楊依維，劉玉飛,2，何 敏

細菌纖維素的制備及在食品中的應用進展

楊依維1，劉玉飛1,2，何 敏1*

（1. 貴州大學 材料與冶金學院 高分子材料與工程系，貴州 貴陽 550025；2. 國家復合改性聚合物材料工程技術研究中心，貴州 貴陽 550014）

簡述了細菌纖維素的特點，重點舉例闡述了細菌纖維素的制備工藝，以原料來源的不同為依據(jù)，以廢舊物回收利用為要點，分別介紹了生物基及人工合成原料制備細菌纖維素的方法。綜述了細菌纖維素在食品方面的應用研究，圍繞食品及食品包裝兩個角度進行講述，其在雞肉餅、酸乳的添加及自身作為食品均可呈現(xiàn)優(yōu)良的食用價值，在食品外包裝及附屬物可呈現(xiàn)其環(huán)保價值。最后總結(jié)展望了細菌纖維素相關的大規(guī)模生產(chǎn)技術，以結(jié)合自身環(huán)境友好的特點將細菌纖維素進行充分利用。對細菌纖維素制備及其在食品方面的應用研究具有一定參考價值。

細菌纖維素；制備；應用；食品；環(huán)保

細菌纖維素與植物纖維素結(jié)構(gòu)相似，但物理性質(zhì)與化學性質(zhì)有較大區(qū)別[1]，細菌纖維素是一種由木醋桿菌等微生物新陳代謝產(chǎn)生的胞外不可溶性多糖[2-4]，其因自身獨特性能成為一種獨特的功能生物材料[5]。早期由英國科學家Brown發(fā)現(xiàn)，他在研究木醋桿菌時無意發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)液表面形成的一層固體凝膠物質(zhì)[6]，這在經(jīng)相應表征后被確定為一種高純度纖維素，即“細菌纖維素”。從它的結(jié)構(gòu)上看，它是由β-D葡萄糖集合而成，由β-1,4-吡喃葡萄糖單元組成的多孔型三維網(wǎng)絡狀結(jié)構(gòu)的大分子[7-8]。

圖1 細菌纖維素合成結(jié)構(gòu)表達式

細菌纖維素既包含植物源納米纖維素的特征，又具有許多自身獨特的優(yōu)良性質(zhì)[9]。它具有高純度，主要體現(xiàn)在不含半纖維素、果膠、木質(zhì)素[10]等；因其具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以其可保持相對數(shù)量的水分，同時它還具有高彈性模量、生物相容性和可降解性[11-12]，因而在多領域、多方面具有良好的應用價值，可制成柔性顯示復合材料、醫(yī)療敷料[13-15]，同時在紡織工業(yè)、電池等領域也值得廣泛應用[16]。

圖2 細菌纖維素的性質(zhì)與應用領域

因此，可以認為細菌纖維素是一種高價值的納米級高分子材料。目前對于細菌纖維素的綜述報道也有很多。汪麗粉等[17]主要對細菌纖維素的高持水性、高透氣性、良好的生物相容性、高機械強度等獨特性質(zhì)及其在紡織、醫(yī)用敷料、組織工程、食品、導電材料等領域的應用展開綜述，朱曉東等[18]主要通過靜態(tài)培養(yǎng)和攪拌培養(yǎng)兩種方法對細菌纖維素的制備進行闡述，重點講述了細菌纖維素的三種改性方法即原為改性法、浸漬法、均化法，以及細菌纖維素在生物醫(yī)藥、食品包裝、電子元件方面的應用。

但對其充分的研究與利用需要大量原料的產(chǎn)出，因而針對細菌纖維素低成本、高產(chǎn)量、簡操作[19]的合成技術成為細菌纖維素一個值得思考的問題，現(xiàn)有許多在生產(chǎn)制作過程中產(chǎn)生的廢棄物，將它們充分利用可以解決一定低成本的問題且產(chǎn)生環(huán)保效益。同時，據(jù)社會現(xiàn)象可看出，現(xiàn)今食品安全問題深入人心，直接關系人們的身體健康，而細菌纖維素在食品方面大有作用，因此本文以廢棄物回收利用為要點，充分考慮經(jīng)濟與環(huán)保相協(xié)調(diào)，著眼關注社會問題進行切入主要針對細菌纖維素的制備及其在食品方面的應用研究展開綜述。

1 細菌纖維素的制備

細菌纖維素作為天然生物基類高分子，可以持續(xù)滿足人們對于可降解、環(huán)保產(chǎn)品的需求[20]，細菌纖維素的制備主要是通過菌種在特定條件下產(chǎn)生，現(xiàn)已有許多細菌纖維素制備的研究，其中環(huán)保且成本低的生產(chǎn)技術更俱價值[21]。圖3列舉了可用于細菌纖維素制備的不同來源。

