细菌纤维素的合成调控及在化妆品领域的应用进展

(河南工业大学 生物工程学院，河南 郑州 450001)

生物材料在我们的生活中扮演着重要的角色，生物聚合物在食品、医疗器械以及其他各个方面也发挥着重要作用[1]。纤维素是地球上最丰富的生物聚合物，年产量可达到1.59×1012t，其一般是从植物中获得的[2]。除此之外，也可以通过葡萄糖衍生物开始的化学合成、各种微生物的生物合成等其他方式获得，这其中的微生物包括真菌、藻类以及各种需氧非致病性的细菌(如土壤杆菌属、沙门氏菌属、根瘤菌属的细菌和醋杆菌属)[3-4]。细菌纤维素(Bacterial cellulose，简称BC)又称为生物纤维素，是由某些细菌以异样方式产生的胞外产物，不含半纤维素、木质素和其他细胞壁成分，具有高结晶度和高化学纯度。细菌纤维素与其他植物纤维素相比，虽具有相同的化学成分，但其还具有特殊的物理、化学和生物学特性。这些特性使得细菌纤维素在食品、生物医药、造纸、化妆品等诸多领域获得较高的关注，受到国内外学者的青睐。笔者就细菌纤维素的合成调控及在化妆品领域的应用进展进行阐述。

1 细菌纤维素的性质

细菌纤维素和植物纤维素的基本结构，均可视为由吡喃葡萄糖单体以β-1,4糖苷键连接而成的直链多糖(又称为β-1,4萄聚糖)，相邻的吡喃葡萄糖的6个碳原子呈稳定的椅状立体结构，并不在同一平面上。纤维素分子链为弯曲的链状结构，它是数个邻近的β-1,4葡聚糖链由分子链内与链间氢键稳定结构而形成不溶于水的聚合物，合度一般为16 000单体。细菌纤维素则具有更优良的性质：1)超精细网状结构：微纤维组成独特的束状纤维,其宽度约为100 nm,由直径3～4 nm的微纤组合成40～60 nm的纤维束，相互交织形成发达的超精细网络结构；2)高结晶度和高化学纯度：以100%纤维素的形式存在,不含半纤维素、木质素和其它细胞壁成分，提纯过程简单，结晶度可达95%，物纤维素的质量分数为65%，高聚合度(DP值)为2 000～8 000；3)高强度：由Acetobacterxylinum(以下简称“A.xylinum”)发酵形成的细菌纤维素膜经干燥后，其杨氏模量可达到15 MPa，经过热压处理之后，则可达到30 MPa，而普通的膜片在5 MPa以下；4)高持水性：由于细菌纤维素内部有很多孔道，具有良好的透气、透水性能，因此具有强大的吸水性。通常情况下，持水率为1∶50，经过修饰处理可达到1∶700，具有较强的持水保湿性能；5)较高的生物适应性和良好的生物可降解性：自然环境中,细菌纤维素在酸性、微生物作用和纤维素酶催化等条件下可最终降解为小分子的糖，不会对环境造成污染；6)可调控性：不同发酵条件下所得的纤维素，其结构和特性也不同。在静止培养基中得到一层厚厚的纤维素膜，覆盖在培养基表面；在动态培养基中得到球形的细菌纤维素，通过调节培养条件，可得到性质有差异的细菌纤维素。与静态法相比，动态法生产的细菌纤维素聚合度和结晶度低，杨氏模量也较低，但具有较高的吸水性。

2 细菌纤维素的合成调控

细菌纤维素的整个合成过程包括纤维素前体尿苷二磷酸葡萄糖(UDPGlc)的合成、葡萄糖聚合形成β-1,4-葡聚糖链、由成千上百个新合成的葡聚糖单链缔合形成结晶结构3个过程。目前研究最为成熟的是A.xylinum的纤维素合成途径。A.xylinum能够以广泛的碳水化合物作为碳源合成纤维素，如三碳糖(甘油、丙酮酸)、戊糖、己糖等。Gromet等[5]研究证明A.xylinum缺乏EMP途径中的关键酶磷酸果糖激酶或者该酶酶活力极低，不存在EMP途径，但是HMP途径和TCA循环都间接参与纤维素的合成，所以其他底物或中间代谢产物可以通过糖异生作用生成葡萄糖磷酸合成纤维素，或者通过HMP途径合成果糖磷酸，进而合成纤维素。其合成路径为

2.1 UDPGlc的合成

无论是植物还是原核生物，其纤维素的生物合成都是以UDPGlc为直接前体。这一具体过程是：1)葡萄糖在葡萄糖激酶作用下生成葡萄糖-6-磷酸;2)葡萄糖-6-磷酸异构化为葡萄糖-1-磷酸;3)葡萄糖-1-磷酸在UDPGlc焦磷酸化酶作用下转化为尿苷二磷酸葡萄糖(UDPGlc)。

