第１９卷第３期　２０１１年３月　纤维素科学与技术　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＶｏＩ．Ｉ９　Ｎ０．３　Ｓｅｐｔ．２０１１　

文章编号：１００４—８４０５（２０１　１）０３．００６８—１０　

细菌纤维素发酵原料的研究进展　

谢健健　，　洪枫　，　木　

（１．东华大学化学化工与生物工程学院微生物工程与工业生物技术研究组　

２．生态纺织教育部重点实验室，上海２０１６２０）　

摘要：细菌纤维素是一种新型微生物合成材料，在食品、造纸、纺织、生物医药、　声学器材振动膜和功能复合材料等方面均有很好的应用前景。细菌纤维素发酵培养　基（尤其碳源）的成本是现今制约细菌纤维素推广应用的主要因素之一。甘露醇、　果糖和葡萄糖等合成培养基所用碳源因其价格较高仅适用于实验室研究和小型发酵　生产，规模化生产细菌纤维素的潜在原料应是一些量大价低的天然原料，包括水果　类原料、糖质原料、低值淀粉类原料和废弃纤维素类原料等。木质纤维素原料是最　具发展潜力的细菌纤维素碳源，也是细菌纤维素产业的根本出路，但目前存在一些　技术瓶颈，制约了其开发利用，是一远期战略目标。文章简要介绍了细菌纤维素的　基本情况，系统阐述了国内外发酵生产细菌纤维素原料的研究进展，展望了今后的　发展趋势。　关键词：细菌纤维素；原料；碳源；发酵培养基　中国分类号：Ｑ８１５；ＴＱ３５２　文献标识码：Ａ　

细菌纤维素（Ｂａｃｔｅｒｉａｌ　Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ，简称ＢＣ）又称微生物纤维素（Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ　Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ），　

是一种主要由细菌产生的具有生物可降解的天然纳米结构高分子材料，近年来成为国内外生　物材料研究的热点之～。细菌纤维素自１８８６年被Ｂｒｏｗｎ发现至今已有一百多年的历史，但　

由于其生产成本高及对其物理化学特性认识了解不足，以至于其应用受到一定的局限。近几　

十年来，随着人们对细菌纤维素生物合成机制的深入研究以及发酵技术的进步，细菌纤维素　的工业应用正日益广泛。在美国、日本、德国等发达国家，细菌纤维素产业已初步形成年产　值上亿美元的市场，进入食品、造纸、医药、声学器材、纺织、化工等行业。我国除了在食　

品领域，其它方面的研究开发仍处于起步阶段，国内从事细菌纤维素生产和应用的企业在数　量、规模以及技术含量上都远远不及日欧美等国外企业。　

迄今，已有许多文章对细菌纤维素的研究和生产领域进行了较全面论述，如波兰学者　

收稿日期：　基金项目：　

作者简介：　２０１１－－０８．－０２　上海市科学技术委员会资助项目（０８５２０７５０２００，０８５２ｎｍ０３５００）；上海市教育委员会科研创新　项目（０９ＺＺ６８）；中央高校基本科研业务费专项资金重点项目；生态纺织教育部重点实验室开　放课题（Ｅｃｏ．ｏｐ－２００９．０９）。　谢健健（１９８６～），女，浙江绍兴人，生物化工专业硕士研究生；主要从事细菌纤维素的低成本　制备及应用。　通讯作者：洪枫，教授，博士生导师。ｆｈｏｎｇ＠ｄｈｕ．ｅｄｕ．

ｃｎ　第３期　谢健健等：细菌纤维素发酵原料的研究进展　６９　

Ｂｉｅｌｅｃｋｉ等［１】的论著总结得较全面，波兰和美国的Ｃｚａｊａ等【２Ｊ和德国学者Ｋｌｅｍｍ等【３】分别概　述了细菌纤维素在生物医学方面的应用并进行了展望，加拿大的Ｓａｎｉ和Ｄａｈｍａｎ［４ｌ￣，０比较了　

不同生产方式的优缺点及需要改进的地方，这对于提升细菌纤维素的产量、促进其商业化具　有重要意义。国内刘四新和李从发【５Ｊ全面系统地介绍了细菌纤维素的物理性质、生物合成机　

