# 竹子产业技术创新：多领域的突破与可持续发展的希望
一、引言
竹子，作为禾本科（Poaceae）的高大草本植物，生长迅速且可再生，凭借其出色的多功能性和可持续性，在全球各行业中备受瞩目。随着环境问题日益严峻以及对可持续材料需求的增长，竹子在食品、纺织、建筑和环境管理等领域，逐渐成为传统材料的可行替代品。其快速的生长速度、高抗拉强度和极小的环境影响，使其成为木材、塑料和其他不可再生材料的理想替代选择。近年来，技术进步进一步拓展了竹子的应用潜力，使其从传统材料转变为现代可持续实践的基石。本文将深入探讨竹子产业的技术创新，进行行业分析，并介绍最新的专利和研究进展。
1.1 竹子及其产品
竹子在多个领域都有广泛应用，其笋可用于食品行业，纤维用于纺织，竹浆用于造纸，竹茎用于制造家具、手工艺品和细木工制品，还因其高抗拉强度和快速生长特性，在建筑领域得以应用，同时在碳固存和土壤稳定方面也发挥着重要作用。
1.2 潜力与挑战
竹子具有诸多优势，生长极为迅速，部分品种每日可生长 1 米，短短几年就能成熟，是可持续性极高的植物。它能大量吸收二氧化碳，减少全球变暖影响，同时释放氧气。在多个行业中，竹子都是优质的替代材料，其纤维坚固耐用，可增强多种产品的强度。在农村地区，竹子相关产业能促进经济发展，创造就业机会，在一些国家还存在出口机遇。此外，竹子可生物降解，是解决环境问题的天然之选。
然而，竹子也面临不少挑战。未经妥善处理时，易受虫害和腐烂影响，一些处理方法成本较高。作为天然材料，其质量受生长条件影响，存在强度、尺寸和外观不一致的问题，这可能降低成品质量，增加制造商选材难度。消费者对竹子产品的耐用性和质量也存在疑虑。同时，竹子种植可能导致单一栽培，影响生物多样性和土壤质量，为保证产品性能而进行的化学处理，也会削弱其环保优势。另外，建筑和纺织行业的竹子产品监管标准也有待完善。
1.3 竹子的混合种植方法
近期，竹子的混合种植方法逐渐受到关注。这种方法将竹子与其他植物共同种植，可与粮食作物、农林复合系统相结合，甚至应用于城市景观。与单一栽培相反，混合种植能构建更具多样性、可持续性和弹性的农业系统，对环境和经济都有益处，包括保护生物多样性、改善土壤健康、控制病虫害、促进经济多元化、降低气候风险和增加农民收入等。但全面实施这种种植系统需要大量的规划、专业技术和投资。
1.4 迈向绿色未来的见解与进展
1.4.1 竹子的技术创新
技术创新使竹子从传统材料转变为高科技材料，在保持环保特性的同时，提升了强度、耐用性和可持续性。研究人员对竹子扁平化专利技术进行了深入研究，通过在竹束表面制备具有高疏水性的 Fe3O4纳米颗粒，提高了竹材的物理机械性能和防霉性。还有研究开发了带或不带缺口的扁平竹，用于竹胶合木的重构单元，并对竹砧板进行了研究，发现其具有优异的物理和机械性能，且更卫生环保。此外，还制备了具有高效电磁响应机制的柔性纤维基吸收体（VFT2h/MF/PPy）。
1.4.2 创新技术与传统方法的比较
与传统方法相比，创新的竹子技术提高了效率，拓宽了应用范围，减少了环境影响。竹子通过加工方法、建筑材料、纺织、包装和可持续农业实践等方面的进步，成为了高科技、环保的解决方案。尽管在初始阶段，采用创新技术的成本和能源需求可能较高，但从长期来看，其环境效益使其比传统方法更具可持续性。
1.5 本综述的目标
