選擇用化學手段去除礦物質，但你一定不會選擇那些低劣的方式，你絕不會願意選擇那些會有損蠶絲質量的方式。因為家養桑蠶絲和野 蠶絲在質地與顏色方面都有所區別，野蠶絲會受到時尚產業的高度青睞。」

沃拉斯博士（Dr. Vollrath）還說：「由於輕薄，絲製品所佔空間非常小，是價值極高的產品。而作為農產品，它對於貧困地區的發展確實是意義非凡。」他和他的同事們正在為這一項新技術申請專利。

目前絲製品產業的發展主要集中在中國和印度。然而由於氣候適宜繁殖與生長，非洲和南美洲有大量的野蠶分佈。這一新技術的發現將有可能使絲製品的發展拓展到非洲和南美洲。不僅對亞洲絲製品產業的發展意義重大，對非洲和南美洲的絲製品產業同樣有著革命性的影響。

作為絲綢的發源地，中國憑藉盛產桑蠶的優勢曾一度壟斷了高利潤的絲製品行業。然而這一項新技術的發現與應用將把非洲和南美洲帶入到競爭隊伍中來，為絲製品行業的發展帶來革命性的改變。

來源：《紐約時報》5月24日報導、《生物大分子》論文摘要

作者：趙小淺

審稿：Fujia

國安危機！為什麼葡萄酒變酸了？

在上一集中，我們聊到了十七世紀，荷蘭科學家 aka 手作達人雷文霍克，以他那充滿手工溫度的兩百五十臺顯微鏡，以及一百七十二塊鏡片，為世人展示了「微型動物」（微生物）的世界。

然而在雷文霍克之後，除了斯巴蘭札尼神父曾經投以關愛的眼神，做了一些相關的實驗與研究，微生物似乎逐漸被眾人遺忘。

一直到微生物學的奠基者，巴斯德（Louis Pasteur）的出現，微生物的存在終於開始閃閃發光。一開始，巴斯德是打算進行「自然發生說」的相關實驗，沒想到，一個可能動搖國本的問題卻找上了他。

在浪漫優雅的法國，飲酒文化與釀酒事業同樣歷史悠久，然而，當時的酒商與釀酒廠負責人卻天天急得跳腳，一點也浪漫不起來。

原來，釀酒這門手藝太過精細，只要一不小心，酒廠生產的酒很可能就會酸化變質，不僅造成商譽與營運的巨大損失，也會影響市場供應的穩定性。

生活不能缺少微醺的感覺，釀酒業的危機，簡直就是國安危機，巴斯德義無反顧的決定伸出援手。

於是，巴斯德拿出科學家的精神，仔細研究了整個釀酒過程，收集、觀察製程中，不同時間的發酵液，並且分析、比較這些酒液的不同。

經過一次一次的培養與試驗，巴斯德終於發現，在顯微鏡下，正常的發酵液中，有一種形狀圓圓的球體小生物（也就是酵母菌）；而那些發酵失敗、變酸的酒液中，則可以看見一種又細又長的桿狀小生物（乳酸菌是也）。

抓出讓酒精變質的小小兇手

一八五七年八月，巴斯德發表了他的研究成果，這篇論文，可以說是現代微生物學的開山之作。論文中指出，發酵，是涉及某些特定的細菌、黴菌、酵母菌等微生物的活動。

這些研究不僅拯救了釀酒業，也影響著食品業與醫藥產業。當時的科學界一度認為，發酵與食物腐敗、傷口發炎等現象，是可以畫上等號的，因此啟發了一名外科醫師的抗菌革命之路（這段故事我們後面再聊，先賣個關子）。

回到釀酒業的危機處理之上，雖然揪出了讓酒變酸的凶手，但巴斯德的工作還沒有完成，還得找出一勞永逸的方法，才算是功德圓滿。

經過一番苦思冥想，巴斯德最後採用的是加熱滅菌法，這種方法，如今也被稱為「巴斯德消毒法」（pasteurization）。

我們都知道，加熱是個有效的滅菌方式，巴斯德將釀好的酒，短暫、而且小心翼翼的加熱，直到攝氏五十至六十度，藉此殺死那些可能讓酒變質的細菌。如此一來，不僅能讓酒長斯保存，也不會犧牲酒的口感，是不是很讚！

陷入絕境的養蠶業：蠶寶寶為什麼會生病？

感謝飛天小女警，啊不，是巴斯德的努力，一天又平安的過去了，釀酒業終於恢復了平靜。然而，一八六五年，法國農村再次遭遇危機。

雍容華貴的絲綢，是廣受貴族喜愛的高級布料，養蠶、攪絲、織布，也是當時法國農村的一大主力產業。沒想到，一種傳播快速、並且容易致死的疾病，卻在蠶寶寶界蔓延開來，蠶農們對此束手無策，養蠶業因此陷入絕境。