圖3 可用于細菌纖維素制備的不同來源

1.1 細菌纖維素以生物基為原料的制備

1.1.1 以煙草廢棄物為原料

中國在煙草種植原料篩選中不適用于制卷煙及加工過程中產(chǎn)生的廢棄物約占煙葉總產(chǎn)量的25%[22]，同時對于此類廢棄物的處理大多作焚燒處理，造成了很大的資源浪費及環(huán)境污染問題。以廢煙末為原料合成細菌纖維素不僅降低成本，同時有很大的綠色環(huán)保意義。

郭霖軒等[23]考慮酸堿環(huán)境及糖類對細菌纖維素合成的影響，用煙草廢棄物的乙醇水解液培養(yǎng)基對細菌纖維素進行培養(yǎng)，以不同水解條件對浸提液水解全因素試驗，得到2%乙酸、120℃、90 min是煙草廢棄物浸提液水解的較佳條件。張婷婷等[24]以煙草中富含糖、氨基酸、無機鹽等研究了煙草廢棄物發(fā)酵制備細菌纖維素的可行性，通過煙末廢料水提液作為培養(yǎng)基，利用木醋桿菌進行發(fā)酵，得出最優(yōu)條件為接種量6%、初始pH5、溫度30℃，發(fā)酵時間7 d。

1.1.2 以農(nóng)作物為原料

中國甘薯年產(chǎn)量超5 300萬噸，是全球最大的甘薯生產(chǎn)國，甘薯被充分用于淀粉類食品的生產(chǎn)。大豆同樣也是糧食中需求量極高的原料，它們在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的渣質(zhì)存在著很大的利用空缺問題。

Shuai Xu等[25]以利豐制品有限公司的甘薯渣為原料，經(jīng)過單因素優(yōu)化選擇以濃度為30 g/L的葡萄糖作為碳源，采用補料分批法實現(xiàn)了甘薯渣的高固相酶解，該酶解方式可以提高設備利用率，能耗得到大大降低，以甘薯渣水解液作為培養(yǎng)基，由于沒有抑制劑的產(chǎn)生，有利后續(xù)葡萄糖的轉(zhuǎn)化及細菌纖維素的合成。高媛等[26]以南通來寶谷物蛋白公司的大豆渣為原料，大豆渣的稀酸預處理及酶水解過程簡單，在與葡萄糖、酸預處理液、酶解液作為碳源的比較中，確定以Ca(OH)2脫毒后的酶解液作為碳源獲得的細菌纖維素產(chǎn)量最高。工藝流程如圖4所示。

圖4 大豆渣制備細菌纖維素工藝流程（BC即細菌纖維素）

1.2 以人工合成聚合物為原料細菌纖維素的制備

1.2.1 以紡織物為原料

高分子材料的不斷研究為紡織業(yè)提供了重要原料，同時，對紡織物的回收利用的問題備受關注，在追求紡織行業(yè)的經(jīng)濟效益的同時也要考慮廢棄物對環(huán)境的影響[27-28]。

Jiangang Zhou等[29]采用尼龍-6,6解聚法制備硫酸水解產(chǎn)物，研究表示通過酸水解和好氧發(fā)酵將尼龍-6,6廢渣轉(zhuǎn)化為細菌纖維素在技術上的可行性。在100℃下用10%的尼龍進行4小時的硫酸水解，使尼龍-6,6肥料幾乎完全解聚后作靜態(tài)發(fā)酵轉(zhuǎn)化為細菌纖維素。周建剛等[30]申請了利用廢舊滌綸織物制備細菌纖維素的專利，把廢棄滌綸織物烘干剪碎，在氫氧化鋇溶液中以120～126℃使其水解90～100 min，后加如稀硫酸使溶液呈中性，經(jīng)離心分離后取上清液即滌綸水解液加入酵母粉和蛋白胨制備成培養(yǎng)基，將細菌纖維素的菌接種到滅菌且常溫的該培養(yǎng)基中進行培養(yǎng)從而得到細菌纖維素。

表1 不同介質(zhì)發(fā)酵液中細菌纖維素的性質(zhì)[29]

2 細菌纖維素在食品方面的應用

食品問題一直以來都是備受關注的一個問題，在食品安全得到保障的基礎上，人們對食品的品質(zhì)的追求越來越多，細菌纖維素作為典型的膳食纖維素被美國FDA認定為公認安全級，又因其本身具備對于食品加工等方面優(yōu)越的特性，因此可認為它在食品方面的應用十分有價值[31-32]。

2.1 細菌纖維素在食品添加方面的應用

2.1.1 在雞肉餅中的添加

食品的品質(zhì)在細菌纖維素的加入后得到改善以及性能得到提升，郭艷等[33-34]研究了細菌纖維素對雞肉影響。在研究雞肉餅中通過改變細菌纖維素的質(zhì)量分數(shù)，經(jīng)DSC、FT-IR等結(jié)果綜合考慮，在細菌纖維素添加量為0.6%時對雞肉餅的品質(zhì)改善效果最好，使雞肉餅有更高的持水力且更緊湊的微觀結(jié)構(gòu)。

表2 細菌纖維素對雞肉蛋白變性溫度和熱焓的影響[35]

