不同干燥方式对细菌纤维素复水性能的影响

郑梅霞，肖荣凤，陈梅春，陈燕萍，朱育菁

（福建省农业科学院农业生物资源研究所，福建 福州 350003）

0 引言

【研究意义】细菌纤维素（Bacterial cellulose，BC）是一种具有三维网络结构的新型生物材料，以其良好的生物相容性、生物可降解性、生物适应性以及高持水性、高结晶度、高弹性模量和高拉伸强度等独特的理化性能（尤其是优异的持水性能和吸水性能）广泛应用在于食品、医药和工业等领域[1−3]。【前人研究进展】产细菌纤维素的细菌常见的有醋酸菌属[4−5]、根瘤菌属[6]和土壤杆菌属[7]等。其中，木葡糖酸醋杆菌因其较高的BC 产量而被广泛应用于研究生产，并作为模式菌株[8]。目前的干燥方法有很多，其中，热风干燥方式具有操作简便、设备成熟、不受气候条件影响、成本低、适合大规模批量生产的优点[9]。真空冷冻干燥方式是目前较好的食品加工干燥方式之一，能最大限度地保留农产品营养成分及可有效保持农产品的色香味形，几乎可以对所有的农产品进行加工[10]。微波真空干燥方式综合了微波干燥方式和真空干燥方式的优点，使物料在低温条件下均匀快速地干燥，干燥速度快、品质高，具有高效节能、加热均匀、易控、产品质量好、经济效益好等优点[11]。不同培养方式、菌株、培养基和干燥方法等对细菌纤维素的网络结构影响较大，结构差异必将引起其性能和应用开发的差异[12−14]。冯劲等[2]用葡糖醋杆菌属Gluconacetobacter intermedius所产的细菌纤维素比较了60 ℃烘箱干燥、−20 ℃冷冻结实后冷冻干燥、液氮冷冻结实后冷冻干燥这3 种干燥方式，发现第3 种的干燥方法获得的BC 复水性能最好。罗仓学等[14]研究表明木醋杆菌Acetobacter xylinum所产的细菌纤维素经过热风干燥、微波干燥、梯度升温冷冻干燥和真空冷冻升华干燥等4 种干燥方式干燥后，经梯度升温冷冻干燥的BC 复水性能最好。高含水量的细菌纤维素为其储存、运输和使用带来极大的不便，而经干燥后的细菌纤维素吸水性大幅下降，有利于推广应用于食品行业[14]。研究者们为了获得溶胀性能好的BC，Lin 等[15]通过添加明胶增大BC 的溶胀性，Chen 等[16]通过添加凝胶肽改善BC 的溶胀性。【本研究切入点】不同的干燥方法会影响BC 的结构，改变BC 的物理性质[2]，引起复水性能差异[14]。不同干燥方法应避免BC 微纤维间氢键缔合作用以提高其复水性能[17]。本研究将对本实验室获得的木葡糖酸醋杆菌Komagataeibacter xylinusFM883 所产的细菌纤维素进行研究。【拟解决的关键问题】本文研究采用热风干燥、微波真空干燥和真空冷冻干燥等几种不同的干燥方式对菌株FM883 所产的细菌纤维素进行干燥，并测试分析不同干燥方式的细菌纤维素样品的吸水性能，为后续对BC 的产品研发提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

菌株FM883 为木葡糖酸醋杆菌K. xylinus，由本实验室筛选，保藏在中国典型培养物保藏中心，保藏号为CCTCC M 2019127，基因登录号是MW757206。葡萄糖为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司；硫酸镁、磷酸氢二钾和乙醇为分析纯，购自西陇科学股份有限公司；酵母膏和琼脂购自北京奥博星生物技术有限责任公司。

固体培养基：葡萄糖2%，酵母膏0.5%，K2HPO40.1%，MgSO41.5%，乙醇2%，琼脂2%，pH 值自然。种子培养基和发酵培养基：葡萄糖2%，酵母膏0.5%，K2HPO40.1%，MgSO41.5%，乙醇2%，pH 值自然。

