細(xì)菌纖維素在文獻(xiàn)保護(hù)中的應(yīng)用

張 銘

（國(guó)家圖書(shū)館，北京 100034）

1 細(xì)菌纖維素的介紹與研究背景

我國(guó)是四大文明古國(guó)之一，傳世的紙質(zhì)文獻(xiàn)卷帙浩繁、彌足珍貴，然而隨著時(shí)間的推移，很多文獻(xiàn)出現(xiàn)了發(fā)黃、變脆、破損、蟲(chóng)蛀等損毀現(xiàn)象。傳統(tǒng)手工紙是古籍等紙質(zhì)文獻(xiàn)的主要載體，它以麻類、樹(shù)皮、竹子等植物為原料，經(jīng)過(guò)泡料、煮料、洗料、曬白等生產(chǎn)工序去除果膠、木素、半纖維素等雜質(zhì)，再經(jīng)抄造而成，其主要成分為纖維素，是由大量β-葡萄糖分子脫水聚合形成的直鏈狀高分子化合物。

傳統(tǒng)纖維素主要來(lái)自于植物，與此不同，細(xì)菌纖維素是一種由木醋桿菌等細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生的纖維素，生產(chǎn)周期短、產(chǎn)量大，可利用廣泛的原材料進(jìn)行培養(yǎng)。細(xì)菌纖維素在分子結(jié)構(gòu)上和植物纖維素一樣，都是由β-葡萄糖通過(guò)β-1，4-葡萄糖苷鍵結(jié)合成的直鏈，但從性能來(lái)看，細(xì)菌纖維素具有更加優(yōu)異的性質(zhì)：①細(xì)菌纖維素具有高化學(xué)純度，纖維素含量達(dá)到95%以上，而植物中棉花纖維素含量為90%左右；②細(xì)菌纖維素具有高聚合度，木醋桿菌纖維素的聚合度為16 000，而優(yōu)質(zhì)棉纖維聚合度在13 000～14 000之間；③細(xì)菌纖維素具有高結(jié)晶度，結(jié)晶度可達(dá)95%以上，高于天然植物纖維；④細(xì)菌纖維素具有高抗張強(qiáng)度和彈性模量，其聚合度可通過(guò)生物合成時(shí)進(jìn)行調(diào)控，有可能實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際需求生產(chǎn)不同聚合度的纖維素[1]。

自然界中，能夠產(chǎn)生細(xì)菌纖維素的菌屬有很多，比如醋酸菌屬、土壤桿菌屬、假單細(xì)胞桿菌屬、葡萄糖桿菌屬等，其中醋酸菌屬中的木醋桿菌是最早發(fā)現(xiàn)能夠產(chǎn)生細(xì)菌纖維素，同時(shí)也是目前研究最多的菌種[2]。

木醋桿菌培養(yǎng)過(guò)程較為簡(jiǎn)單，使用含有葡萄糖、蛋白胨、酵母粉、Na2HPO4等營(yíng)養(yǎng)成分和pH值調(diào)節(jié)材料的培養(yǎng)基即可。細(xì)菌纖維素的合成是在微生物體內(nèi)進(jìn)行的生物合成過(guò)程，需要在葡萄糖激酶、受異構(gòu)酶、寡聚纖維素合成酶、纖維素合成酶等多種酶的操作下將培養(yǎng)基中葡萄糖分子轉(zhuǎn)化為β-1，4-D葡聚糖鏈，再穿過(guò)細(xì)胞外膜分泌到胞外，形成大量寬度僅為1.5 nm的亞小纖維，通過(guò)氫鍵結(jié)合成直徑為3～6 nm的微纖維，再經(jīng)過(guò)微纖維排列和交織，形成具有長(zhǎng)分子鏈和結(jié)晶度的纖維絲帶，纖維絲帶進(jìn)一步交織生成超分子空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示[2-3]。目前，細(xì)菌纖維素的培養(yǎng)方法主要有兩種：靜態(tài)培養(yǎng)和動(dòng)態(tài)培養(yǎng)。在培養(yǎng)過(guò)程中，通過(guò)改變培養(yǎng)方法或調(diào)節(jié)培養(yǎng)條件，即可得到性質(zhì)差異的細(xì)菌纖維素。靜態(tài)培養(yǎng)時(shí)，纖維絲帶交織成網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，在培養(yǎng)基的表面形成一層白色凝膠狀菌膜；動(dòng)態(tài)培養(yǎng)時(shí)，由于培養(yǎng)基搖晃，纖維絲帶在剪切力的作用下形成的是規(guī)格不一的白色片狀物[3]。

