細(xì)菌纖維素在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

◎ 呂 橄，趙文韜，龔建萍，武廣珩

（1 武夷學(xué)院 福建省生態(tài)產(chǎn)業(yè)綠色技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 武夷山 354300；2武夷學(xué)院 生態(tài)與資源工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

細(xì)菌纖維素（Bacterial Cellulose，BC）是由細(xì)菌產(chǎn)生的胞外代謝產(chǎn)物，包括無(wú)色桿菌屬（Achromobacter）、產(chǎn)堿菌屬（Alcaligenes）、產(chǎn)氣桿菌屬（Aerobacter）、土壤桿菌屬（Agrobacterium）、固氮菌屬（Azotobacter）、木葡糖酸醋桿菌屬（Komagataeibacter）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、根瘤菌屬（Rhizobium）、產(chǎn)堿菌（Alcaligenes）、八疊球菌屬（Sarcina）和紅細(xì)菌屬（Rhodobacter）等[1]。除了由微生物產(chǎn)生外，體外無(wú)細(xì)胞體系也可以產(chǎn)生細(xì)菌纖維素[2]。1931年，HIBBERT等[3]分析了細(xì)菌纖維素的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特性，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌纖維素在分子式上與植物來(lái)源的纖維素相同，并且與植物來(lái)源的纖維素相比，細(xì)菌纖維素與納米材料和聚合物具有獨(dú)特的結(jié)合性，復(fù)合材料具有更好的生物、物理、機(jī)械、導(dǎo)電和磁性，因此在生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料、生物傳感器、造紙、化妝品工業(yè)、食品工業(yè)和其他領(lǐng)域中受到越來(lái)越多的關(guān)注[4-9]。本文將對(duì)細(xì)菌纖維素的生產(chǎn)、細(xì)菌纖維素產(chǎn)生菌的選育以及在食品工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，以期使其更廣泛地在食品中應(yīng)用。

1 細(xì)菌纖維素的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

細(xì)菌纖維素是一種無(wú)支鏈的長(zhǎng)鏈聚合物，由許多1,4-β-糖苷鍵的葡萄糖單元組成。接近線性的葡聚糖鏈通過(guò)分子內(nèi)和分子間氫鍵形成高度規(guī)則的納米原纖維，可以聚集成寬50～80 nm、厚3～8 nm的微纖維，從而形成3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[10-11]。細(xì)菌纖維素的聚合度在16 000～20 000，而植物聚合物的平均聚合度在13 000～14 000[12]。①與植物來(lái)源的纖維素相比，納米尺寸的細(xì)菌纖維素通常要小一些[13]，與植物來(lái)源的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素相較而言，細(xì)菌纖維素具有很高的純度，因此細(xì)菌纖維素的純化過(guò)程相對(duì)更簡(jiǎn)單、更便宜且更環(huán)保[14-15]。②與植物來(lái)源的纖維素相比，細(xì)菌纖維素具有相對(duì)更好的機(jī)械性能。細(xì)菌纖維素的機(jī)械性能以其高結(jié)晶度（通常高于60%）和原纖維結(jié)構(gòu)表明，通常情況下它的抗拉強(qiáng)度在200～300 MPa，其楊氏模量高達(dá)15～35 GPa[16]。③此外，細(xì)菌纖維素被認(rèn)為是一種重要的可降解材料，無(wú)生殖毒性、無(wú)胚胎毒性且無(wú)致畸作用[17]。簡(jiǎn)而言之，它的化學(xué)成分與植物纖維素相同，同時(shí)具有許多不同尋常的理化和機(jī)械性能，包括更高的純度、結(jié)晶度、聚合度、拉伸強(qiáng)度、吸水和保持能力，以及更好的生物適應(yīng)性[18-21]，正因?yàn)榧?xì)菌纖維素有這些特性，在食品工業(yè)的特定應(yīng)用中，細(xì)菌纖維素成為了植物來(lái)源纖維素的潛在替代品。

