细菌纤维素

某种微生物合成的纤维素的统称

细菌纤维素（Bacterial cellulose，BC）是指在不同条件下，由醋酸菌属（Acetobacter）、土壤杆菌属（Agrobacterium）、根瘤菌属（Rhizobium）和八叠球菌属（Sarcina）等中的某种微生物合成的纤维素的统称。

简介

其中比较典型的是醋酸菌属中的葡糖醋杆菌（Glucoacetobacterxylinum，旧名木醋杆菌Acetobacter xylinum），它具有最高的纤维素生产能力，被确认为研究纤维素合成、结晶过程和结构性质的模型菌株。细菌纤维素的合成是一个通过大量多酶复合体系（纤维素合成酶，cellulose synthase，CS）精确调控的多步反应过程，首先是纤维素前体尿苷二磷酸葡萄糖(uridine diphoglucose, UDPGlu)的合成，然后寡聚CS复合物又称末端复合(terminal complexe, TC)连续地将吡喃型葡萄糖残基从UDPGlu转移到新生成的多糖链上，形成?茁-(1→4)-D- 葡聚糖链，并穿过外膜分泌到胞外，最后经多个葡聚糖链装配、结晶与组合形成超分子织态结构。

人们早在古代就已经发现还有细菌纤维素的物质，如在《齐民要术》中就有在食醋酿制过程中发酵液表面形成凝胶状菌膜的记载。1976年，布朗（R. M. Brown）及其合作者首次描述了纤维素生物合成过程中醋酸菌的运动。25℃下细胞在合成和分泌纤维素微纤维时的移动速率为2.0微米/分，相当于每个细菌每小时把108个葡聚糖分子连接到?茁-(1→4)-D-葡聚糖链上。当亚纤维素聚合成束或带时形成反驱动力，推动细菌朝反方向运动。由细菌合成纤维素是一个低能耗的绿色过程，其以无毒的水溶性D葡萄糖为碳源，通过静态培养在培养基液体与空气界面之间由无病原的醋酸菌生产出纤维素。在纤维素的生物合成过程中，醋酸菌的运动控制了所分泌的微纤维的堆积和排列。通常醋酸菌在培养液中在三维方向的自由运动，形成高度发达的精细网络织态结构。

特性

细菌纤维素和植物或海藻产生的天然纤维素具有相同的分子结构单元, 但细菌纤维素纤维却有许多独特的性质。

①细菌纤维素与植物纤维素相比无木质素、果胶和半纤维素等伴生产物，具有高结晶度（可达95%，植物纤维素的为65%）和高的聚合度(DP值2 000～8 000)；

②超精细网状结构。细菌纤维素纤维是由直径3～4 纳米的微纤组合成40～60 纳米粗的纤维束，并相互交织形成发达的超精细网络结构；

③细菌纤维素的弹性模量为一般植物纤维的数倍至十倍以上，并且抗张强度高；

④细菌纤维素有很强的持水能力 (water retention values, WRV)。未经干燥的细菌纤维素的WRV值高达1000% 以上，冷冻干燥后的持水能力仍超过600%。经100℃干燥后的细菌纤维素在水中的再溶胀能力与棉短绒相当；

⑤细菌纤维素有较高的生物相容性、适应性和良好的生物可降解性；

⑥细菌纤维素生物合成时的可调控性。

培养方法

采用不同的培养方法，如静态培养和动态培养，利用醋酸菌可以得到不同高级结构的纤维素。通过调节培养条件，也可得到化学性质有差异的细菌纤维素。例如，在培养液中加入水溶性高分子如羧甲基纤维素、半纤维素、壳聚糖、荧光染料以及葡聚糖内切酶等可获得不同微结构和聚集行为的纤维，而羧甲基纤维素或羧甲基甲壳素的导入使细菌纤维素具有了吸收和交换金属离子的特性。此外，改变不同葡萄糖衍生物碳源，可控制微纤维的纳米尺寸。运用不同的模型，可形成各种形状的功能材料。

商业应用

细菌纤维素形成独特的织态结构, 并因“纳米效应”而具有高吸水性和高保水性、对液体和气体的高透过率、高湿态强度、尤其在湿态下可原位加工成型等特性。高纯度和优异的性能使细菌纤维素纤维可在特殊领域广泛应用。

在医用材料中的应用由于良好的生物相容性、湿态时高的机械强度、良好的液体和气体透过性以及抑制皮肤感染，细菌纤维素可作为人造皮肤用于伤口的临时包扎。Biofill?誖和Gengiflex?誖就是两个典型的细菌纤维素产品，已广泛用作外科和齿科材料。对于二级和三级烧伤、溃疡等，Biofill?誖已被成功地用作人造皮肤的临时替代品。Gengiflex?誖已用于齿根膜组织的恢复。基于细菌纤维素的原位可塑性设计出的一种新型生物材料BASYC?誖可望在显微外科中用作人造血管。

在食品工业中的应用由于细菌纤维素具有很强的亲水性、黏稠性和稳定性，可作为食品成型剂、增稠剂、分散剂、抗溶化剂、改善口感作为肠衣和某些食品的骨架，已成为一种新型重要的食品基料和膳食纤维。如传统发酵工艺中，由醋酸菌纯种培养或醋酸菌和其他微生物混合培养，可产生含有丰富纤维素的发酵食品。“Nata de coco”就是用醋酸菌和米粉糖发酵后制成的甜点食品，是日本目前30种颇受欢迎的食品之一。

在造纸工业中的应用日本在造纸工业中，将醋酸菌纤维素加入纸浆，可提高纸张强度和耐用性，同时解决了废纸回收再利用后，纸纤维强度大为下降的问题。加细菌纤维于普通纸浆可造出高品质特殊用纸。Ajinomoto公司与三菱公司合作开发用于流通货币制造的特级纸，印制的美元质量好、抗水、强度高。用细菌纤维改性的高级书写纸吸墨均匀性、附着性好。由于纳米级超细纤维对物体的缠绕结合能力和拉力强度，使细菌纤维机械匀浆后与各种相互不亲和的有机、无机纤维材料混合制造不同形状用途的膜片、无纺布和纸张产品十分牢固。在制造过滤吸附有毒气体的碳纤维板时，加入醋酸菌纤维素，可提高碳纤维板的吸附容量，减少纸中填料的泄漏。

高级音响设备振动膜醋酸菌纤维素的高纯度、高结晶度、高聚合度及分子高度取向的特性，使其具有优良的力学性能。经热压处理后，杨氏模量可达30吉帕，比有机合成纤维的强度高4倍，可满足当今顶级音响设备声音振动膜材料所需的对声音振动传递快、内耗高的特性要求。日本Sony公司与Ajinomoto公司携手开发了用醋酸菌纤维素制造的超级音响、麦克风和耳机的振动膜，在极宽的频率范围内传递速度高达5 000 米/秒，内耗为 0.04，复制出的音色清晰、宏亮。而目前的普通高级音响铝制振动膜的传递速度为 5 000 米/秒，内耗为 0.002。松木纸振动膜传递速度为500 米/秒，内耗为 0.04。醋酸菌纤维素振动膜的这个优异特性主要来自其极细的高纯度纤维素组成的超密结构，经热压处理制成了具有层状结构的膜，因而形成了更多氢键，使其杨氏模量和机械强度大幅度提高。

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