昆虫资源在工业上的应用

摘要：从仿生学，昆虫的形态构造与行为在科学技术和工业上的应用和为工业提供原料的昆虫等方面综述了昆虫资源在工业上的开发与应用的研究进展。

关键词：仿生学、原料、昆虫资源、开发、利用

正文：

昆虫是地球上动物中最为丰富和多样化的种类,它既能给人类带来巨大的威胁, 成为我们生存的竞争对手, 如为害作物和建筑以及传播疾病的害虫；又能给人类带来显著的利益,

如蜜蜂、家蚕等益虫, 成为我们生活的一部分。在数千年前我们的祖宗就认识到这一点, 开始养蚕植桑、防治虫害, 在科学发达的今天, 我们更应当了解昆虫对人类衣食住行的影响,

知道昆虫科技与产业发展的密切联系【9】。

昆虫是地球上生物量最大的生物类群，也是目前最大的未被充分利用的宝贵资源。其虫体本身开发产物可广泛应用于机械、电子、军工、日用化工、食品、饲料、医药、造纸、农业等行业。目前，世界各国的昆虫资源的利用范围仅局限于虫体、虫产品和虫行为等几个方面。虫体即昆虫身体物质的利用，如昆虫体表的几丁质，体内的蛋白质，含有二十多种氨基酸，还有丰富的酯肪、抗生素和激素等。虫产品是昆虫的代谢产物，如蜂蜜、蜂蜡、蜂毒、紫胶、虫白蜡、五倍子、蚕丝及昆虫色素等，这些昆虫产品具有极高的利益价值。昆虫行为主要利用昆虫的生物学及生态学特性，如授粉昆虫、天敌昆虫、环境保护昆虫的利用。而在工业上

昆虫在工业资源方面的价值十分可观，而随着人类社会的进步和科学事业的发达，人们对昆虫的研究与认识，也愈来愈深人．变野生为家养、变害为益的实例也越来越多，而通过仿生技术也为人类创造出更多的技术，所以对于昆虫资源的开发与利用，将是一个永恒的课题【6】。

一：昆虫仿生学在科学技术和工业上的应用：

仿生学是近几十年来发展起来的属于生物学与技术科学之间的一门边缘学科。其英文为bionics,来自于希腊文bion, 意指生命。J·E 斯蒂尔博士提出仿生学定义——仿生学是模仿生物系统的原理来建造技术系统, 或者使人造技术系统具有或类似于生物系统特征，其研究范围为机械仿生、物理仿生、化学仿生、人体仿生、智能仿生等。而在机械仿生中还分为结构仿生、功能仿生和形态仿生【13】。

1． 仿生学与工业设计：

随着人们对生物的进一步研究, 仿生学获得了迅速的发展。利用仿生学原理来指导工业设计成为工业设计中的一个重要分支——仿生设计。作为工业设计创新设计方法之一的仿生设计学综合仿生学等许多相关学科的概念和研究成果, 以工业设计的专业知识和技能为基础, 以工业设计创新思想和观念为指导, 是工业设计创建人与自然和谐关系, 改进人类生活方式的一个重要途径和研究方向。它可分为形态仿生设计学、功能仿生设计学、感觉器官的仿生学和结构仿生设计学。

1.1 形态仿生设计学

形态仿生设计学研究的是生物体(包括动物、植物、微生物、人类)和自然界物质存在(如日、月、风、云、山、川、雷、电等)的外部形态及其象征寓意,以及如何通过相应的艺术处理手法将之应用于设计之中。昆虫形态千差万别，形态仿生是早期仿生的主要内容,主要应用于军事和航空航天领域,如: 模仿蝴蝶色彩和花纹的军事伪装设施;模仿蜻蜒翅膀上的翅痣在飞机的两翼加上平衡重锤,解决飞机因高速飞行而引起振动的棘手问题;模仿蝴蝶翅面上的鳞片随阳光照射方向自动变换角度而调节体温的原理,成功实现对人造卫星由于位置不断化而引起温度骤然变化的控制【3】。另外,一些昆虫巢穴的形态结构也是仿生研究的内容。在一些大型建筑中,经常模仿蜜蜂巢穴的六角形的架构设计,使建筑物具有高强度力学支撑结构,既坚固、美观,又节省建材。

