細(xì)菌纖維素的特性、用途與生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)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(lái)國(guó)際上新型生物醫(yī)學(xué)材料的研究熱點(diǎn)。

一、細(xì)菌纖維素（BC）簡(jiǎn)介及具有許多獨(dú)特的特性

細(xì)菌纖維素（Bacterial cellulose，簡(jiǎn)稱BC）是由微生物發(fā)酵合成的多孔性網(wǎng)狀納米級(jí)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(dú)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(dú)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(dú)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(duì)液體和氣體的高透過(guò)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(lái)國(guó)際上新型生物醫(yī)學(xué)材料的研究熱點(diǎn)。

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(guò)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?yàn)榧?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(shí)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(duì)人體無(wú)毒副作用，且對(duì)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(cè)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(lái)源的纖維素更加純凈。纖維素含量高達(dá)95%以上，提純過(guò)程簡(jiǎn)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(shí)具有可調(diào)控性

生物合成細(xì)菌纖維素時(shí)具有可調(diào)控性，可以改變菌體的生長(zhǎng)空間，改變微纖絲的分布進(jìn)而得到理想的模型形狀。同時(shí)，當(dāng)采用不同培養(yǎng)條件時(shí)，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(shí)用價(jià)值也較好的纖維素，近年來(lái)關(guān)于細(xì)菌纖維素的研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用成為當(dāng)今新的微生物合成材料的研究熱點(diǎn)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(jià)值，并已在國(guó)內(nèi)外得到了一定的實(shí)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(shí)高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的液體和氣體透過(guò)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(shí)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(duì)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(wú)抗菌效果，也可以通過(guò)復(fù)合技術(shù)對(duì)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(gè)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(shí)解決了廢紙回收再利用后，紙纖維強(qiáng)度大為下降的問(wèn)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(jí)音響設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用

高級(jí)音響設(shè)備振動(dòng)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(jí)音響設(shè)備聲音振動(dòng)膜材料所需的對(duì)聲音振動(dòng)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(guò)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(lái)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(dú)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(jià)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(zhǎng)周期，提高纖維素產(chǎn)量，實(shí)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(jí)無(wú)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(chǔ)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)靜態(tài)培養(yǎng)和動(dòng)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(guò)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(guò)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(guò)物理方法將其從培養(yǎng)液中分離出來(lái)，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(dú)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(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)工藝，可以實(shí)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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