圖1 細(xì)菌纖維素掃描電鏡圖[3]

與傳統(tǒng)植物纖維素相比，細(xì)菌纖維素是一種性能優(yōu)異的新型材料，其纖維素純度高、聚合度可調(diào)控，適用空間大；生產(chǎn)周期短、產(chǎn)量大、生產(chǎn)成本低，經(jīng)濟(jì)前景較好；使用細(xì)菌纖維素代替植物纖維素后，可減少對(duì)于樹(shù)木等植物的砍伐，有利于保護(hù)綠水青山，推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)細(xì)菌纖維素的研究越來(lái)越多，主要集中在食品和造紙等領(lǐng)域。由于細(xì)菌纖維素具有很強(qiáng)的親水性、黏稠性和穩(wěn)定性，可作為增稠劑應(yīng)用于食品。造紙行業(yè)中因存在造紙?jiān)喜蛔?、環(huán)境污染和破壞等問(wèn)題，而細(xì)菌纖維素具有優(yōu)異的機(jī)械性能和可抄造性能，既可作為主要原料制成特種功能紙，也可用作添加材料改善紙張的性能[4]，但在文獻(xiàn)保護(hù)領(lǐng)域中研究人員對(duì)其的關(guān)注相對(duì)較少。

2 細(xì)菌纖維素在文獻(xiàn)保護(hù)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

由于細(xì)菌纖維素具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和光學(xué)性能，可用于對(duì)破損紙張進(jìn)行加固處理。Sara M. Santos等人對(duì)細(xì)菌纖維素進(jìn)行了系統(tǒng)表征，并探索了其在紙張修復(fù)中的應(yīng)用。他們認(rèn)為細(xì)菌纖維素薄膜應(yīng)用于文獻(xiàn)保護(hù)有2種方式："原位保護(hù)，即在待修復(fù)的紙張表面直接合成細(xì)菌纖維素；#異位合成細(xì)菌纖維素，再將其應(yīng)用于紙張表面，從而達(dá)到保護(hù)目的。為比較2種方式的效果，采用2種不同的方法進(jìn)行細(xì)菌纖維素的培養(yǎng)和純化：前者采用不含乙醇的培養(yǎng)基并使用熱處理進(jìn)行純化；后者采用含有1%乙醇的培養(yǎng)基并使用堿處理進(jìn)行純化。通過(guò)老化處理，研究細(xì)菌纖維素薄膜在撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)、光學(xué)特性、SEM、X射線衍射、FTIR、聚合度、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)接觸角和壓汞試驗(yàn)等方面的變化，他們發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌纖維素薄膜具有較好的結(jié)晶度、機(jī)械性能和穩(wěn)定性以及較低的內(nèi)孔隙率，特別是經(jīng)過(guò)堿處理提純后的上述性能更為優(yōu)異，如圖2所示[5]。

圖2 細(xì)菌纖維素薄膜表面的掃描電鏡圖[5]

