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工程微生物还能产生自然界中不存在的颜色？生产过程节能节水，或冲击传统合成染料市场

DeepTech深科技 · 公众号 · 科技媒体 · 2021-12-13 20:50

正文

《中国染织史》记载，北京周口店的山顶洞人早在 1.5 万年以前就开始用红色氧化铁矿物颜料，用骨针制作衣物。

史前时代以来，人类开始用其它生物染衣服。考古学家将源自植物的靛蓝追溯到秘鲁海岸发现的一块有 600 年历史的织物；阿兹特克人和玛雅人从仙人掌上的昆虫中提取深红色染料；地中海的其他人则用蜗牛制成皇家紫色......

1856 年，英国化学家 W.H.Perkin 在制取奎宁的试验中意外地发现一种紫色染料 —— 苯胺紫，合成染料自此拉开序幕。

到目前为止，工业上已经使用了 10000 多种不同的染料和颜色，全世界每年生产超过 7 x 10 5 吨的合成染料。然而，在纺织工业中，由于染色过程效率低下，每年有多达 200,000 吨染料在染色操作过程中流失到废水中。

现在，可持续性是政府和消费者尤为关注的问题，生物合成被给予极高的期望。

近期，在英国生物科技公司 Colorifix 的技术支持下，服装品牌 Pangaia 发布了一款新的运动服，起价为 170 美元， 其着色染料来源于细菌。

据悉，这是该公司使用微生物染料后，商业化的第一款产品，使用了两种可产生染料的微生物，一种微生物自然存在于五颜六色的间歇泉内部和周围，而另一种微生物则定居在丝绸生产废料中。

图 | 细菌染料着色的衣服（来源：Pangaia 官网）

当前问题是降低成本

Colorifix 成立于 2016 年，是第一家在纺织品颜料生产、沉积和固定过程中完全使用生物工艺的公司。该公司的技术源于剑桥大学，由两位合成生物学家创立，分别是 Jim Ajioka 和 Orr Yarkoni，两人为师生关系。

起初，两位专家在开发生物传感器，以监测尼泊尔农村饮用水中的污染。在意识到染色工业对人类健康和水资源的影响后，两人合伙成立了 Colorifix。

图丨 Colorifix 公司 CSO Jim Ajioka （左）和 CEO Orr Yarkoni（右）

公司官网介绍，Colorifix 通过从染料的产生到将其固定到织物中，用生物学代替化学，最大限度地减少行业的碳足迹。

自然界中有色彩丰富的有机体，如昆虫、植物等，Colorifix 会通过测序，确定产生颜色的确切基因，然后将基因导入微生物中，形成微型的生物工厂，工程化后的微生物就可以产生相应的颜色。

随后，Colorifix 会将工程化改造过的微生物寄送给客户。与酿造啤酒的方式相同，微生物会在糖和植物等可再生原料上生产。它们每 20 分钟分裂一次，在一两天内产生大量五颜六色的染液，然后将其直接放入标准染色机中，在 37℃下与织物按 1:6 的比例混合，无需专业设备或有毒化学品。

在染色的最后阶段，Colorifix 会通过经过验证的灭活步骤消除所有活微生物，从而生产出无菌的非转基因产品。该公司的技术有助于将大宗农业副产品 (如糖蜜) 转化为颜料和染色精美的纺织品。

在传统染色中，许多刺激性化学品、重金属和盐在固色阶段被引入，以在颜色和纤维之间建立永久的结合。 Colorifix 的工程微生物则能够将水中已经存在的营养盐和金属浓缩到促进这种染料与零添加物质相互作用的水平，其色牢度可与合成染料相媲美。

作为传统染料的替代品，Colorifix 的技术将天然颜料大规模转化为彩色工业染料，零石化产品，且不含传统染色所需的任何有害物质，预计水和能源可能分别节省 50% 和 30%，目前价格介于合成和优质天然染色工艺之间，Yarkoni 表示的 目前的目标是尽快降低成本。

有业内人士告诉生辉， 成本方面，或许需要遵从代谢工程 “开源节流” 的策略逐渐改造、优化菌株的生产性能。

（来源：生辉 SynBio 根据公开资料整理）

除了与 Pangaia 合作外，Colorifix 的染色方法还被 Tintex 和 Forster Rohner 等时尚制造商采用，他们为 Christian Dior 和 Balenciaga 等品牌生产纺织品。

或能产生全新的颜色

天然染料分植物染料和动物染料，合成染料通常经过石油化工等产品制成。在染色过程中，通常需要 5 次洗涤、连续 5 个小时以上的高温才能着色，根据公开数据，仅英国每年的服装量就需要超过 200 亿升水来染色。Colorifix 则称只需要 1 次洗涤和 3 小时的高温着色，这种方法使用的水比传统染色方法少 68%。

从经济和可持续性的角度来看，合成染料生产中使用原油是一大痛点，其不仅是不可再生资源，还会污染环境。

（来源：生辉 SynBio 根据公开资料整理）

源于细菌的染料则是 100% 的天然生物产品，除此之外，细菌染料还可以提供多种颜色。Vienna Textile Lab 就是一家使用天然细菌生产纺织染料的公司，其创始人兼 CEO Karin Fleck 曾表示，细菌通常会提供一种特定的颜色，但有些细菌也会产生两种颜色甚至混合颜色。

对于工程化改造的细菌是否能够创造出自然界中不存在的染料？上述业内人士表示，“能否创造出自然界中不存在的颜色要看怎么定义‘自然界中存在的颜色’，如果定义成‘自然界中特定色素类化合物所能呈现出的颜色’，那答案是肯定的。”

他补充道，“我所理解的实现策略有两种，第一种是让微生物同时产不同颜色的色素，如果最终的提取液中同时包含两种及多种色素的话，那整体呈现出来的就是复合色，是可以被称之为新的颜色；第二种策略，可能是通过调整特定色素的合成途径，导致最终合成结构经过修饰的色素，这样应该也会有不同的呈色效果。”

除此之外，与其它天然染料的提取相比， 细菌染料的生产不用取决于季节、天气和地理，只需要将菌株储存在实验室中，就可以随时复制和繁殖。

至于利用工程化改造的微生物大规模生产染料所面临的难点，该业内人士表示，在染料产业化方面，首先需要关注 微生物生产化合物的能力 ，生产能力会直接决定技术的经济可行性。比如靛蓝，现在最高的产量也只达到了 1g/L 的水平，成本高于化学合成的染料。

他还表示，该技术手段还可应用于微生物生产色素，但美妆和食品行业对于色素有一定的要求，对于化合物的安全性方面的要求会相对较高。“应用到美妆领域的色素，一些共性的问题包括性质不稳定、易褪色以及色素本身功能性和外观体验的冲突等需要考虑。”

参考资料：

https://www.prnewswire.com/news-releases/pangaia-lab-powered-by-colorifix-brings-biology-based-dyeing-technology-to-apparel-for-the-first-time-301433245.html
https://www.greenqueen.com.hk/pangaia-colorifix-capsule-collection/
http://www.cnpc.com.cn/syzs/shysh/202012/cc800303630740218434ba687c6ef4d9.shtml

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