理、生产现状及应用，具有较强的理论和实践指导意义。孙东平和杨加志也编著了一本侧重　于细菌纤维素改性及其在功能材料中应用的书【６Ｊ。　

细菌纤维素和植物纤维素在化学组成和结构上没有明显的区别，是由Ｂ一１，４．葡萄糖苷键　连接而成的线型高分子化合物，相邻的吡喃葡萄糖的六个碳原子不在一个平面上，而是呈稳　

定的椅式立体结构。细菌纤维素纤维的直径远小于其它天然和人工纤维，约为２０＂－－－８０　ｎｎｌ，　属于天然纳米纤维材料。细菌纤维素有着植物纤维素所没有的许多特点：Ｉ）高结晶度和高　

化学纯度；２）高抗张强度和弹性模量；３）很强的水结合性；４）极佳的形状维持能力；５）　较高的生物相容性和适应性；６）生物合成时形状和性能的可调控性，可制备成膜、管、絮　

状、球形或颗粒等形状。能够产生纤维素的微生物主要有九个属，但真正能够大批量生产细　菌纤维素的只有醋酸菌属中的几个种，其中木葡糖酸醋杆菌（Ｇｌｕｃｏｎａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｘｙｌｉｎｕｓ，原　

名木醋杆菌，Ａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｘｙｌｉｎｕｓ）是合成细菌纤维素能力最强的细菌【】】。不同的细菌纤维素　

产生菌所产的纤维素在微观结构和力学性能上略有差异。　

细菌纤维素作为一种新型生物材料受到科学和工业界的广泛关注，在多个领域得到了广　泛研究和应用。在食品行业，细菌纤维素通常作为膳食纤维【７】、食品增稠剂、成型剂和添加　剂Ｌ５Ｊ，在该行业的应用比较广泛和传统，技术门槛不高，同质化现象较为严重，大大阻碍了　

它的深入应用。在造纸工业，细菌纤维能很好地与植物纤维结合，具有良好的抄造特一ｔｔｌ［引，　

可用于纸张增强剂及特种纸制造。在纺织工业可以用于生产仿皮服装以及作为Ｌｙｏｃｅｌｌ等人　

造纤维的原料，为纺织工业的低碳可持续发展提供原料保障。在生物医药领域，由于细菌纤　

维素具有超微结构、独特的生物相容性及良好的机械韧性，因此在组织工程支架、人工血管、　人工皮肤和抗菌敷料［９】等方面具有诱人的应用前景，是当前国际生物医用材料研究的热点，　有部分研究成果已经应用于临床并取得成功［１０－１２］。在声学器材方面，细菌纤维素的高机械强　

度可满足当今顶级音响设备振动膜所需的对声音振动传递快和内耗高的特性要求。日本的　

Ｓｏｎｙ和Ａｊｉｎｎｏｍｏｔｏ公司已经共同研发了用细菌纤维素制造的高级音响、麦克风和耳机用振　动膜。　

细菌纤维素作为一种用途十分广泛的生物材料，已显示出无限商机和美好的发展前景，　几千年来人类依赖植物纤维素的历史终将被改变。目前，由于存在着产量较低和生产成本较　高的问题，极大地制约了它的工业化推广应用，因此许多研究集中在如何降低其生产成本上。　

细菌纤维素发酵成本在很大程度上取决于培养基，尤其是碳源，故寻找廉价高效的培养基原　料是细菌纤维素发展的方向之一。为此本文系统阐述了国内外有关生产细菌纤维素的发酵原　

料的一些研究进展，并展望了今后的发展趋势。　

１　纯糖碳源发酵生产细菌纤维素　

细菌纤维素的发酵生产主要采用两类培养基，一类是合成或半合成培养基，一类是天然　

培养基。合成或半合成培养基使用的碳源主要有甘露醇、果糖、葡萄糖等单糖或者蔗糖和麦　７０　纤维素科学与技术　第１９卷　

芽糖等二糖以及它们的混合糖。Ｒａｍａｎａ等Ｅｌ３］试验了不同碳源和氮源对木醋杆菌产细菌纤维　

素的影响，其中葡萄糖、蔗糖、甘露醇为碳源较好。而硫酸铵、蛋白胨、谷氨酸钠、干酪素　水解物、甘氨酸、大豆粉等氮源与这三种碳源分别组合，发现产量差别很大，葡萄糖与干酪　素水解物组合时产量最高。马霞等　刮以葡萄糖、果糖和蔗糖以及它们的两两混合物（１：１　