2 細(xì)菌纖維素的產(chǎn)生菌的選育

盡管細(xì)菌纖維素可以由諸多種屬的細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生，但其低產(chǎn)量和高生產(chǎn)成本仍是嚴(yán)重的缺點(diǎn)，在很大程度上限制了其在工業(yè)、食品、復(fù)合材料等行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，因此有必要探索和篩選生產(chǎn)力更高的菌株以及成本較低的細(xì)菌纖維素生產(chǎn)來(lái)源[22]。王潔琛等[23]從紅茶菌中分離出1株醋酸菌和3株酵母菌并進(jìn)行不同比例共培養(yǎng)，產(chǎn)出的細(xì)菌纖維素最多可達(dá)4.70 g·L-1；楊穎等[24]從腐敗柑橘表面分離出1株木葡糖酸醋桿菌，通過(guò)研究間歇振蕩法生產(chǎn)BC的營(yíng)養(yǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化，得到BC產(chǎn)量高達(dá)10.26 g·L-1；KHAN等[25]探索人參果中分離出的希氏乳桿菌，發(fā)現(xiàn)該細(xì)菌可生產(chǎn)細(xì)菌纖維素，對(duì)其培養(yǎng)基進(jìn)行優(yōu)化后得到的高產(chǎn)菌株產(chǎn)量為（7.23±0.59）g·L-1；REVIN等[26]從紅茶菌共生體系中篩選出兩株BC生產(chǎn)菌，分別為Komagataeibacter sucrofermentansH 110、Komagataeibacter hanseniiC 110，分離得到的菌株具有很高的生產(chǎn)率，在含有食品工業(yè)廢物的培養(yǎng)基上形成8.2～9.5 g·L-1的細(xì)菌纖維素。

在已有的針對(duì)高產(chǎn)細(xì)菌纖維素菌株的研究中，木葡糖酸醋桿菌屬菌種[27]因其較高的生產(chǎn)率和消耗不同碳源的能力而被廣泛用于商業(yè)生產(chǎn)和研究中作為模型菌株，但是這些寬型細(xì)菌的細(xì)菌纖維素產(chǎn)量通常較低，不能滿足商業(yè)需求。為了提高品質(zhì)和產(chǎn)量，可以應(yīng)用基因工程技術(shù)。目前已經(jīng)嘗試了多種方法對(duì)某些菌株進(jìn)行遺傳修飾[28]，從而引發(fā)出現(xiàn)誘變菌株。WU等[29]通過(guò)高靜水壓（HHP）處理誘導(dǎo)產(chǎn)生BC的木霉菌株發(fā)生有益突變，成功篩選出BC產(chǎn)量顯著高于親本菌株的突變體，在濕態(tài)下BC產(chǎn)量提高近100%，生產(chǎn)率為158.56 g·L-1（濕重）；HUNGUND等[30]研究證明了紫外線（UV）輻射和甲基磺酸乙酯（EMS）對(duì)葡萄酸乙酯細(xì)菌NCIM 2526提高纖維素產(chǎn)量的有效性，他們用UV法使BC產(chǎn)量增加了30%（3.92 g·L-1），用EMS法使BC產(chǎn)量增加了50%（5.96 g·L-1）；MEHTA等[31]人在木霉的acsABCD纖維素合成酶操縱子中創(chuàng)建了一個(gè)acsD破壞突變體，并觀察到該蛋白參與纖維素纖維的層次定向，這種突變導(dǎo)致了纖維素的高效合成。

近年來(lái)，來(lái)自可再生的農(nóng)林業(yè)殘余物或工業(yè)副產(chǎn)品的各種纖維素廢物已被用作碳源以提高細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量，這也可以降低經(jīng)濟(jì)成本。ALMEIDA等[32]使用木醋桿菌，以甜菜糖蜜作為碳源得到的細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量相比于使用葡萄糖培養(yǎng)基增加了31%；HUANG等[33]以玉米芯酸水解物作為碳源所得的細(xì)菌纖維素的結(jié)晶度和持水能力得到明顯改善；TSOUKO等[34]二次利用來(lái)自生物柴油和糖果產(chǎn)業(yè)的廢物和副產(chǎn)品進(jìn)行發(fā)酵，產(chǎn)物的產(chǎn)量為4 g·L-1，其聚合度和機(jī)械強(qiáng)度有所提高，纖維的密度和厚度則有所降低；MOHAMMADKAZEMI、GALLEGOS等[35-36]以大棗糖漿為碳源，分別使用木糖桿菌和蔗糖發(fā)酵桿菌作為發(fā)酵菌株，蔗糖桿菌發(fā)酵所得細(xì)菌纖維素產(chǎn)量為1.2 g·L-1，木糖桿菌產(chǎn)量為其3倍；HONG等[37]以魔芋粉為碳源，經(jīng)木醋桿菌發(fā)酵所得細(xì)菌纖維素產(chǎn)量為13 g·L-1；CAKAR等[38]以瓜皮為碳源，經(jīng)木糖桿菌發(fā)酵所得細(xì)菌纖維素產(chǎn)量為8.34 g·L-1，其細(xì)菌纖維素的組成從纖細(xì)纖維變?yōu)榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

