細(xì)菌纖維素覆膜硅油紙制備食品包裝材料的研究

陳璇琪，徐雅玲,2，胡歆笛，柳蘄津，孔世齊，王紅霞，安潤(rùn)知

（1.嘉興學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001；2.嘉興市化工清潔工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 嘉興 314001）

細(xì)菌纖維素（bacterial cellulose，BC），又稱為微生物纖維素，是由微生物發(fā)酵合成的多孔性網(wǎng)狀生物高分子聚合物，其分子式為(C6H10O5)n。細(xì)菌纖維素的分子組成和植物纖維素一致，都是由β-D-葡萄糖通過(guò)β-1,4-糖苷鍵結(jié)合成的直鏈[1-2]。細(xì)菌纖維素因高純度、高結(jié)晶性、成本低廉、易獲取，以及比植物纖維素更高的拉伸強(qiáng)度和韌性而備受關(guān)注。細(xì)菌纖維素除了在食品（如椰果）和化妝品（如面膜）等領(lǐng)域應(yīng)用外，其作為醫(yī)用敷料可幫助傷口愈合，并可用作人造皮膚和血管，或者其他組織工程的框架材料[3]。

另一方面，細(xì)菌纖維素也可用作食品包裝材料。通常做法是將干燥后的細(xì)菌纖維素膜破碎，然后同其他材料如聚合物或顆粒材料（聚乙烯醇、殼聚糖、SiO2、金屬氧化物、黏土材料等）混合得到復(fù)合材料，可獲得與合成聚合物媲美的機(jī)械性能[1]。在相關(guān)研究中，由于細(xì)菌纖維素膜的高親水性（可達(dá)95%～97%含水量）[4]，導(dǎo)致在成膜加工時(shí)干燥性能差、耗能嚴(yán)重的缺點(diǎn)均未提及。

在本研究中，通過(guò)在硅油紙表面原位生長(zhǎng)細(xì)菌纖維素薄膜的方法，獲取具有細(xì)菌纖維素優(yōu)異性能的覆膜材料，同時(shí)克服細(xì)菌纖維素膜本身干燥性能差、耐水性差的缺點(diǎn)。此外，通過(guò)原位生長(zhǎng)復(fù)合蒙脫土納米材料，可進(jìn)一步提高材料的阻水性能和強(qiáng)度。因此，細(xì)菌纖維素覆膜生產(chǎn)復(fù)合材料的研究對(duì)促進(jìn)新型食品包裝材料技術(shù)的發(fā)展有一定的積極意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑及材料

蛋白胨、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鈉、檸檬酸、乙醇等均為分析純，上海國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司；蒙脫土K，阿拉丁試劑有限公司；紅茶，浙江省新昌縣南龍茶葉商行；酵母菌，安琪酵母股份有限公司；乳酸菌，北京川秀國(guó)際貿(mào)易有限公司；酵母浸粉，四川寶順生物技術(shù)有限公司；木醋桿菌，實(shí)驗(yàn)室留樣葡糖醋桿菌BC19-2[4]。

1.2 細(xì)菌培養(yǎng)基

菌種培養(yǎng)基：紅茶，0.2%；蔗糖，3%；菌種量，10%；裝液量，20%（200 mL/1000 mL 培養(yǎng)瓶）。室溫下靜置培養(yǎng)一周。

紅茶培養(yǎng)基：蔗糖，20.0 g/L；紅茶，3.4 g/L。將紅茶裝入茶包，并用微波爐煮沸，至蔗糖完全溶解后，除去茶包。用玻璃棒攪拌后，在高壓蒸汽滅菌鍋（121 ℃、101 KPa）中滅菌20 min，冷卻備用。

常規(guī)培養(yǎng)基: 蔗糖，20.0 g/L；蛋白胨，5.0 g/L；酵母浸粉，5.0 g/L；磷酸氫二鈉，5.1 g/L；磷酸二氫鉀，2 g/L；乙醇，10 g/L；無(wú)水檸檬酸，1.15 g/L。放入高壓蒸汽滅菌鍋中，設(shè)置溫度為121 ℃、壓力為101 kPa，滅菌20 min，冷卻備用[3,5]。

1.3 細(xì)菌纖維素培養(yǎng)及覆膜材料的制備

在培養(yǎng)皿中以硅油紙（妙潔零沾黏*烹調(diào)紙）作為紙質(zhì)材料基底，倒入適量的細(xì)菌纖維素培養(yǎng)液，使其在硅油紙表面自然生長(zhǎng)形成細(xì)菌纖維素復(fù)合紙。

