新型交叉学科纺织生物材料学研究

郭万里　杨英文　杨东风　梁宗锁

摘要 针对生物学学科和纺织学学科间交叉衔接的缺失、融合创新不到位，缺乏合理科学的人才培养体系的问题，该文从纺织生物材料学概念的界定、研究的核心问题、可能的课程安排等方面阐述该学科建设和人才培养的可能建议，旨在合理、科学地规划纺织生物材料学科的发展，使之成为纺织行业源头创新的基石。

关键词 纺织生物材料学；交叉学科；生物技术；纺织材料；学科建设；人才培养

中图分类号 S-01；TS195.644 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）11-382-03

不同学科的交叉和融合会导致理论上的突破和技术上的创新，当今生物学的快速发展已经成为推动当今各学科发展的重要动力之一。生物学的发展，尤其是生物技术的快速发展，为各个行业的发展提供了新的动力，形成了新的交叉融合学科，也是科技创新的突破口和创新人才培养的重要途径[1]。生物技术在纺织中的应用可以追溯到3 000多年前，但纺织生物技术的快速发展得益于20世纪70年代后基因工程、酶工程、微生物工程的发展，如纤维的生物工程改造，淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶等为代表的酶制剂的广泛应用和纺织污水的微生物处理等[2]。近年来，纺织生物技术的发展成为国际上新的热点和经济发展的新动力，其中纺织生物技术国际会议（International Conference on Textile Biotechnology）[3]的召开充分说明了这一点。然而，从少量的教材和几所大学开设的相关课程[4-5]可以看出，该学科主要涉及生物技术在纺织材料加工过程中的应用，简化或忽略了纺织生物材料的生物学特性及其生物合成调控等内容，而该方面内容的创新才能引领纺织行业的深入革新，例如低糖和低淀粉纤维纺织材料的生物育种可以减少纺织过程的加工步骤或降低处理的强度，从而提高纺织材料的品质，并降低生产成本，减少环境污染。因此，鉴于生物学的发展和纺织学的发展，新型交叉学科纺织材料生物学的出现和快速发展成为必然。

1 概念的规范和纺织生物材料学学科发展的紧迫性

目前，生物学与纺织材料学所形成的交叉学科的名称比较多，主要有纺织材料生物技术[6]、酶在纺织行业的应用[7]等，均不能全面概括这个新生的交叉学科。因此，笔者提出了纺织生物材料学（Textile Biometerials）的概念，该概念有广义和狭义之分：广义的概念涉及纺织生物材料生产、加工、后处理等环节所有涉及生物技术的基础和应用研究，主要涵盖纺织材料的生物学研究，纺织材料的生物加工、后处理等部分；狭义的概念主要集中研究纺织行业中所用生物材料的生物学特性、生物合成、调控，新型纺织生物材料的开发等内容。狭义的定义可能更准确地反映纺织生物材料学的特征，建议以纺织行业所需材料或加工的动态需求为目的，研究纺织生物材料的特征、改造现有的或发现新的生物材料，并从源头创新纺织材料和培养专业人才。