本综述旨在通过研究近期专利和学术研究，探讨竹子产业的技术进展，全面了解竹子产业技术的现状和未来潜力，并使竹子的发展与 17 个可持续发展目标相契合。
1.6 竹子专利景观的研究方法
竹子在工业应用中前景广阔，引发了大量商业兴趣，推动了创新发展，专利数量显著增加。本研究数据集来自 Patentscope、Scopus、Google Patents 和 Lens 组织，涵盖了国家和国际专利申请。检索时使用关键词 “Bamboo” 在摘要、标题和权利要求中进行跨领域搜索。
二、全球竹子专利景观
2.1 竹子年度专利发布趋势
自 1898 年以来，共发布了 818 项与竹子相关的专利。1898 - 1997 年期间，仅发布了 68 项专利，占总数的约 7%；1998 - 2007 年，发布了 166 项专利，占总数的约 20%；2008 - 2017 年以及 2018 - 2024 年 7 月 25 日，分别发布了 298 项和 293 项专利，这意味着自 2008 年以来，72% 的竹子相关专利得以发布，显示出竹子产业创新的快速发展。
2.2 各国竹子专利发布情况
从国家层面来看，美国发布的竹子专利数量最多，达 364 项，占全球总数的 44.5%；印度和澳大利亚紧随其后，分别占总数的 18.9% 和 6.6%。
2.3 基于国际专利分类（IPC）的竹子专利分类
对竹子专利的 IPC 分类进行研究发现，专利主要集中在食品、商业、建筑和环境等四个主要领域。这些领域的专利分布情况，反映了竹子在不同行业的应用创新趋势。
2.4 竹子专利的法律状态和引用次数
在已发布的竹子专利中，有 186 项处于有效状态，118 项正在审查中，其余为无效、终止或过期状态。其中，美国专利 US 2014/0284010 的引用次数最高，达 44 次。
2.5 竹子专利和创新的主要申请人
Wen - Tsan Wang 是竹子专利的领先申请人，拥有 20 项专利申请；Unigen Inc. 和南京林业大学分别以 17 项和 13 项专利紧随其后。这些申请人通过专利合作条约（PCT）在多个国家申请专利，推动了竹子研究和开发的全球进展。
三、竹子在食品领域的应用
随着全球人口增长和粮食需求的增加，寻找可持续的替代食品来源变得至关重要。竹子，特别是其笋，因其营养丰富、适应性强，成为解决粮食问题的有前景的选择。竹子笋可在亚洲广泛食用，其可新鲜食用、发酵或烤制，用于多种菜肴中。
3.1 保鲜技术
新鲜竹笋是具有代谢活动的有机物质，易受温度、湿度和微生物等外部因素影响，其保质期与这些因素以及储存条件密切相关。水分对于保持竹笋的新鲜度至关重要，失去水分会导致竹笋品质下降，易受感染和腐烂。在储存竹笋时，需要综合考虑水分含量、湿度、酶活性和温度等因素。
传统的竹笋保鲜技术在一些地区仍在使用，如印度东北部的民族群体利用生物保鲜技术，通过乳酸发酵降低产品的 pH 值，提高酸度，从而延长竹笋的保质期。在西奥里萨邦，人们将切片的竹笋捣碎后晒干，制成名为 “Handua” 的脱水产品，可储存约一年。
近年来，先进的保鲜技术不断涌现。真空包装通过去除包装内的空气，减少氧化和微生物生长，有效延长了竹笋的保质期。与气调包装（MAP）相结合，能进一步提高保鲜效果。MAP 系统使用特定比例的气体（如 5% CO2、2% O2和 93% N2），在 0.04mm 厚的低密度聚乙烯（LDPE）袋中储存竹笋，可有效控制竹笋的木质化和褐变。此外，水冷却包装、真空冷却结合水冷却和真空干燥等技术，也能提高冷却速度，延长竹笋在低温储存下的保质期。
