细菌纤维素发酵原料的研究进展_谢健健

第19卷第3期2011年3月纤维素科学与技术Journal of Cellulose Science and TechnologyV ol. 19 No. 3Sept. 2011文章编号：1004-8405(2011)03-0068-10细菌纤维素发酵原料的研究进展谢健健1，洪枫1,2*（1. 东华大学化学化工与生物工程学院微生物工程与工业生物技术研究组；2. 生态纺织教育部重点实验室，上海201620）摘要：细菌纤维素是一种新型微生物合成材料，在食品、造纸、纺织、生物医药、声学器材振动膜和功能复合材料等方面均有很好的应用前景。

细菌纤维素发酵培养基（尤其碳源）的成本是现今制约细菌纤维素推广应用的主要因素之一。

甘露醇、果糖和葡萄糖等合成培养基所用碳源因其价格较高仅适用于实验室研究和小型发酵生产，规模化生产细菌纤维素的潜在原料应是一些量大价低的天然原料，包括水果类原料、糖质原料、低值淀粉类原料和废弃纤维素类原料等。

木质纤维素原料是最具发展潜力的细菌纤维素碳源，也是细菌纤维素产业的根本出路，但目前存在一些技术瓶颈，制约了其开发利用，是一远期战略目标。

文章简要介绍了细菌纤维素的基本情况，系统阐述了国内外发酵生产细菌纤维素原料的研究进展，展望了今后的发展趋势。

关键词：细菌纤维素；原料；碳源；发酵培养基中国分类号：Q815；TQ352 文献标识码：A细菌纤维素（Bacterial Cellulose，简称BC）又称微生物纤维素（Microbial Cellulose），是一种主要由细菌产生的具有生物可降解的天然纳米结构高分子材料，近年来成为国内外生物材料研究的热点之一。

细菌纤维素自1886年被Brown发现至今已有一百多年的历史，但由于其生产成本高及对其物理化学特性认识了解不足，以至于其应用受到一定的局限。

近几十年来，随着人们对细菌纤维素生物合成机制的深入研究以及发酵技术的进步，细菌纤维素的工业应用正日益广泛。

在美国、日本、德国等发达国家，细菌纤维素产业已初步形成年产值上亿美元的市场，进入食品、造纸、医药、声学器材、纺织、化工等行业。

我国除了在食品领域，其它方面的研究开发仍处于起步阶段，国内从事细菌纤维素生产和应用的企业在数量、规模以及技术含量上都远远不及日欧美等国外企业。

迄今，已有许多文章对细菌纤维素的研究和生产领域进行了较全面论述，如波兰学者收稿日期：2011-08-02基金项目：上海市科学技术委员会资助项目（0852*******，0852nm03500）；上海市教育委员会科研创新项目（09ZZ68）；中央高校基本科研业务费专项资金重点项目；生态纺织教育部重点实验室开放课题（Eco-op-2009-09）。

作者简介：谢健健（1986~），女，浙江绍兴人，生物化工专业硕士研究生；主要从事细菌纤维素的低成本制备及应用。

∗通讯作者：洪枫，教授，博士生导师。

fhong@第3期谢健健等：细菌纤维素发酵原料的研究进展69Bielecki等[1]的论著总结得较全面，波兰和美国的Czaja等[2]和德国学者Klemm等[3]分别概述了细菌纤维素在生物医学方面的应用并进行了展望，加拿大的Sani和Dahman[4]则比较了不同生产方式的优缺点及需要改进的地方，这对于提升细菌纤维素的产量、促进其商业化具有重要意义。

国内刘四新和李从发[5]全面系统地介绍了细菌纤维素的物理性质、生物合成机理、生产现状及应用，具有较强的理论和实践指导意义。

孙东平和杨加志也编著了一本侧重于细菌纤维素改性及其在功能材料中应用的书[6]。

细菌纤维素和植物纤维素在化学组成和结构上没有明显的区别，是由β-1,4-葡萄糖苷键连接而成的线型高分子化合物，相邻的吡喃葡萄糖的六个碳原子不在一个平面上，而是呈稳定的椅式立体结构。