Nuria Gómez等人對(duì)比使用細(xì)菌纖維素與日本和紙進(jìn)行托裱后打印紙張視覺(jué)外觀的變化。他們發(fā)現(xiàn)：使用日本和紙托裱后，打印紙張的印刷密度和CIELAB值變化較明顯；細(xì)菌纖維素會(huì)降低打印紙張的顏色強(qiáng)度，紙張光澤度波動(dòng)變大。對(duì)上述樣品老化處理后，細(xì)菌纖維素托裱的紙張色差變大[6]。

Sara M. Santos等人也做了類似研究，他們發(fā)現(xiàn)：使用細(xì)菌纖維素膜做襯紙的樣品具有更高的光澤度和B值（CIE LAB坐標(biāo)中的黃藍(lán)軸），而潤(rùn)濕性則明顯下降[7]。他們?cè)诹硪豁?xiàng)研究中進(jìn)一步將細(xì)菌纖維素用于已破損圖書(shū)的修復(fù)，他們發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌纖維素形成的襯紙可以達(dá)到日本和紙同樣的力學(xué)性能，而且細(xì)菌纖維素襯紙可以提供更好的光學(xué)性能，對(duì)書(shū)中的文字不會(huì)形成明顯遮蓋，如圖3所示[8]。

圖3 圖書(shū)的顯微照片[8]

木材的主要成分也是纖維素，細(xì)菌纖維素在木質(zhì)文物的保護(hù)研究對(duì)紙張文物保護(hù)有一定的參考價(jià)值。周松巒、衛(wèi)揚(yáng)波等人嘗試使用細(xì)菌纖維素對(duì)木質(zhì)文物進(jìn)行修復(fù)。將待修復(fù)的木質(zhì)文物置于Acetobacter sp. PDA醋桿菌培養(yǎng)基中，通過(guò)掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，醋桿菌產(chǎn)生的細(xì)菌纖維素最初呈粉粒狀覆蓋在木塊表面，之后覆蓋量變大，同時(shí)木質(zhì)文物的纖維間隙變小，這表明細(xì)菌纖維素對(duì)木質(zhì)文物具有一定的修復(fù)效果[9-10]。

張志惠使用細(xì)菌纖維素對(duì)檔案紙張進(jìn)行修復(fù)的研究，將細(xì)菌纖維素漿液均勻的刷涂在檔案紙張表面，通過(guò)調(diào)節(jié)漿液濃度、打漿轉(zhuǎn)數(shù)、涂布量、溫度等因素，優(yōu)化修復(fù)質(zhì)量。他發(fā)現(xiàn)：涂覆細(xì)菌纖維素后紙張的撕裂度、抗張力、耐折度等機(jī)械指標(biāo)均有所提升，充分證實(shí)了細(xì)菌纖維素用于文獻(xiàn)保護(hù)的可行性[11]。

段大程進(jìn)行了細(xì)菌纖維素對(duì)紙質(zhì)文物加固處理的研究：將經(jīng)過(guò)活化處理的細(xì)菌纖維素溶解在Licl-DMAc溶液中，然后噴涂到宣紙樣品上，再經(jīng)過(guò)DMAc水溶液對(duì)樣品進(jìn)行再生處理，在一定溫度下干燥后即可完成加固過(guò)程。他發(fā)現(xiàn)：當(dāng)細(xì)菌纖維素的濃度為1.0%時(shí)，即可明顯提高紙張的拉力強(qiáng)度。此外，他還通過(guò)甘油對(duì)加固后紙張進(jìn)行塑化處理，進(jìn)一步改善了紙張的柔軟性[12]。

3 結(jié)論

細(xì)菌纖維素能夠通過(guò)現(xiàn)代工業(yè)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，且合成工藝簡(jiǎn)單成熟，不需要砍伐樹(shù)木植被，有利于環(huán)境保護(hù)。與常見(jiàn)的植物來(lái)源的纖維素相比，細(xì)菌纖維素具有更高的聚合度、結(jié)晶度以及更優(yōu)異的機(jī)械性能，在紙張加固等紙質(zhì)文獻(xiàn)的保護(hù)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。