3.2 加工方法
竹子笋的加工过程包括烫漂、干燥、发酵和罐装等步骤，技术进步旨在改善最终产品的营养成分、质地和风味。
烫漂是竹笋加工的关键步骤，它能灭活导致腐败的酶，去除部分苦味化合物。在烫漂过程中，选择嫩笋，去除外层坚韧部分和纤维，清洗后进行水烫或蒸汽烫漂。水烫是将笋投入大量沸水中，煮 7 - 15 分钟，直至笋变软但不软烂；蒸汽烫漂则将笋放在蒸架上，虽耗时较长，但能更好地保留营养成分。创新的烫漂技术通过精确控制温度和时间，优化了笋的品质。
干燥是抑制微生物生长和灭活酶的有效方法，可降低农产品的水分活性。新鲜竹笋的水分含量约为 90g/100g，可采用太阳能干燥、微波干燥、热风干燥和联合空气干燥等技术。过去，太阳能干燥广泛应用，但易导致竹笋褐变。如今，先对竹笋进行烫漂处理，再进行干燥，可使其呈现淡黄色。冷冻处理虽能保留更多营养成分，但会破坏竹笋的质地。
发酵是一种古老的保存农产品的技术，通过乳酸发酵，新鲜蔬菜可制成各种泡菜和餐桌食品。在竹子笋的发酵过程中，传统上存在地区差异。在中国，人们用甜酒发酵竹笋；在印度，已记录有 26 种与发酵竹笋相关的产品。
罐装是延长竹笋保质期的常见方法，近年来罐装方法的改进旨在减少热处理时间，同时确保产品的安全和质量。罐装时，大竹笋通常切片，小竹笋则整颗罐装，使用稀释的柠檬酸溶液（约 0.15% w/w）并添加防腐剂，可降低杀菌温度，保护颜色，保证食品安全。在室温下，经过这种处理的竹笋可保存超过 12 个月。
3.3 产品开发
竹子笋相关新产品的开发拓展了市场，创新聚焦于满足消费者对健康、特色食品的需求。
在印度，人们对竹子笋有深入了解，将其分为不同的饮食类别。多种竹子品种的嫩笋可作为新鲜食品，如 Phyllostachys mannii Gamble、Melocanna baccifera (Roxb.) Kurz 等。在季风季节，人们采集嫩笋，去除笋壳，洗净后烹饪或油炸，作为蔬菜食用，也可与猪肉和其他蔬菜混合。这些品种的新鲜竹笋还可用于制作泡菜，如 Manipur 的 Usoi - Ooti、Mizoram 的 Rawtui - bai 和 Tripura 的 Mia - gudhog 等菜肴都以竹笋为原料。
竹笋薯片是一种创新的健康零食，由富含膳食纤维、低热量且含有多种维生素（如 C、E 和 B6）、矿物质和抗氧化剂的嫩笋制成。制作过程包括将笋切成薄片，调味后烘焙或油炸，使其具有酥脆的口感。这种零食不仅美味，还具有促进消化、有助于体重管理等健康益处，能满足健康食品追求者的需求。
竹笋块 / 丝可用于多种菜肴，如面条炒菜、米饭烹饪、煎蛋卷和咖喱等。它们与豆类、蔬菜和其他食材搭配良好，新鲜或冷冻的竹笋块 / 丝都可使用。Phyllostachys mannii 和 Bambusa tulda 等品种的新鲜笋因其良好的风味，更适合用于这些菜肴。
将竹笋制成糊状物是长期保存竹笋的实用方法，便于包装和运输。竹笋糊可用于制作 chapati、paratha 等食品，也是羊肉或鸡蛋咖喱的优质调味料和增稠剂，与 paneer（印度奶酪）搭配食用口感极佳。
