不同干燥方式對細菌纖維素復水性能的影響

鄭梅霞，肖榮鳳，陳梅春，陳燕萍，朱育菁

（福建省農業科學院農業生物資源研究所，福建 福州 350003）

0 引言

【研究意義】細菌纖維素（Bacterial cellulose，BC）是一種具有三維網絡結構的新型生物材料，以其良好的生物相容性、生物可降解性、生物適應性以及高持水性、高結晶度、高彈性模量和高拉伸強度等獨特的理化性能（尤其是優異的持水性能和吸水性能）廣泛應用在于食品、醫藥和工業等領域[1?3]。【前人研究進展】產細菌纖維素的細菌常見的有醋酸菌屬[4?5]、根瘤菌屬[6]和土壤桿菌屬[7]等。其中，木葡糖酸醋桿菌因其較高的BC 產量而被廣泛應用于研究生產，并作為模式菌株[8]。目前的干燥方法有很多，其中，熱風干燥方式具有操作簡便、設備成熟、不受氣候條件影響、成本低、適合大規模批量生產的優點[9]。真空冷凍干燥方式是目前較好的食品加工干燥方式之一，能最大限度地保留農產品營養成分及可有效保持農產品的色香味形，幾乎可以對所有的農產品進行加工[10]。微波真空干燥方式綜合了微波干燥方式和真空干燥方式的優點，使物料在低溫條件下均勻快速地干燥，干燥速度快、品質高，具有高效節能、加熱均勻、易控、產品質量好、經濟效益好等優點[11]。不同培養方式、菌株、培養基和干燥方法等對細菌纖維素的網絡結構影響較大，結構差異必將引起其性能和應用開發的差異[12?14]。馮勁等[2]用葡糖醋桿菌屬Gluconacetobacter intermedius所產的細菌纖維素比較了60 ℃烘箱干燥、?20 ℃冷凍結實后冷凍干燥、液氮冷凍結實后冷凍干燥這3 種干燥方式，發現第3 種的干燥方法獲得的BC 復水性能最好。羅倉學等[14]研究表明木醋桿菌Acetobacter xylinum所產的細菌纖維素經過熱風干燥、微波干燥、梯度升溫冷凍干燥和真空冷凍升華干燥等4 種干燥方式干燥后，經梯度升溫冷凍干燥的BC 復水性能最好。高含水量的細菌纖維素為其儲存、運輸和使用帶來極大的不便，而經干燥后的細菌纖維素吸水性大幅下降，有利于推廣應用于食品行業[14]。研究者們為了獲得溶脹性能好的BC，Lin 等[15]通過添加明膠增大BC 的溶脹性，Chen 等[16]通過添加凝膠肽改善BC 的溶脹性。【本研究切入點】不同的干燥方法會影響BC 的結構，改變BC 的物理性質[2]，引起復水性能差異[14]。不同干燥方法應避免BC 微纖維間氫鍵締合作用以提高其復水性能[17]。本研究將對本實驗室獲得的木葡糖酸醋桿菌Komagataeibacter xylinusFM883 所產的細菌纖維素進行研究。【擬解決的關鍵問題】本文研究采用熱風干燥、微波真空干燥和真空冷凍干燥等幾種不同的干燥方式對菌株FM883 所產的細菌纖維素進行干燥，并測試分析不同干燥方式的細菌纖維素樣品的吸水性能，為后續對BC 的產品研發提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

菌株FM883 為木葡糖酸醋桿菌K. xylinus，由本實驗室篩選，保藏在中國典型培養物保藏中心，保藏號為CCTCC M 2019127，基因登錄號是MW757206。葡萄糖為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司；硫酸鎂、磷酸氫二鉀和乙醇為分析純，購自西隴科學股份有限公司；酵母膏和瓊脂購自北京奧博星生物技術有限責任公司。

固體培養基：葡萄糖2%，酵母膏0.5%，K2HPO40.1%，MgSO41.5%，乙醇2%，瓊脂2%，pH 值自然。種子培養基和發酵培養基：葡萄糖2%，酵母膏0.5%，K2HPO40.1%，MgSO41.5%，乙醇2%，pH 值自然。

