细菌纤维素的制备和应用研究进展陈竞Word文档格式.docx

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BC膜

中图分类号:

Q815;

TQ352文献标识码:

A

细菌纤维素（Bacterialcellulose,简称BC主要是由细菌在细胞外合成的一类高分子碳水化合物,与天然植物纤维素化学组成非常相似,都是由葡萄糖以β-1,4-糖苷键连接而成。

由于其独特的合成方式,使得细菌纤维素具有超细网状纤维结构,质地纯,结晶度高,有很强的吸水性,是一种天然的纳米材料的“海绵”,并具有良好的生物安全性和可降解性,合成过程温和同时具有强大的成膜特性,BC膜被形象的比喻成“是以无数的细菌为梭子织就的一块无纺布”。

以上优势预示着细菌纤维素在许多需要使用精细纤维素的领域有着不可替代的应用前景,因此细菌纤维素已成为近年来的一个研究热点。

本文综述了近年来国内外在细菌纤维素的菌种筛选、碳源优化、发酵工艺方面的研究成果,以及细菌纤维素在肾透析膜、血管支架、皮肤代用品、化妆品膜、减肥代餐食品等方面的应用,为我国在这一领域研究和应用做铺垫。

1细菌纤维素的制备

1.1BC生产菌的分离筛选

目前,已知能够生产纤维素的细菌有许多种,常见的有醋杆菌属（Acetobacter、根瘤菌属（Rhizobium、芽孢杆菌属（Bacillus、八叠球菌属（Sarcina、假单胞菌属（Pseudomonas、土壤杆菌属（Agrobacterium、气杆菌属（Aerobacter、无色杆菌属（Achromobacter、固氮菌属（Azotobacter和产碱菌属（Alcaligenes等。

其中醋酸菌属（Acetobacter中的木醋杆菌（Acetobacterxylnium对原料适应广泛,产纤维素能力强,环境友好,因此被普遍用于科研和生产。

但由于其在静态培养时常于液面形成一层柔韧透明菌膜,于是在

收稿日期:

2014-01-02

基金项目:

国家自然科学基金项目（31260016;

新疆维吾尔自治区重大专项（201130104;

新疆维吾尔自治区高技术研究发展计划项目（201010104。

作者简介:

陈竞（1981~,男,新疆乌鲁木齐人,硕士研究生;

研究方向:

生物质能源综合利用。

第2期陈竞等:

细菌纤维素的制备和应用研究现状59

机械搅拌发酵罐中动态培养时,常产生皮革样絮状物滞留在发酵罐内盘管、挡板、搅拌桨叶的死角部位的现象,脱落后容易造成排料阀堵塞。

为了高产高效获得BC,研究人员尝试用各种诱变方法或通过基因工程技术,导入功能基因从而对菌株进行改造,BC产量可提升到原始菌株的4倍。

但由于后续应用领域不同,有时最高产的菌株未必是最合适的生产菌,因此还应结合菌株其他发酵特性的不同,进行综合评价。

故而结合底物特性、生产形式、应用目的等特点筛选出最适合的本土化菌种,是实现BC商品化、实用化的第一步。

以下介绍近年来学者们就本土化菌种方面做出的一些研究。

BC产生菌可以从传统饮料红茶菌和高纤维椰果等混合菌群中很容易获得。

马霞等[1]用常规菌种分离筛选法,从酿造厂长膜的醋醅中分离得到醋酸菌M12,其BC产量较高且稳定,初步鉴定为木醋杆菌。

王英等[2]用传统平板筛选法,从水开菲儿溶液（国外软性发酵饮料中分离出菌株XW5,BC产量高达1.26g/L（1L培养基产1.26g细菌纤维素干膜。

齐香君等[3]从水果样品中分离到一株产凝胶膜的菌株QAX0219#,凝胶膜表征是纤维素,QAX0219#BC产量是2.13g/L（7%蔗糖做原料。

鉴于BC发酵多为静态半开放式,而单纯醋酸菌发酵往往不如混菌发酵抗污染能力强,因此多菌种混合发酵剂更适合做BC产生菌。

1.2发酵工艺探索

根据应用目的不同,通过调节培养基组成及发酵条件,可以实现BC性质和生成量的有效调控。

目前,针对发酵工艺的研究主要分为以下几个方面:

