细菌纤维素的制备及在食品中的应用进展

杨依维，刘玉飞,2，何 敏

细菌纤维素的制备及在食品中的应用进展

杨依维1，刘玉飞1,2，何 敏1*

（1. 贵州大学 材料与冶金学院 高分子材料与工程系，贵州 贵阳 550025；2. 国家复合改性聚合物材料工程技术研究中心，贵州 贵阳 550014）

简述了细菌纤维素的特点，重点举例阐述了细菌纤维素的制备工艺，以原料来源的不同为依据，以废旧物回收利用为要点，分别介绍了生物基及人工合成原料制备细菌纤维素的方法。综述了细菌纤维素在食品方面的应用研究，围绕食品及食品包装两个角度进行讲述，其在鸡肉饼、酸乳的添加及自身作为食品均可呈现优良的食用价值，在食品外包装及附属物可呈现其环保价值。最后总结展望了细菌纤维素相关的大规模生产技术，以结合自身环境友好的特点将细菌纤维素进行充分利用。对细菌纤维素制备及其在食品方面的应用研究具有一定参考价值。

细菌纤维素；制备；应用；食品；环保

细菌纤维素与植物纤维素结构相似，但物理性质与化学性质有较大区别[1]，细菌纤维素是一种由木醋杆菌等微生物新陈代谢产生的胞外不可溶性多糖[2-4]，其因自身独特性能成为一种独特的功能生物材料[5]。早期由英国科学家Brown发现，他在研究木醋杆菌时无意发现培养液表面形成的一层固体凝胶物质[6]，这在经相应表征后被确定为一种高纯度纤维素，即“细菌纤维素”。从它的结构上看，它是由β-D葡萄糖集合而成，由β-1,4-吡喃葡萄糖单元组成的多孔型三维网络状结构的大分子[7-8]。

图1 细菌纤维素合成结构表达式

细菌纤维素既包含植物源纳米纤维素的特征，又具有许多自身独特的优良性质[9]。它具有高纯度，主要体现在不含半纤维素、果胶、木质素[10]等；因其具有网状结构，所以其可保持相对数量的水分，同时它还具有高弹性模量、生物相容性和可降解性[11-12]，因而在多领域、多方面具有良好的应用价值，可制成柔性显示复合材料、医疗敷料[13-15]，同时在纺织工业、电池等领域也值得广泛应用[16]。

图2 细菌纤维素的性质与应用领域

因此，可以认为细菌纤维素是一种高价值的纳米级高分子材料。目前对于细菌纤维素的综述报道也有很多。汪丽粉等[17]主要对细菌纤维素的高持水性、高透气性、良好的生物相容性、高机械强度等独特性质及其在纺织、医用敷料、组织工程、食品、导电材料等领域的应用展开综述，朱晓东等[18]主要通过静态培养和搅拌培养两种方法对细菌纤维素的制备进行阐述，重点讲述了细菌纤维素的三种改性方法即原为改性法、浸渍法、均化法，以及细菌纤维素在生物医药、食品包装、电子元件方面的应用。

但对其充分的研究与利用需要大量原料的产出，因而针对细菌纤维素低成本、高产量、简操作[19]的合成技术成为细菌纤维素一个值得思考的问题，现有许多在生产制作过程中产生的废弃物，将它们充分利用可以解决一定低成本的问题且产生环保效益。同时，据社会现象可看出，现今食品安全问题深入人心，直接关系人们的身体健康，而细菌纤维素在食品方面大有作用，因此本文以废弃物回收利用为要点，充分考虑经济与环保相协调，着眼关注社会问题进行切入主要针对细菌纤维素的制备及其在食品方面的应用研究展开综述。

1 细菌纤维素的制备

细菌纤维素作为天然生物基类高分子，可以持续满足人们对于可降解、环保产品的需求[20]，细菌纤维素的制备主要是通过菌种在特定条件下产生，现已有许多细菌纤维素制备的研究，其中环保且成本低的生产技术更俱价值[21]。图3列举了可用于细菌纤维素制备的不同来源。

