取自山林,還予大地— 從木質纖維看可再生的森林資源

王升陽/國立中興大學森林學系終身特聘教授、中華林學會理事長

千萬年來,人類的文明即與森林有著密不可分的關係。從生物學的角度來看,人類是森林的產物之一;而森林中的其他資源,也是人類得以從其他動物中「脫穎而出」的關鍵。事實上,勞動中所使用的「工具」與「火」正是原始人類發展中的兩個重大事件,而這兩者恰巧都與森林資源密切相關。

樹所能給的,不只是木頭
木材的細胞壁是由纖微素(cellulose)、半纖維素(hemicellulose)和木質素(lignin)等三大組成分所構成的可再生高分子生物材料,此三者約占細胞壁的重量95%左右。親水性的纖維素和半纖維素是由碳水化合物(單糖)為單元所構成的高分子化合物,而疏水性的木質素則是以具有芳香環的苯基丙烷為單元所組成(表一),這三者之化學特性即是賦予了木材在人類文明中可扮演重要角色的主要原因。

表一:構成木材細胞壁的主要成分。

說到木材成分的利用,讀者可能會優先聯想到用來蓋房子、做家具的木材,或是自木材所分離出之纖維,可以用來抄造成紙張。可是大部分的人一定沒想過,我們穿在身上的衣服、刷牙的牙膏、添加在飲料中的增稠劑、維他命或藥丸中的賦形劑、火藥等,它們的原料都來自可再生的木材成分。

筆者喜歡以蓋房子用的鋼筋、水泥來比喻,纖維素就好比樑柱上較粗的鋼筋,而半纖維素如將纖維素牢牢捆在一起的細鐵絲,木質素當然就是填充於其中的水泥,因為這樣三次元的結構使得木材的細胞壁強韌無比。而我們先從以葡萄糖為單體所構成的纖維素(圖一)談起,雖說目前對於紙張的發明者與最初型態仍有所爭議,但是無論事實為何,製作紙張的原料均來自以1,4-糖苷鍵結上千個β-葡萄糖所形成直鏈狀的纖維素。葡萄糖上具有數目眾多的羥基,藉由氫鍵的形成,這些羥基除了維持纖維素規則的結晶排列外,亦可吸收水份,賦予木材所具有的優良的吸∕脫濕特性,而紙張的抄造也是靠氫鍵形成使其成型的。

圖一:纖維素是β-葡萄糖經由1,4-糖苷鍵結所形成的直鏈狀高分子化合物。
纖維素上的羥基同時提供了可反應的位置,藉此可製作不同的纖維素衍生物,如利用纖維材料浸入濃硝酸與濃硫酸混合液中所製得的硝化纖維素(又稱硝化棉、火棉,是為古代的炸藥),以及再生嫘(音同「雷」)縈纖維等,都是透過纖維素衍生物所生產之產品。目前纖維素的衍生物已在食品、醫藥、化工、建築、環保和石油化學等領域已廣泛的應用,其中產品的形態包括絲、膜、水凝膠、氣凝膠、生物塑料和高性能材料等。從資源的角度來看,纖維素為取之不盡、用之不竭的可再生資源,與利用化石原料為材料的合成纖維相較,纖維素材料上的羥基具有較佳的反應性,亦可依所期待的性能進行設計反應,在加工技術上天然纖維也相對簡單、成本低,所產生的污染也沒有化石原料來的多。

減少環境負擔的絕佳原料
這些天然纖維除了上述的好處外,其生物降解性也較佳,是對環境相當友善的材料,而近年奈米級纖維素的發展更是纖維素科技發展的重點。奈米纖維素具有比表面積大、抗張強度高等特點,同時奈米纖維素在生物體中尚未被發現具有排斥反應及發炎作用,故這種天然生物材料其優越的生物適應性(biocompatibility),也引起了醫學界與產業界的廣泛興趣,應可廣泛應用於日用或手術、實驗耗材,如化妝品原料、手術、組織工程、支架,甚至在生物醫學材料、生物載體、生物感應器、磁性藥物載體、無機材料生物模板等精密器材,都將是未來纖維素科技的重要領域。

除了從材料的角度來看木質纖維素對人類的貢獻外,木質纖維亦可望成為可再生的生物能源研究與應用的原料來源,如降解後的植物細胞壁,其碳水化合物透過酵素轉換成生物酒精,已成為可替代石油的廉價環保能源。然而,這種由纖維素得來生物酒精目前無法廣為推廣,主要的問題在於酶解成本過高,約佔總生產成本的一半左右,據推估只有在酶的成本降低至10%,纖維素酒精才能與石油相競爭,因此纖維素酶的研發方向應朝「經濟性」與「性能」兩個方向努力,如可將選殖於自然的纖維素酶,利用分子演化和設計來提高酶的功能性,並以強化後的低成本發酵來生產酶製劑,或透過基因工程途徑構建生產纖維素酶的高效轉殖菌種。

永續經營森林學問多
來自森林的可再生木質纖維與人類的關係,隨著科技發展越發緊密。森林是重要的自然資源並且攸關生態品質,但面對化石原料日漸短缺的今日,應該更充分、有效地利用可再生的綠色資源。是故,人類對森林資源的利用,應重新檢討與面對未來可能造成的環境污染以及能源短缺的逆境。在臺灣,有近六成的土地被森林覆蓋,如果將原始天然林、環境保護林等去除,應該還有近40萬公頃的經濟林地可利用。正確的利用森林資源的態度是種更多的樹,以及減少使用那些不可再生的能源與材料(即化石燃料、礦物及合成高分子),而使用更多可再生的木材,如此一來才能避免從地底下釋放出更多的「碳」到生物圈中。負責任並具前瞻性的森林經營,是對於森林資源的保護、培育、開發、利用和發揮環境保護等多功能效益的經營與生產活動,如能盡量使用可再生的天生纖維,提升人類生活品質之餘,還可同時達到保護環境的目的。

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