細(xì)菌纖維素的特性、用途與生產(chǎn)工藝簡介

細(xì)菌纖維素是一種由細(xì)菌產(chǎn)生的天然生物材料，作為一種新型納米材料，具有許多優(yōu)異的特性，是近來國際上新型生物醫(yī)學(xué)材料的研究熱點。

一、細(xì)菌纖維素（BC）簡介及具有許多獨特的特性

細(xì)菌纖維素（Bacterial cellulose，簡稱BC）是由微生物發(fā)酵合成的多孔性網(wǎng)狀納米級生物高分子聚合物，因其由細(xì)菌合成而命名為細(xì)菌纖維素。它由獨特的絲狀纖維組成，纖維直徑在0.01～0.10μm 之間，比植物纖維素（10μm）小2～3 個數(shù)量級，每一絲狀纖維由一定數(shù)量的超微纖維組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與植物纖維素的主要差別在于其不含有半纖維素、木質(zhì)素等。

細(xì)菌纖維素（BC）作為一種新型納米材料，具有生物活性、生物可降解性、生物適應(yīng)性，具有獨特的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，例如高結(jié)晶度、高純度、高持水性、超細(xì)納米纖維網(wǎng)絡(luò)、高抗張強(qiáng)度和彈性模量等，還有細(xì)菌纖維素形成獨特的織態(tài)結(jié)構(gòu)及其具有的生物活性、生物可降解性、生物適應(yīng)性、并因“納米效應(yīng)”而具有高吸水性和高保水性、對液體和氣體的高透過率、高濕態(tài)強(qiáng)度、 尤其在濕態(tài)下可原位加工成型等特性，因而成為近來國際上新型生物醫(yī)學(xué)材料的研究熱點。

1.高持水性和高透氣性

細(xì)菌纖維素為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，中間形成很多“孔道”，并且分子內(nèi)存有大量的親水基團(tuán)，因此具有良好的透氣、透水和持水性能。根據(jù)外界條件的不同，它能吸收比自身干重大60～700 倍的水分。細(xì)菌纖維素具有較好的親水性，能夠吸收大量水分，并保持水分不流失。持水性能好，未經(jīng)干燥的細(xì)菌纖維素的WRV值高達(dá)1000%以上，冷凍干燥后的持水能力仍超過600%。經(jīng)100℃干燥后的細(xì)菌纖維素在水中的再溶脹能力與棉短絨相當(dāng)。

2.良好的生物相容性和生物可降解性

由于細(xì)菌纖維素是由微生物代謝產(chǎn)生的，因此其具有良好的生物相容性。此外，因為細(xì)菌纖維素是一種純度較高的纖維素，更易與纖維素降解酶發(fā)生作用，同時在酸性及微生物存在的自然條件下也可以直接降解，所以具有良好的生物可降解性。

細(xì)菌纖維素能夠被人體組織接受，且在環(huán)境中可以生物降解，細(xì)菌纖維素可以在體內(nèi)被吸收和降解，對人體無毒副作用，且對環(huán)境友好。

3.高抗張強(qiáng)度和彈性模量

細(xì)菌纖維素楊氏模量測量值高達(dá)15GPa，但理論值是其10倍，這一性能滿足了其作為醫(yī)用組織器官、醫(yī)用敷料及其他產(chǎn)品的基本要求。彈性模量為一般植物纖維素的數(shù)倍至十倍以上，并且抗張強(qiáng)度高。

4.高化學(xué)純度和高結(jié)晶度

細(xì)菌纖維素是一種純度較高的纖維素，與植物纖維素相比不含木質(zhì)素、果膠、半纖維素和其他細(xì)胞壁成分，這使得它比植物來源的纖維素更加純凈。纖維素含量高達(dá)95%以上，提純過程簡單。細(xì)菌纖維素的結(jié)晶度高達(dá)95%以上，也有高的聚合度(DP值2 000～8 000)，高于天然植物纖維，植物纖維素的為65%。

5.生物合成時具有可調(diào)控性

生物合成細(xì)菌纖維素時具有可調(diào)控性，可以改變菌體的生長空間，改變微纖絲的分布進(jìn)而得到理想的模型形狀。同時，當(dāng)采用不同培養(yǎng)條件時，可以制備出形狀、大小、厚度和性質(zhì)各不相同的細(xì)菌纖維素。