图3 可用于细菌纤维素制备的不同来源

1.1 细菌纤维素以生物基为原料的制备

1.1.1 以烟草废弃物为原料

中国在烟草种植原料筛选中不适用于制卷烟及加工过程中产生的废弃物约占烟叶总产量的25%[22]，同时对于此类废弃物的处理大多作焚烧处理，造成了很大的资源浪费及环境污染问题。以废烟末为原料合成细菌纤维素不仅降低成本，同时有很大的绿色环保意义。

郭霖轩等[23]考虑酸碱环境及糖类对细菌纤维素合成的影响，用烟草废弃物的乙醇水解液培养基对细菌纤维素进行培养，以不同水解条件对浸提液水解全因素试验，得到2%乙酸、120℃、90 min是烟草废弃物浸提液水解的较佳条件。张婷婷等[24]以烟草中富含糖、氨基酸、无机盐等研究了烟草废弃物发酵制备细菌纤维素的可行性，通过烟末废料水提液作为培养基，利用木醋杆菌进行发酵，得出最优条件为接种量6%、初始pH5、温度30℃，发酵时间7 d。

1.1.2 以农作物为原料

中国甘薯年产量超5 300万吨，是全球最大的甘薯生产国，甘薯被充分用于淀粉类食品的生产。大豆同样也是粮食中需求量极高的原料，它们在生产过程中产生的渣质存在着很大的利用空缺问题。

Shuai Xu等[25]以利丰制品有限公司的甘薯渣为原料，经过单因素优化选择以浓度为30 g/L的葡萄糖作为碳源，采用补料分批法实现了甘薯渣的高固相酶解，该酶解方式可以提高设备利用率，能耗得到大大降低，以甘薯渣水解液作为培养基，由于没有抑制剂的产生，有利后续葡萄糖的转化及细菌纤维素的合成。高媛等[26]以南通来宝谷物蛋白公司的大豆渣为原料，大豆渣的稀酸预处理及酶水解过程简单，在与葡萄糖、酸预处理液、酶解液作为碳源的比较中，确定以Ca(OH)2脱毒后的酶解液作为碳源获得的细菌纤维素产量最高。工艺流程如图4所示。

图4 大豆渣制备细菌纤维素工艺流程（BC即细菌纤维素）

1.2 以人工合成聚合物为原料细菌纤维素的制备

1.2.1 以纺织物为原料

高分子材料的不断研究为纺织业提供了重要原料，同时，对纺织物的回收利用的问题备受关注，在追求纺织行业的经济效益的同时也要考虑废弃物对环境的影响[27-28]。

Jiangang Zhou等[29]采用尼龙-6,6解聚法制备硫酸水解产物，研究表示通过酸水解和好氧发酵将尼龙-6,6废渣转化为细菌纤维素在技术上的可行性。在100℃下用10%的尼龙进行4小时的硫酸水解，使尼龙-6,6肥料几乎完全解聚后作静态发酵转化为细菌纤维素。周建刚等[30]申请了利用废旧涤纶织物制备细菌纤维素的专利，把废弃涤纶织物烘干剪碎，在氢氧化钡溶液中以120～126℃使其水解90～100 min，后加如稀硫酸使溶液呈中性，经离心分离后取上清液即涤纶水解液加入酵母粉和蛋白胨制备成培养基，将细菌纤维素的菌接种到灭菌且常温的该培养基中进行培养从而得到细菌纤维素。

表1 不同介质发酵液中细菌纤维素的性质[29]

2 细菌纤维素在食品方面的应用

食品问题一直以来都是备受关注的一个问题，在食品安全得到保障的基础上，人们对食品的品质的追求越来越多，细菌纤维素作为典型的膳食纤维素被美国FDA认定为公认安全级，又因其本身具备对于食品加工等方面优越的特性，因此可认为它在食品方面的应用十分有价值[31-32]。

2.1 细菌纤维素在食品添加方面的应用

2.1.1 在鸡肉饼中的添加

食品的品质在细菌纤维素的加入后得到改善以及性能得到提升，郭艳等[33-34]研究了细菌纤维素对鸡肉影响。在研究鸡肉饼中通过改变细菌纤维素的质量分数，经DSC、FT-IR等结果综合考虑，在细菌纤维素添加量为0.6%时对鸡肉饼的品质改善效果最好，使鸡肉饼有更高的持水力且更紧凑的微观结构。