3 細(xì)菌纖維素在食品工業(yè)中的應(yīng)用

3.1 新型膳食纖維方面

谷物、水果和蔬菜中的膳食纖維在人類的小腸和大腸中都有不同的營(yíng)養(yǎng)益處，然而，實(shí)驗(yàn)表明細(xì)菌纖維素降低倉(cāng)鼠血清脂質(zhì)和膽固醇的功效明顯高于植物纖維素，可用于開發(fā)各種形式的新型富含纖維的功能食品[39]。ZHAI等[40]發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌纖維素用作膳食纖維補(bǔ)充劑可以通過(guò)減輕胰島素抵抗、肝損傷和炎癥，增強(qiáng)抗氧化防御系統(tǒng)并調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞因子和脂肪生成相關(guān)蛋白的分泌來(lái)有效抑制高脂飲食引起的肥胖癥。此外，補(bǔ)充細(xì)菌纖維素可以有效增加絨毛細(xì)胞的長(zhǎng)度以及結(jié)腸粘膜和肌肉的厚度，從而保護(hù)結(jié)腸平滑肌細(xì)胞免于凋亡。同時(shí)，細(xì)菌纖維素將被用作減輕便秘和調(diào)節(jié)短鏈脂肪酸和腸道菌群的有應(yīng)用前景的膳食纖維[41]。

3.2 食品原料方面

細(xì)菌纖維素作為食品工業(yè)的原料，傳統(tǒng)上用在可可甜品和康普茶的生產(chǎn)中[43-44]。源自菲律賓的Nata是東南亞著名的傳統(tǒng)甜點(diǎn)，這種食品因其光滑的口感和簡(jiǎn)單的制造工藝而在全世界變得非常流行。不同口味的Nata食品可以使用不同的果汁作為媒介來(lái)制備，例如椰油中的Nata de coco是由細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生的，這種椰油中含有豐富的椰子風(fēng)味。同樣，可以從菠蘿汁中生產(chǎn)出具有菠蘿風(fēng)味的Nata de pino[43]。此外，細(xì)菌纖維素通常出現(xiàn)在康普茶中?？灯詹枋峭ㄟ^(guò)使用酵母，乳酸菌和木葡糖酸醋桿菌的共生菌發(fā)酵含糖茶而制成的。據(jù)報(bào)道，由于其熱量低、纖維含量高以及含有抗氧化成分，康普茶能減輕脂質(zhì)的積聚并保護(hù)肝臟不受損害，促進(jìn)小鼠肝臟的恢復(fù)[44]。紅茶菌茶還具有潛在的治療作用和免疫調(diào)節(jié)特性，已被證明可以改善小鼠模型的實(shí)驗(yàn)性自體免疫性腦脊髓炎[45]。

