细菌纤维素在造纸工业中的应用

汤卫华 贾士儒 王 芃 殷海松

(1.天津现代职业技术学院生物化工系，天津，300350;2.天津市工业微生物重点实验室，天津，300457)

细菌纤维素(Bacterial Cellulose，BC)是由某些细菌(主要是木醋杆菌，Acetobacter xylinum)在静置条件下培养，在培养基表面产生的白色纤维状物质［1］。细菌纤维素的化学性质和植物纤维的相同，但在以下2个方面存在差异:①细菌纤维素由于不含其他多糖［2］，纯度很高，而植物纤维含有半纤维素和木质素等;②细菌纤维素横断面的直径约为植物纤维的1/100～1/10［3］(见图1)。细菌纤维素的结晶度和纯度高，抗张强度、弹性模量均较大，生物相容性好［4-5］，是造纸工业中很有应用潜力的一种新型生物材料。细菌纤维素是一种天然的、良好的纸张增强材料，可改善纸张性能，也可进一步用于开发特种纸。在浆料中添加一定量的细菌纤维素，可提高浆料中固体添加剂的留着率及成纸的透气度、撕裂度等。

细菌纤维素的作用主要表现在以下2个方面［6］:①在浆料中添加少量的细菌纤维素，植物纤维可与细菌纤维素形成氢键连接，即植物纤维-细菌纤维素-植物纤维，增加植物纤维间的结合点数，从而提高成纸强度;②当添加量较高时，细菌纤维素主要起阻塞和填充作用，因为细菌纤维素会附着在植物纤维表面，从而影响植物纤维间的结合。

图1 植物纤维和细菌纤维素的扫描电镜照片

1 细菌纤维素用于纸张性能的改善

徐千等［6］研究发现，在植物纤维(针叶木浆与阔叶木浆质量比为20∶80)中添加3%(对绝干浆质量，下同)的细菌纤维素，纸张的抗张指数、撕裂指数、耐破指数及耐折度分别提高了 22.4%、16.1%、17.9%、44.7%。修慧娟等［7］研究发现，将经过机械匀浆处理后的细菌纤维素添加到针叶木浆纤维中能显著提高成纸的物理强度。许春元［8］以植物纤维(或再生纤维)和细菌纤维素为原料制得的纸张具有强度高、防水性能好等优点。

Barbara等［9］通过3种方式改善纸张性能:①在含有桦木或松木浆的培养基中培养木醋杆菌并产生细菌纤维素;②添加适度分散的细菌纤维素于不同的浆料中;③将细菌纤维素膜平铺在桦木或松木湿纸幅上并干燥。通过对成纸强度的测定发现，前2种方法制得的纸张的机械强度均高于第3种方法。

细菌纤维素可改善纸张的印刷适性。罗先毅等［10］研究发现，在麦草浆中加入3%的细菌纤维素，得到的纸张表面强度、平滑度、光泽度、表面效率(纸张的表面效率是指由于纸张的吸收性和光泽度而影响油墨颜色效果的综合效应)分别提高了4.3%、87.9%、36.9%、4.4%。

刘忠等［11］研究了将细菌纤维素作为纸张添加剂对纸质振膜性能的影响。当细菌纤维素添加量为8%时，纸质振膜的抗张指数和弹性模量大大提高。

废纸纤维由于长度和机械强度低，限制了其应用范围，但可以将细菌纤维素掺入到废纸纤维中，制造新的高强度复合材料。这为废纸找到了回收利用的新途径［12］。

2 细菌纤维素用于特种纸的制备

在静置培养和摇瓶培养条件下，由发酵木醋杆菌TISTR 976产生的细菌纤维素的湿强度保留率分别为124.2%和25.7%，阻燃值也较高。采用这2种方式生产的细菌纤维素均可用于制备羊皮纸［13］。Mormino等［12］在木醋杆菌培养基中加入植物纤维，通过旋转生物反应器来生产细菌纤维素，该生物反应器能将植物纤维嵌入到细菌纤维素膜中，从而制得复合材料，该复合材料可提高细菌纤维素的强度和韧性。制得的纸张虽然比普通纸张价格更高，但可用于柔韧度要求高的特殊领域，如用于羊皮纸和钞票纸的制备等。

Basta等［14］采用6-磷酸葡萄糖和葡萄糖作为碳源制备了阻燃性细菌纤维素——磷酸-细菌纤维素(PCBC)，并将其用于造纸。与单独使用6-磷酸葡萄糖相比，采用6-磷酸葡萄糖协同葡萄糖能够大幅提高PCBC的产量。与添加细菌纤维素相比，添加5%(对绝干浆质量)的PCBC能明显提高纸张强度、阻燃性及高岭土留着量。PCBC可用于制备特种纸。

Ricardo等［15］研究了细菌纤维素在防伪纸中的应用。通过原位纤维合成或聚电解质辅助沉积法，使含金纳米粒子附着于植物纤维或细菌纤维素中，制备复合材料。该复合材料的光学特性不仅与纳米粒子的特性有关，还与纤维素的种类有关。这类复合材料的化学性能和光学性能较稳定，其在防伪纸中的应用具有很大的吸引力。

3 细菌纤维素用于“电子纸”的制备

“电子纸”(Electronic papers)是一种类似纸张的电子显示器。与其他显示器相比，具有与纸张类似的性能，如清晰度高，显示屏轻、薄且可弯曲等［16］。基于细菌纤维素具有反射率和对比度高等特点，Shah等［17］利用离子沉积法在细菌纤维素膜上制备导体或半导体材料，然后再进行导电将离子固定在细菌纤维素膜上，在提高细菌纤维素膜的导电性能后，采用标准背板或平面驱动电路，以细菌纤维素作为底板制备了清晰度和分辨率高的显示器。该显示器在电子书、电子报纸、动态墙纸、可擦写地图的领域中具有应用潜力。

4 展望

细菌纤维素是一种极具潜力的新型生物材料，在改善纸张性能、制备特种纸和“电子纸”等方面都具有很好的应用前景。目前，细菌纤维素的产量较低、生产成本较高，这阻碍了细菌纤维素在造纸工业中的大规模应用。为加快细菌纤维素在造纸工业中的商业化进程，首先需结合分子生物学及遗传学所取得的进步来构建稳定的高产菌株;其次要创建一种能同时进行静置和深层培养的生物反应器，用富含碳源的工业废料来代替价格昂贵的培养基，以降低细菌纤维素的生产成本。

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