表2 细菌纤维素对鸡肉蛋白变性温度和热焓的影响[35]

同列数据后标不同字母表示具有显著差异（P小于0.05）

2.1.2 在酸乳中的添加

张雯等[36]研究了细菌纤维素酸乳的制备工艺。通过细菌纤维素与酸乳结合，其中得到了品质更高的酸乳，改善了酸乳脂肪上浮及蛋白质下沉的问题，这与酸乳中酪蛋白与细菌纤维素的网状结构相作用有关。其中当细菌纤维素添加量为3%，发酵酸乳含量为35%时可实现最优制备工艺。

2.1.3 细菌纤维素的食用

刘晨光等[37]申请了一种可食用细菌纤维素的制备方法和应用的专利，该制备方法以投资少菌体培养过程简单的特点有效去除杂质，残余菌体，使食品的安全性提高。食用时可添加适当饮用水稍加搅拌即可成为一杯口感丰富的饮品，或作稍加咀嚼的饼状产品，都可以达到饱腹和控制食欲的效果。

2.2 细菌纤维素在食品包装方面的应用

食品包装对食品保存及减少分销链（运输、处理等）发挥着重要作用，被使用后便成为废弃物，与环境联系紧密，可降解型包装材料体现出环境友好的优势。细菌纤维素本身具可降解型等优异性能，因而可参考作为一种良好的包装材料的原材料[38]。

2.2.1 食品外包装

Khairul Azly Zahan等[39]利用细菌纤维素研究开发出一种新型可降解抗菌包装材料，将月桂酸加入到细菌纤维素中，可以使细菌纤维素的性能有所改善，对枯草芽孢杆菌的生长有抑制作用，对大肠杆菌的生长没有影响，且被掩埋在土壤中的第七天完全降解。Yinyin Xu等[40]利用壳聚糖、细菌纤维素、姜黄素构建生物降解膜，通过结合各自特点，参照壳聚糖与各种合成及天然聚合物共混的研究，对食品和活性物质亲和力的信息分析，制成以较高的阻隔性能、抗氧化活性为特点的活性膜，为食品的活性包装材料提供较好的应用前景。

2.2.1 食品包装附属

吸管是食品十分常用的工具，它同样也被考虑在环境污染问题中，Huai-Bin Yang等[41]研究合成一种可食用的、无微塑料的细菌纤维素吸管，通过海藻酸盐与细菌纤维素相结合得到的薄膜卷于聚四氟乙烯棒上，经乳酸钙溶液浸泡使海藻酸盐与钙离子交联从而提高力学性能，再经清洗及干燥便可得到塑料吸管的理想替代品。

3 总结和展望

细菌纤维素的优良特性给各领域都提供了材料，对于细菌纤维素的制备以简操作、低成本、高产量的趋势在不断进行研究，大多趋向利用废旧资源进行改良合成，但是对于细菌纤维素大规模的合成进行一个体系化生产的技术还有待推进，同时针对食品方面来说，细菌纤维素作为添加剂可以对食品得到改善作用，在包装及相关产品的制作上也对环境有很友好的作用，由于其相应保障及效益没有得到大规模的展现，因此把成品真正推向社会还需要一定的时间。

[1] Lahiri D, Nag M, Dutta B,. Bacterial cellulose: Production, characterization and application as antimicrobial agent[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2021, 22(23): 12984.

[2] 姜月. 不同改性方式对细菌纤维素的结构和性能的影响[D]. 海南大学, 2020.

[3] 孙勇慧, 刘鹏涛, 刘忠. 细菌纤维素的应用进展[J]. 材料导报, 2015, 29(5): 62-67.

[4] 张艳, 孙怡然, 于飞, 等. 细菌纤维素及其复合材料在环境领域应用的研究进展[J]. 复合材料学报, 2021, 38(8): 2418-2427.

[5] Islam S U, Ul-Islam M, Ahsan H,. Potential applications of bacterial cellulose and its composites for cancer treatment[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2021,168:301-309.

[6] 司洪娟. 具有三维网络结构的细菌纤维素/氧化石墨烯复合材料的制备与性能研究[D]. 天津大学, 2016.