Saxena等[6]研究证明UDPGlc焦磷酸化酶是纤维素合成的限速酶，Valla等[7]进而利用特异性缺乏UDPGlc焦磷酸化酶的纤维素表型负突变株进行体外纤维素生成实验，结果没有纤维素生成，同时也验证了Saxena等[6]的观点。该酶主要位于细胞质中，其酶活性不受碳源的影响。而且，A.xylinum不同菌株的UDPGlc焦磷酸化酶的活性是不同的。Ross等[8]在体外进行了纤维素合成实验，虽然A.xylinum的不同菌株合成纤维素的能力相当，但是焦磷酸化酶活性的最大差异则达到20倍。如两株菌株ATCC23768和ATCC23769的UDPGlc焦磷酸化酶活力∶体外纤维素酶活力∶体内纤维素酶活力分别为2∶1∶2和0.1∶1∶2。

2.2 β-1,4-葡聚糖链的聚合

不同生物的纤维素合成都是以UDPGlc为底物，在纤维素合酶(CS)的催化作用下聚合形成β-1,4-葡聚糖链。目前认为纤维素合酶是一种4-β-糖基转移酶，将UDPGlc分子上的吡喃型葡萄糖残基直接转移到正在延长的β-1,4-葡聚糖链上，而且纤维素合酶自始至终都与多糖链产物连在一起。木醋杆菌的CS是一个紧密结合在原生质膜上的蛋白，其酶活性依赖于Mg2+，最适反应温度为30 ℃，pH 7.5～8.5。该酶对底物UDPGlc的Km值为0.125 mmol/L，并且受UTP，UDP(Ki=0.14 mmol/L)和UMP(Ki=0.71 mmol/L)的竞争性抑制。环二鸟苷单磷酸(c-di-GMP)是纤维素合酶的变构效应物，也是细菌纤维素合成调节机制的关键因子。其分子结构式为

A.xylinum受c-di-GMP调节的纤维素合成模型如图1所示[8]。

图1 A.xylinum中纤维素合成调节模型Fig.1 Regulation model of cellulose synthesis in A.xylinum

由图1可知：细胞中游离的c-di-GMP与CS的调节亚基相结合，诱导酶的构象发生改变，从而激活纤维素合成酶，提高催化活性。在A.xylinum中，c-di-GMP的浓度由二鸟苷酸环化酶(diguanylatecyclase，DGC)、磷酸二酯酶A、磷酸二酯酶B这3种酶进行调节[9]。DGC首先被Mg2+激活，然后将两分子的GTP连成线状结构的二鸟苷三磷酸(pppGpG)，进而转化为c-di-GMP，激活纤维素合酶。

c-di-GMP会被磷酸二酯酶催化降解，其中磷酸二酯酶A从环状c-di-GMP上切下单个磷酸二酯，使具有活性的c-di-GMP转变为无活性的pGpG，磷酸二酯酶B进一步将其降解为两分子的5′-GMP。其中PDEA的酶活性同样依赖于Mg2+，而Ca2+可高度选择性的抑制PDEA的酶活性，却不影响PDEB的酶活性。所以加入适量浓度的Ca2+减少c-di-GMP的降解，可有效地提高纤维素的合成速率。

2.3 葡聚糖链的组装与结晶

Haiger等[10]研究表明木醋杆菌在胞内合成葡聚糖，通过细胞膜将其排至胞外，然后进行组装结晶。纤维素的聚合和结晶两个过程既相互独立又高度偶联。β-1,4-葡聚糖链的装配模型如图2所示[10]。

由图2可知：首先10～15个新合成的β-1,4-葡聚糖链组装成直径为1.5 nm的原纤维(又称原微纤维)，再通过细胞膜外层的微孔分泌到培养基中。这些原纤维依靠彼此间的氢键进一步聚合形成直径为40～60 nm的束装纤维，这些束装纤维松散地缠绕成约含有1 000个独立的β-1,4-葡聚糖链的带状结构，并从杆形细胞的端部排出。

图2 A.xylinum束装纤维的装配模型Fig.2 Generalized model of ribbon assembly in A. xylinum

3 细菌纤维素在化妆品领域的应用

目前，大多数消费者在选择护肤品时越来越倾向于天然护肤品。天然护肤品，全部采用植物或源自天然的成分，如草本、根茎、精油和鲜花，或者没有使用合成化学品或其他组合成分等[11]。而细菌纤维素因其高持水能力和良好的气体渗透性，是可用于美容活性成分的良好载体，在化妆品领域具有广泛的应用。