1.2 儀器設備

JSM-6380LV 掃描電子顯微鏡（日本JEOL 公司），Panasonic MDF-DU102VXL-PC 超低溫保存箱（日本松下健康醫療器械株式會社），STIK 低溫生物培養箱[施都凱儀器設備（上海）有限公司]，海爾冰箱（型號為BCD-532WDPT），VirTis 6KBTEL-85 冷凍干燥機（美國VirTis 公司），電熱恒溫隔水式培養箱GSKP-01BII（湖北省黃石市醫療器械廠），自組裝微波干燥機（由福建省農業科學院農業工程技術研究所提供）。

1.3 試驗方法

1.3.1 細菌纖維素的制備與純化 取一環在固體培養基上活化好的FM883 菌株接種入種子培養基中，150 r·min?130 ℃振蕩培養12 h。再以10%的接種量接入1000 mL 的發酵培養基中，30 ℃靜置培養7 d。取出細菌纖維素，用去離子水多次淋洗，再用0.1 mol·L?1NaOH 溶液煮至呈乳白色半透明狀，去除殘留的菌體和培養基。然后用去離子水反復淋洗后，用0.5%醋酸中和使細菌纖維素pH 值為7.0。

1.3.2 細菌纖維素的干燥

（1）熱風干燥：電熱恒溫鼓風干燥箱預熱70 ℃，將BC 放在箱內干燥，每隔30 min 取出BC 稱重，直至恒重，所得樣品為BC-DD70。

（2）熱風干燥：電熱恒溫鼓風干燥箱預熱50 ℃，將BC 放在箱內干燥，每隔30 min 取出BC 稱重，直至恒重，所得樣品為BC-DD50。

（3）微波真空干燥：微波爐爐內溫度設置為40 ℃，真空度為?0.08 MPa，微波功率2 KW，將BC 置于微波爐中干燥，每隔15 min 取出BC 稱重，直至恒重，所得樣品為BC-MVD。

（4）真空冷凍干燥：BC 先于?20 ℃凍結后，置于真空冷凍干燥機中，溫度?85 ℃，真空度16 Pa，干燥時間48 h，所得樣品為BC-FD20。

（5）真空冷凍干燥：BC 先于?80 ℃凍結后，置于真空冷凍干燥機中，溫度?85 ℃，真空度16 Pa，干燥時間48 h，所得樣品為BC-FD80。

1.3.3 形態觀察 觀察不同干燥方法獲得的細菌纖維素的外觀形態；通過電子掃描電鏡（SEM，JSM-6380LV，JEOL）檢測微觀結構，在15.0 kV 的低真空下用二次電子操作，SEM 檢查之前用Au 涂覆樣品。

1.3.4 細菌纖維素復水性能 將1 g 不同方法干燥所得細菌纖維素置于去離子水中37 ℃浸泡一定時間（1、2、4、6、8、26、28、32、48、50、51、53、55、103、144、150 和156 h），用濾紙擦干表面水分后稱重，記為細菌纖維素吸水后的濕重。根據公式（1）和（2）計算細菌纖維素的溶脹率Qt（%）和每克干細菌纖維素的復水量M（g）。

式中：Me是細菌纖維素吸水平衡時的質量（g）；M0是細菌纖維素干樣品的質量（g）；Qt是細菌纖維素在t時間的溶脹率（%）。

2 結果與分析

2.1 不同干燥方式細菌纖維素的外觀形態和微觀結構觀察

不同干燥方式處理的細菌纖維素的外觀差異很大，如圖1 所示。BC-DD70（圖1-a）和BC-DD50（圖1-b）細菌纖維素干燥收縮成表面平滑的紙片狀，具有一定的透光性。BC-MVD（圖1-c）細菌纖維素干燥后變為褐色紙片狀。BC-FD20（圖1-d）和BC-FD80（圖1-e）細菌纖維素干燥后呈白色海綿狀，較為松軟。

