細菌纖維素在造紙工業中的應用

湯衛華 賈士儒 王 芃 殷海松

(1.天津現代職業技術學院生物化工系，天津，300350;2.天津市工業微生物重點實驗室，天津，300457)

細菌纖維素(Bacterial Cellulose，BC)是由某些細菌(主要是木醋桿菌，Acetobacter xylinum)在靜置條件下培養，在培養基表面產生的白色纖維狀物質［1］。細菌纖維素的化學性質和植物纖維的相同，但在以下2個方面存在差異:①細菌纖維素由于不含其他多糖［2］，純度很高，而植物纖維含有半纖維素和木質素等;②細菌纖維素橫斷面的直徑約為植物纖維的1/100～1/10［3］(見圖1)。細菌纖維素的結晶度和純度高，抗張強度、彈性模量均較大，生物相容性好［4-5］，是造紙工業中很有應用潛力的一種新型生物材料。細菌纖維素是一種天然的、良好的紙張增強材料，可改善紙張性能，也可進一步用于開發特種紙。在漿料中添加一定量的細菌纖維素，可提高漿料中固體添加劑的留著率及成紙的透氣度、撕裂度等。

細菌纖維素的作用主要表現在以下2個方面［6］:①在漿料中添加少量的細菌纖維素，植物纖維可與細菌纖維素形成氫鍵連接，即植物纖維-細菌纖維素-植物纖維，增加植物纖維間的結合點數，從而提高成紙強度;②當添加量較高時，細菌纖維素主要起阻塞和填充作用，因為細菌纖維素會附著在植物纖維表面，從而影響植物纖維間的結合。

圖1 植物纖維和細菌纖維素的掃描電鏡照片

1 細菌纖維素用于紙張性能的改善

徐千等［6］研究發現，在植物纖維(針葉木漿與闊葉木漿質量比為20∶80)中添加3%(對絕干漿質量，下同)的細菌纖維素，紙張的抗張指數、撕裂指數、耐破指數及耐折度分別提高了 22.4%、16.1%、17.9%、44.7%。修慧娟等［7］研究發現，將經過機械勻漿處理后的細菌纖維素添加到針葉木漿纖維中能顯著提高成紙的物理強度。許春元［8］以植物纖維(或再生纖維)和細菌纖維素為原料制得的紙張具有強度高、防水性能好等優點。

Barbara等［9］通過3種方式改善紙張性能:①在含有樺木或松木漿的培養基中培養木醋桿菌并產生細菌纖維素;②添加適度分散的細菌纖維素于不同的漿料中;③將細菌纖維素膜平鋪在樺木或松木濕紙幅上并干燥。通過對成紙強度的測定發現，前2種方法制得的紙張的機械強度均高于第3種方法。

細菌纖維素可改善紙張的印刷適性。羅先毅等［10］研究發現，在麥草漿中加入3%的細菌纖維素，得到的紙張表面強度、平滑度、光澤度、表面效率(紙張的表面效率是指由于紙張的吸收性和光澤度而影響油墨顏色效果的綜合效應)分別提高了4.3%、87.9%、36.9%、4.4%。

劉忠等［11］研究了將細菌纖維素作為紙張添加劑對紙質振膜性能的影響。當細菌纖維素添加量為8%時，紙質振膜的抗張指數和彈性模量大大提高。

廢紙纖維由于長度和機械強度低，限制了其應用范圍，但可以將細菌纖維素摻入到廢紙纖維中，制造新的高強度復合材料。這為廢紙找到了回收利用的新途徑［12］。

2 細菌纖維素用于特種紙的制備

在靜置培養和搖瓶培養條件下，由發酵木醋桿菌TISTR 976產生的細菌纖維素的濕強度保留率分別為124.2%和25.7%，阻燃值也較高。采用這2種方式生產的細菌纖維素均可用于制備羊皮紙［13］。Mormino等［12］在木醋桿菌培養基中加入植物纖維，通過旋轉生物反應器來生產細菌纖維素，該生物反應器能將植物纖維嵌入到細菌纖維素膜中，從而制得復合材料，該復合材料可提高細菌纖維素的強度和韌性。制得的紙張雖然比普通紙張價格更高，但可用于柔韌度要求高的特殊領域，如用于羊皮紙和鈔票紙的制備等。

Basta等［14］采用6-磷酸葡萄糖和葡萄糖作為碳源制備了阻燃性細菌纖維素——磷酸-細菌纖維素(PCBC)，并將其用于造紙。與單獨使用6-磷酸葡萄糖相比，采用6-磷酸葡萄糖協同葡萄糖能夠大幅提高PCBC的產量。與添加細菌纖維素相比，添加5%(對絕干漿質量)的PCBC能明顯提高紙張強度、阻燃性及高嶺土留著量。PCBC可用于制備特種紙。

Ricardo等［15］研究了細菌纖維素在防偽紙中的應用。通過原位纖維合成或聚電解質輔助沉積法，使含金納米粒子附著于植物纖維或細菌纖維素中，制備復合材料。該復合材料的光學特性不僅與納米粒子的特性有關，還與纖維素的種類有關。這類復合材料的化學性能和光學性能較穩定，其在防偽紙中的應用具有很大的吸引力。

3 細菌纖維素用于“電子紙”的制備

“電子紙”(Electronic papers)是一種類似紙張的電子顯示器。與其他顯示器相比，具有與紙張類似的性能，如清晰度高，顯示屏輕、薄且可彎曲等［16］。基于細菌纖維素具有反射率和對比度高等特點，Shah等［17］利用離子沉積法在細菌纖維素膜上制備導體或半導體材料，然后再進行導電將離子固定在細菌纖維素膜上，在提高細菌纖維素膜的導電性能后，采用標準背板或平面驅動電路，以細菌纖維素作為底板制備了清晰度和分辨率高的顯示器。該顯示器在電子書、電子報紙、動態墻紙、可擦寫地圖的領域中具有應用潛力。

4 展望

細菌纖維素是一種極具潛力的新型生物材料，在改善紙張性能、制備特種紙和“電子紙”等方面都具有很好的應用前景。目前，細菌纖維素的產量較低、生產成本較高，這阻礙了細菌纖維素在造紙工業中的大規模應用。為加快細菌纖維素在造紙工業中的商業化進程，首先需結合分子生物學及遺傳學所取得的進步來構建穩定的高產菌株;其次要創建一種能同時進行靜置和深層培養的生物反應器，用富含碳源的工業廢料來代替價格昂貴的培養基，以降低細菌纖維素的生產成本。

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