ｇ）为碳源，发现以葡萄糖＋果糖为唯一碳源时细菌纤维素产量最高（２．５　Ｌ），而以葡萄　糖为唯一碳源时的产量为２．１　ｇ／Ｌ，以蔗糖为唯一碳源时的产量最低（１．０　ｇ／Ｌ）。薛璐等　用　

自行筛选的醋杆菌Ｃ２对葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、半乳糖、山梨糖、甘露醇、　

乙醇、乙酸、可溶性淀粉这１１种碳源进行发酵，结果表明甘露醇、蔗糖和果糖为碳源时纤　维素产量较高；以甘露醇为碳源时，纤维素的产量最高可达４．２　ｇｍ。Ｍｉｋｋｅｌｓｅｎ等　叫研究了　

甘露醇、丙三醇、葡萄糖、果糖、蔗糖以及半乳糖等不同碳源对纤维素合成的影响，发现不　

同碳源会影响纤维素的产率，但在纤维素膜的纯度、结晶度、分子量和微结构等方面无显著　影响，在纤维素收获前１２　ｈ内蔗糖和甘油能较快获得较高的产率，４天后获得的产量分别达　

到３．８３和３．７５　ｇｍ，甘露醇、果糖或葡萄糖得到的产率比较稳定，４天后产量都大于２．５　Ｌ。　利用合成或半合成培养基发酵细菌纤维素的国内外研究结果比较一致，单一碳源以甘露醇和　甘油发酵效果较好，复合碳源的效果比单一碳源要好。但这类碳源往往纯度高、价格贵，不　

适于细菌纤维素工业化大规模生产。　

２天然培养基生产细菌纤维素　

天然培养基一般是以工农业生产的剩余物、食品加工废弃物以及含糖量较高的果蔬等农　

副产品为原料。目前常用的培养基包括水果类原料、糖质原料、淀粉类原料和纤维素类原料　等几种，尤其以水果类原料为多。这类原料量大而价廉，可能是降低细菌纤维素生产成本的　

有效途径。　

２．１　以水果类原料生产细菌纤维素　

水果中含有大量糖类、蛋白质和各种微量元素，同时水果成熟时间较集中、保存时间较　短，采摘运输不及时会大批量腐烂变质。利用这些在特定区域供应丰富、价格低廉的水果类　

原料生产细菌纤维素由来已久，最传统的是用椰子水或椰子汁发酵生产的食品叫“椰果”、　“椰纤果”或“纳塔”。　

２．１．１　以椰子水生产细菌纤维素　椰子水是椰子加工的副产物，营养丰富又无需榨汁工序，是生产细菌纤维素的优质原料，　菲律宾等东南亚国家最早利用该原料，我国的海南省以椰子水为培养基发酵生产细菌纤维素　也已十余年，产生了良好的经济效益。华南热带农业大学刘四新等【”】研究了一株醋酸杆菌　

在椰子水培养液中发酵产生纳塔的适宜工艺条件，５０％椰子水加一些无机盐，补加蔗糖至　７％，ｐＨ　４．０，在５００　ｍＬ烧杯中３０￣Ｃ静置培养ｌ６天后最高可收获湿重１８２　ｇ（含水率９５．１４％）　和３－３　ｃｍ厚的纳塔。Ｊ、一东轻工职业技术学院的邓毛程等【１　８Ｊ利用酵母与醋酸菌的共生关系，　

在椰子水中加入酵母发酵滤液作为培养基进行木醋杆菌的高纤椰果发酵，研究发现，酵母发　酵滤液培养基对高纤椰果发酵产量的提高具有促进作用，当酵母发酵１４　ｈ、乙醇浓度为２．０％、　初始ｐＨ　６．０时，发酵１０天后干纤维素产量最高可达１７．４８　。海南大学的王志国等［Ｉ　９ｌ

将不　第３期　谢健健等：细菌纤维素发酵原料的研究进展　７ｌ　

同发酵处理的椰子水制备成培养基，结果表明椰子水经２０＂Ｃ、敞口放置和自然发酵２０天后　最适于生产细菌纤维素，在补加蔗糖至４％时产量可达２．６８　ｇ／Ｌ以上，敞口条件下发酵的椰　子水更有利于生产细菌纤维素，产量是密封发酵的椰子水的２倍。印尼的Ｂｕｄｈｉｏｎｏ等　ＵＪ和　ＲａｄｉｍａｎＥ　】利用椰子水生产细菌纤维素也获得了较好的效果。印度的Ｊａｇａｎｎａｔｈ等【２＿２Ｊ研究了　

