細(xì)菌纖維素的制備及在食品中的應(yīng)用進(jìn)展

楊依維，劉玉飛,2，何 敏

細(xì)菌纖維素的制備及在食品中的應(yīng)用進(jìn)展

楊依維1，劉玉飛1,2，何 敏1*

（1. 貴州大學(xué) 材料與冶金學(xué)院 高分子材料與工程系，貴州 貴陽(yáng) 550025；2. 國(guó)家復(fù)合改性聚合物材料工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550014）

簡(jiǎn)述了細(xì)菌纖維素的特點(diǎn)，重點(diǎn)舉例闡述了細(xì)菌纖維素的制備工藝，以原料來(lái)源的不同為依據(jù)，以廢舊物回收利用為要點(diǎn)，分別介紹了生物基及人工合成原料制備細(xì)菌纖維素的方法。綜述了細(xì)菌纖維素在食品方面的應(yīng)用研究，圍繞食品及食品包裝兩個(gè)角度進(jìn)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(jià)值，在食品外包裝及附屬物可呈現(xiàn)其環(huán)保價(jià)值。最后總結(jié)展望了細(xì)菌纖維素相關(guān)的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)，以結(jié)合自身環(huán)境友好的特點(diǎn)將細(xì)菌纖維素進(jìn)行充分利用。對(duì)細(xì)菌纖維素制備及其在食品方面的應(yīng)用研究具有一定參考價(jià)值。

細(xì)菌纖維素；制備；應(yīng)用；食品；環(huán)保

細(xì)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(xué)性質(zhì)有較大區(qū)別[1]，細(xì)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(dú)特性能成為一種獨(dú)特的功能生物材料[5]。早期由英國(guó)科學(xué)家Brown發(fā)現(xiàn)，他在研究木醋桿菌時(shí)無(wú)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(yīng)表征后被確定為一種高純度纖維素，即“細(xì)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(luò)狀結(jié)構(gòu)的大分子[7-8]。

圖1 細(xì)菌纖維素合成結(jié)構(gòu)表達(dá)式

細(xì)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(dú)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(duì)數(shù)量的水分，同時(shí)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(lǐng)域、多方面具有良好的應(yīng)用價(jià)值，可制成柔性顯示復(fù)合材料、醫(yī)療敷料[13-15]，同時(shí)在紡織工業(yè)、電池等領(lǐng)域也值得廣泛應(yīng)用[16]。

圖2 細(xì)菌纖維素的性質(zhì)與應(yīng)用領(lǐng)域

因此，可以認(rèn)為細(xì)菌纖維素是一種高價(jià)值的納米級(jí)高分子材料。目前對(duì)于細(xì)菌纖維素的綜述報(bào)道也有很多。汪麗粉等[17]主要對(duì)細(xì)菌纖維素的高持水性、高透氣性、良好的生物相容性、高機(jī)械強(qiáng)度等獨(dú)特性質(zhì)及其在紡織、醫(yī)用敷料、組織工程、食品、導(dǎo)電材料等領(lǐng)域的應(yīng)用展開(kāi)綜述，朱曉東等[18]主要通過(guò)靜態(tài)培養(yǎng)和攪拌培養(yǎng)兩種方法對(duì)細(xì)菌纖維素的制備進(jìn)行闡述，重點(diǎn)講述了細(xì)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(xì)菌纖維素在生物醫(yī)藥、食品包裝、電子元件方面的應(yīng)用。

但對(duì)其充分的研究與利用需要大量原料的產(chǎn)出，因而針對(duì)細(xì)菌纖維素低成本、高產(chǎn)量、簡(jiǎn)操作[19]的合成技術(shù)成為細(xì)菌纖維素一個(gè)值得思考的問(wèn)題，現(xiàn)有許多在生產(chǎn)制作過(guò)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(wèn)題且產(chǎn)生環(huán)保效益。同時(shí)，據(jù)社會(huì)現(xiàn)象可看出，現(xiàn)今食品安全問(wèn)題深入人心，直接關(guān)系人們的身體健康，而細(xì)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(diǎn)，充分考慮經(jīng)濟(jì)與環(huán)保相協(xié)調(diào)，著眼關(guān)注社會(huì)問(wèn)題進(jìn)行切入主要針對(duì)細(xì)菌纖維素的制備及其在食品方面的應(yīng)用研究展開(kāi)綜述。

1 細(xì)菌纖維素的制備

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

圖3 可用于細(xì)菌纖維素制備的不同來(lái)源

1.1 細(xì)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(guó)在煙草種植原料篩選中不適用于制卷煙及加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物約占煙葉總產(chǎn)量的25%[22]，同時(shí)對(duì)于此類(lèi)廢棄物的處理大多作焚燒處理，造成了很大的資源浪費(fèi)及環(huán)境污染問(wèn)題。以廢煙末為原料合成細(xì)菌纖維素不僅降低成本，同時(shí)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(lèi)對(duì)細(xì)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(duì)細(xì)菌纖維素進(jìn)行培養(yǎng)，以不同水解條件對(duì)浸提液水解全因素試驗(yàn)，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(wú)機(jī)鹽等研究了煙草廢棄物發(fā)酵制備細(xì)菌纖維素的可行性，通過(guò)煙末廢料水提液作為培養(yǎng)基，利用木醋桿菌進(jìn)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(shí)間7 d。

1.1.2 以農(nóng)作物為原料

中國(guó)甘薯年產(chǎn)量超5 300萬(wàn)噸，是全球最大的甘薯生產(chǎn)國(guó)，甘薯被充分用于淀粉類(lèi)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?cè)谏a(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的渣質(zhì)存在著很大的利用空缺問(wèn)題。