细菌纤维素纤维的直径远小于其它天然和人工纤维，约为20～80 nm，属于天然纳米纤维材料。

细菌纤维素有着植物纤维素所没有的许多特点：l）高结晶度和高化学纯度；2）高抗张强度和弹性模量；3）很强的水结合性；4）极佳的形状维持能力；5）较高的生物相容性和适应性；6）生物合成时形状和性能的可调控性，可制备成膜、管、絮状、球形或颗粒等形状。

能够产生纤维素的微生物主要有九个属，但真正能够大批量生产细菌纤维素的只有醋酸菌属中的几个种，其中木葡糖酸醋杆菌（Gluconacetobacter xylinus，原名木醋杆菌，Acetobacter xylinus）是合成细菌纤维素能力最强的细菌[1]。

不同的细菌纤维素产生菌所产的纤维素在微观结构和力学性能上略有差异。

细菌纤维素作为一种新型生物材料受到科学和工业界的广泛关注，在多个领域得到了广泛研究和应用。

在食品行业，细菌纤维素通常作为膳食纤维[7]、食品增稠剂、成型剂和添加剂[5]，在该行业的应用比较广泛和传统，技术门槛不高，同质化现象较为严重，大大阻碍了它的深入应用。

在造纸工业，细菌纤维能很好地与植物纤维结合，具有良好的抄造特性[8]，可用于纸张增强剂及特种纸制造。

在纺织工业可以用于生产仿皮服装以及作为Lyocell等人造纤维的原料，为纺织工业的低碳可持续发展提供原料保障。

在生物医药领域，由于细菌纤维素具有超微结构、独特的生物相容性及良好的机械韧性，因此在组织工程支架、人工血管、人工皮肤和抗菌敷料[9]等方面具有诱人的应用前景，是当前国际生物医用材料研究的热点，有部分研究成果已经应用于临床并取得成功[10-12]。

在声学器材方面，细菌纤维素的高机械强度可满足当今顶级音响设备振动膜所需的对声音振动传递快和内耗高的特性要求。

日本的Sony和Ajinnomoto公司已经共同研发了用细菌纤维素制造的高级音响、麦克风和耳机用振动膜。

细菌纤维素作为一种用途十分广泛的生物材料，已显示出无限商机和美好的发展前景，几千年来人类依赖植物纤维素的历史终将被改变。

目前，由于存在着产量较低和生产成本较高的问题，极大地制约了它的工业化推广应用，因此许多研究集中在如何降低其生产成本上。

细菌纤维素发酵成本在很大程度上取决于培养基，尤其是碳源，故寻找廉价高效的培养基原料是细菌纤维素发展的方向之一。

为此本文系统阐述了国内外有关生产细菌纤维素的发酵原料的一些研究进展，并展望了今后的发展趋势。

1 纯糖碳源发酵生产细菌纤维素细菌纤维素的发酵生产主要采用两类培养基，一类是合成或半合成培养基，一类是天然培养基。

合成或半合成培养基使用的碳源主要有甘露醇、果糖、葡萄糖等单糖或者蔗糖和麦70 纤维素科学与技术第19卷芽糖等二糖以及它们的混合糖。

Ramana等[13]试验了不同碳源和氮源对木醋杆菌产细菌纤维素的影响，其中葡萄糖、蔗糖、甘露醇为碳源较好。

而硫酸铵、蛋白胨、谷氨酸钠、干酪素水解物、甘氨酸、大豆粉等氮源与这三种碳源分别组合，发现产量差别很大，葡萄糖与干酪素水解物组合时产量最高。

马霞等[14]以葡萄糖、果糖和蔗糖以及它们的两两混合物（1∶1 g/g）为碳源，发现以葡萄糖＋果糖为唯一碳源时细菌纤维素产量最高（2.5 g/L），而以葡萄糖为唯一碳源时的产量为2.1 g/L，以蔗糖为唯一碳源时的产量最低（1.0 g/L）。

薛璐等[15]用自行筛选的醋杆菌C2对葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、半乳糖、山梨糖、甘露醇、乙醇、乙酸、可溶性淀粉这11种碳源进行发酵，结果表明甘露醇、蔗糖和果糖为碳源时纤维素产量较高；以甘露醇为碳源时，纤维素的产量最高可达4.2 g/L。