3.1 面部磨砂膏

Kurisaki等[12]最早将细菌纤维素应用于化妆品，他们将其研制成粉末以松散或加压的状态加入，结果表明其具有优异的铺展性和黏附性。Hasan等[13]通过加入1 g纤维素粉末、2 g糯米粉、6 g抗坏血酸、6 mL芦荟提取物、6 mL橄榄油制成面部磨砂膏，并使用HAAKE RheoWin板板流变仪测定制剂的流变行为。与市场销售的使用其他方法制备的面部磨砂膏相比，该面部磨砂膏在较低的剪切力下具有较高的黏度，而在较高的剪切力下，两者都具有较低的黏度，且黏度相似。这是由于当生物聚合物(纤维素)链受到剪切力的时候，它们解开并沿剪切方向平行因此形成了流动阻力，黏度降低。样品的黏度降低程度越大，渗透效果越强，擦洗效果更强烈。加入的细菌纤维素碎片，不仅可改善存在于化妆品中的活性成分的渗透，还可提高皮肤保湿功能，促进皮脂吸收和皮肤更新。这表明，自制面部磨砂膏在一定的剪切力下能达到同样的深度清洗去死皮的效果。而其所含成分皆源自天然成分，属于天然护肤品，可以更有效地保护皮肤。

3.2 乳化剂和清洁制剂

乳液作为护肤品，最大的特点就是含水量很高，可以快速滋润肌肤，为干燥肌肤补充水分。同时，乳液可以在肌肤表面形成轻薄透气的保护膜，防止水分流失，起到极佳的保湿效果。为避免贮存过程中产生分层，乳液应具备良好的流动性和稳定性，因此在制备乳液时，乳化剂的选择显得尤为重要。乳液稳定效果是细菌纤维素的物理性质之一，Ougiya等[14]利用葡糖醋杆菌在不同培养条件下生产细菌纤维素，并以微晶纤维素(MCC)、微纤维化纤维素(MFC)、黄原胶和脱水山梨糖醇单月桂酸酯为对照，研究其乳化稳定效果。试验中，选取Ag-BC(搅拌培养BC膜)、St-BC(静态培养BC膜)、MCC、MFC、黄原胶和脱水山梨糖醇单月桂酸酯为乳化剂，蔬菜油和煤油为油相，蒸馏水为水相，制作油包水型乳液。在所有乳液中，水相与油相的体积比为1∶1。结果显示，不论油相是什么，Ag-BC都具有最高的稳定性系数，而且添加Ag-BC的乳液，不随盐浓度、pH、温度的改变而改变。随后测定水相和油相之间的界面张力，确定细菌纤维素几乎不降低界面张力。进而通过透射电子显微镜观察油滴表面，发现许多单独的Ag-BC原纤维被吸附到油滴的表面，同时也连续地分散在水相中。而其他材料的乳化剂，则不能检测到吸附到表面并分散在连续相中的任何纤维素原纤维。其机理是因为与其他材料相比，Ag-BC由更细的原纤维和更小的絮凝物组成，这些成分可作为机械屏障和支架结构，中断油滴的聚结，从而具有较好的乳化稳定效果。

清洁制剂的目的是去除污垢，减少皮脂和外源污染物，并控制皮肤微生物群落。然而这种制剂中损害皮肤成分的表面活性剂可能在洗涤后缠结在角质层中，会导致过敏反应和皮肤刺激，特别是在敏感皮肤的情况下，反应则更明显。Heath等[15]发明的专利，制备了由液体基质构成的添加有细菌纤维素膜的个人清洁制剂，如起泡表面活性剂和外部结构化试剂，其包含细菌纤维素网络结构和阳离子聚合物(如淀粉衍生物、纤维素衍生物以及两者的混合物)。将这些制剂的颗粒悬浮在液体基质中，其pH约小于4.0或7.0。这种组合物具有良好的起泡性和易冲洗性，没有任何残留的薄膜，且使用后没有黏滑的手感。颗粒物质的存在有效地改善了皮肤的清洁和表皮脱落，并且对皮肤没有任何刺激或损伤。在此基础上加入水杨酸使其pH小于4.0。这种制剂没有任何刺激，可用于敏感皮肤的清洁，还可用于清除、预防皮肤瑕疵和粉刺以及鳞屑、皮肤过度生长等皮肤病症的治疗。