在昔日師長的建議之下，巴斯德決定投身於蠶病研究，為蠶寶寶尋得一線生機。

在此之前，他並沒有養過蠶，也缺乏相關知識。於是他動身前往法國南部，花了五年的時間，在第一線的蠶病疫區進行研究。

透過顯微鏡，巴斯德在病蠶的身體裡，發現了一些微小的病原體。

同樣的，溯源之後還得找出根治方法，巴斯德除了研究鑑定方法，以幫助蠶農辨認染病的蠶寶寶之外，也建議蠶農對病蠶進行隔離。

篩檢與隔離，加上選擇性育種與提高蠶群的清潔度，巴斯德提出的「蠶界防疫新生活」，不但拯救了無數蠶寶寶的性命，也讓瀕臨崩潰的法國絲綢獲得喘息。

在釀酒業與養蠶業分別取得成功之後，巴斯德於是將目光從經濟產業轉向醫療產業。

這些肉眼看不見的微生物，既然可能讓酒變酸，也可能讓蠶生病，是不是也可能引發人類的疾病？如果真是如此，只要知道如何躲避生物的攻擊，或許就能增加戰勝疾病的可能性。

──本文摘自《厲害了，我的生物》，2022 年 9 月，聚光文創，未經同意請勿轉載。

一襲華美的傳統印度紗麗，在燈光下反射出璀璨的光芒。仔細收縫的布邊，附了一只小標籤，上頭繡著飛蛾般的圖樣。那是印度絲綢標誌組織，授予的真絲證明。^[1] 買衣服看布料成份，天經地義。不過，如果有一天市面上販售蠶繭電池，廠商是否也會標榜百分之百純天然蠶絲？ 2022 年 8 月的《科學報告》期刊上，二名印度學者詳細解說他們攜手打造蠶繭電池的流程，以及背後的科學原理。^[2]

蠶繭電池的製作

首先，他們弄來一些印度當地家蠶（Bombyx mori）的繭，攤在陽光下曝曬，以確保裡面沒有活著的蛹。吹掉灰塵後，再把蠶繭儲存在木櫃子裡備用。接著，於 25 毫升的再蒸餾水中，加入 12.5 公克的食鹽（NaCl），然後把蠶繭丟進去浸泡 24 小時。另外，也用雷同的方法，準備分別泡了再蒸餾水和氯化鉀（KCl）水溶液的兩個組別。^[2]

（a）每個蠶繭都被切成兩份，做一顆蠶繭電池需要 8 份。^[2]

（b）切好的蠶繭內面緊實地套住鋁片；外頭則綑上銅線。鋁是負極；銅為正極。^[2]

（c）將組裝好的 8 份蠶繭串起來，放在吹風機和圓底瓶之間。上頭吹熱風；下面供應水蒸氣。^[2]

（圖／參考資料 2，Figure 2）

經過一番測試之後，研究團隊最滿意食鹽水這組的結果，決定再做一個進階版的裝置：他們將蠶繭電池放在熱水壺的壺嘴，並接上 LED 燈泡。熱水大滾，水壺裡冒出來的蒸氣觸發蠶繭電池，燈泡就會發光，像下面影片中看到的模樣。^[2] （畫面長寬比例差距過大，建議開全螢幕較方便觀賞。）

蠶繭電池的原理

（a）蠶繭是一層內外結構不對稱的絲質薄膜。圖中黃色代表內面；褐色則為外側。^[2]

_{（圖／參考資料 2，Figure 9a）}

（b）此為蠶繭薄膜切面的局部放大圖。由內（黃色）而外（褐色），蠶繭上面細孔通道的尺寸逐漸變大。^[2]這個結構平時的功能，是令水分子和二氧化碳得以快速地排出，但卻只能緩慢地滲入。前者確保蠶繭幾乎防水；後者則避免類溫室效應的發生。^[3]

_{（圖／參考資料 2，Figure 9b）}

（c）圓底瓶供應的水蒸氣，被困在細孔通道中。當吹風機為蠶繭加熱，水分子與蠶繭蛋白作用，H₃O⁺ 等電荷載體應運而生。它們會因為通道內外寬窄帶來的水壓不對等，而朝單一方向運動。^[2][註]

（圖／參考資料 2，Figure 9c）

（d）鋁和銅基於電負度（electronegativity）不同，也就是吸引電子的能力有所差異，更加劇了方向性移動的效果。^{[2, 4]} 另外，食鹽水能增加電荷載體的濃度，促進蠶繭電池導電的效能。^[2]

_{（圖／參考資料 2，Figure 9d）}

吹風機的熱風與圓底瓶的水蒸氣，讓水分子迅速穿過蠶繭的細孔通道，也就是快速充電的意思。^[2] 這個乾溼無限循環的靈感，源自蠶繭所處的自然環境。蠶繭通常吊在樹上，樹葉會給它滋潤的水氣，但陽光又導致水份蒸散，二者不斷改變溫度與濕度。然而，當蠶繭被放在攝氏 5 和 50 度的環境下，裏頭還能分別維持 25 與 34 度。^[3] 在調節溫度的過程中，從溫差產生電能，便是熱電效應（thermoelectric effect）的展現。^{[2, 5]} 當溫溼度都極高，充飽電的蠶繭就會用類似腦波的信號，通知蛾該退房了。^{[2, 3]} 這也就是蛻變的現象，具有季節性的原因。^[3]