3.3 作為食品成分添加

由于其懸浮、保水、增稠和具有乳化穩(wěn)定性的性能，細(xì)菌纖維素在食品工業(yè)中的潛在應(yīng)用已經(jīng)得到了探索。OKIYAMA等[46]發(fā)現(xiàn)：①細(xì)菌纖維素可作為一種熱穩(wěn)定的懸浮劑和填充劑，增強(qiáng)豆腐和蕎麥面條等易碎凝膠的主體結(jié)構(gòu)，同時(shí)保持其細(xì)膩的質(zhì)地。②添加細(xì)菌纖維素可降低糊狀食品的黏性，改善其口感；能防止巧克力飲料沉淀；還可以顯著提高豆腐的強(qiáng)度，從而提供堅(jiān)實(shí)的質(zhì)感。③將細(xì)菌纖維素添加到Kamaboko（一種加工過(guò)的日本海鮮）中可以改善彈性和感官品質(zhì)，因?yàn)樗哂懈玫哪屠匣訹47]。LIN等[48]已證明，向中式肉丸中添加細(xì)菌纖維素之后，與對(duì)照組相比具有相似的質(zhì)量而不會(huì)對(duì)質(zhì)地造成不利影響，且它可以在至少1個(gè)月內(nèi)保持其濕度。最近的研究報(bào)道，從冰柜中取出后，細(xì)菌纖維素還能保持的輪廓至少60 min，而冰淇淋在不添加細(xì)菌纖維素的情況下會(huì)很快融化，因此可以在冰淇淋中添加細(xì)菌纖維素作為奶油替代品，不僅會(huì)降低冰淇淋的總熱量，而且能提高其耐融性和其他質(zhì)地特性[49]。此外，由于某些成分是非動(dòng)物來(lái)源的，因此對(duì)于某些有飲食限制的消費(fèi)者而言，它可以替代動(dòng)物性產(chǎn)品?？傊c其他多糖相比細(xì)菌纖維素具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步說(shuō)明細(xì)菌纖維素可以廣泛用作加工食品中的食品添加劑，以改善其質(zhì)量，延長(zhǎng)儲(chǔ)存時(shí)間并限制其熱量。

3.4 食品包裝方面

目前，消費(fèi)者對(duì)符合高質(zhì)量和安全標(biāo)準(zhǔn)的天然食品的需求不斷增加，因此，人們已開發(fā)出新的食品包裝來(lái)存儲(chǔ)新鮮的水果和蔬菜。通常藻酸鹽、纖維素、殼聚糖、角叉菜膠或果膠及其衍生物被廣泛用作成膜材料[50-52]，最近許多研究人員證明，細(xì)菌纖維素在食品包裝的應(yīng)用中具有許多優(yōu)勢(shì)。TOME等[53]發(fā)現(xiàn)，與細(xì)菌纖維素結(jié)合使用的薄膜表現(xiàn)出更高的疏水性，還具有在不同相對(duì)濕度下控制水蒸氣以及加濕的氮、氧和二氧化碳的阻隔性能；JIPA等[54]通過(guò)結(jié)合山梨酸（SA）作為抗菌劑，設(shè)計(jì)了可生物降解的基于細(xì)菌纖維素的單層和多層膜，并測(cè)試了細(xì)菌纖維素-SA的抗大腸桿菌K12-MG1655的抗菌效果，這表明細(xì)菌纖維素-SA膜具有良好的抗菌性能[55]；此外，LAPIDOT等[56]申請(qǐng)了有關(guān)細(xì)菌纖維素用作涂層材料的納米晶纖維素的專利，ZHONG[57]申請(qǐng)了有關(guān)用于冰袋的細(xì)菌纖維素的專利。綜上所述，細(xì)菌纖維素及其衍生物是食品包裝中具有很大應(yīng)用前景。

4 結(jié)語(yǔ)

細(xì)菌纖維素以其優(yōu)異的機(jī)械性能、生物相容性和生物降解性，完全符合現(xiàn)代社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)和食品安全的要求。近年來(lái)，細(xì)菌纖維素在食品工業(yè)領(lǐng)域的研究及應(yīng)用已取得較多成果，在食品領(lǐng)域和其他應(yīng)用中具有巨大的應(yīng)用前景，然而細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量低和生產(chǎn)成本高成為限制其在食品工業(yè)中進(jìn)一步應(yīng)用的主要問(wèn)題之一，許多研究人員已開始嘗試通過(guò)分離高產(chǎn)細(xì)菌纖維素菌株，探索低成本培養(yǎng)基成分以及改良發(fā)酵工藝等方式使細(xì)菌纖維素能有更高產(chǎn)量。同時(shí)，細(xì)菌纖維素在食品包裝材料方面的應(yīng)用以及在低熱量膳食纖維的機(jī)理研究中都具有較多的研究潛力，為探索其在食品工業(yè)中的新功能提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。