Bacterial Cellulose 細菌纖維素 BC

Bacterial Cellulose 細菌纖維素 BC

細菌纖維素(Bacterial Cellulose，BC)是指在不同條件下，由醋酸菌屬(Acetobacter)、土壤桿菌屬(Agrobacterium)、根瘤菌屬(Rhizobium)和八疊球菌屬(Sarcina)等中的某種微生物合成的纖維素的統稱。

醋酸菌屬中的葡糖醋桿菌(Glucoacetobacter xylinum)，舊名木醋桿菌(Acetobacter xylinum)，它具有最高的纖維素生產能力，是研究纖維素合成、結晶過程和結構性質的模型菌株。

細菌纖維素的合成是通過大量多酶複合體系(纖維素合成酶，cellulose synthase，CS)精確調控的反應過程，首先是纖維素前體尿苷二磷酸葡萄糖(uridine diphoglucose，UDPGlu)的合成，然後寡聚CS複合物又稱末端複合(terminal complexe，TC)連續地將吡喃型葡萄糖殘基從UDPGlu轉移到新生成的多醣鏈上，形成-(1→4)-D-葡聚醣鏈，並穿過外膜分泌到胞外，最後經多個葡聚醣鏈裝配、結晶與組合形成超分子織態結構。

人們早在古代就已經發現還有細菌纖維素的物質，如在《齊民要術》中就有在食醋釀製過程中發酵液表面形成凝膠狀菌膜的記載。

1976年，布朗(RM Brown)及其合作者首次描述了纖維素生物合成過程中醋酸菌的運動。25℃下細胞在合成和分泌纖維素微纖維時的移動速率為2.0微米/分，相當於每個細菌每小時把108個葡聚醣分子連接到-(1→4)-D-葡聚醣鏈上。當亞纖維素聚合成束或帶時形成反驅動力，推動細菌朝反方向運動。由細菌合成纖維素是一個低能耗的綠色過程，其以無毒的水溶性D葡萄糖為碳源，通過靜態培養在培養基液體與空氣界面之間由無病原的醋酸菌生產出纖維素。在纖維素的生物合成過程中，醋酸菌的運動控制了所分泌的微纖維的堆積和排列。通常醋酸菌在培養液中在三維方向的自由運動，形成高度發達的精細網絡織態結構。

特性：細菌纖維素和植物或海藻產生的天然纖維素具有相同的分子結構單元，但細菌纖維素纖維卻有許多獨特的性質。
1.細菌纖維素與植物纖維素相比無木質素、果膠和半纖維素等伴生產物，具有高結晶度(可達95%，植物纖維素的為65%)和高的聚合度(DP值2 000～8 000)；
2.超精細網狀結構。細菌纖維素纖維是由直徑3～4納米的微纖組合成40～60納米粗的纖維束，並相互交織形成發達的超精細網絡結構；
3.細菌纖維素的彈性模量為一般植物纖維的數倍至十倍以上，並且抗張強度高；
4.細菌纖維素有很強的持水能力(water retention values，WRV)。未經乾燥的細菌纖維素的WRV值高達1000%以上，冷凍乾燥後的持水能力仍超過600%。經100℃乾燥後的細菌纖維素在水中的再溶脹能力與棉短絨相當；
5.細菌纖維素有較高的生物相容性、適應性和良好的生物可降解性；
6.細菌纖維素生物合成時的可調控性。

培養方法：採用不同的培養方法，如靜態培養和動態培養，利用醋酸菌可以得到不同高級結構的纖維素。通過調節培養條件，也可得到化學性質有差異的細菌纖維素。例如，在培養液中加入水溶性高分子如羧甲基纖維素、半纖維素、殼聚醣、熒光染料以及葡聚醣內切酶等可獲得不同微結構和聚集行為的纖維，而羧甲基纖維素或羧甲基甲殼素的導入使細菌纖維素具有了吸收和交換金屬離子的特性。此外，改變不同葡萄糖衍生物碳源，可控制微纖維的納米尺寸。運用不同的模型，可形成各種形狀的功能材料。

商業應用：細菌纖維素形成獨特的織態結構，並因“ 納米效應 ”而具有高吸水性和高保水性、對液體和氣體的高透過率、高濕態強度、尤其在濕態下可原位加工成型等特性。高純度和優異的性能使細菌纖維素纖維可在特殊領域廣泛應用。

在醫用材料中的應用由於良好的生物相容性、濕態時高的機械強度、良好的液體和氣體透過性以及抑制皮膚感染，細菌纖維素可作為人造皮膚用於傷口的臨時包紮。Biofill和Gengiflex就是兩個典型的細菌纖維素產品，已廣泛用作外科和齒科材料。對於二級和三級燒傷、潰瘍等，Biofill已被成功地用作人造皮膚的臨時替代品。Gengiflex用於齒根膜組織的恢復。基於細菌纖維素的原位可塑性設計出的一種新型生物材料BASYC可望在顯微外科中用作人造血管。

在食品工業中的應用由於細菌纖維素具有很強的親水性、黏稠性和穩定性，可作為食品成型劑、增稠劑、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。如傳統發酵工藝中，由醋酸菌純種培養或醋酸菌和其他微生物混合培養，可產生含有豐富纖維素的發酵食品。“Nata de coco”就是用醋酸菌和米粉糖發酵後製成的甜點食品，是日本目前30種頗受歡迎的食品之一。

在造紙工業中的應用日本在造紙工業中，將醋酸菌纖維素加入紙漿，可提高紙張強度和耐用性，同時解決了廢紙回收再利用後，紙纖維強度大為下降的問題。加細菌纖維於普通紙漿可造出高品質特殊用紙。Ajinomoto公司與三菱公司合作開髮用於流通貨幣製造的特級紙，印製的美元質量好、抗水、強度高。用細菌纖維改性的高級書寫紙吸墨均勻性、附著性好。由於納米級超細纖維對物體極強的纏繞結合能力和拉力強度，使細菌纖維機械勻漿後與各種相互不親和的有機、無機纖維材料混合製造不同形狀用途的膜片、無紡布和紙張產品十分牢固。在製造過濾吸附有毒氣體的碳纖維板時，加入醋酸菌纖維素，可提高碳纖維板的吸附容量，減少紙中填料的洩漏。　　高級音響設備振動膜醋酸菌纖維素的高純度、高結晶度、高聚合度及分子高度取向的特性，使其具有優良的力學性能。經熱壓處理後，楊氏模量可達30吉帕，比有機合成纖維的強度高4倍，可滿足當今頂級音響設備聲音振動膜材料所需的對聲音振動傳遞快、內耗高的特性要求。日本Sony公司與Ajinomoto公司攜手開發了用醋酸菌纖維素製造的超級音響、麥克風和耳機的振動膜，在極寬的頻率範圍內傳遞速度高 ​​達5 000米/秒，內耗為0.04，複製出的音色清晰、宏亮。而目前的普通高級音響鋁製振動膜的傳遞速度為5 000米/秒，內耗為0.002。松木紙振動膜傳遞速度為500米/秒，內耗為0.04。醋酸菌纖維素振動膜的這個優異特性主要來自其極細的高純度纖維素組成的超密結構，經熱壓處理製成了具有層狀結構的膜，因而形成了更多氫鍵，使其楊氏模量和機械強度大幅度提高。