Shuai Xu等[25]以利豐制品有限公司的甘薯渣為原料，經(jīng)過(guò)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(bǔ)料分批法實(shí)現(xiàn)了甘薯渣的高固相酶解，該酶解方式可以提高設(shè)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(méi)有抑制劑的產(chǎn)生，有利后續(xù)葡萄糖的轉(zhuǎn)化及細(xì)菌纖維素的合成。高媛等[26]以南通來(lái)寶谷物蛋白公司的大豆渣為原料，大豆渣的稀酸預(yù)處理及酶水解過(guò)程簡(jiǎn)單，在與葡萄糖、酸預(yù)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(xì)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(xì)菌纖維素工藝流程（BC即細(xì)菌纖維素）

1.2 以人工合成聚合物為原料細(xì)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(shí)，對(duì)紡織物的回收利用的問(wèn)題備受關(guān)注，在追求紡織行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也要考慮廢棄物對(duì)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(guò)酸水解和好氧發(fā)酵將尼龍-6,6廢渣轉(zhuǎn)化為細(xì)菌纖維素在技術(shù)上的可行性。在100℃下用10%的尼龍進(jìn)行4小時(shí)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(xì)菌纖維素。周建剛等[30]申請(qǐng)了利用廢舊滌綸織物制備細(xì)菌纖維素的專(zhuān)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(xì)菌纖維素的菌接種到滅菌且常溫的該培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)從而得到細(xì)菌纖維素。

表1 不同介質(zhì)發(fā)酵液中細(xì)菌纖維素的性質(zhì)[29]

2 細(xì)菌纖維素在食品方面的應(yīng)用

食品問(wèn)題一直以來(lái)都是備受關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題，在食品安全得到保障的基礎(chǔ)上，人們對(duì)食品的品質(zhì)的追求越來(lái)越多，細(xì)菌纖維素作為典型的膳食纖維素被美國(guó)FDA認(rèn)定為公認(rèn)安全級(jí)，又因其本身具備對(duì)于食品加工等方面優(yōu)越的特性，因此可認(rèn)為它在食品方面的應(yīng)用十分有價(jià)值[31-32]。

2.1 細(xì)菌纖維素在食品添加方面的應(yīng)用

2.1.1 在雞肉餅中的添加

食品的品質(zhì)在細(xì)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(xì)菌纖維素對(duì)雞肉影響。在研究雞肉餅中通過(guò)改變細(xì)菌纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，經(jīng)DSC、FT-IR等結(jié)果綜合考慮，在細(xì)菌纖維素添加量為0.6%時(shí)對(duì)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(xì)菌纖維素對(duì)雞肉蛋白變性溫度和熱焓的影響[35]

同列數(shù)據(jù)后標(biāo)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?chǎng)┑萚36]研究了細(xì)菌纖維素酸乳的制備工藝。通過(guò)細(xì)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(wèn)題，這與酸乳中酪蛋白與細(xì)菌纖維素的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相作用有關(guān)。其中當(dāng)細(xì)菌纖維素添加量為3%，發(fā)酵酸乳含量為35%時(shí)可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)制備工藝。

2.1.3 細(xì)菌纖維素的食用

劉晨光等[37]申請(qǐng)了一種可食用細(xì)菌纖維素的制備方法和應(yīng)用的專(zhuān)利，該制備方法以投資少菌體培養(yǎng)過(guò)程簡(jiǎn)單的特點(diǎn)有效去除雜質(zhì)，殘余菌體，使食品的安全性提高。食用時(shí)可添加適當(dāng)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(dá)到飽腹和控制食欲的效果。

2.2 細(xì)菌纖維素在食品包裝方面的應(yīng)用

食品包裝對(duì)食品保存及減少分銷(xiāo)鏈（運(yùn)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(shì)。細(xì)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(xì)菌纖維素研究開(kāi)發(fā)出一種新型可降解抗菌包裝材料，將月桂酸加入到細(xì)菌纖維素中，可以使細(xì)菌纖維素的性能有所改善，對(duì)枯草芽孢桿菌的生長(zhǎng)有抑制作用，對(duì)大腸桿菌的生長(zhǎng)沒(méi)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(xì)菌纖維素、姜黃素構(gòu)建生物降解膜，通過(guò)結(jié)合各自特點(diǎn)，參照殼聚糖與各種合成及天然聚合物共混的研究，對(duì)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(diǎn)的活性膜，為食品的活性包裝材料提供較好的應(yīng)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(wèn)題中，Huai-Bin Yang等[41]研究合成一種可食用的、無(wú)微塑料的細(xì)菌纖維素吸管，通過(guò)海藻酸鹽與細(xì)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(xué)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(xì)菌纖維素的優(yōu)良特性給各領(lǐng)域都提供了材料，對(duì)于細(xì)菌纖維素的制備以簡(jiǎn)操作、低成本、高產(chǎn)量的趨勢(shì)在不斷進(jìn)行研究，大多趨向利用廢舊資源進(jìn)行改良合成，但是對(duì)于細(xì)菌纖維素大規(guī)模的合成進(jìn)行一個(gè)體系化生產(chǎn)的技術(shù)還有待推進(jìn)，同時(shí)針對(duì)食品方面來(lái)說(shuō)，細(xì)菌纖維素作為添加劑可以對(duì)食品得到改善作用，在包裝及相關(guān)產(chǎn)品的制作上也對(duì)環(huán)境有很友好的作用，由于其相應(yīng)保障及效益沒(méi)有得到大規(guī)模的展現(xiàn)，因此把成品真正推向社會(huì)還需要一定的時(shí)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(xué)自然科學(xué)專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目（合同編號(hào)：貴大特崗合字（2021）44號(hào)）。

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(dǎo)師；研究方向：高分子材料。hemin851@126.com

TQ352.79

A