细菌纤维素的基本特性与其应用
包装与食品机械2013年第31卷第5期
细菌纤维素的基本特性与其应用
黄
121莉，王英男，夏秀芳，丁
1
一，杨
1
明，王
松
1
（1．东北农业大学食品学院，哈尔滨150030；2．哈尔滨天拓生物科技有限公司，哈尔滨150030）摘要：细菌纤维素是由微生物发酵合成的天然无毒的纳米材料。能够合成细菌纤维素的微生物共
有8种，这8种微生物可通过静态发酵和动态发酵两种方式产生细菌纤维素。因为细菌纤维素具有高纯度、高结晶度、精细的网络结构、生物适应性和可降解性等特性，所以在食品及其包装行业、医药保健品业、以及造纸工业中得到了广泛的应用。
关键词：细菌纤维素；微生物种类；基本特性；应用
中图分类号：TS 201．3文献标识码：A 文章编号：1005－1295（2013）05－0060－04doi ：10．3969/j．issn．1005－1295．2013．05．016
Basic Characteristics and Application of Bacterial Cellulose
HUANG Li 1，WANG Ying-nan 2，XIA Xiu-fang 1，DING Yi 1，YANG Ming 1，WANG Song 1（1．College of Food Science ，Northeast Agricultural University ，Harbin 150030，China ；
2．Haerbin Tian Tuo Sheng Wu Ke Ji Co．Ltd．，Harbin 150030，China ）
Abstract ：Bacterial cellulose is a kind of natural and nontoxic nanomaterials that is synthetized by micro-bial fermentation．There are eight types of micro-organisms that can produce bacterial cellulose ，they can pro-duce bacterial cellulose through two ways that the static the fermentation and dynamic fermentation．Bacterial cellulose with high purity ，crystallinity ，the fine structure of the network ，biocompatibility and biodegradability properties ，so it has widely used in the food packaging industry ，medicine and health products industry ，as well as the paper industry．
Key words ：bacterial cellulose ；microbial species ；basic characteristics ；application
类是合成纤维素。植物合成的纤维素含有大量的
半纤维素和木质素等杂质，提纯过程复杂，消耗大量的资源；合成又分为人工合成和酶合成，合成纤维素比较困难，并且性质不够稳定，难以满足市场的需求；以微生物为载体合成的细菌纤维素经简单地提取和处理后，就可广泛地应用到多个领域。因此，细菌纤维素成为了许多学者和各行业的研
［2］
究热点。目前，美国、日本等国家以木醋杆菌为生产菌株已经实现了细菌纤维素的工业化生产，成功地将细菌纤维素应用于人造皮肤，用来治疗烧伤和烫伤等疾病，同时细菌纤维素也应用于
0引言
纤维素可以由植物、动物以及微生物合成，其
中由微生物发酵合成的纤维素称之为细菌纤维
1，4糖苷键连接而成的大分子多糖，素，它是β-也1886年由英国科是一种天然无毒的纳米级材料，
［1］
学家首次研究发现。随着对纤维素的认识不断深入，人们获取纤维素的方法也在不断改进和更新。目前，人类获取纤维素的方法分两大类：一类是分离和提取植物、微生物合成的纤维素；另一
收稿日期：2013－04－06；修稿日期：2013－04－18
E-mail ：Lihuangname@163．com 。作者简介：黄莉（1988－），女，硕士，研究方向为水产品加工及贮藏，