圖1 不同烘干方式烘干后的細菌纖維素的外觀形態Fig. 1 Appearances of dried BC samples

不同干燥方式處理的細菌纖維素表面的微觀結構如圖2 所示，BC-DD70 和BC-DD50 細菌纖維素的纖維排列較致密，形成大小各異的孔洞，而BCDD70 細菌纖維素的孔隙較BC-DD50 的更少。BCMVD 細菌纖維素的纖維排列最為致密，基本上沒有孔洞，因為微波場使極性水分子產生熱效應，水分子能夠滲透到纖維素非晶區及晶區表面，造成纖維分子鏈間氫鍵的斷裂，并與纖維素分子形成新的氫鍵，且微波可能會造成內部纖維素鏈的斷裂[11]。BCFD20 和BC-FD80 細菌纖維素形成層狀的三維空間纖維網絡結構，真空冷凍干燥是細菌纖維素在凍結狀態下干燥，水分透過BC 結構縫隙升華逸出，使干燥后的BC 仍能保持原有結構，但BC-FD20 和BC-FD80在局部纖維結構上略有不同，BC-FD20 的纖維帶寬度更寬。

2.2 不同干燥方式細菌纖維素的復水性能比較

BC-DD70、 BC-DD50、 BC-MVD、 BC-FD20 和BC-FD80 每克干細菌纖維素的吸水量分別為（18.12±0.18）、（33.74±0.24）、（8.05±0.15） 、（42.63±0.13） 和（43.79±0.19） g，而沒有干燥的細菌纖維素含水量達（75.11±0.11） g。BC-FD80 每克吸水的量達到還沒干燥的細菌纖維素的58.30%。而BCDD70 和BC-MVD 的吸水能力分別只達到2.41%和10.72%。BC-DD70、BC-DD50、BC-MVD、BC-FD20和BC-FD80 的復水量如表1 所示，復水量為BC-FD80＞BC-FD20＞BC-DD50＞BC-DD70＞BC-MVD，造成復水量差異的原因是不同干燥方式引起的細菌纖維素結構變化，如圖2 所示。不同干燥方式細菌纖維素的復水量存在顯著性差異，說明各種干燥方式對細菌纖維素的結構影響很大。不同干燥方式獲得細菌纖維素的溶脹率與復水量的變化趨勢一樣，也存在顯著性差異。

圖2 掃描電子顯微鏡下的細菌纖維素Fig. 2 SEM micrographs of dried BC samples by various dehydration methods

表1 不同干燥方法的細菌纖維素的吸水性能Table 1 Water absorption of dried BC samples

BC-DD70、BC-DD50、BC-MVD、BC-FD20 和BCFD80 在時間t時的溶脹率Qt如圖3 所示，細菌纖維素溶脹到平衡的時間較長，溶脹的速率快慢可分為0～10 h、10～60 h 和60～160 h 幾個階段。測試時，采取溶脹速度快時加密測試點；而當溶脹速率降低時，則加大測試時間間隔，以便增加次數間的質量差；臨近溶脹平衡時，加密測試幾個點，以質量基本穩定為測試終點。BC-FD20 和BC-FD80 的溶脹速率最高且變化幅度較大，在前60 h 復水過程中急劇增加，后趨于平緩，說明經過冷凍干燥的細菌纖維素吸水膨脹能力較強，復水較快。

圖3 細菌纖維素的溶脹率Fig. 3 Swelling rate of dried BC samples

未干燥（對照）和吸水后的細菌纖維素的外觀形態如圖4 所示。BC-FD80 和BC-FD20 吸水后能恢復一定厚度，形態與對照差別不大。BC-DD70 和BC-DD50 吸水后能恢復一點厚度，而BC-MVD 吸水后幾乎不能恢復厚度。其中，BC-DD70、BC-DD50和BC-MVD 內部的纖維緊密排列，空洞的空間較小，容納較少的水分子；BC-FD20 和BC-FD80 內部纖維松散，可容納大量水分子，也說明其內部纖維形成較少氫鍵，水分子易進入纖維內部，使BC-FD20和BC-FD80 吸水后幾乎恢復到沒被干燥的細菌纖維素的狀態，與馮勁等[2]的研究結果相一致。