3.3 面 膜

面膜是一种常见的，也是较便于携带的护肤产品。它是涂或敷在人体皮肤表面，经过一段时间后揭离、擦洗或保留，起到集中护理或清洁作用的产品[16]。目前，可作为面膜材质的介质有很多，如无纺布、蚕丝、天丝、生物纤维素等。生物纤维素面膜即是用生物纤维素作为面膜介质，纤维直径为0.05～0.08 μm，呈现3D立体交错结构，空气可通过，不仅柔软而且具有绝佳韧性。同时，它还具有极强的吸水性能和排油去污能力，无刺激、无异味，不易滋生细菌、不含荧光物质，容易清洗，是纯天然、健康的环保用品。由于细菌纤维素具有生物可降解性、低毒性和水合皮肤的优良特性，细菌纤维素面膜也是非常具有市场竞争力的。

在国内，钟春燕[17]制备了一种细菌纤维素凝胶面膜。研究者认为这种面膜可长时间或反复使用并缓慢释放药物，具有良好的美容、营养、保湿效果。孙东平等[18]发明了细菌纤维素/透明质酸复合材料，在碳化二亚胺的作用下，细菌纤维素与透明质酸发生交联，进而充分发挥细菌纤维素的高柔韧性、附着性以及透明质酸的保湿、营养、润肤作用。郭茂祥[19]制备了一种生物纤维素芦荟面膜，通过在发酵培养基中添加芦荟凝胶提取液，在生物纤维素发酵形成的过程中充分吸附芦荟凝胶提取液，最大程度发挥其生物效能。贾士儒等[20]制备了细菌纤维素/生物防腐剂复合面膜，当细菌纤维素膜形成一定厚度时，向发酵液中加入一定量的生物防腐剂，所形成的复合膜不仅持水性强、保湿效果好，而且抑菌效果好、安全性高，使用后皮肤润泽，具有良好的美容功能。

在国外，Almeida等[21]分别研究了添加甘油和无添加甘油的细菌纤维素对人类皮肤的刺激性影响，参加实验的2组志愿者中，除5人红斑临床显示弱反应，其他志愿者均无不良反应。结果表明，细菌纤维素对皮肤是温和、无刺激的，同时进行了皮肤水分损失测量(TEWL)，显示经表皮的水分流失并没有显著性的差异(即不存在屏障破坏)。此外，添加甘油可显著提高皮肤保湿效果，表明添加甘油的细菌纤维素面膜是潜在的具有良好效果的保湿面膜。

Aramwit等[22]研究了用于面部治疗的释放丝胶蛋白的细菌纤维素凝胶，通过表征实验证明在pH 4.5条件下产生的释放丝胶蛋白的细菌纤维素凝胶具有超细和极纯的纤维网络结构。与市场销售的无纺布面膜相比，凝胶的机械性能和吸湿能力均得到改善，进一步进行了猪皮肤剥离以及体内体外细胞毒性试验，与市售的无纺布面膜相比，黏性更小，更易从面部剥离且没有疼痛感，体内体外细胞毒性试验显示凝胶对L929小鼠成纤维细胞和HaCaT人角质形成细胞无毒。结果表明制备的细菌纤维素凝胶在药物化妆品的抗皱、抗衰老、保湿等方面具有巨大的潜在应用研究价值。

Amnuaikit等[23]做了针对细菌纤维素面膜的满意度调查研究。在该项研究中，第1组志愿者把湿毛巾敷在脸上25 min，第2组则在相同时间内使用透明细菌纤维素面膜。1周后，各组交换替代治疗，然后使用常规皮肤咨询系统，对2组志愿者的皮肤钝度、质地、弹性、皮脂含量、水分含量和剥离水平进行检测，同时进行用户满意度调查。结果表明与湿毛巾单一治疗相比，细菌纤维素面膜可明显提高皮肤水分含量，且对皮肤没有不良影响，用户满意度为4～5，是可以被消费者接受的。

4 结 论

据统计，截止到2015年，我国的城镇人口总数高达7.7亿。目前数据显示有1%的人愿意每天花10～15 min敷一片面膜，那么就会消耗掉28亿片面膜，可见市场预期规模还是很大的。研究表明，细菌纤维素具有优秀的生物亲和性、生物相容性、生物适应性和良好的生物可降解性,可作为面膜的载体。因此，在制备面贴膜时，含有细菌纤维素面膜的性能要优于其他材质的面膜，具有良好的应用前景。目前，我国对细菌纤维素的了解研究尚处于初级阶段，应用主要集中在食品、医疗、造纸等领域，在化妆品领域的研究报道和开发应用则较少。另外，我国细菌纤维素产量低、成本高、品种少，这些因素也严重制约了其产业化发展。笔者认为可以主要从以下两方面来进行探索：一是相关部门增加资金的投入，推动并加大细菌纤维素的研究力度，进而提高纤维素产量和质量，提升社会效益和经济效益；二是积极开展细菌纤维素在化妆品领域的应用研究，开发具有自主产权的细菌纤维素化妆品，加大推广力度，提高其社会价值。