通信作者：夏秀芳（1973－），女，副教授，博士，研究方向为农产品加工及贮藏，通信地址：150030黑龙江哈尔滨市香坊区木材街59号东
E-mail ：xxfang524@163．com 。北农业大学食品学院，
60
食品行业、造纸、复合材料等行业。因此，在美国、
日本等国家，细菌纤维素的广泛应用已创造了上亿元的产值，而我国对纤维素的研究仍处于试验阶段，同时实现细菌纤维素的工业化生产也面临着诸多问题。1
生产细菌纤维素的菌属
1，4糖苷链，酶作用下由尿苷葡萄糖合成β-再装
［5－7］
。观察发现一个木醋杆菌细胞配形成纤维素
在1s 就可以聚合2000个葡萄糖分子，那么发酵
培养2天后，在静止发酵的培养基表面就会形成肉眼可见的细菌纤维素薄膜。
在实际发酵过程中，细菌发酵产生纤维素的方法有两种，包括静态发酵和动态发酵。发酵的方法不同，所得纤维素的性质也不同。如静态发酵所得的纤维素为薄膜，纤维结构较纤细、致密，灰分含量较低，生物相容性较好。动态发酵所得纤维素为球形或团状，吸水性和复水性较好。因此根据实际的需要，可选择不同的培养方法。同可以进一步对纤维素进行时为了满足商业需求，改性处理和表面修饰。3
细菌纤维素的特性
细菌纤维素又称微生物纤维素，是指由某些微生物合成的应用广泛的一种高分子材料。随着人们不断地研究发现能以异养方式合成胞外细菌纤维素的菌属为醋酸菌属（Aeetobaeter ）、产碱菌八叠球菌属（Sareina ）、根瘤菌属属（Alcaligenes ）、（Ｒhizobium）、假单胞菌属（Pseudomonas ）、固氮菌属（Azotobacter ）、土壤杆菌属（Agrobacterium ）、无色杆菌属（Achromobacter ）和产气杆菌属（Aero-bacter ）等［3］。各菌属特征存在差异，如木醋杆菌
长1．0～4．0μm ，宽为棒状革兰氏阴性好氧菌，
0．6～0．8μm ，以单个、成对或链状存在，菌落呈圆突起，不透明，淡棕色，表面粗糙。葡糖醋杆菌形，
细胞呈椭圆或杆状，长2．6～4．2μm ，宽0．5～1．0μm ，革兰氏阴性严格好氧菌，菌落为白色。虽然
但能够进行大规模生产细菌纤维素的菌属众多，
工业化生产的目前只有醋酸菌属中的某些菌种，
工业化生产菌株必须满足以下条件，该菌体生长速度较快、传代培养后遗传性状稳定、纤维素的产率高、发酵条件温和、生产成本低等。醋酸菌属中
［4］的木醋杆菌成为研究工业化生产的典型菌种，同时也成为研究纤维素合成、观察纤维素形貌特
细菌纤维素是不含任何杂质的天然纤维素，
它具有精细的网络结构、较高的机械强度、较高的良好的生物相容性和生物降解吸水和保水性能、
性等许多独特的性质。因此也被认为是性能最好、使用价值最高的纤维素，成为当今国际生物材料研究的热点之一。
（1）细菌纤维素具有较高的纯度和结晶度。与植物纤维素相比，细菌纤维素不含半纤维素、木质素等杂质，以100%的纤维素形式存在。
（2）精细的网络结构。Azhar 等人利用超高分辨率场发射电子显微镜观察了细菌纤维素膜表面形态，揭示了细菌纤维素的网状纤维排布。细菌纤维素纤维是由直径3～4nm 的微纤组合成40～60nm 粗的纤维束，并相互交织形成发达的
［8］超精细网络结构。
（3）合成时可调控性。发酵条件不同所得的
征及分析纤维素结构的典型菌株。2
细菌纤维素的合成途径和方法
随着科学的进步和生活水平的提高，人们逐渐发现纤维素与生活密不可分，纤维素是纺织业的原材料，也是很多传统发酵食品中的主要成分。因细菌纤维素所具有的独特性质，引起了人们的进一步关注，近几年来人们对细菌纤维素的研究，发现它的产生是快速又复杂的过程，细菌纤维素产生的过程基本上可以分为4个部分：（1）在葡萄糖激酶作用下将葡萄糖转化为6-磷酸-葡萄糖；（2）在异构酶作用下将6-磷酸-葡萄糖转化为1-1-磷酸-葡萄糖；（3）在UDPG 焦化磷酸酶作用下，磷酸-葡萄搪生成尿苷葡萄糖；（4）在纤维素合成
Cristina 等人研究了不纤维素结构和特性也不同，
同培养基中的细菌纤维素的结构，静止培养基中得到一层厚厚的纤维素膜，覆盖在培养基表面；在
［9］
动态培养基中得到球形的细菌纤维素。为了改进纤维的特性，使其更适合应用于各领域，可采用改性的方法，提高纤维素的性质。（4）细菌纤维素的可降解性和重复利用性。在自然条件下，微生物可将纤维素降解为小分子的糖，不会造成环境的污染。细菌纤维素为可再生和可降解的生物资源，对于建设绿色环保的国民经济意义重大。
61