1.2 功能和结构仿生设计学

功能仿生设计学主要研究生物体和自然界物质存在的功能和内部结构原理, 并用这些原理去改进现有的或建造新的技术系统, 以促进产品的更新换代或新产品的开发【13】，适用于产品设计和建筑设计。飞机的原型是空中飞行的鸟类,而超音速飞机高速飞行时,机翼会产生有害的振动,有时甚至会折断机翼。科学家通过研究发现在蜻蜒翅膀末端前缘上有一较厚的翅痣区,正是这较厚的翅痣区,承受着蜻蜒翅膀高频率的振动【7】。在此启发下，设计者最后在机翼前缘的远端设置了一个加强装置并有效地解决了这一难题。而国际市场上鳄鱼皮、蛇皮、玳瑁壳制造的拎包、皮夹、皮带等产品很畅销,但价格十分昂贵,而且受到动物保护法律的限制,不可多得。设计者根据这些动物的表皮特征和质感,发明了表面镀饰新工艺,使产品酷似天然,美观而又价廉。该项技术是先用塑料覆盖于真皮上印出具有天然质感的纹理,在其上喷涂银浆使其能导电,然后用适当的电镀液进行电铸,得到坚硬的“电铸膜”。在电铸膜上镀上一层薄金,就成为压铸人造纹理的模具。有了模具,就可大批量生产人造皮革,满足了人们对真皮的心理。

1.3 感觉器官仿生学

感觉器官仿生学是通过对昆虫的感觉器官的仿制有效的解决人类所遇到的问题和设计新的产品【2】。昆虫复眼有极高的时间分辨率，仿其制造的雷达提高了对飞行器的测量；人们称鹰眼为“神目”，其视网膜上的感光细胞对亮度、边缘、方向以及运动有特殊的敏感，美国E-2型鹰眼预警机安装了仿鹰眼雷达系统，提高了探测能力；利用航天技术，科学家研发出超精细人造陶质光感受细胞，直径2mm的微芯片可被植入人的视网膜内，极大地改善视觉残疾人的视力。种种案例表明，人类已经通过对感觉器官的仿生制造了新的产品和武器。

二：昆虫为重要的工业原料

工业原料昆虫是开发应用最早的传统资源昆虫,包括蚕、蜜蜂、白蜡虫、紫胶虫、五倍子蚜等。目前,世界上有50 多个国家饲养家蚕,年产茧量70 多万t【12】。除传统应用外,蚕丝蛋白也是目前研究的热点,其在化妆品、医药、固定化酶载体材料、食品、再生丝和涂膜化纤表面等方面都有应用。紫胶虫属同翅目胶蚁科, 其体壁上有胶腺可泌胶、蜡腺可泌蜡【9】。紫胶树脂是紫胶虫的主要产物, 它具有防潮、防水、防锈、防腐、防紫外线、绝缘、粘合力强、易干、耐酸、耐油、可塑性强、表面光洁、弹性好、化学性质稳定、对人无毒副作用等优良性能, 广泛应用于国防、民用涂料、绝缘、粘结剂和油墨工业等方面。常用的紫胶主要靠雌虫分泌, 由于紫胶虫生长的好坏和紫胶的产量与虫种和寄主植物的种类密切相关。而白蜡虫属同翅目蜡蚁科的一种微小昆虫, 在女贞、白蜡树等植物上寄生, 其雄虫在生长过程中分泌出的蜡质, 称虫白蜡【9】。目前虫白蜡是军事工业和电子工业的重要原料, 也是我国传统出口商品, 供不应求。军工、精密仪器生产中, 白蜡可避免气泡的产生, 还可防锈、防潮、润滑。白蜡还可增加光亮度, 用于纺织、造纸、装饰等。白蜡主产于中国，目前我国年生产潜力在1 000 t 以上,年产值8 000 万元左右。此外，五倍子蚜形成的五倍子广泛应用于医药、纺织、印染、矿冶、化工、机械、国防、轻工、食品等行业，我国目前产量为每年4 000～5