1.2 仪器设备

JSM-6380LV 扫描电子显微镜（日本JEOL 公司），Panasonic MDF-DU102VXL-PC 超低温保存箱（日本松下健康医疗器械株式会社），STIK 低温生物培养箱[施都凯仪器设备（上海）有限公司]，海尔冰箱（型号为BCD-532WDPT），VirTis 6KBTEL-85 冷冻干燥机（美国VirTis 公司），电热恒温隔水式培养箱GSKP-01BII（湖北省黄石市医疗器械厂），自组装微波干燥机（由福建省农业科学院农业工程技术研究所提供）。

1.3 试验方法

1.3.1 细菌纤维素的制备与纯化 取一环在固体培养基上活化好的FM883 菌株接种入种子培养基中，150 r·min−130 ℃振荡培养12 h。再以10%的接种量接入1000 mL 的发酵培养基中，30 ℃静置培养7 d。取出细菌纤维素，用去离子水多次淋洗，再用0.1 mol·L−1NaOH 溶液煮至呈乳白色半透明状，去除残留的菌体和培养基。然后用去离子水反复淋洗后，用0.5%醋酸中和使细菌纤维素pH 值为7.0。

1.3.2 细菌纤维素的干燥

（1）热风干燥：电热恒温鼓风干燥箱预热70 ℃，将BC 放在箱内干燥，每隔30 min 取出BC 称重，直至恒重，所得样品为BC-DD70。

（2）热风干燥：电热恒温鼓风干燥箱预热50 ℃，将BC 放在箱内干燥，每隔30 min 取出BC 称重，直至恒重，所得样品为BC-DD50。

（3）微波真空干燥：微波炉炉内温度设置为40 ℃，真空度为−0.08 MPa，微波功率2 KW，将BC 置于微波炉中干燥，每隔15 min 取出BC 称重，直至恒重，所得样品为BC-MVD。

（4）真空冷冻干燥：BC 先于−20 ℃冻结后，置于真空冷冻干燥机中，温度−85 ℃，真空度16 Pa，干燥时间48 h，所得样品为BC-FD20。

（5）真空冷冻干燥：BC 先于−80 ℃冻结后，置于真空冷冻干燥机中，温度−85 ℃，真空度16 Pa，干燥时间48 h，所得样品为BC-FD80。

1.3.3 形态观察 观察不同干燥方法获得的细菌纤维素的外观形态；通过电子扫描电镜（SEM，JSM-6380LV，JEOL）检测微观结构，在15.0 kV 的低真空下用二次电子操作，SEM 检查之前用Au 涂覆样品。

1.3.4 细菌纤维素复水性能 将1 g 不同方法干燥所得细菌纤维素置于去离子水中37 ℃浸泡一定时间（1、2、4、6、8、26、28、32、48、50、51、53、55、103、144、150 和156 h），用滤纸擦干表面水分后称重，记为细菌纤维素吸水后的湿重。根据公式（1）和（2）计算细菌纤维素的溶胀率Qt（%）和每克干细菌纤维素的复水量M（g）。

式中：Me是细菌纤维素吸水平衡时的质量（g）；M0是细菌纤维素干样品的质量（g）；Qt是细菌纤维素在t时间的溶胀率（%）。

2 结果与分析

2.1 不同干燥方式细菌纤维素的外观形态和微观结构观察

不同干燥方式处理的细菌纤维素的外观差异很大，如图1 所示。BC-DD70（图1-a）和BC-DD50（图1-b）细菌纤维素干燥收缩成表面平滑的纸片状，具有一定的透光性。BC-MVD（图1-c）细菌纤维素干燥后变为褐色纸片状。BC-FD20（图1-d）和BC-FD80（图1-e）细菌纤维素干燥后呈白色海绵状，较为松软。