6.超精細(xì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

由直徑3-4納米的微纖組合成40-60納米粗的纖維束，并相互交織形成發(fā)達(dá)的超精細(xì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。不同于植物纖維素，細(xì)菌纖維素的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加精細(xì)，具有更高的比表面積和孔隙度。

7.生物活性

細(xì)菌纖維素具有生物活性，可以作為生物醫(yī)學(xué)材料。

二、細(xì)菌纖維素在一些領(lǐng)域廣泛用途

細(xì)菌纖維素被公認(rèn)為是性能最好、實用價值也較好的纖維素，近年來關(guān)于細(xì)菌纖維素的研究和開發(fā)應(yīng)用成為當(dāng)今新的微生物合成材料的研究熱點之一，在食品、醫(yī)學(xué)、造紙、紡織、環(huán)保、能有等各方面具有廣泛的應(yīng)用價值，并已在國內(nèi)外得到了一定的實際應(yīng)用。

1.醫(yī)用材料中的應(yīng)用

由于具有高持水性、透氣性好、良好的生物相容性、較好的力學(xué)性能、濕態(tài)時高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的液體和氣體透過性以及抑制皮膚感染，在醫(yī)用敷料產(chǎn)業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景，細(xì)菌纖維素可作為人造皮膚用于傷口的臨時包扎。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，它可以替代一些傳統(tǒng)的醫(yī)用材料，如繃帶、紗布、創(chuàng)可貼和敷料等,可減少對傷口的刺激，有效緩解疼痛，加快傷口愈合等優(yōu)良性質(zhì)。

總之可用于制備傷口敷料、人造皮膚、藥物載體、人工血管、組織工程支架等，因其良好的生物相容性和促進(jìn)傷口愈合的特性。由于其本身無抗菌效果，也可以通過復(fù)合技術(shù)對細(xì)菌纖維素進(jìn)行修飾，賦予其良好的抗菌性能，使其在醫(yī)用敷料方面有更好的應(yīng)用前景。

2.在化妝品領(lǐng)域中的應(yīng)用

在化妝品領(lǐng)域可作為面膜材質(zhì)的介質(zhì)及化妝品中的懸浮劑、增稠劑及穩(wěn)定劑等。作為面膜、護(hù)膚品等個人護(hù)理產(chǎn)品的基礎(chǔ)材料，提供良好的保濕和貼膚效果。

3.在造紙工業(yè)中的應(yīng)用

日本在造紙工業(yè)中，將醋酸菌纖維素加入紙漿，可提高紙張強(qiáng)度和耐用性，同時解決了廢紙回收再利用后，紙纖維強(qiáng)度大為下降的問題。部分紙張生產(chǎn)可以使用細(xì)菌纖維素替代傳統(tǒng)的木漿或其他纖維素材料。

4.在食品工業(yè)中的應(yīng)用

由于細(xì)菌纖維素具有很強(qiáng)的親水性、黏稠性和穩(wěn)定性，可作為食品成型劑、增稠Chemicalbook劑、分散劑、抗溶化劑、改善口感作為腸衣和某些食品的骨架，已成為一種新型重要的食品基料和膳食纖維。也可當(dāng)做食品添加劑，因細(xì)菌纖維素不溶于水，可以防止便秘、預(yù)防齲齒等。

5.在包裝材料領(lǐng)域中的應(yīng)用

細(xì)菌纖維素可用于可降解包裝材料，替代傳統(tǒng)的石油基塑料包裝。作為穩(wěn)定劑、增稠劑、凝膠劑使用，也可用于制作新型食品包裝材料，如肉制品的定型膜、水果保鮮膜等。

6.在高級音響設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用

高級音響設(shè)備振動膜 醋酸菌纖維素的高純度、高結(jié)晶度、高聚合度及分子高度取向的特性，使其具有優(yōu)良的力學(xué)性能。經(jīng)熱壓處理后，楊氏模量可達(dá)30吉帕，比有機(jī)合成纖維的強(qiáng)度高4倍，可滿足當(dāng)今頂級音響設(shè)備聲音振動膜材料所需的對聲音振動傳遞快、內(nèi)耗高的特性要求。