蒙脫土懸浮液的配置：向不同質(zhì)量的蒙脫土中加入50 mL 蒸餾水配置蒙脫土懸浮液，濃度分別為3 g/L、5 g/L、8 g/L，室溫下攪拌24 h 滅菌備用。

共進(jìn)行9 組培養(yǎng)基對(duì)照研究。其中第1～3 組中加入紅茶培養(yǎng)基，第4～6 組中加入常規(guī)培養(yǎng)基，第7～9 組加入紅茶培養(yǎng)基及蒙脫土懸浮液，對(duì)比探究最佳蒙脫土負(fù)荷量。不同細(xì)菌纖維素膜培養(yǎng)基的培養(yǎng)條件見(jiàn)表1。

表1 不同細(xì)菌纖維素膜培養(yǎng)基的培養(yǎng)條件

將所有培養(yǎng)基均置于設(shè)定溫度為30 ℃的恒溫箱中培養(yǎng)。在細(xì)菌纖維素生長(zhǎng)約4 d（96 h）后從恒溫箱取出，在60 ℃的烘箱中自然干燥約24 h，可得細(xì)菌纖維素復(fù)合。

1.4 細(xì)菌纖維素覆膜材料的表征

膜表面性質(zhì)測(cè)試：將細(xì)菌纖維素復(fù)合紙裁剪成大小為5 mm×5 mm 樣品，平整地置于載玻片上，將3 μL 蒸餾水液滴自然滴加至覆膜紙上，通過(guò)表面接觸角測(cè)量?jī)x（Dataphysics OCA15ECTBU 100）采集系統(tǒng)采集圖像與表面接觸角，以分析不同樣品對(duì)應(yīng)的疏水性能。

抗張強(qiáng)度的測(cè)定（恒速負(fù)荷法）：在覆膜濾紙上切出寬度為15 mm 的細(xì)條，拉力機(jī)（Instron 5967）夾具之間試樣尺寸為50 mm。在拉伸速率為10 mm/min 的條件下測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 培養(yǎng)基用量

細(xì)菌纖維素生物合成途徑是由自然界篩選的醋酸菌屬、土壤桿菌屬等，主要以木醋桿菌為代表的微生物，將葡萄糖、果糖、甘露醇等碳源聚合生成纖維素鏈，在菌體內(nèi)及其鄰近培養(yǎng)基中分泌并完成自組裝，并自發(fā)移動(dòng)到培養(yǎng)基和空氣的界面中[2]。木醋桿菌合成細(xì)菌纖維素會(huì)在培養(yǎng)液表面形成菌膜，在形成一定厚度無(wú)法透氧后會(huì)停止生長(zhǎng)。因而，淺盤(pán)生長(zhǎng)細(xì)菌纖維素是比較常用的方法。

Yoshino 等[6]的研究表明，可透氧通孔的硅膠膜體系可使巴氏醋酸菌在膜和液體表面產(chǎn)生細(xì)菌纖維素，從而極大地促進(jìn)了細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量。在本研究中，以涂布硅油烹調(diào)紙為基材，以少量營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)細(xì)菌纖維素膜，試圖研究覆膜生長(zhǎng)的情況。發(fā)現(xiàn)涂布硅油的烹調(diào)紙表面確實(shí)可以產(chǎn)生和紙表面緊密相連的細(xì)菌纖維素薄膜，在干燥后也無(wú)法分開(kāi)。圖1 表明細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量和培養(yǎng)基用量關(guān)系密切。當(dāng)培養(yǎng)基用量從30 mL 增加至40 mL 時(shí)，細(xì)菌纖維素產(chǎn)量增長(zhǎng)了1.35 倍；但培養(yǎng)基用量從40 mL 提高到50 mL 時(shí)，細(xì)菌纖維素產(chǎn)量?jī)H增加了24%。

圖1 培養(yǎng)基用量對(duì)細(xì)菌纖維素產(chǎn)膜量的影響

從圖1 中可以看出，紅茶培養(yǎng)基產(chǎn)細(xì)菌纖維素的能力略高于文獻(xiàn)中常用于產(chǎn)細(xì)菌纖維素的常規(guī)培養(yǎng)基。這可能是由于細(xì)菌纖維素的合成是一個(gè)精密且繁復(fù)的過(guò)程，涉及大量單酶、復(fù)合催化及調(diào)節(jié)蛋白等。在本研究中，菌種培育在紅茶培養(yǎng)基中進(jìn)行過(guò)優(yōu)化，更有利于在紅茶萃取物中生長(zhǎng)。