竹笋富含膳食纤维、维生素和矿物质，是制作膳食补充剂的理想成分。近期的创新集中在提取和浓缩这些营养成分，以制备有效的补充剂。竹子笋中含有多种生物活性化合物，具有抗氧化和抗炎特性，可预防某些慢性和退行性疾病。但在食用前，需要了解不同竹子品种的营养成分，因为部分品种可能含有有毒化合物。
3.4 食品领域的专利和创新
竹子在食品领域的专利涵盖了从可食用竹笋、竹子衍生成分到创新加工技术等多个方面。这些专利涉及功能性食品和饮料的开发，以及竹子成分的健康和药用益处，如抗氧化和抗炎特性。此外，竹子还因其抗菌和抗真菌特性，在食品保鲜和包装方面得到应用。自 1992 年以来，多个国家发布了竹子在食品领域的专利，包括澳大利亚、加拿大、印度、菲律宾、美国和基于 PCT 的国际申请等。
四、竹子在商业领域的应用
4.1 纺织制造
竹子纤维因其柔软、耐用和抗菌等特性，成为环保纺织品的热门选择。它可用于多种纺织形式，如机织、针织、非织造布等。竹子纱线是由纤维组成的连续长丝，针织竹织物柔软舒适、弹性好，常用于制作 T 恤、内衣、袜子和运动服等。机织竹织物结构坚固，适用于制作各种服装；非织造竹织物则广泛应用于湿巾、过滤器和卫生用品等领域。竹子纤维还具有吸湿排汗、防紫外线等功能，可用于制作功能性服装。此外，其天然抗菌性能使其成为制作内衣、袜子和卫生材料的理想材料，能有效防止微生物感染。
4.2 造纸 / 纸浆生产
竹子浆作为木材浆的可持续替代品，在造纸行业中逐渐崭露头角。创新的制浆和漂白工艺在降低环境影响的同时，保持了纸张的高质量。竹子生长迅速，纤维素含量高，在亚洲广泛可得，是造纸的理想材料。与需要数十年才能成熟的硬木树相比，竹子 3 - 5 年即可收获。其富含纤维素的纤维结构使纸张坚固耐用，且能在多种环境条件下生长，减少了农药和化肥的使用，更具环保优势。造纸过程包括竹子的采伐和预处理，然后通过机械或化学方法制浆。化学制浆使用氢氧化钠和硫化钠等化学物质溶解木质素，得到的纸浆杂质少、质量高，适用于多种纸张产品。使用竹子制造纸浆不仅减少了对硬木森林的依赖，保护了自然栖息地和生物多样性，还能通过碳固存缓解气候变化。此外，竹子浆造纸还能支持当地经济，降低生产成本。
4.3 家具、手工艺品和细木工
竹子的强度和柔韧性使其成为家具和手工艺品的理想材料。先进的竹子处理和连接技术，生产出了耐用且美观的产品。在家具制作中，选择成熟的竹子并进行处理，以防止虫害和提高耐用性。处理后的竹茎被切割成所需形状和大小，然后组装成各种家具，如椅子、桌子、床架和搁板等。竹子的弹性使其能够制作出具有现代设计感的弯曲形状和图案的家具，且重量轻、强度高，部分类型的竹子抗拉强度与钢铁相当。竹子还广泛应用于手工艺品制作，如篮子、垫子、乐器和装饰品等。工匠们选择细竹条，通过编织、雕刻或组装等方式制作出精美的手工艺品。这些传统工艺通常代代相传，具有重要的文化意义。如今，竹子在当代设计中也备受青睐，将现代美学与传统工艺相结合。竹子连接是将竹片连接在一起形成结构元素的艺术，由于竹子的空心、分段结构，需要特殊的连接方法。传统连接方法包括绑扎和榫卯连接，现代连接技术则常使用金属或木制连接器来增强强度和稳定性。竹子连接不仅用于家具制作，还在竹屋、桥梁等建筑结构中发挥重要作用。
4.4 商业领域的专利和创新
