细菌纤维素的研究现状(综述)

﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡﹡关于细菌纤维素研究现状的综述院系：材料科学与工程学院材料班姓名：秦伟学号：指导教师：彭碧辉老师细菌纤维素研究现状[摘要]:本文从细菌纤维素的合成入手，列举了细菌纤维素合成研究过程中的研究点，其中包括了对合成过程的研究、发酵工艺及设备的改进以及细菌纤维素复合材料的研究等，最后对未来细菌纤维素发展趋势作出了展望。[关键词]:细菌纤维素；发酵工艺；细菌纤维素复合材料TheBacterialcelluloseresearchsituation[abstrcat]:Fromthesynthesisofbacterialcellulose,liststhesynthesisprocessofbacterialcelluloseresearchpoints,includingthesynthesisprocessoftheresearch,thefermentationprocessandequipmentimprovementandbacterialcellulosecompositesforfutureresearch,developmenttrendofbacterialcelluloseisforecasted.[keywords]:bacteriacellulose;Fermentation;bacteriacellulosecomposites细菌纤维素发现至今已有100多年的历史，由于对其物理特性了解不够充分，以致应用受到限制。最近十几年，随着对其生物合成机制的深入了解以及发酵条件的改善，加速了细菌纤维素的工业应用。细菌纤维素[1](bacterialcellulose,BC),是由β-1,4-糖苷键连接而成的天然聚合体,细菌纤维素的化学纯度非常高,具有良好的生物可降解性;它具有精致的天然超微纤维网状结构,这种网状结构是由一种天然形成的纳米纤维构成,其直径仅为1.5nm。由于细菌纤维素精致的超微纤维结构,可将其作为载体材料用于纳米材料的制备[2]。目前，在食品、声音振动膜、高强度纸、新型伤口包扎材料等产品已进入实用化阶段，在其他方面也具有广泛的商业化潜力。1、细菌纤维素的生物合成机制1.1A.xylium一纤维素生物合成机制的模式菌株A.xylium又被称为木醋酸菌，是革兰氏阴性好氧菌，是最早发现也是研究最为透彻的纤维素产生菌。A.xylium产生的纤维素纯度很高，并且在晶体结构和微纤平均宽度方面与植物和藻类的纤维素非常相似。一个A.xylium细胞在l秒内可聚合200,000幻葡萄糖分子形成β-1,4-葡萄糖苷链，并且组装成一带状的纤维素，这一带状结构与细胞膜有直接联系，而且在细胞分裂时也不脱离。并且在A.xylium中第一次发现了葡萄糖聚合过程与微纤装配是两个紧密相连的过程。A.xylium可利用多种底物生长，并且产纤维素，而且无纤维素酶活力，因此与天然纤维素相比，研究A.xylium的一个明显优势是细菌纤维素产品为一代谢惰性物质，是一高纯度的胞外沉积物，而植物和藻类的纤维素则是其细胞壁不可缺少的组成成分之一。多年来对细菌纤维素生物合成的研究一直局限于生理和形态学范畴，进展非常缓慢，直到最近十几年由于纤维素合成酶的纯化以及纤维素生物合成调节系统的发现，才大大加速了纤维素生物合成机制的研究。1.2其他关于生产培养基的研究Thompson等[3]通过研究发现，未经处理的含有较少固体物质的马铃薯废液稀释后，在AcetobacterxylinumATCC23770静态发酵生产细菌纤维素中可用作培养基。虽然在相同条件下用这种培养基与用Hestrin-Schram培养基所得细菌纤维素产量相同，但从生产成本看，显然用这种培养基更适合细菌纤维素的生产。日本在这方面的研究较多，如：Shimizu等[4]在木醋杆菌的发酵中用西瓜皮和其他瓜皮的汁与洋葱和胡萝卜的提取液做培养基，得到用瓜皮汁做培养基比用广泛应用的标准的Hestrin-Schram培养基具有更高的细菌纤维素产量的结论。如再加入酵母浸出液和蛋白胨还能提高纤维素产量。2、细菌纤维素发酵工艺及设备的改进2.1二步发酵法日本的Okiyam和Shirae采用了二步发酵法来优化纤维素产生过程。首先细胞在气升式发酵罐中培养3d，以形成大量的菌体，然后转移到有格子的容器中静置培养，这样可以得到很好的胶状膜。这一过程与传统工艺相比，经济效益显著。2.2循环连续培养这是一种带有分离器的连续培养装置。分离器是一种浮选装置或是一种过滤器，可把纤维状物质同细胞、培养液分离开来。这一装置不仅提高了纤维素的产量，而且使得纤维素的分离更加的简便，培养液中纤维素的浓度将在10g/L以下。2.3发酵罐设计的改造[5]发酵罐的设计对于工业生产来说是非常重要的，一方面要满足菌株快速生长的要求，另一方面还要考虑到纤维素对机械搅拌的敏感性，尤其是在纤维装配时，而且通过发酵罐设计因素的改变，如容器形状和搅拌桨，可得到理想的纤维素产品。