传统的纺织行业属于劳动密集型工业，受限于技术水平偏低、高能耗、高污染和自然条件的约束，其发展也受到较多的制约。然而，生物技术的发展为纺织工业的发展提供了新的发展空间。如酶退浆、牛仔布返旧整理、生物抛光、羊毛和合成纤维的生物改性等生物技术在纺织行业的应用可以明显降低成本、革新工艺、减少环境污染、降低能耗。这些特性也是纺织行业成为21 世纪最有生命力的产业之一[8]的关键因素。目前，生物技术在纺织材料学科的应用主要是酶的应用[4]，因此《酶在纺织中的应用》（周文龙，2002）、《酶在纺织印染工业中的应用》（李群、赵昔慧，2006），以及国外的教材大部分从这个角度来认知生物技术与纺织材料的关系。纺织学家可能认为纺织生物材料特性的研究是生物学家的范畴，对通过育种和基因工程改造纺织材料等技术认识不足；生命科学家单单从某一指标研究纺织材料的特性，而忽视了其他纺织用途特性，均不利于纺织行业的发展。纺织材料的源头革新在于原材料的创新，纺织学与生命科学的合理、科学和有效的结合才能取得突破性的成果，与现有纺织行业生物技术的运用相比，原材料的革新能够更好地减少纺织材料的加工过程，减少能耗、减少环境污染和降低成本。遗憾的是两个学科的交叉不充分，导致纺织生物材料的部分或局部革新。另外，由于学科的不完善，缺乏系统的人才培养机制，致使该学科高层次人才紧缺。我国人口基数大、底子薄，对纺织行业的压力巨大，我国还是纺织品出口大国，面临越来越多的纺织品品质和技术的挑战，更需要在该领域拥有更多的源头创新，所以，发展该新兴学科是我国纺织行业可持续发展的紧迫和关键任务。

2 纺织生物材料学研究的核心问题

纺织生物材料学研究的目的是提供纺织原材料、纺织品加工及其后期处理所需的生物物质或生物制剂，包括酶类。因此，该学科的研究核心可能有以下8个主要部分：①纤维素材料的生物学特征和纤维素生物合成和调控；②蛋白纤维材料的生物学特征和蛋白纤维素生物合成和调控；③新型纺织生物材料的特征及其生物合成和调控，例如可降解纺织材料、医学用纺织材料等；④纺织生物材料的生物工程育种，包含杂交和基因工程育种；⑤纺织材料处理中所用酶的特性和改造；⑥纺织材料处理中所用微生物的特性和改造；⑦生物发酵生产纺织生物材料前体；⑧特殊功能纺织生物材料的特性和开发。例如纤维素材料，涵盖纤维素的种类、合成规律和调控，普通棉、彩棉、空心棉、麻纤维等纤维的特性和改造等；生物工程中相关的技术、基因的功能、纤维素和蛋白纤维遗传改造等，这些也是生物发酵生产纺织生物材料前体的基础。这些核心问题组成了纺织生物材料学学科的核心内容，表明纺织生物材料学科初步形成了系统的知识结构。目前，这些核心问题的研究是分散的，主要是纺织行业研究人员借鉴生物技术来改善纺织材料的特性或开发新的纺织材料，而生命科学研究人员的研究很多不能直接应用于纺织行业。如果两者合理交叉，形成新的学科，进而培养全面的研究人才，则可大大缩短纺织生物材料的研究周期、提供更优良的纺织生物材料。

3 纺织生物材料学科研究团队建设的建议

由于纺织生物材料学科的新颖性和交叉性，人才的知识局限性，导致了研究团队建设的困难性。关键是缺乏大量具有丰富生物学和纺织材料学知识的综合人才[9]。因此，建设的研究团队不仅担负研究任务，还担负培养交叉学科优秀人才的责任。建议具有生命科学学科和纺织材料学科的高等院校打破学科壁垒，从两个学科抽调骨干力量组建新的交叉学科，主要包括有威望的负责人1名，教授2～4人，副教授4～6人，讲师4～6人及研究生若干的研究团队。该团队组建初期需要凝练研究方向和人才培养方案的制定，确立团队的任务是集中精力研究纺织生物材料学科中2～4个研究方向，担负交叉型综合人才的培养。人才培养方案的制定需根据交叉学科的特点确定该学科本科生的必修和选修专业课，以及合理的排课顺序。研究团队自身的建设应包括定期的学术交流机制，内部和外部的学术报告会、学术沙龙、学术讲座，团队内部年轻人才的培养和人才流动机制。由于新交叉学科的建设初期困难较多，学校需要在整体发展水平上给予大力支撑，包括研究经费、空间，以及考核、聘岗、奖励等方面的优先考虑。该学科一旦形成成熟的研究团队，必将成为新的创新集体和学校发展的中坚力量。