底物碳源的优化,发酵方式,膜的改性,发酵参数优化等。

在底物碳源的优化方面,随着环保意识的加强,工农业废弃物的资源化利用成为一个热点。

陈军等[4]利用糖厂副产糖蜜作为发酵底物,生产BC,发现酸化处理的糖蜜更适合于BC生产,用红茶菌的复合菌种比单一木葡糖醋杆菌更能高效利用碳源。

夏露等[5]研究了甲醇废水作为发酵底物,用木醋杆菌采取静态发酵方式,虽能合成BC,但产量较低。

王志国等[6]对椰子水进行不同的预处理,发现椰子水在露置、20℃、自然发酵20天后不经稀释最适宜生产BC,BC产量与椰子水中乙酸含量正相关。

此外,还发现乙醇可替代BC生产中的糖类原料,在含糖培养基中添加乙醇可显著促进BC产量[3]。

阿拉伯糖醇和甘露糖醇均优于葡萄糖碳源时BC的产量[7]。

LuZhigang等[8]对比了六种醇类刺激BC产率的效果,按效果的显著性由大至小可列为正丁醇>

甘露醇>

甘油>

乙二醇>

甲醇>

正丙醇。

这与复合菌种发酵时有机酸和醇有助于BC合成的结果相互印证。

本文通过对巴氏醋杆菌（Acetobacterpastcurianum不同碳氮源进行了筛选研究,确定最佳生长碳氮源为甘油和蛋白胨;

通过三组正交实验的研究,确定了最佳培养条件,筛选出的培养基BC的产量最高可达4.24g/L。

在发酵方式方面,杨雪霞等[9]研究了剪切力对木葡糖醋杆菌合成BC的影响,发现剪切力会影响菌体形态和生物量,对BC的合成不利。

基于以上原因,翁媛媛等[10]尝试了惰性吸附载体固态发酵BC,由于避免了剪切力,同时还增加了固液界面的表面积,是液态静置发酵产量的3倍,缺点是增加了后处理难度。

MasayukiOnodera[11]使用四种不同形状的硅橡胶膜材料浸没于静态发酵培养液中,在相同膜厚度的情况下,发现袋形平面膜比其他3种（片状膜、管状膜、柱形膜能更有效的提升BC产率。

许多领域都把BC以膜形式应用,因此有BC膜合成过程中的改性或与其他材料进行复合合成研究,以期获得性能更优秀的膜产品。

苏文萍等[12]研究了将海藻酸钠、羧甲基纤维素、聚乙烯醇添加到培养基中,

60纤维素科学与技术第22卷

均可促进BC的合成,并提高了膜的含水率和细胞相容性。

KeshkS[13]在培养基中加入木素磺酸盐,不仅提高了BC产量还增强了膜力学强度。

李朋等[14]研究了在培养基中添加琼脂、可溶性淀粉、明胶和壳聚糖,制备改性细菌纤维素,发现可溶性淀粉能够在低浓度下显著提高膜强度,而壳聚糖则会抑制膜的生成。

Serafica等[15]尝试了在BC膜形成过程中加入不同类型的微粒物质,如氧化铁粒子,可赋予复合膜一定的磁性,在加入纸纤维后的BC复合材料强度比纯细菌纤维素强度高出10倍以上。

张海悦等[16]研究了以玉米浆作为氮源的BC生产,发现4%（wt的葡萄糖、10%（wt玉米浆、pH6、培养温度30℃,产量可达7.22g/L。

袁帅等[17]用响应面法进行发酵优化,确定最佳配比为混合碳源52.3g/L、MgSO40.1598g/L、乙醇32.5mL/L,葡糖醋杆菌G-29的BC产量可达11.83g/L。

孙晓玉等[18]发现在静置培养中BC膜的厚度取决于发酵时间和初始pH值,培养基表面积与BC产量正相关,膜的比表面积与发酵时间无关。

唐水佳等[19]利用红茶菌内已牢固形成互惠互利共生关系的混合菌群制备BC,发现红茶菌的效率显著高于木葡糖酸醋杆菌,产量可提高3倍以上。

张永凤等[20]报道了在液态淋浇食醋发酵生产时,淋浇发酵塔在使用一段时间后,塔内形成一层皮革状凝胶膜,影响空气流动和醋液的淋浇回流,抑制醋酸菌的生长,同时消耗酒醪中的养分,并将醋酸氧化分解,产酸速率明显降低,后经分析发现是一层细菌纤维素膜,再次说明细菌纤维素合成对醋酸的偏好。