在商业领域，多个国家对创新的竹子产品申请了专利。这些专利涵盖了建筑、造纸、纺织、家具等多个行业，展示了竹子在商业应用中的创造力和创新成果。自 1910 年英国发布第一项相关专利以来，各国陆续授予了许多竹子相关专利。
五、竹子在建筑领域的应用
竹子因其可再生、强度高和多功能性，在建筑行业中的应用越来越广泛。它可作为建筑的结构增强材料，尤其适用于地震多发地区，还可替代钢铁，且重量轻、耐用，能快速、低成本地组装房屋和社区建筑，减少建筑时间和环境影响。
5.1 结构增强
竹子的高抗拉强度和快速生长特性使其成为优秀的建筑材料。它可作为结构元素，增强建筑物的强度和韧性。在一些情况下，竹子的抗拉强度与钢铁相当，可用于建造承重墙、梁和柱等。其柔韧性使其能够吸收冲击和地震力，在地震多发地区具有重要应用价值。竹子还可用于混凝土结构中作为钢筋，减少建筑过程中的碳足迹，提供可再生和可生物降解的资源，符合可持续建筑的要求。
5.1.1 层压竹和复合材料
层压竹和竹复合材料技术显著提高了竹子的结构完整性。层压工程竹是将竹条在高压下胶合在一起，形成坚固、稳定的板材或面板，其结构性能优良，不易翘曲或开裂，可用于地板、橱柜、结构梁和屋顶等多个方面，是传统硬木的良好替代品。竹复合材料则是将竹纤维与塑料或树脂等其他材料结合，提供了更多的建筑和设计选择。这些复合材料具有防潮、防虫和防火的特性，常用于制造甲板、外墙板和其他室内装饰材料，替代传统材料，实现可持续发展。
5.1.2 预制结构
预制竹结构因其可持续性和易于组装的特点而受到欢迎。竹子的轻质和高强度使其成为预制房屋、学校和社区建筑的理想材料。这些结构通常在工厂预制，竹<>
5.1.3 可持续建筑实践
竹子有助于实施可持续林业实践，其 3 - 5 年即可收获，且收获后可从根系再生，无需重新种植，减少了环境足迹。竹子具有天然的隔热性能，能调节室内温度，降低取暖和制冷能耗，实现建筑节能。其可生物降解性确保在使用寿命结束后能自然分解，不会留下有害废弃物。竹子在建筑中的应用减少了碳足迹，增加了可持续建筑的比例，有助于创建更健康、更具弹性的社区。基于竹子的建筑材料和技术在绿色建筑认证（如 LEED 和 BREEAM）中获得认可，鼓励在建筑项目中使用可持续材料和环保实践。
5.2 基础设施发展
竹子因其高的强度重量比，越来越多地应用于基础设施项目，如桥梁和脚手架。
5.2.1 桥梁和脚手架
竹子长期以来被用于建造坚固且有弹性的桥梁，在农村和山区较为常见。传统的竹子桥梁通常采用绑扎竹杆或金属紧固的方式建造，由于竹子的高抗拉强度，这些桥梁能承受较大重量。竹子的弹性使其能承受环境压力，如大风或地震活动，非常适合在这些地区使用。在现代建筑中，竹子也常用于脚手架搭建，尤其在亚洲地区。竹子脚手架重量轻、易于搭建且价格合理，适用于城市中需要快速搭建和拆除的项目。其柔韧性可适应各种建筑形状和尺寸，且具有生态优势，相比金属脚手架，竹子可可持续收获、生长迅速且能自然降解，减少了建筑过程中的环境影响。同时，竹子脚手架便于现场维修和改造，以满足复杂建筑项目的需求。
5.3 建筑领域的专利和创新
自 1979 年以来，建筑领域的竹子专利数量稳步增长，反映了人们对竹子基建筑材料和技术的兴趣日益增加。这些专利主要涵盖竹子增强混凝土、竹子基隔热材料和竹地板等方面。众多国家和国际组织都有相关专利申请，展示了竹子在建筑领域的创新潜力。