圖4 細菌纖維素吸水后表觀效果Fig. 4 Morphology of rehydrated BC samples

2.3 不同干燥方式細菌纖維素的吸水速率和動力學分析

細菌纖維素的復水溶脹是一個極為復雜的過程，其吸附動力學過程可以用公式（3）和（4）進行描述[3]。

式中，Mt和Me是t時和吸水平衡時細菌纖維的質量（g）；M0是細菌纖維素干樣品的質量（g）；K是網絡結構參數，t是吸水時間；n是溶脹特征指數。n≤0.5，水的擴散屬于Fickian 擴散；0.5＜n＜1.0，水的擴散屬于non-Fickian 擴散；n≥1.0，水的擴散屬于大分子鏈松弛擴散。D是水在細菌纖維素中的擴散系數；h是樣品的厚度。

不同干燥方式細菌纖維素的吸水溶脹過程的溶脹特征指數n如表2 所示。n值＜0.5，說明水在細菌纖維素中的擴散屬于Fickian 擴散[3]，其擴散行為通過公式（5）進行考察，Qt與t0.5呈線性關系，如圖5所示。擬合直線的斜率k，根據公式（6）計算出水在細菌纖維素中的擴散系數，如表3 所示，擴散系數為BC-FD20＞BC-FD80＞BC-DD50＞BC-DD70＞BC-MVD，與復水性能結果一致，冷凍干燥方法優于其他2 種干燥方法。

表2 不同干燥方式細菌纖維素的吸水溶脹過程的溶脹特征指數Table 2 Rehydration indices of BC samples dried by different methods

表3 不同干燥方式細菌纖維素的吸水溶脹過程的擴散系數Table 3 Diffusion coefficients of dried BC samples upon rehydration

圖5 擬合的斜率Fig. 5 Water absorption rate after fitting

3 討論與結論

由細菌纖維素表面的微觀結構分析可知，不同干燥方式使BC 的三維網絡結構產生差異，其中真空冷凍干燥的樣品保持了原有的三維網絡結構。真空冷凍干燥中凍結過程是影響細菌纖維素形態的關鍵因素[18]。文中?20 ℃與?80 ℃的預凍結溫度相比，凍結速度較慢，BC 表面形成大塊的冰晶，體積增大擠壓BC 內部的纖維，使BC 內部的纖維排列更緊密。預冷溫度越低，可迅速將BC 的水凍結成小冰晶，對內部結構影響小，這與馮勁等[2]的研究結果相一致，所以BC-FD80 能保持原來的結構，復水性能最好。熱風干燥是BC 直接與熱空氣接觸，使BC 內外產生濕分差，發生皺縮，纖維不斷堆積層疊，占據原始水所占的空隙[19]，所以使BC 的三維結構發生變化。本研究獲得BC-MVD 樣品的三維網絡結構破壞最大，可能與影響微波真空干燥效果的物料大小、微波功率、真空度和微波工作模式等因素有關[20]。李瑜等[21]研究結果表明微波真空干燥可以縮短大蒜的干燥時間，但干燥后的大蒜的質構緊密，不如冷凍干燥的疏松，這與本研究的結果冷凍干燥的細菌纖維素的結構疏松相一致。

BC 的復水溶脹過程屬于Fickian 擴散，與微觀結構的結果一致。Wan 等[22]也證明了BC 復水溶脹過程屬于Fickian 擴散。Hadi 等[23]研究表明BC 的脫水動力學的主要機理是Fickian 擴散定律。Pavaloiu 等[24]研究表明BC-明膠的溶脹機制也屬于Fickian 擴散。BC 的網絡結構影響BC 的復水溶脹過程，BC 的網絡結構保持越完整，材料的擴散系數越高，對應的復水性能越好[3]。真空冷凍干燥獲得的BC 的網絡結構保持的最完整，所以獲得的BC 的復水性能最好，為細菌纖維素的開發應用提供理論支持。在實際生產中，可選擇Fickian 擴散定律來預測并控制細菌纖維素干燥過程的水分變化規律，為細菌纖維素干燥過程的節能降耗、設備選型和品質提升提供理論支持。