4 人才培养中纺织生物材料学课程设置的建议

纺织生物材料学学科的人才培养课程需要生命科学和纺织材料学多门课程的设置，需要建设该学科的不同高校根据生物学科和纺织材料学科的不同情况酌情设置。纺织生物材料学是该交叉学科共有的主修课程，下面就该课程的建设提供一些可能的参考。

4.1 课程设置的建议

纺织生物材料学课程的设置建议主要分为两部分，第一部分为纺织材料生物技术原理的讲解，主要包括纺织原材料的生物发生和调控机制、生物技术中的基因工程、酶工程、微生物工程等与纺织材料及其加工相关技术的原理讲解；第二部分主要采用案例对原理讲述部分的再认知，主要包括生物技术育种、纺织材料加工中酶的应用、废水的微生物处理等。基于这些交叉知识和案例，笔者预设了课程的教学内容（表1）。该课程的安排可以根据学生专业基础进行调整，如生物专业背景应侧重纺织材料加工知识和案例的讲授；而纺织专业背景应侧重生物学原理的讲解等。由于该课程为交叉学科，建议学生在修完生物学、有机化学、基因工程、发酵工程、纺织材料学、纺织化学、纺纱原理、织物组织设计与分析等专业课程后再修该课程。

4.2 纺织生物材料学教材的整合和完善

陈坚等主编的《纺织生物技术》（2008年）、周文龙主编的《酶在纺织中的应用》（2002年）、李群等编写的《酶在纺织印染工业中的应用》（2006年）以及国外的教材等都注重纺织材料采收后的加工及其后处理中各种生物酶的应用，杨雪霞等[4]已经扼要介绍了这几门课程的特点，主要涉及纺织品加工过程中生物酶的应用。这些教材中纺织生物材料的生物学合成、调控等内容涉及较少，鉴于此，建议参考这些教材的同时，完善生物学原理和纺织原材料生物发生机理的部分。因此，建议根据课程的设置将基因工程、微生物工程和酶工程等内容有机添加或修改相应的章节，形成更加合理的纺织生物材料学的教材。

4.3 纺织生物材料学课程的教学理念和方法

纺织生物材料学是一门以生物学和纺织材料学科为主的交叉学科，把握理论知识的深度和实践的程度显得非常关键，这就需要授课时激发学生的情趣和主观能动性，引导学生理论结合实际地学习课程的相关内容，达到学活和用活的目的。授课方法除了讲解外主要有以下几点：①采用MOOC的方式，把该课程的知识分为若干点，如基因工程的原理、牛奶纤维的加工等，在开课初期以学术报告的方式留给学生，每组学生20～25 min，指导他们提出支撑知识点的2～3个案例，做出条理清晰的PPT。从第三周上课开始，课堂交给学生（2/3时间交给学生，剩余时间教师进行点评，给出合理的建议，以及纠错），

通过学生的讲解、提问和回答等环节促进学生的交互式学习。该方式不仅能提高学生的主动学习热情，还能培养学生的组织、思维、口才、应变等能力，达到综合培养学生知识和能力素养的目的；②授课中多采用图片和视频的直观信息来引导学生学习[10]。例如枯燥的纤维结构及其生物合成规

排序名称内容

第一章绪论纺织生物材料学的概念、纺织生物材料学发展历史和趋势、生物技术概述、纺织材料概述、课程的重要性和目的

第二章纤维素纤维的生物合成和调控机理纤维素纤维的生物学特性和分类，纤维素纤维的生物合成机理，纤维素纤维生物合成调控机理，棉和麻纤维

第三章蛋白纤维的生物合成和调控机理蛋白纤维的生物学特性和分类，蛋白纤维的生物合成机理，蛋白纤维生物合成调控机理，蛋白纤维的生物育种，大豆蛋白纤维，蚕丝纤维

第四章生物工程纺织材料育种生物工程原理、抗虫和抗除草剂棉、彩色棉、多成分棉、羊毛、蜘蛛丝、桑蚕丝

第五章生物合成纤维玉米纤维、多肽纤维、细菌纤维素等

第六章纺织材料工程酶的生物学特性和生产纺织用酶的分类、命名，酶的结构、化学和催化特性，酶的生产和提取，酶及其固定状态的的反应动力学，酶活性的影响因素，纺织用酶制剂的配制，果胶酶和淀粉酶