六、竹子在环境领域的应用
竹子在环境领域发挥着重要作用，它是强大的碳汇，能有效固碳，减缓气候变化。其庞大的根系能稳定土壤，防止侵蚀，在土地恢复和流域保护中发挥关键作用。竹子还为生物多样性提供支持，作为可持续资源，减轻了对传统森林的压力，促进了生态友好的经济实践。
6.1 侵蚀控制和土地修复
竹子广泛的根系使其在防止土壤侵蚀和修复退化土地方面非常有效。优化的大规模竹子种植和维护技术，进一步提升了这些益处。竹子根系能稳固土壤，防止在暴雨或陡坡地区发生水土流失和山体滑坡。其根系将土壤颗粒粘结在一起，减少地表径流，增加水分渗透，提高地下水位。竹子还能在退化土地上生长，随着时间推移改善土壤质量，修复土地。此外，竹林能收集水分，保护流域，维持河流和溪流的健康。
6.2 碳固存和气候缓解
竹子生长迅速，相比大多数树种能吸收更多的二氧化碳，在碳固存和缓解气候变化方面扮演重要角色。在其生长周期中，竹子能大量固碳，降低大气中温室气体的浓度，是对抗气候变化的重要碳汇。由于生长快速，竹子可更频繁地收获，实现更短时间内的持续碳捕获和存储。
6.3 生物多样性保护和可持续资源管理
竹林维持着丰富的物种多样性，为许多野生动物提供栖息地和食物，如大熊猫。因此，保护竹林对维护生物多样性至关重要。竹子是可再生资源，收获后无需重新种植即可再生，是可持续资源管理的理想材料。鼓励建筑、家具和造纸等行业使用竹子，可减轻对传统森林的压力，保护自然生态系统。合理的竹子收获实践能确保在满足人类需求的同时，持续发挥其环境效益，助力向绿色、可持续经济转型。
6.4 环境领域的专利和创新
环境领域的竹子专利在不断发展，一些专利涉及竹子替代塑料，还有的关注竹子在环保生产纤维素二醋酸酯、沥青、肥皂、洗发水以及抗菌和抗真菌产品方面的应用。这些专利来自多个国家，包括美国、澳大利亚、欧洲专利局、印度、菲律宾、英国和基于 PCT 的国际申请等，展现了竹子在环境领域的创新潜力。
七、竹子与可持续发展目标：天然的伙伴关系
竹子作为独特且可再生的资源，在实现联合国可持续发展目标（SDGs）方面具有重要潜力。其多功能性和广泛应用使其成为应对全球挑战的宝贵资产。竹子是许多传统材料的环保替代品，碳足迹低，固碳能力强，有助于缓解气候变化。在建筑、纺织和造纸等行业的应用，减少了对不可持续材料的需求。除环境效益外，竹子还带来诸多社会经济优势。在农村地区，竹子的种植、加工和制造为数百万人提供了生计，促进了公私合作，推动了工业发展，助力地方经济增长。竹子在可持续农业和土地恢复方面的潜力，有助于解决粮食安全和生物多样性保护问题。
八、结论与未来方向
竹子产业的技术创新为其在多个领域的应用开辟了广阔前景。在食品领域，先进的保鲜和加工技术延长了竹笋的保质期，提升了营养价值，推动了多种竹基食品的开发。纺织和造纸行业通过创新的纤维提取和加工技术，生产出高质量、环保的产品。建筑领域借助层压竹和预制结构等技术，实现了可持续建筑的重大突破。在环境领域，竹子在侵蚀控制、土地修复和碳固存方面的作用通过优化种植技术和创新应用得到强化。已有的专利成果展示了竹子产业不断提升其效用和可持续性的努力。面对日益严峻的环境挑战，竹子产业的技术进步为可持续发展提供了有希望的解决方案。未来，持续的研究和开发对进一步挖掘竹子的用途至关重要，确保其能充分助力构建更绿色、更可持续的未来。