图1 不同烘干方式烘干后的细菌纤维素的外观形态Fig. 1 Appearances of dried BC samples

不同干燥方式处理的细菌纤维素表面的微观结构如图2 所示，BC-DD70 和BC-DD50 细菌纤维素的纤维排列较致密，形成大小各异的孔洞，而BCDD70 细菌纤维素的孔隙较BC-DD50 的更少。BCMVD 细菌纤维素的纤维排列最为致密，基本上没有孔洞，因为微波场使极性水分子产生热效应，水分子能够渗透到纤维素非晶区及晶区表面，造成纤维分子链间氢键的断裂，并与纤维素分子形成新的氢键，且微波可能会造成内部纤维素链的断裂[11]。BCFD20 和BC-FD80 细菌纤维素形成层状的三维空间纤维网络结构，真空冷冻干燥是细菌纤维素在冻结状态下干燥，水分透过BC 结构缝隙升华逸出，使干燥后的BC 仍能保持原有结构，但BC-FD20 和BC-FD80在局部纤维结构上略有不同，BC-FD20 的纤维带宽度更宽。

2.2 不同干燥方式细菌纤维素的复水性能比较

BC-DD70、 BC-DD50、 BC-MVD、 BC-FD20 和BC-FD80 每克干细菌纤维素的吸水量分别为（18.12±0.18）、（33.74±0.24）、（8.05±0.15） 、（42.63±0.13） 和（43.79±0.19） g，而没有干燥的细菌纤维素含水量达（75.11±0.11） g。BC-FD80 每克吸水的量达到还没干燥的细菌纤维素的58.30%。而BCDD70 和BC-MVD 的吸水能力分别只达到2.41%和10.72%。BC-DD70、BC-DD50、BC-MVD、BC-FD20和BC-FD80 的复水量如表1 所示，复水量为BC-FD80＞BC-FD20＞BC-DD50＞BC-DD70＞BC-MVD，造成复水量差异的原因是不同干燥方式引起的细菌纤维素结构变化，如图2 所示。不同干燥方式细菌纤维素的复水量存在显著性差异，说明各种干燥方式对细菌纤维素的结构影响很大。不同干燥方式获得细菌纤维素的溶胀率与复水量的变化趋势一样，也存在显著性差异。

图2 扫描电子显微镜下的细菌纤维素Fig. 2 SEM micrographs of dried BC samples by various dehydration methods

表1 不同干燥方法的细菌纤维素的吸水性能Table 1 Water absorption of dried BC samples

BC-DD70、BC-DD50、BC-MVD、BC-FD20 和BCFD80 在时间t时的溶胀率Qt如图3 所示，细菌纤维素溶胀到平衡的时间较长，溶胀的速率快慢可分为0～10 h、10～60 h 和60～160 h 几个阶段。测试时，采取溶胀速度快时加密测试点；而当溶胀速率降低时，则加大测试时间间隔，以便增加次数间的质量差；临近溶胀平衡时，加密测试几个点，以质量基本稳定为测试终点。BC-FD20 和BC-FD80 的溶胀速率最高且变化幅度较大，在前60 h 复水过程中急剧增加，后趋于平缓，说明经过冷冻干燥的细菌纤维素吸水膨胀能力较强，复水较快。

图3 细菌纤维素的溶胀率Fig. 3 Swelling rate of dried BC samples

未干燥（对照）和吸水后的细菌纤维素的外观形态如图4 所示。BC-FD80 和BC-FD20 吸水后能恢复一定厚度，形态与对照差别不大。BC-DD70 和BC-DD50 吸水后能恢复一点厚度，而BC-MVD 吸水后几乎不能恢复厚度。其中，BC-DD70、BC-DD50和BC-MVD 内部的纤维紧密排列，空洞的空间较小，容纳较少的水分子；BC-FD20 和BC-FD80 内部纤维松散，可容纳大量水分子，也说明其内部纤维形成较少氢键，水分子易进入纤维内部，使BC-FD20和BC-FD80 吸水后几乎恢复到没被干燥的细菌纤维素的状态，与冯劲等[2]的研究结果相一致。