7.在環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用

環(huán)保技術(shù)，應(yīng)用于廢水處理，作為高效的吸附劑或生物膜載體。如應(yīng)用細(xì)菌纖維素膜吸附或者過濾去除廢水中的諸多重金屬離子等方面的研究也取得顯著成效。由于其高楊氏模量及形狀維持能力，將來也可以用在建材方面，增加穩(wěn)定性。

8.在紡織與材料科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

細(xì)菌纖維素的分子結(jié)構(gòu)類似于植物纖維素，并具有優(yōu)于植物纖維素的高拉伸強(qiáng)度、高的孔隙率和納米纖維狀結(jié)構(gòu)等獨特性質(zhì)，因此可改善原產(chǎn)品的不足或者制備出性能更優(yōu)的紡織品。利用細(xì)菌纖維素代替植物纖維素具有巨大的經(jīng)濟(jì)價值，不僅可以充分利用工業(yè)廢棄物，減少污染，而且可以縮短纖維素的生長周期，提高纖維素產(chǎn)量，實現(xiàn)纖維素的工業(yè)化生產(chǎn)。

紡織與材料科學(xué)，制造高級無紡布、高強(qiáng)度復(fù)合材料、納米纖維材料，以及光學(xué)透明膜等。

9.在電磁性材料領(lǐng)域中的應(yīng)用

因纖維素高反射率、彈性和尺寸穩(wěn)定性使其適合作為信息顯示的媒介，如用細(xì)菌纖維素制作“電子紙”進(jìn)而制成電子液晶屏，可以潛在地用于電子傳感器、信息儲存、電子屏蔽涂層及防偽等領(lǐng)域。此外，細(xì)菌纖維素的納米結(jié)構(gòu)、高孔隙率也使其適合作為基質(zhì)制備吸附和運(yùn)輸性能的質(zhì)子導(dǎo)電膜和有機(jī)發(fā)光二極管，可應(yīng)用于生物傳感器、生物燃料電池等領(lǐng)域。

10.在建材領(lǐng)域中的應(yīng)用

由于其高楊氏模量及形狀維持能力，將來也可以用在建材方面，增加穩(wěn)定性。

三、細(xì)菌纖維素生產(chǎn)工藝

細(xì)菌纖維素的生產(chǎn)工藝主要包括細(xì)菌培養(yǎng)、發(fā)酵過程、收獲與清洗和干燥與后處理等步驟。其中，菌種選擇與培養(yǎng)是關(guān)鍵步驟之一，需要選擇適當(dāng)?shù)募?xì)菌種類和培養(yǎng)條件，以獲得高產(chǎn)量和高質(zhì)量的細(xì)菌纖維素。

1.菌種選擇與培養(yǎng)

首先選用能夠高效合成纖維素的菌種，如木葡糖醋桿菌，通過優(yōu)化培養(yǎng)基配方，在適宜的溫度、pH值及通氣條件下進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)。通過靜態(tài)培養(yǎng)和動態(tài)培養(yǎng)等不同的方法，利用醋酸菌等微生物發(fā)酵產(chǎn)生細(xì)菌纖維素。

2.發(fā)酵過程

將選定的菌株接種到含有適量碳源（如葡萄糖、果糖等）的液體培養(yǎng)基中，細(xì)菌通過代謝途徑將碳源轉(zhuǎn)化為纖維素，并持續(xù)沉積在培養(yǎng)液表面形成纖維素膜。

3.收獲與清洗

當(dāng)纖維素膜積累到一定厚度后，通過物理方法將其從培養(yǎng)液中分離出來，然后進(jìn)行清洗以去除殘余的培養(yǎng)基和其他雜質(zhì)。

4.干燥與后處理

根據(jù)應(yīng)用需求，干燥細(xì)菌纖維素膜至所需水分含量，并進(jìn)行進(jìn)一步的加工處理，如切割、壓延、涂覆、復(fù)合等，制成不同形態(tài)和規(guī)格的產(chǎn)品。

綜上所述，細(xì)菌纖維素以其獨特的特性和多樣的用途，除了用作高附加值的醫(yī)用材料、多功能紡織品、功能性食品和電磁性材料，細(xì)菌纖維素在環(huán)境工業(yè)領(lǐng)域等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。同時，通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝，可以實現(xiàn)細(xì)菌纖維素的大規(guī)模生產(chǎn)和性能改進(jìn)，以滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

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