蠶繭綠電建築

蠶繭電池製作起來雖然事倍功半，但是研究團隊寄予它極高的期望。充電靠水蒸氣；導電用食鹽，二者都是地球上容易採集的資源。因此，他們認為蠶繭電池的前景，必然優於目前市售的儲電或發電裝置。是不是純天然蠶絲不要緊，重點是希望未來能夠人工模仿蠶繭的結構，以生態友善的方式，建造會自體發電的生物聚合建築。如此一來，就能輕易滿足偏遠地區、戰略要地以及其他地方的用電需求。^[2]

備註

原文專業的說法是，內外寬窄不對稱的細孔通道中，水壓梯度會導致電位差，進而使電荷載體出現方向性的運動。

參考資料

1. Silk Mark – A Quality Assurance label (Silk Mark Organisation of India, 2017)
2. Jangir H & Das M. (2022) ‘Designing water vapor fuelled brine-silk cocoon protein bio-battery for a self-lighting kettle and water-vapor panels’. Scientific Reports, 12, 13999.
3. Tulachan B, Srivastava S, Kusurkar T, et al. (2016) ‘The role of photo-electric properties of silk cocoon membrane in pupal metamorphosis: A natural solar cell’. Scientific Reports, 6, 21915.
4. 電負度（國立臺灣大學 科學Online，2010）
5. Chandler DL. (2010) ‘Explained: Thermoelectricity’. Massachusetts Institute of Technology.

蠶絲是自然界中最輕最柔最細的天然纖維，被廣泛用於織制各種綢緞和針織品，在工業、國防和醫藥等領域也有大量應用。

目前市場上絕大部分蠶絲都來自家養的桑蠶（也叫家蠶）繭。栽桑養蠶起源於中國，距今約有6000多年的歷史。幾千年的養殖過程使得桑蠶繭易於抽絲和染色。

桑蠶蠶絲的提取只需經過相對簡單的處理，而由於野蠶繭表面附有礦物層，野蠶絲的提取一直都是一個近乎不可能的難題。野蠶繭表面的礦物層一旦被去除，就能夠得到商用價值極高的野蠶絲，這種長度和品質都極佳的天然纖維將大大促進絲製品相關產業的發展。

最近，一本名叫《生物大分子》（Biomacromolecules）的雜誌中的一項調查研究顯示，來自英國和肯尼亞的研究人員發現了一種使用酸性 溶液去除野蠶繭表面礦物的新方法，降低了野蠶絲的提取難度，並表示去除野蠶繭表層礦物之後，能夠較為容易地獲得優質長蠶絲。他們還嘗試了多種酸性溶液，試 圖找到一種能夠有效去除礦物質的同時不對蠶絲產生任何破壞的最佳選擇。

一種叫做白斑枯葉蛾（Gonometa postica）的繭面附著礦物為一水草酸鈣（calcium oxalate monohydrate）。有證據表明乙二胺四乙酸（EDTA）可以有選擇性地去除一水草酸鈣，完好地保留絲膠物質，避免蠶絲蛋白纖維絲的破壞和纏結，使 得野蠶絲可以通過熱濕處理提取。這種方法顯然有別於標準的「脫膠法」，而是一種「礦物去除法」。機械測試表明，相比現用的相對粗糙的脫膠、梳理或者乾燥抽 絲等方法，這種新技術使得蠶絲不易斷裂，大大減少了抽絲過程中可能帶來的破壞。這一項新技術的發現，將有可能極大促進絲製品產業的發展，使絲製品產業拓展 到亞洲之外的新地域。

作為這項研究的參與者之一，來自牛津大學的動物學家弗裡茨•沃拉斯（Fritz Vollrath）說：「你選擇用化學手段去除礦物質，但你一定不會選擇那些低劣的方式，你絕不會願意選擇那些會有損蠶絲質量的方式。因為家養桑蠶絲和野 蠶絲在質地與顏色方面都有所區別，野蠶絲會受到時尚產業的高度青睞。」

沃拉斯博士（Dr. Vollrath）還說：「由於輕薄，絲製品所佔空間非常小，是價值極高的產品。而作為農產品，它對於貧困地區的發展確實是意義非凡。」他和他的同事們正在為這一項新技術申請專利。

目前絲製品產業的發展主要集中在中國和印度。然而由於氣候適宜繁殖與生長，非洲和南美洲有大量的野蠶分佈。這一新技術的發現將有可能使絲製品的發展拓展到非洲和南美洲。不僅對亞洲絲製品產業的發展意義重大，對非洲和南美洲的絲製品產業同樣有著革命性的影響。

作為絲綢的發源地，中國憑藉盛產桑蠶的優勢曾一度壟斷了高利潤的絲製品行業。然而這一項新技術的發現與應用將把非洲和南美洲帶入到競爭隊伍中來，為絲製品行業的發展帶來革命性的改變。

來源：《紐約時報》5月24日報導、《生物大分子》論文摘要

作者：趙小淺

審稿：Fujia