目前，细菌纤维素的生产成本仍然较高，其应用偏重于实用价值以及附加值较高的领域，如生物医学材料等。所以，选育高产细菌纤维素的菌种以及改进发酵工程，设计高效专用的细菌纤维素生产设备，提高细菌纤维素的产量，是今后的研究工作努力的方向。3、细菌纤维素复合材料研究将细菌纤维素与其它材料进行复合已成为目前的研究热点。Nakagaito等[6]将干燥的细菌纤维素薄膜浸入用甲醇稀释的酚醛树脂溶液中，最后在160℃和100MPa下热压制得复合材料。这种细菌纤维素基的复合材料有较好的机械强度，其杨氏模量高达28GPa，好于牛皮纸浆纤维基的复合材料。Serafica等[7]在细菌纤维素薄膜形成过程中加入不同种类的微小颗粒（粒径一般在几十微米到几百微米），制备成不同的复合材料，并进行了相关测试。用碳酸钙和滑石粉制备的材料干燥后其强度增加了1～2倍，并且具有更好的柔软性和良好的反应灵敏性。而氧化铁粒子制备的复合纤维素在处理之后表现出了磁性。后来他们又研究了细菌纤维素薄膜形成过程中在培养基中加入四种不同类型的小纤维，干燥后得到了细菌纤维素―纤维的复合材料，纸纤维―细菌纤维素复合材料强度比纯细菌纤维素强度高10倍以上。废纸纤维的长度和强度降低限制了它的回收利用，但它们可以复合到细菌纤维素中，形成新的高强度复合材料。纤维与细菌纤维素的复合为一些纤维废料找到了回收利用的新途径[8]。目前国外已经开始将研究工作发展到对细菌纤维素的改性、修饰和制备其复合材料上，通过对纤维素的修饰，制备了性能各异的纤维素衍生物，但现在这方面的研究还处于起步阶段，国内在这方面的研究工作略显薄弱。与此同时，改进发酵工艺，寻找更廉价更好的细菌纤维素生产原料从而进一步提高其产量，仍将是细菌纤维素研究的基础，而随着其产量的增加和成本的下降必然使细菌纤维素产品的研究快速发展起来，更多更好的细菌纤维素产品将不断问世。4、前景与展望通过诸多实验结果可知，通过不同培养条件生产出不同性质的细菌纤维素，结合其自身特性，可良好地应用于医学、造纸、高级音响等领域。对于细菌纤维素，其高附加值应用应作为研究的重点[9]。细菌纤维素由微生物生产，其产量相对较低，利用代谢工程手段对生产菌进行改造提高其产量和对葡萄糖的转化率是今后需要继续探讨的重要内容。通过基因工程及育种手段，对木醋杆菌进行定向改造，通过代谢通量分析的方法分析如何使更多的碳代谢流流向细菌纤维素的合成，从而筛选出可低成本高产细菌纤维素、含较少代谢副产物、适合不同应用领域的菌株。结合已有研究结果，在高产细菌纤维素的基础上，改变其特性，将其广泛应用于不同领域，最终实现工业化生产。参考文献[1]杜艳芳,陈彦,聂福德,裴重华.细菌纤维素在炸药环境中的酶解研究.含能材料Vo.l15,No.6.2007(12)[2]VandammeEJ,BaetsSDe,SteinbüchelA.生物高分子第五卷[M].陈代杰,金飞燕注译.北京:化学工业出版社,2004.[3]ThompsonDavidN,HamiltonMelindaA.Productionofbacterialcellulosefromalternatefeedstocks[C].SymposiumonBiotechnologyforFuelsandChemicals,NewKnoxville,2000[4]ShimizuYuichi,EndoShunji,MinoshimaKaoru.CulturemediapreparedfromfoodwasteforbacterialcellulosemanufacturewithAcetobacterxylinum[J].TomakomaiKogyoKotoSenmonGakkoKiyo,2002,37:127-134[5]马霞.发酵生产细菌纤维素的进展.中国酿造.2002（06）[6]NakagaitoAN,IwamotoS,YanoH.Bacterialcellulose:theultimatenano-scalarcellulosemorphologyfortheproductionofhigh-strengthcomposites[C].TheFifthInternationalWoodScienceSymposium,KyotoJapan,2004.[7]SeraficaG,MorminoR,BungayH.Inclusionofsolidparticlesinbacterialcellulose[J].Appl.Microbiol.Biotechnol.2002,58:756-760.[8]MorminoR,BungayH.Compositesofbacte,rialcelluloseandpapermadewitharotatingdiskbioreactor[J].AppliedMicrobiologyandBiotechnology,2003,62(5-6):503-513.[9]李飞、贾原媛、汤卫华、贾士儒，新型纳米生物材料细菌纤维素的研究现状与前景.ChinaPulp&PaperVol.28,No.3,2009