第七章纺织材料加工过程中的微生物微生物分类、命名，纺织用微生物的种类和生物学特征，微生物发酵生产纺织用酶制剂，微生物工程菌的优化和筛选，纺织废水的微生物处理

第八章纺织材料的生物前处理纺织材料的前处理传统工艺，纺织材料的前处理生物学工艺

第九章纺织材料加工过程中生物后整理纺织品后整理的目的和一般方法，纺织品后整理用酶的要求，类别，物化特性和作用机制，纤维素纤维织物的生物后整理技术，蛋白质纤维的生物后整理技术，化纤织物生物后整理和生物修饰

第十章纺织品生物处理过程的优化与控制搅拌对生物处理的影响，pH对生物处理的影响，温度对生物处理的影响，纺织材料概述，化学助剂对生物处理的影响，特殊纺织生物材料，抗菌纺织生物材料，生物降解类纺织生物材料，其他特殊纺织生物材料

律，单单告诉学生这些是小分子的聚合远远不够充分，配合文献中的图片和相关的视频往往能吸引学生的学习兴趣；③讲故事，特别是枯燥原理的讲解，收集相关的名人轶事、利用历史上相关企业发展沉浮事件的原因剖析等吸引学生，激起学生的兴趣，同时关联响应知识点的学习；④安排学生到企业实地考察1～2次，让学生的学习与实践结合起来，例如织布厂和服装厂等，让一线的工作人员和专家给学生做报告，讲解相关领域的发展现状，提出一些需要解决的问题让学生思考。这些授课方式的实施能动态地吸引学生的注意力，激发学生灵感，培养学生的专业素养，提高学生的综合能力。

4.4 课程的考核方式

该课程的授课方式是激发学生的自我学习和能力展示，课程的考核方式也以学生为主，主要是平时成绩占20%，学生的展示自我占40%，期末考试成绩占40%。平时成绩包括考勤、学习主动性（课堂参与情况）及作业；学生自我展示的评分包括PPT质量、演讲仪态、流利的语言程度、层次清晰度、结构完整度、场面控制能力、问题交流能力等几项，每次课随机挑选10名不参与展示的学生进行评分，最后综合学生和教师的评分；期末考试主要考察学生对原理方法的精准把握、分析问题的能力和对问题的拓展能力。这些考核方式与授课方式相结合，更能促进学生积极参与教和学的活动，既培养学生的专业能力，又培养学生的综合素质，也能避免单一考核方式的不足。

5 结语

纺织生物材料学学科涵盖了以往的纺织生物技术、酶在纺织中的应用、酶在纺织印染工业中的应用[11]等理念，使该交叉学科更加合理、完善。然而，纺织生物材料学毕竟是近些年发展起来的交叉学科，建立系统的研究和人才培养体系还需要一定的时间，建议具有开展该交叉学科能力的大专院校根据研究水平和教学现状，建立相应的学科，从理论和应用层面迅速形成纺织生物材料研究梯队，培养高水平的人才，从而迅速提高我国纺织生物材料研究的水平，引领国际纺织生物材料的前沿。

参考文献

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[7] 周文龙.酶在纺织中的应用[M].北京：中国纺织出版社，2002.

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[10] 梁宗锁，王国栋.现代生命科学教学改革研究与实践[M].杨凌：西北农林科技大学出版社，2011.

[11] 李群，赵昔慧.酶在纺织印染工业中的应用[M].北京：化学工业出版社，2006.