由此说明,有机酸尤其是乙酸对BC合成的重要性。

ManmeetSinghDayal[21]根据当今学界在生产细菌纤维素生物环境三篇论文中的观点,选用了三种不同的培养基:

1M1（2%的葡萄糖、0.5%的酵母提取物、0.5%的蛋白胨、0.27%的磷酸氢二钠和0.15%的柠檬酸;

2M2（2.5%的甘露醇、0.3%的胰蛋白胨和0.5%的酵母提取物;

3M3（2.5%的葡萄糖、0.75%的酵母提取物、1%的蛋白胨、1%的磷酸氢二钠和1%的醋酸。

发现了发酵时间和营养环境是决定细菌纤维素产出率的两个重要因素。

实验结果表明,经过24h的发酵纤维素产量明显高于6h,柠檬酸是最重要的组分。

这归因于柠檬酸作为碳源时,还可调节培养液的pH值。

总之,BC的合成是一个复杂的细胞代谢过程,如发酵底物、发酵时间、营养环境、刺激因子等都对其产率有决定性的影响。

2细菌纤维素的应用

BC作为一种新型的生物材料,具有许多优良性质,可广泛应用于食品、医药、工业等领域。

2.1食品领域

BC具有良好的亲水、持水性、凝胶特性及完全不能被人体消化的特性,使之成为一种很具吸引力的食品基料,可用作固体食品的成型剂、增粘剂、分散剂和结合剂等。

如作为人造肉、鱼和家禽产品的骨架物质,香肠和火腿肠的肠衣,加入到冰淇淋中可抗熔化、改善口感,以及作为健康纤维食品降胆固醇。

由于有如此多的优点,BC日益成为食品业的宠儿。

薛璐等[22]利用大豆蛋白生产过程中的乳清废水来制备BC,并用以替代香肠中的肥肉,再与卡拉胶配合使用,可以赋予肉肠更良好的口感。

但由于BC达不到脂肪的颗粒大小,因此不适合替代脂肪用于油脂产品,如人造奶油、蛋黄酱的加工当中。

邵伟等[23]采用发酵酸豆奶为主料,生产豆乳冰激凌,其中添加入具有良好吸水能力、保水能力以及凝胶特性的细菌纤维素,作为增稠剂,不仅赋予冰激凌持久美观的外形,有利于保鲜,且提高了冰淇淋的抗融性,降低了冰淇淋热量,增加了适口感及滑腻感。

洪枫等[24]发明了一种含BC的高膳食纤维饼干,是将BC（如食品行业统称的“椰果”或“椰纤果”等按质量分数1%~70%

细菌纤维素的制备和应用研究现状61

添加于普通饼干中,制作出的膳食纤维饼干口感更细腻,并具有净化肠道的作用。

钟春燕等[25]发明了一种减肥代餐食品,是取经过洗涤至中性的BC湿膜,切割成BC颗粒,经水性营养液浸渍后灭菌后包装。

该食品在为人们提供充分的水分、膳食纤维和营养的同时,可显著减少能量摄入,达到较好减肥效果,同时不会造成腹泻、乏力等不良影响,具有口感爽脆、饱腹感强等特点,是一种理想的代餐食品。

另外,曾经流行一时的红茶菌,其表层膜状物就是BC的典型代表,其酸甜的口感主要就来自醋酸,同时又含有大量膳食纤维,具有一定保健功效,如今的一些果醋饮料里也以膳食纤维为主要功效成分。

2.2医药领域

BC在医药领域的应用主要有以下几方面。

由于BC具有良好的亲水性、生物相容性、湿态时高的机械强度、良好的液体、气体透过性和抑制皮肤感染性能,以及独特的机械性能类似于软组织的优点,在烧伤、溃疡及皮肤移植手术中,可作为人造皮肤代用品。