2.2 蒙脫土用量

填料是造紙中常用的原料，可增加紙張的強(qiáng)度、白度、不透明性等。細(xì)菌纖維素薄膜是高親水性物質(zhì)，也意味著其耐水性差，且干燥性能不佳。蒙脫土經(jīng)常用于改善細(xì)菌纖維素膜的物理和機(jī)械性能，以及耐水性等。將形成的細(xì)菌纖維素膜放到蒙脫土懸浮液中可極大改善其阻水性能[7]。而將細(xì)菌纖維素膜粉碎后再和蒙脫土懸浮液復(fù)合的研究表明，添加2%的蒙脫土不會(huì)影響透濕性或降低復(fù)合膜強(qiáng)度，但細(xì)菌纖維素的晶型從α更多地轉(zhuǎn)化成β，而5%的蒙脫土?xí)黾悠渫笣裥訹5]。在本研究中，加入少量蒙脫土于培養(yǎng)基的目的是觀察其是否可以在培養(yǎng)基中原位生長(zhǎng)細(xì)菌纖維素并提高其干燥性能。不同蒙脫土加入量對(duì)覆膜細(xì)菌纖維素產(chǎn)量的影響見(jiàn)圖2。從圖2 中可以看出，加入少量蒙脫土有利于增加細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量，但加入過(guò)多則會(huì)降低木醋桿菌對(duì)細(xì)菌纖維素的分泌。其原因可能是由于一方面有著很大比表面積的蒙脫土提供了木醋桿菌的附著場(chǎng)所，使得細(xì)菌纖維素的分泌、組裝和結(jié)晶過(guò)程變得容易；另一方面，蒙脫土的增加使細(xì)菌纖維素膜快速成型，從而減少氧的通透性，導(dǎo)致膜的厚度增加有限，最終細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量降低。

圖2 不同蒙脫土濃度對(duì)覆膜細(xì)菌纖維素產(chǎn)量的影響

2.3 細(xì)菌纖維素覆膜對(duì)紙張表面性質(zhì)的影響

作為食品包裝材料，其表面狀況是備受關(guān)注的重要性質(zhì)。紙張的耐水性差可通過(guò)添加濕強(qiáng)劑來(lái)改善。同時(shí)，通過(guò)覆膜不可降解的聚乙烯等材料也可以改善其耐水性。在本研究中，試圖通過(guò)在蒙脫土懸浮液培養(yǎng)基中原位生長(zhǎng)細(xì)菌纖維素材料同時(shí)解決功能和環(huán)保的問(wèn)題。圖3 為涂布硅油紙及覆膜生長(zhǎng)細(xì)菌纖維素后膜表面性質(zhì)的變化。

圖3 不同蒙脫土濃度對(duì)覆膜細(xì)菌纖維素表面親水性的影響

從圖3 滴液后的0.05 s 接觸角數(shù)據(jù)中可以看出，涂布硅油紙有較好的耐水性，其表面生長(zhǎng)細(xì)菌纖維素后因?yàn)楹退慕佑|時(shí)間短，其耐水性還略有增加，表明覆膜表面結(jié)構(gòu)致密。同時(shí)，引入蒙脫土可極大改善瞬時(shí)耐水性，表現(xiàn)為接觸角的明顯增加。

液滴落在材料表面鋪展?jié)B透體現(xiàn)出接觸角的變化。從圖3 中可以看出，0.05 s 之后的接觸角數(shù)據(jù)表明，在硅油紙上的液滴的鋪展?jié)B透比較有限，表現(xiàn)出較好的耐水穩(wěn)定性。而覆膜細(xì)菌纖維素則表現(xiàn)出明顯的接觸角降低，體現(xiàn)出細(xì)菌纖維素膜的親水性。與液滴在濾紙上的鋪展相比（瞬時(shí)滲透鋪展），細(xì)菌纖維素薄膜的耐水性較好，表明其表面致密，結(jié)晶性水含量多，不易水合。當(dāng)體系中加入蒙脫土?xí)r，添加3%的蒙脫土使體系的耐水性變好，在0.05 s 之后的接觸角比硅油紙大。而添加5%的蒙脫土，0.05 s 后的接觸角則低于硅油紙和3%蒙脫土體系，說(shuō)明耐水性變差。而進(jìn)一步增加至8%的蒙脫土?xí)r，復(fù)合膜的耐水性最好，比硅油紙的耐水性更優(yōu)異穩(wěn)定。結(jié)合圖2 的數(shù)據(jù)表明，添加5%蒙脫土，0.05 s 時(shí)耐水性增加，可能是由于細(xì)菌纖維素膜的含量有較大增加所致，但同時(shí)體系變得不夠均勻，使得0.05 s 后液滴的滲透性變強(qiáng)，接觸角反而下降很快。此外，加入8%的蒙脫土，復(fù)合膜表面蒙脫土的量進(jìn)一步增加，形成耐水性較好的蒙脫土富集的致密結(jié)構(gòu)，使其耐水性和穩(wěn)定性增加。