（5）提取过程简单。细菌纤维素的提取过程主要为低浓度的碱溶液加热浸泡，可完全除去纤维上残留的菌体及培养基等杂质，而植物纤维需要浓度较高的碱液加热消化才能除去与纤维素结合的半纤维素、木质素等杂质。（6）良好的亲水性和透气性。细菌纤维素内部存在大量的亲水性基团，分子间及分子内部由氢键相互连接，因此决定了细菌纤维素是一种水凝胶，其中结合水占大部分，自由水仅占10%。经纯化处理的纤维素网络具有很多孔道，可以很好地透水及透气，因其这种独特的性能，细菌纤维素用于研究人造皮肤。
（7）高抗张强度和杨氏模量。细菌纤维素经杨氏模量可达10MPa ，是合成纤维素干燥处理后，
的4倍。
（8）超细性。由木醋杆菌生产的细菌纤维素的直径在0．01～0．1μm 之间，是天然的纳米级材是细菌纤料。而植物纤维素的直径大约10μm ，维素的百倍。4
细菌纤维素的应用
在人造鱼、人造肉、香肠、火腿肠中和某些食品的骨架中，成为一种重要新型食品基料。薛璐等利用大豆乳清发酵得到的细菌纤维素作为稳定剂，替代黄原胶、卡拉胶等应用于冰淇淋中，不但改善口感，而且呈现爽口的香甜味
［13］
；同时还发现细
菌纤维素冰淇淋的抗融性和融化特性都比较理
［14］
想，同时也具有一定的膳食保健功能。4．2
细菌纤维素在保健品行业的应用
细菌纤维素不仅广泛地应用于食品行业，而且可以应用在保健品行业中。细菌纤维素服用后完全不被人体吸收，并有饱腹感、降低食量、纤维素自身为低热量的食品，因此可达到减肥的效果。不仅如此，由于细菌纤维素具有防便秘、清肠胃、
［15］
排毒、降低胆固醇的功效，使其在国际保健品行业中倍受关注。细菌纤维素应用不仅可以实现青年人瘦身减肥的梦想，而且可以防止老年人的高血脂等多种疾病，成为新兴的保健品基料。4．3细菌纤维素在食品包装行业的应用细菌纤维素的优良性能使其成为了新兴的安全高效的食品包装材料。传统的包装材料主要存在卫生安全、含有重金属等对人体有害的问题。并在一定的条件下，传统的包装材料本身的化学如果迁移的量超过一成分会向食品中发生迁移，定界限，就会影响到食品的安全卫生。如传统的瓦楞纸箱包装粘合剂为水玻璃，由于其毒副性，加以国家规定出口用纸箱必须以食品级粘合剂粘结。与传统的食品包装材料相比，细菌纤维素包装材料不仅可以保护食品不受外界的污染，保持
成分、品质等特性，而且具有明食品本身的水分、
显的抗菌和抑菌功能，防止食品被微生物污染。同时细菌纤维素这种包装材料本身具有较高的持
水性且不含任何毒素，从而保证了食品的质量安全。开发新型安全的食品包装材料，可逐步替代非降解材料的使用，以缓解白色污染严重的环境问题5
［16］
易守连等人以玉米芯纤维素和半纤维素为原
料，水解成为可发酵性的糖，减少对不可再生能源的依赖，保护生态环境。细菌纤维素与植物纤维和动物纤维相比，它具有许多优良的特性，同时可根据具体应用要求对其在产生过程的条件进行选
［10］
择，也可以在后期成品进行改性。因而它被作广泛地应用于食品工业、为一种新型微生物材料，造纸业、医学和保健品等行业，且具有良好的商业前景和较好的社会效益。
4．1细菌纤维素在食品工业中的应用
细菌纤维素与部分植物纤维素都为可食用的
人们食用的植物纤维素主要存在于蔬菜纤维素，
和水果中，细菌纤维素主要存在于各种纳塔（Na-ta ）食品如果冻、饮料、糖果和罐头等。纳塔和红茶菌（Black fungus ）为细菌纤维素的传统发酵工
艺制品，由醋酸菌纯种培养或醋酸菌和其他微生物混合培养得到的一种含有丰富纤维素的液态发酵饮料。这类食品具有爽滑、脆嫩、细腻的口感，倍受广大消费者的喜爱
［11］
。
研究前景与展望
在美国、日本等国家，细菌纤维素已实现了工
业化生产并初步形成了上亿元的产值，而我国在这方面的相关研究正处于起步阶段，实现工业化生产面临很多问题，成本高、产率低、难以准确的控制发酵条件等。针对我国现在面临的实际问题，需要加大投资力度、结合基因工程等高新科技
。
细菌纤维素具有黏稠性、稳定性、代谢产物具
有特定风味等特点，它还常作为食品工业中的添加剂，如增稠剂、成型剂等62
［12］
。细菌纤维素应用
手段改良菌种、提高产率、降低生产成本、设计合
理的生物反应器，使细菌纤维素能尽早地实现工业化的生产。根据实际的需要，选择不同的培养方法和发酵条件，也可以对纤维素进行改性处理，使其具有较高的商业价值，能更为广泛地应用在
实现纤维素的经济价值和社会效益。各个领域，
参考文献：
［1］刘勤华，马汉军，潘润淑．细菌纤维素及其在食品中J ］．农技服务，2008，25（5）：123－124．的应用［