[7] Petrova V A, Khripunov A K, Golovkin A S,. Bacterial cellulose (komagataeibacter rhaeticus) biocomposites and their cytocompatibility[J]. Materials, 2020, 13(20): 4558.

[8] Zhang W, Wang X, Li X,. A 3D porous microsphere with multistage structure and component based on bacterial cellulose and collagen for bone tissue engineering[J]. Carbohydrate Polymers, 2020, 236: 116043.

[9] Gregory D A, Tripathi L, Fricker A T R,. Bacterial cellulose: A smart biomaterial with diverse applications[J]. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2021, 145: 100623.

[10] Ma L, Bi Z, Xue Y,. Bacterial cellulose: An encouraging eco-friendly nano-candidate for energy storage and energy conversion[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2020, 8: 5812-5842.

[11] Amorim J D P, de Souza K C, Duarte C R,. Plant and bacterial nanocellulose: Production, properties and applications in medicine, food, cosmetics, electronics and engineering: A review[J]. Environmental Chemistry Letters, 2020, 18(3): 851-869.

[12] Cazón P, Velázquez G, Vázquez M. Bacterial cellulose films: Evaluation of the water interaction[J]. Food Packaging and Shelf Life, 2020, 25: 100526.

[13] Cañas-Gutiérrez A, Osorio M, Molina-Ramírez C,. Bacterial cellulose: A biomaterial with high potential in dental and oral applications[J]. Cellulose, 2020, 27(17): 9737-9754.

[14] Beekmann U, Zahel P, Karl B,. Modified bacterial cellulose dressings to treat inflammatory wounds[J]. Nanomaterials, 2020, 10(12): 2508.

[15] Wahid F, Zhao X, Zhao X,. Fabrication of bacterial cellulose-based dressings for promoting infected wound healing[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(28): 32716-32728.

[16] Wu Z, Zhang T, Wang B,. Scalable bacterial cellulose biofilms with improved ion transport for high osmotic power generation[J]. Nano Energy, 2021, 88: 106275.

[17] 汪丽粉, 李政, 贾士儒, 等. 细菌纤维素性质及应用的研究进展[J]. 微生物学通报, 2014, 41(8): 1675-1683.

[18] 朱晓东, 杜昀怡, 原续波, 等. 细菌纤维素的最新研究进展[J]. 高分子通报, 2022(5): 17-26.

[19] Pang M, Huang Y, Meng F,. Application of bacterial cellulose in skin and bone tissue engineering[J]. European Polymer Journal, 2020, 122: 109365.

[20] Singhania R R, Patel A K, Tseng Y,. Developments in bioprocess for bacterial cellulose production[J]. Bioresource Technology, 2022, 344: 126343.

[21] Mohammadkazemi F, Azin M, Ashori A. Production of bacterial cellulose using different carbon sources and culture media[J]. Carbohydrate Polymers, 2015, 117: 518-523.

[22] 李正风, 朱杰, 唐丽, 等. 烟草秸秆中产纤维素酶细菌筛选、鉴定及酶活测定[J]. 西南农业学报, 2020, 33(3): 645-650.

[23] 郭霖轩. 烟草废弃物合成细菌纤维素及其在柔性导电材料中的应用研究[D]. 郑州大学, 2020.

[24] 张婷婷, 冯颖杰, 杨宗灿, 等. 利用废烟末发酵制备细菌纤维素[J]. 食品与机械, 2020, 36(6): 198-202.

[25] Xu S, Xu S, Ge X,. Low-cost and highly efficient production of bacterial cellulose from sweet potato residues: Optimization, characterization and application[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2022, 196: 172-179.

[26] 高媛, 邹小周, 洪枫, 等. 大豆渣制备细菌纤维素的研究[J]. 纤维素科学与技术, 2018, 26(2): 17-23.

[27] Da Silva C J G, de Medeiros A D L M, de Amorim J D P,. Bacterial cellulose biotextiles for the future of sustainable fashion: A review[J]. Environmental Chemistry Letters, 2021, 19(4): 2967-2980.