同列數(shù)據(jù)后標不同字母表示具有顯著差異（P小于0.05）

2.1.2 在酸乳中的添加

張雯等[36]研究了細菌纖維素酸乳的制備工藝。通過細菌纖維素與酸乳結(jié)合，其中得到了品質(zhì)更高的酸乳，改善了酸乳脂肪上浮及蛋白質(zhì)下沉的問題，這與酸乳中酪蛋白與細菌纖維素的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相作用有關。其中當細菌纖維素添加量為3%，發(fā)酵酸乳含量為35%時可實現(xiàn)最優(yōu)制備工藝。

2.1.3 細菌纖維素的食用

劉晨光等[37]申請了一種可食用細菌纖維素的制備方法和應用的專利，該制備方法以投資少菌體培養(yǎng)過程簡單的特點有效去除雜質(zhì)，殘余菌體，使食品的安全性提高。食用時可添加適當飲用水稍加攪拌即可成為一杯口感豐富的飲品，或作稍加咀嚼的餅狀產(chǎn)品，都可以達到飽腹和控制食欲的效果。

2.2 細菌纖維素在食品包裝方面的應用

食品包裝對食品保存及減少分銷鏈（運輸、處理等）發(fā)揮著重要作用，被使用后便成為廢棄物，與環(huán)境聯(lián)系緊密，可降解型包裝材料體現(xiàn)出環(huán)境友好的優(yōu)勢。細菌纖維素本身具可降解型等優(yōu)異性能，因而可參考作為一種良好的包裝材料的原材料[38]。

2.2.1 食品外包裝

Khairul Azly Zahan等[39]利用細菌纖維素研究開發(fā)出一種新型可降解抗菌包裝材料，將月桂酸加入到細菌纖維素中，可以使細菌纖維素的性能有所改善，對枯草芽孢桿菌的生長有抑制作用，對大腸桿菌的生長沒有影響，且被掩埋在土壤中的第七天完全降解。Yinyin Xu等[40]利用殼聚糖、細菌纖維素、姜黃素構(gòu)建生物降解膜，通過結(jié)合各自特點，參照殼聚糖與各種合成及天然聚合物共混的研究，對食品和活性物質(zhì)親和力的信息分析，制成以較高的阻隔性能、抗氧化活性為特點的活性膜，為食品的活性包裝材料提供較好的應用前景。

2.2.1 食品包裝附屬

吸管是食品十分常用的工具，它同樣也被考慮在環(huán)境污染問題中，Huai-Bin Yang等[41]研究合成一種可食用的、無微塑料的細菌纖維素吸管，通過海藻酸鹽與細菌纖維素相結(jié)合得到的薄膜卷于聚四氟乙烯棒上，經(jīng)乳酸鈣溶液浸泡使海藻酸鹽與鈣離子交聯(lián)從而提高力學性能，再經(jīng)清洗及干燥便可得到塑料吸管的理想替代品。

3 總結(jié)和展望

細菌纖維素的優(yōu)良特性給各領域都提供了材料，對于細菌纖維素的制備以簡操作、低成本、高產(chǎn)量的趨勢在不斷進行研究，大多趨向利用廢舊資源進行改良合成，但是對于細菌纖維素大規(guī)模的合成進行一個體系化生產(chǎn)的技術還有待推進，同時針對食品方面來說，細菌纖維素作為添加劑可以對食品得到改善作用，在包裝及相關產(chǎn)品的制作上也對環(huán)境有很友好的作用，由于其相應保障及效益沒有得到大規(guī)模的展現(xiàn)，因此把成品真正推向社會還需要一定的時間。

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Progress on the Preparation of Bacterial Cellulose and Its Application in Food

YANG Yi-wei1, LIU Yu-fei1,2, HE Min1*

（1. Department of Polymer Material and Engineering, Institute of Materials and Metallurgy, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. National Engineering Research Center for Compounding and Modification of Polymer Materials, Guiyang 550014, China）

The characteristics of bacterial cellulose are briefly described, and the preparation process of bacterial cellulose is emphatically expounded with examples. Based on the different sources of raw materials and the main points of recycling waste materials, the methods of preparing bacterial cellulose from biological and synthetic raw materials are introduced respectively. This paper comprehensively analyzes the application of bacterial cellulose in food, and analyzes it from the perspectives of food and food packaging. It can show excellent edible value in the addition of chicken patties, yogurt and itself as food and the environmental value as the outer packaging and appendages of food. The large-scale production technology of bacterial cellulose is summarized and prospected, so as to make full use of bacterial cellulose in combination with its environmental friendly characteristics. It has a certain reference value for the preparation of bacterial cellulose and its application in food.

bacterial cellulose; preparation; application; foodstuff; environmental protection

1004-8405(2022)03-0045-07

10.16561/j.cnki.xws.2022.03.02

2022-07-18

貴州大學自然科學專項基金項目（合同編號：貴大特崗合字（2021）44號）。

楊依維（2001～），女，本科；研究方向：高分子材料。

通訊作者：何敏（1966～），女，博士生導師；研究方向：高分子材料。hemin851@126.com

TQ352.79

A