［2］张永凤，卢红梅，何绪晓，等．细菌纤维素及其应用
［J ］．江西食品工业，2007，3（1）：29－32．［3］马霞，王瑞明，关凤梅，等．发酵生产细菌纤维素菌株
J ］．四川食品与发酵，2005，2（1）：20－22．的特点［
［4］Jonas Ｒ，Farah L．Producation and application of micro-bialcellulose ［J ］．Polymer Degradation and Stability ，
1998（5）：102．［5］Hirai S ，Tsuji M．HiroyUklYamamoto．Cellulose ［M ］．
1998：201－213．［6］贾士濡，欧宏宇，傅强．新型生物材料一细菌纤维素
［J ］．食品与发酵工业，2000，27（1）：54－58．［7］范丽霞，王锡彬，杨先会．细菌纤维素生物理化特性
．海南医学院学报，2004，10（4）：79－及其应用［J ］
281．（上接第25页
）
［8］Ul-Islam M ，Khan T ，Park J K．Water holding and re-lease properties of bacterial cellulose obtained by in situ
and ex situ modification ［J ］．Carbohydrate Polymers ，2012，88（2）：596－603．［9］Castroa C ，Zuluagab Ｒ，Putauxc J L．Structural charac-terization of bacterial cellulose produced by Gluconace-tobacter swingsii from Colombian agroindustrial wastes
［J ］Carbohydrate Polymers ，2011，84（1）：96－102．［10］易守成，潘丽军，杨培周，等．玉米芯纤维素、半纤维
J ］．包装与素分离及水解成可发酵性糖的工艺条件［
2009，27（6）：35－40．食品机械，
［11］东平，徐军，周伶俐．醋酸杆菌发酵生产细菌纤维素
J ］．生物学杂志，2004，21（1）：12－14．的研究进展［
［12］周毓，．广州化工，刘艳．细菌纤维素研究进展［J ］
2007，35（2）：8－9．［13］薛璐，杨谦，李晓东．大豆乳清细菌纤维素在冰淇淋
J ］．食品与发酵工业，2004，30（6）：122－中的应用［
124．［14］王银存，李利军，马英辉．细菌纤维素生产及应用研
J ］．China Brewing ，2011，24（4）：229．究进展［
［15］马承铸，顾真荣．细菌纤维素生物理化特性和商业用
J ］．上海农业学报，2001，17（4）：93－98．途［
［16］叶文斌，樊亮，王都留，等．苦豆子半乳甘露聚糖与中
．包装与食品机械，草药复合膜的包装性能研究［J ］
2013，30（6）：10－14．
得到了榨膛空余体积与榨比与压力之间的关系，
膛内压力之间的变化规律。在模拟仿真数据的基将所得数学模型与在Pro /E环境中创建的础上，
实体模型进行了模拟仿真对比分析。结果表明，两种模型具有比较好的吻合性，说明所建榨膛空
图6
螺距与压力的变化曲线
余体积与榨膛内压力关系之间的变化规律具有较好的可靠性，可为双螺杆榨油机的开发设计和实际应用提供有意义的参考。
参考文献：
［1］李诗龙．双螺杆榨油机国内外研究进展［J ］．中国油
2005．30（12）：13－16．脂，
［2］李诗龙，张永林，刘协舫．双阶多级压榨双螺杆榨油
J ］．农业工程学报，2010．26（8）：102－107．机研制［
［3］倪培德．油脂加工技术［M ］．北京：化学工业出版社
2002．
［4］王志山，何方．螺旋榨油机榨螺螺纹体积计算的研究
［J ］．中国油脂，2006．31（8）：75－77．
［5］王连栋，吕新民．变径变螺距榨螺体积的计算方法研
J ］．农机化研究，2010．5（5）：75－77．究［
［6］菲赫金哥尔茨．微积分学教程［M ］．北京：人民教育
1980：368－369．出版社，
图7榨螺外径与压力的变化曲线
4结束语
通过理论建模分析与模拟分析相结合以及运
推导建立了双螺杆榨油机榨膛空用ANSYS 软件，
余体积的数学模型、榨膛内压力模型，并根据压缩
63