[28] Provin A P, Dos Reis V O, Hilesheim S E,. Use of bacterial cellulose in the textile industry and the wettability challenge—A review[J]. Cellulose, 2021, 28(13): 8255-8274.

[29] Zhou J, Chen Y, Zhang Y,. Biotransformation of nylon-6,6 hydrolysate to bacterial cellulose[J]. Green Chemistry, 2021, 23: 7805-7815.

[30] 周建刚, 陈毅晖, 刘可帅, 等. 利用废旧涤纶织物制备细菌纤维素的方法: 中国, 202010345277.3[P]. 2020-06-12.

[31] Shi Z, Zhang Y, Phillips G O,. Utilization of bacterial cellulose in food[J]. Food Hydrocolloids, 2014, 35: 539-545.

[32] Esa F, Tasirin S M, Rahman N A. Overview of bacterial cellulose production and application[J]. Agriculture and Agricultural Science Procedia, 2014, 2: 113-119.

[33] 郭艳. 细菌纤维素对鸡肉饼和冰淇淋品质的影响[D]. 西北农林科技大学, 2018.

[34] 郭艳, 吴进, 李腾宇, 等. 细菌纤维素对鸡肉品质及蛋白性质的影响[J]. 西北农林科技大学学报（自然科学版）, 2019, 47(3): 129-137.

[35] 郭艳. 细菌纤维素对鸡肉饼和冰淇淋品质的影响[D]. 西北农林科技大学, 2018.

[36] 张雯, 王建军, 房茹茹, 等. 细菌纤维素酸乳制备工艺及稳定性能[J]. 陕西科技大学学报, 2020, 38(2): 46-52.

[37] 刘晨光, 李婷婷, 刘倩. 一种可食用细菌纤维素的制备方法和应用: 中国, 202010807419.3[P]. 2020-10-04.

[38] Kamaruddin I, Dirpan A, Bastian F. The novel trend of bacterial cellulose as biodegradable and oxygen scavenging films for food packaging application: An integrative review[J]. IOP Conference Series. Earth and Environmental Science, 2021, 807(2): 22066.

[39] Zahan K A, Azizul N M, Mustapha M,. Application of bacterial cellulose film as a biodegradable and antimicrobial packaging material[J]. Materials Today: Proceedings, 2020, 31: 83-88.

[40] Xu Y, Liu X, Jiang Q,. Development and properties of bacterial cellulose, curcumin and chitosan composite biodegradable films for active packaging materials[J]. Carbohydrate Polymers, 2021, 260: 117778.

[41] Yang H B, Liu Z X, Yin C H,. Edible, ultrastrong, and microplastic-free bacterial cellulose-based straws by biosynthesis[J]. Advanced Functional Materials, 2021: 2111713.

Progress on the Preparation of Bacterial Cellulose and Its Application in Food

YANG Yi-wei1, LIU Yu-fei1,2, HE Min1*

（1. Department of Polymer Material and Engineering, Institute of Materials and Metallurgy, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. National Engineering Research Center for Compounding and Modification of Polymer Materials, Guiyang 550014, China）

The characteristics of bacterial cellulose are briefly described, and the preparation process of bacterial cellulose is emphatically expounded with examples. Based on the different sources of raw materials and the main points of recycling waste materials, the methods of preparing bacterial cellulose from biological and synthetic raw materials are introduced respectively. This paper comprehensively analyzes the application of bacterial cellulose in food, and analyzes it from the perspectives of food and food packaging. It can show excellent edible value in the addition of chicken patties, yogurt and itself as food and the environmental value as the outer packaging and appendages of food. The large-scale production technology of bacterial cellulose is summarized and prospected, so as to make full use of bacterial cellulose in combination with its environmental friendly characteristics. It has a certain reference value for the preparation of bacterial cellulose and its application in food.

bacterial cellulose; preparation; application; foodstuff; environmental protection

1004-8405(2022)03-0045-07

10.16561/j.cnki.xws.2022.03.02

2022-07-18

贵州大学自然科学专项基金项目（合同编号：贵大特岗合字（2021）44号）。

杨依维（2001～），女，本科；研究方向：高分子材料。

通讯作者：何敏（1966～），女，博士生导师；研究方向：高分子材料。hemin851@126.com

TQ352.79

A