图4 细菌纤维素吸水后表观效果Fig. 4 Morphology of rehydrated BC samples

2.3 不同干燥方式细菌纤维素的吸水速率和动力学分析

细菌纤维素的复水溶胀是一个极为复杂的过程，其吸附动力学过程可以用公式（3）和（4）进行描述[3]。

式中，Mt和Me是t时和吸水平衡时细菌纤维的质量（g）；M0是细菌纤维素干样品的质量（g）；K是网络结构参数，t是吸水时间；n是溶胀特征指数。n≤0.5，水的扩散属于Fickian 扩散；0.5＜n＜1.0，水的扩散属于non-Fickian 扩散；n≥1.0，水的扩散属于大分子链松弛扩散。D是水在细菌纤维素中的扩散系数；h是样品的厚度。

不同干燥方式细菌纤维素的吸水溶胀过程的溶胀特征指数n如表2 所示。n值＜0.5，说明水在细菌纤维素中的扩散属于Fickian 扩散[3]，其扩散行为通过公式（5）进行考察，Qt与t0.5呈线性关系，如图5所示。拟合直线的斜率k，根据公式（6）计算出水在细菌纤维素中的扩散系数，如表3 所示，扩散系数为BC-FD20＞BC-FD80＞BC-DD50＞BC-DD70＞BC-MVD，与复水性能结果一致，冷冻干燥方法优于其他2 种干燥方法。

表2 不同干燥方式细菌纤维素的吸水溶胀过程的溶胀特征指数Table 2 Rehydration indices of BC samples dried by different methods

表3 不同干燥方式细菌纤维素的吸水溶胀过程的扩散系数Table 3 Diffusion coefficients of dried BC samples upon rehydration

图5 拟合的斜率Fig. 5 Water absorption rate after fitting

3 讨论与结论

由细菌纤维素表面的微观结构分析可知，不同干燥方式使BC 的三维网络结构产生差异，其中真空冷冻干燥的样品保持了原有的三维网络结构。真空冷冻干燥中冻结过程是影响细菌纤维素形态的关键因素[18]。文中−20 ℃与−80 ℃的预冻结温度相比，冻结速度较慢，BC 表面形成大块的冰晶，体积增大挤压BC 内部的纤维，使BC 内部的纤维排列更紧密。预冷温度越低，可迅速将BC 的水冻结成小冰晶，对内部结构影响小，这与冯劲等[2]的研究结果相一致，所以BC-FD80 能保持原来的结构，复水性能最好。热风干燥是BC 直接与热空气接触，使BC 内外产生湿分差，发生皱缩，纤维不断堆积层叠，占据原始水所占的空隙[19]，所以使BC 的三维结构发生变化。本研究获得BC-MVD 样品的三维网络结构破坏最大，可能与影响微波真空干燥效果的物料大小、微波功率、真空度和微波工作模式等因素有关[20]。李瑜等[21]研究结果表明微波真空干燥可以缩短大蒜的干燥时间，但干燥后的大蒜的质构紧密，不如冷冻干燥的疏松，这与本研究的结果冷冻干燥的细菌纤维素的结构疏松相一致。

BC 的复水溶胀过程属于Fickian 扩散，与微观结构的结果一致。Wan 等[22]也证明了BC 复水溶胀过程属于Fickian 扩散。Hadi 等[23]研究表明BC 的脱水动力学的主要机理是Fickian 扩散定律。Pavaloiu 等[24]研究表明BC-明胶的溶胀机制也属于Fickian 扩散。BC 的网络结构影响BC 的复水溶胀过程，BC 的网络结构保持越完整，材料的扩散系数越高，对应的复水性能越好[3]。真空冷冻干燥获得的BC 的网络结构保持的最完整，所以获得的BC 的复水性能最好，为细菌纤维素的开发应用提供理论支持。在实际生产中，可选择Fickian 扩散定律来预测并控制细菌纤维素干燥过程的水分变化规律，为细菌纤维素干燥过程的节能降耗、设备选型和品质提升提供理论支持。