细菌纤维素的研究进展

细菌纤维素的研究进展

摘要：细菌纤维素是一种天然的生物高聚物，具有生物活性、生物适应性，具有独特的物理、化学和机械性能，例如高的结晶度、高的持水性、超精细纳米纤维网络、高抗强度和弹性模量等，因而成为近年来国际上新型生物医学材料的研究热点。概括细菌纤维素的性质，发酵过程，改性方法以及在生物医学材料上的应用。

关键词：细菌纤维素；改性；生物医学材料；应用

0 前言

细菌合成纤维素是在1886年由Brown首次报道的，是胶膜醋酸菌A.xylium 在静置培养时于培养基表面形成的一层白色纤维状物质。后来在许多革兰氏阴性细菌，如土壤杆菌、致瘤农杆菌和革兰氏阳性菌如八叠球菌中也发现了细菌纤维素的产生。细菌纤维素与天然纤维素结构非常相似，都是由葡萄糖以β一1，4一糖苷键连接而成的高分子化合物，此外，细菌纤维素相对于传统的纤维素资源又有其优势，如加工时不用去木质素，可合成高质量的纸或者加工成任何形状的无纺织物，还可通过发酵条件的改变控制合成不同结晶度的纤维素，从而可根据需要合成不同结晶度的纤维素。

从纤维素的发现至今已有一百多年的历史，但由于无合适的实验手段以及纤维素的产量较低，因此多年来一直未受到足够重视。近十几年来随着分子生物学的发展和体外无细胞体系的应用，细菌纤维素的生物合成机制已有了很深人的研究，同时在细菌纤维素的应用方面也有了很大进展。

1.细菌纤维素的结构特点和理化特性

1.1化学特性

经过长期的研究发现，BC和植物纤维素在化学组成和结构上没有明显的区别，均可以视为是由很多D-吡喃葡萄糖苷彼此以(1-4)糖苷键连接而成的线型高分子，相邻的吡喃葡萄糖的6个碳原子不在一个平面上，而是呈稳定的椅式立体结构。

日本的Masuda等采用13C和1H旋转扩散核磁共振分析了BC的纤维素结构，试验结果表明:在CP/MAS13C NMR图谱上出现共振线很分裂为低场线和高场线，其原因可能是高场线处的C4与微纤维中CH2OH的混乱的氢键结合在一起的构象不规则所引起的结构缺陷。

1.2细菌纤维素的聚合度，结晶度及其性质

BC的聚合度随着培养方式和条件不同而有很大差异，动态培养时较低，约为3000-5000，静态培养时可以高达16000，优质棉纤维为113000-14000，棉短绒为5000左右，木浆纤维素为7000-10000。结晶度高于普通高等植物纤维，而低于藻类(Vatinia)和动物纤维(Tunicin)。结晶度增加，纤维的抗强度、氏模量、硬度、比重和体积的稳定性会随之增加，而伸长率、吸湿性、润胀度、柔软性和化学反应性均会随之降低。但是BC纤维的吸湿性、润胀度、柔软性和化学反应活性却比高等植物纤维素好得多这个反常规的原因可能是由于细菌纤维超细(纳米级)特点所造成，有待于深入研究。

Strobin等通过凝胶渗透色谱法研究了BC在不同培养时间以及培养基组成时的聚合度和聚合度分布性，结果表明:随培养时间的延长，其聚合度随之增加，到28天时开始降低，但聚合度分布性却增加。

1.3细菌纤维素膜的结构与性质

BC成膜性能好，BC膜的抗撕能力比聚乙烯膜和聚氯乙烯膜要强5倍；BC 膜持水量高，其部有很多“孔道”，有良好的透气、透水性能，通常情况下持水率大于1:50，经特殊处理可达1:700，并且具有高的湿强度。

Wfochowicz等采用X-射线衍射研究了在不同培养时间发酵的细菌纤维素的纳米结构；采用重量分析法可知膜的持水率随培养时间延长而从193%降到120%。广角衍射测试表明:不管培养时间的长短，膜均有半结晶形态；小角衍射测试表明纤维素结晶纤维随机地分布在无定相中。

Dubey研究了除去蛋白质后的BC膜在二元溶剂体系(水-醇)中的全蒸发，随乙醇的浓度增加，对纤维素膜的渗透通量、选择性、全蒸发分离指数(PSI)和吸气度进行了研究，发现纤维素膜对水有高的选择性，当乙醇浓度高于70%时纤维素膜仍能透过95%的水，当二元体系中含水量少于30%时，纤维素膜对水的选择度在125-287围，渗透通量高于100g/m2，PSIy约为104g/m2h。

1.4细菌纤维素的介电性能

Baranov等研究了由纳米晶体构成的BC在频率100Hz到1MHz之间，温度在100-400K之间的介电性能，高温状态下纤维素的介电常数的异常行为可以通过纤维素中水分子的吸附和解吸特征来解释，低于320K时，纤维素膜吸水，而高于此温度时将解吸水。

1.5细菌纤维素的溶解性能

Tamai发现BC在8%的二甲基乙酞胺的溶液中溶解形成均质溶液，而在某个浓度时会形成非均质溶液。

szkiewicz从实验中发现，BC像云杉纤维一样，聚合度低于400，可以

在-5℃下溶于8.5%的NaOH溶液中。当NaOH溶液中加入1%的尿素时，BC的溶解度会增加，聚合度不超过560就可以溶解。这个实验结果具有重要的实用意义，它指出了不用汽蒸或酶生物转移活化纤维素，而是通过纤维素纺丝液制备纤维的可能性。这种方法不同于传统的粘胶法生产纤维素，溶剂是一种对环境无毒，价格便宜，不需要制备纤维素衍生物的直接溶剂。

1.6其他性质

较高的生物适应性和良好的生物可降解性，可利用广泛的基质进行生产可以进行烷基化、轻烷基化、羧甲基化、硝基化、氰乙基化、氨基甲酸酯化以及多种接枝共聚反应和交联反应，其化学反应的可及度和反应性均强于普通植物纤维。日本学者在用BC、棉短绒和木浆纤维制造三醋酸纤维素酯和二醋酸纤维素酯时发现，相同条件下，BC完成反应速度快、耗时少。

2.细菌纤维素的生物合成

目前除醋酸菌属外，根瘤菌属(Rhizobium)、八叠球菌属(Sarcina)、假单胞菌属(Pseudomonas)、无色杆菌属(Achromobacter)、产碱菌属(Alcaligenes)、气杆菌属(Aerobacter)、固氮菌属(Azotobacter)等的某些种也能生成细菌纤维素。研究比较全面的是木醋杆菌(Acetobacter xylinum)。

在木醋杆菌生物代过程中戊糖循环(HMP)和柠檬酸循环(TCA)2条代途径参与了细菌纤维素的生物合成。由于糖酵解(EMP)活力缺乏或微弱，即缺乏磷酸果糖激酶或酶活力微弱，因此木醋杆菌不能在厌氧条件下代葡萄糖。从草酰乙酸经丙酮酸盐，由于草酰乙酸脱羧酶和丙酮酸盐激酶奇特调节作用，木醋杆菌发生糖原异生作用。在这种条件下，一条代途径是由己糖磷酸盐通过异构化和磷酸化，直接合成纤维素。另一种为非直接途径，即经过戊糖循环和葡糖异生途径生成纤