Mikkelsen等[16]研究了甘露醇、丙三醇、葡萄糖、果糖、蔗糖以及半乳糖等不同碳源对纤维素合成的影响，发现不同碳源会影响纤维素的产率，但在纤维素膜的纯度、结晶度、分子量和微结构等方面无显著影响，在纤维素收获前12 h内蔗糖和甘油能较快获得较高的产率，4天后获得的产量分别达到3.83和3.75 g/L，甘露醇、果糖或葡萄糖得到的产率比较稳定，4天后产量都大于2.5 g/L。

利用合成或半合成培养基发酵细菌纤维素的国内外研究结果比较一致，单一碳源以甘露醇和甘油发酵效果较好，复合碳源的效果比单一碳源要好。

但这类碳源往往纯度高、价格贵，不适于细菌纤维素工业化大规模生产。

2 天然培养基生产细菌纤维素天然培养基一般是以工农业生产的剩余物、食品加工废弃物以及含糖量较高的果蔬等农副产品为原料。

目前常用的培养基包括水果类原料、糖质原料、淀粉类原料和纤维素类原料等几种，尤其以水果类原料为多。

这类原料量大而价廉，可能是降低细菌纤维素生产成本的有效途径。

2.1 以水果类原料生产细菌纤维素水果中含有大量糖类、蛋白质和各种微量元素，同时水果成熟时间较集中、保存时间较短，采摘运输不及时会大批量腐烂变质。

利用这些在特定区域供应丰富、价格低廉的水果类原料生产细菌纤维素由来已久，最传统的是用椰子水或椰子汁发酵生产的食品叫“椰果”、“椰纤果”或“纳塔”。

2.1.1 以椰子水生产细菌纤维素椰子水是椰子加工的副产物，营养丰富又无需榨汁工序，是生产细菌纤维素的优质原料，菲律宾等东南亚国家最早利用该原料，我国的海南省以椰子水为培养基发酵生产细菌纤维素也已十余年，产生了良好的经济效益。

华南热带农业大学刘四新等[17]研究了一株醋酸杆菌在椰子水培养液中发酵产生纳塔的适宜工艺条件，50%椰子水加一些无机盐，补加蔗糖至7%，pH 4.0，在500 mL烧杯中30℃静置培养16天后最高可收获湿重182 g（含水率95.14%）和3.3 cm厚的纳塔。

广东轻工职业技术学院的邓毛程等[18]利用酵母与醋酸菌的共生关系，在椰子水中加入酵母发酵滤液作为培养基进行木醋杆菌的高纤椰果发酵，研究发现，酵母发酵滤液培养基对高纤椰果发酵产量的提高具有促进作用，当酵母发酵14 h、乙醇浓度为2.0%、初始pH 6.0时，发酵10天后干纤维素产量最高可达17.48 g/L。

海南大学的王志国等[19]将不第3期谢健健等：细菌纤维素发酵原料的研究进展71同发酵处理的椰子水制备成培养基，结果表明椰子水经20℃、敞口放置和自然发酵20天后最适于生产细菌纤维素，在补加蔗糖至4%时产量可达2.68 g/L以上，敞口条件下发酵的椰子水更有利于生产细菌纤维素，产量是密封发酵的椰子水的2倍。

印尼的Budhiono等[20]和Radiman[21]利用椰子水生产细菌纤维素也获得了较好的效果。

印度的Jagannath等[22]研究了pH、蔗糖、硫酸铵对椰子水发酵生产细菌纤维素的影响，结果表明发酵最佳条件是10%蔗糖、0.5%硫酸铵和pH 4.0。

2.1.2 以其它水果汁生产细菌纤维素除椰子水外，其它水果如猕猴桃、柑橘、苹果、西瓜、菠萝、葡萄、番茄等也可作为碳源发酵生产细菌纤维素，但这些研究均未进入工业化生产。

湖北三峡学院的邵伟等[23]以浓缩猕猴桃汁为原料，经过醋酸菌静置发酵培养15天生产猕猴桃纳塔，获得湿重151.5 g、厚度2.87 cm的纳塔。