000 t ,年产值在亿元以上【4】。

近年来，随着昆虫工业的兴起，昆虫资源以广泛在工业中利用，除了传统的医药、纺织、印染、矿冶等行业，在化工业和食品工业上也取得不少的成就。比如干扰素的大量生产，最近东R E公司正进行研究开发的方法是作为宿主来说并不是大鼠或者大肠杆菌而是利用昆虫中的蚕【8】。目前，从某些昆虫中提取的化学成分，即可以生产昆虫生产调节剂（可能取代杀虫剂）【11】，也在化妆品中广泛应用，主要包括如下几类物质：(1)油性原料，主要是蜂蜡，也称白蜡、黄蜡或蜜蜡，是一类采自蜂巢的蜡类物质；白蜡，也称中国蜡、虫蜡或川蜡，由白蜡虫分泌于所寄生的女贞或白蜡树枝上形成的蜡质。(2)保湿性原料，主要有从昆虫体内提取的透明质酸和粘多糖等化学成分 。(3)色素类原料，目前只有从胭脂虫中提取的胭脂红一种色素原料。(4)粉剂原料，从家蚕等吐丝类昆虫中提取、制成的丝粉性原料。(5)粘稠剂，主要是紫胶虫分泌形成的紫胶和虫胶两种原料。(6)特效添加剂，有蜂胶、丝肽以及甲壳素和其衍生物质等原料【15】。此外，作为食品添加剂, 天然食用色素市场潜力巨大,研究、开发、生产、应用天然色素是世界的大趋势。我国无胭脂虫分布与胭脂虫红的加工, 每年需花大量外汇进口胭脂虫红以用于医药、食品等行业【14】。

而甲壳素（广泛存在于虾壳、蟹壳、昆虫外壳、真菌和藻类等细胞壁中,是一种天然高分子的多糖化合物【1】）和壳聚糖由于其天然无毒和在许多领域的广泛用途，已引起许多国家的重视，现已成为最热门的研究领域之一，在日本，平均每3d 就申请1 项有关甲壳素和壳聚糖的专利。目前甲壳素已被欧美学术界称其为六大生命元素之一(蛋白质、脂类、糖类、维生素、矿质元素、甲壳素)。目前我国壳聚糖的年产量为 200t，远不能满足市场需要。昆虫具有种类多、生物量大、繁殖速度快、富含甲壳素资源等优点，因而具有良好的资源潜力和开发优势，昆虫壳聚糖类功能食品的开发无疑也具有广阔的前景。另外，昆虫甲壳素的产业化也将对整个昆虫资源的产业化起到一定的促进作用。

结语：昆虫是地球上动物中最为丰富和多样化的种类,它既能给人类带来巨大的威胁, 成为我们生存的竞争对手, 如为害作物和建筑以及传播疾病的害虫，又能给人类带来显著的利益, 如蜜蜂、家蚕等益虫, 成为我们生活的一部分。在数千年前我们的祖宗就认识到这一点, 开始养蚕植桑、防治虫害, 在科学发达的今天, 我们更应当了解昆虫对人类衣食住行的影响, 知道昆虫科

技与产业发展的密切联系。而我国拥有丰富的昆虫资源，目前从事昆虫资源开发与利用研究的单位大多是从事昆虫学研究的单位,但从事昆虫学研究的科研工作者可能在食品科学、营养科学、药理学、应用生物技术、市场经济学、管理学等方面有所不足，因而单靠昆虫学家的努力是不够的。昆虫资源的开发及其产业化是一项庞大而艰苦的工程,需要多学科联合开发和研究。

参考文献：【1】郑铁生,辛淮生,卞爱民,王亚娜,宗爱萍 地产龙虾壳甲壳素的提取和壳聚糖的制备 江苏大学医学技术学院、江苏大学药学院、镇江科力生物技术有限公司

【2】孙久荣、戴振东 仿生学的现状和未来 2007年四月

【3】陈为 工业设计中仿生设计的应用 2003年12月

【4】朱 巽、闵文艳 湖南工业原料资源昆虫调查 2006年8月

【5】刘高强 章克昌 几种昆虫水提和醇提物对灵芝深层发酵生产多糖的影响 2006年

【6】张汉光 几种重要的工业资源昆虫

【7】 伍一军、陈 瑞、李薇 昆虫仿生 【8】狄之野 昆虫工业的兴起

【9】王深柱 昆虫科技与产业发展

【10】刘高强、王晓玲 昆虫壳聚糖在食品工业中的开发应用

【11】刘长今 昆虫生长调节剂的开发现状与发展趋势

【12】刘高强、魏美才 昆虫资源开发与利用的新进展 2008年

【13】张崟 浅谈仿生学在工业设计中的应用 2008年3月

【14】李志国, 赵杰军, 张建云, 杨时宇 胭脂虫与胭脂虫色素的利用 2007年7月27日

【15】马玉垄、李玲 资源昆虫的化学物质成分在化妆品中的应用及其发展前景 2001年6月29日