2.4 覆膜對(duì)紙張拉伸強(qiáng)度的影響

覆膜細(xì)菌纖維素中添加蒙脫土對(duì)紙張拉伸強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖4。

圖4 覆膜細(xì)菌纖維素中添加蒙脫土對(duì)紙張拉伸強(qiáng)度的影響

從圖4 可以看出，添加蒙脫土于細(xì)菌纖維素培養(yǎng)基中，能較好地改善復(fù)合紙的拉伸強(qiáng)度。由于蒙脫土表面也具有親水基團(tuán)，可以與細(xì)菌纖維素結(jié)合并形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，且填料的加入可顯著改善納米復(fù)合材料的性能，因此賦予了復(fù)合膜較好的強(qiáng)度[8]。圖4 顯示隨著蒙脫土濃度從3%增加到5%，拉伸強(qiáng)度有較大的提升但誤差變大。這是因?yàn)樵诿擅撏劣昧孔兓拢?xì)菌纖維素的產(chǎn)量增加，蒙脫土填料量的增加可顯著改善薄膜的強(qiáng)度。但結(jié)合圖3 的數(shù)據(jù)，可能由于體系的不均勻性增加，拉伸強(qiáng)度會(huì)表現(xiàn)出較大的波動(dòng)。進(jìn)一步增加蒙脫土的用量（8%蒙脫土）則導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度降低。Sommer 等[5]發(fā)現(xiàn)，加入2%的蒙脫土于經(jīng)粉碎處理的細(xì)菌纖維素中，會(huì)導(dǎo)致后續(xù)成膜后薄膜的拉伸強(qiáng)度增加15%，而加入5%蒙脫土則使復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度降低8%。在類似的研究中，Giannakas等[9]發(fā)現(xiàn)，3%的蒙脫土添加量使聚多糖（殼聚糖薄膜）復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度降低30%，5%的蒙脫土添加量則使復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度降低80%，而添加10%的蒙脫土?xí)r拉伸強(qiáng)度變化不大。本研究的結(jié)果和文獻(xiàn)報(bào)道的一致，復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度隨蒙脫土用量都有一個(gè)先增加后下降的趨勢(shì)，這可能是由于8%蒙脫土用量時(shí)細(xì)菌纖維素產(chǎn)量減少，因而與蒙脫土相互作用的數(shù)量減少，從而使得強(qiáng)度變小。

3 結(jié)論

從上述研究中可知，通過(guò)淺盤(pán)培養(yǎng)，少量的培養(yǎng)基足以生產(chǎn)一定厚度的細(xì)菌纖維素薄膜于紙張上，而不會(huì)將之與紙張表面分開(kāi)。細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量與培養(yǎng)基成分和用量有關(guān)，其產(chǎn)量隨初始培養(yǎng)基用量的增加快速增加，而后增長(zhǎng)趨緩。紅茶培養(yǎng)基比傳統(tǒng)氮源含量高的常規(guī)培養(yǎng)基更能促進(jìn)細(xì)菌纖維素的生產(chǎn)。同時(shí)，木醋桿菌可以附著在蒙脫土填料上形成細(xì)菌纖維素，且隨著蒙脫土用量的增加，細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量上升，拉伸強(qiáng)度增加，阻水性能變好，但過(guò)量蒙脫土的添加則限制了細(xì)菌纖維素的生長(zhǎng)。在此情況下，雖然進(jìn)一步改善了材料表面的耐水性能，但拉伸強(qiáng)度卻有所下降。因此，細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量以及和蒙脫土的相互作用需要有一個(gè)較好的平衡值。

綜上所述，覆膜生產(chǎn)細(xì)菌纖維素于紙張表面以改善紙張的強(qiáng)度和表面性能，是一種行之有效的方法。原位生產(chǎn)細(xì)菌纖維素具有作為食品包裝材料的應(yīng)用潛力。