ｐＨ、蔗糖、硫酸铵对椰子水发酵生产细菌纤维素的影响，结果表明发酵最佳条件是１０％蔗　

糖、０．５％硫酸铵和ｐＨ　４．０。　

２．１．２以其它水果汁生产细菌纤维素　

除椰子水外，其它水果如猕猴桃、柑橘、苹果、西瓜、菠萝、葡萄、番茄等也可作为碳　源发酵生产细菌纤维素，但这些研究均未进入工业化生产。湖北三峡学院的邵伟等【２＿ｊＪ以浓　

缩猕猴桃汁为原料，经过醋酸菌静置发酵培养１５天生产猕猴桃纳塔，获得湿重１５１．５　ｇ、厚　度２．８７　ｃｍ的纳塔。浙江省柑橘研究所冯先桔等【２４Ｊ结合当地柑橘“难卖”问题，将柑橘等低　

值、低质果汁代替椰子水生产纳塔，结果表明，５０％的柑橘汁、初始ｐＨ　４．０、２８￣３０℃静置　敞口培养１４天可获得最高产量为３．３３　ｇ／Ｌ（干重）和７６．８　ｇ／Ｌ（湿重）。青岛大学李静等　】　

利用西瓜汁发酵合成细菌纤维素，其最佳工艺为：种龄２４　ｈ，接种量８％，发酵培养基液面　

积与体积比１．０　ｃｍ－　，初始ｐＨ　５．５～６．０，培养温度３０℃，培养时间７天，纤维素干膜产量为　３．０４　ｇ／Ｌ。日本的Ｋｕｒｏｓｕｍｉ等【２　６Ｊ利用橘子、苹果、菠萝、梨、葡萄等水果作为碳源发酵生产　

细菌纤维素，结果表明橘子是最好的碳源，产量可达５．９　ｇ／Ｌ。　中国台湾在９０年代已开始利用热带岛屿水果多产的优势，利用新鲜水果发酵生产细菌　

纤维素。台湾地区对水果发酵生产细菌纤维素研究较早，研究人员较多。台湾东海大学的阎　立平教授利用风梨汁［２７］、风梨皮汁［２８］、杨桃渣［　和西瓜皮汁　。　发酵生产细菌纤维素。台湾　

大学的何佳伦［３１］以醋酸菌发酵柑桔汁生产细菌纤维素，静置培养７天可生成２７　ｇ（湿重）　

的纳塔。台湾大学的蔡祥吾［３２Ｊ以澄清苹果汁和椰汁经振荡培养生产球形细菌纤维素，以澄　

清椰汁培养的球形纤维素产量最高为１０６．６　ｇ／Ｌ（湿重），苹果汁产量次之，为７７．６　ｇ／Ｌ，合　

成培养基的最低，为９．２　ｇ／Ｌ，但澄清椰汁或苹果汁获得的球形纤维素大小均一性较差，而　以合成培养基获得的均一性较好。　

２．１．３　以混合水果汁生产细菌纤维素　不同水果汁按比例混合也是产细菌纤维素的一个研究方向。西北农林科技大学的袁亚宏　等【３３Ｊ通过调节椰子水和菠萝汁的配比、酸度和蔗糖添加量使椰果凝固成形周期由原来的　

１１～１２天缩短到５天。海南师范学院的韩向红等ｐ　］以西瓜汁、菠萝皮汁、黄豆浸汁及其与　椰子水的混合液作为培养基生产纳塔，结果表明西瓜皮汁所生产的纳塔产量为６．２４　ｇ／Ｌ，优　

于菠萝皮汁；不同比例椰子水混合培养基中，椰子水＋黄豆浸汁（４：１）和椰子水＋菠萝皮　汁（４：１）为佳，获得的纳塔干重分别为７．５５　ｇ／Ｌ和８．１３　ｇ／Ｌ，明显高于仅椰子水获得的产　

量。国内外报道的采用不同水果原料混合后替代椰子水培养基，在一些地区价格比椰子水培　

养基低，对于生产和推广细菌纤维素具有积极意义。　

２．２以糖质原料为碳源生产细菌纤维素　

糖质原料主要指糖蜜等副产品，以及甘蔗、甜菜、甜高粱和菊芋等含糖能源作物。国外　

较多采用糖蜜生产细菌纤维素以降低生产成本。糖蜜是制糖工业的副产品，化学组成因制糖