也可制作纱布、绷带和创可贴,还可作为湿药物的载体,缓释药物。

BC的特殊纳米多孔结构、优异的机械力学性能及相容性,还可以制造人工血管。

马霞等[26]研究发现,BC膜可为大鼠皮肤创伤的新生毛细血管和成纤维细胞生长提供了合适的三维支架,具有促进愈合和抗感染的作用。

沈静飞等[27]发明了一种BC医用敷料,分为块状体或片状体,厚度为0.5~8mm,产品具有很强持水能力、保湿功能好、质轻、敷料紧密度好、无碎屑产生,能与胶布等固定件配合使用,使用方便。

孙东平等[28]发明了一种BC血液透析膜,以BC为原料,用浸入沉淀相转化法制得再生纤维素膜,作为一种治疗急慢性肾功能衰竭的新型血液透析膜。

与传统透析膜相比其具有化学纯度高、生物相容性好、机械强度强,水超滤速率较大的优点。

钟春燕等[29]将BC膜作为吸附、缓释药物微球的载体,将壳聚糖缓释微球均匀滴加在经羧甲基纤维素修饰的细菌纤维素膜片上,冷冻干燥得到BC缓释镇痛敷料。

具有缓慢释放镇痛药物、杀菌、保湿、吸收伤口渗出液等多重功效,可缓解皮肤创伤、术后切口疼痛并治愈多种皮肤类创伤。

BC是完全纯净的纤维素微纤丝,具有较高的机械强度,可成形为三维结构,是组织工程支架构建必不可少的原料。

对此HeleniusG等[30]做了可行性实验,将纤维素基材料进行皮下接种4只大鼠12周,做慢性炎症评估,发现无异物反应,没有宏观的种植体周围的炎症标志（大量的植入物或血管周围的小细胞。

这说明BC生物相容性好,材料有可能被用来作为组织工程支架材料。

BC还是一种理想的保湿材料,可以通过吸收和释放流体,来达到平衡伤口的行为。

所以BC不仅可以促进伤口愈合,还同时起到支架生物上皮细胞的作用,可用于永久性人工皮肤移植。

即使是最严重的上皮组织的恢复,BC材料也是堪称首选[31]。

2.3工业领域

细菌纤维素有良好的聚合性、延展性、弹性和柔韧性,在工业上被广泛应用于化妆品、造纸方面。

在化妆品方面,马霞[32]采用静置法制成的BC膜,净化并调整pH值至7.0~7.2,制成的眼膜具有良好的保湿性能及生物组织相容性,无毒无害,材料加工工艺简单。

钟春燕等[33]用静置法制的富含植物总黄酮的BC面膜,绿色环保、持水性、贴服性好,具有良好的抗辐射功效。

李大纲等[34]将BC溶解均质,抽滤制备出光学透明薄膜,用氢氧化钾取代氢氧化钠,克服了氢氧化钠对BC化学键的破坏和降解,使此透明薄膜具有较高力学性能和较低的线性热膨胀系数。

在造纸方面,利用了BC在纯度、吸水性、物理性能、机械性能等方面的优良性能,将其作为原料能免去一般植物纤维脱木质素的制浆过程,提高纸张强度和耐用性,并解决了废纸回收再利用后纸纤维强度下降的问题。

BC还具有结晶度高、分子取向好、机械强度高的特点,添加到纸浆中,纤维素大分子上的

62纤维素科学与技术第22卷

羟基产生氢键结合,纸张可以达到很好的湿强度、干强度、耐用性、吸水性等,可广泛应用于各种纸。

另外,刘向辉等[35]将经过自然干燥、熨平后得到透明的BC薄膜,或进行染色再经自然干燥、熨平得到彩色透明的BC薄膜,以0.05%~5%的干重比例,再经加工成特定的形状和图案后,添加到纸浆中抄造或施放到纸张中,能够起到良好的防伪目的。

3展望

随着BC应用技术的不断拓展和BC膜制造装备的改进,BC的成膜特性将会进一步在无纺织物新材料领域得到广泛应用。

基于其对人体消化道的诸多益处,人类需要BC以更方便的形式出现在食谱里。

虽然BC有如此多的优点,可在实际应用过程中还有许多困难,如原料的丰富性、生产规模及与环境相容性等,最终只有在找到一个环保可持续的生产应用模式,才会催生这一技术的健康发展和成熟,让BC真正为人类更好的服务。

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