細菌纖維素覆膜硅油紙制備食品包裝材料的研究

陳璇琪，徐雅玲,2，胡歆笛，柳蘄津，孔世齊，王紅霞，安潤知

（1.嘉興學院 生物與化學工程學院，浙江 嘉興 314001；2.嘉興市化工清潔工藝重點實驗室，浙江 嘉興 314001）

細菌纖維素（bacterial cellulose，BC），又稱為微生物纖維素，是由微生物發酵合成的多孔性網狀生物高分子聚合物，其分子式為(C6H10O5)n。細菌纖維素的分子組成和植物纖維素一致，都是由β-D-葡萄糖通過β-1,4-糖苷鍵結合成的直鏈[1-2]。細菌纖維素因高純度、高結晶性、成本低廉、易獲取，以及比植物纖維素更高的拉伸強度和韌性而備受關注。細菌纖維素除了在食品（如椰果）和化妝品（如面膜）等領域應用外，其作為醫用敷料可幫助傷口愈合，并可用作人造皮膚和血管，或者其他組織工程的框架材料[3]。

另一方面，細菌纖維素也可用作食品包裝材料。通常做法是將干燥后的細菌纖維素膜破碎，然后同其他材料如聚合物或顆粒材料（聚乙烯醇、殼聚糖、SiO2、金屬氧化物、黏土材料等）混合得到復合材料，可獲得與合成聚合物媲美的機械性能[1]。在相關研究中，由于細菌纖維素膜的高親水性（可達95%～97%含水量）[4]，導致在成膜加工時干燥性能差、耗能嚴重的缺點均未提及。

在本研究中，通過在硅油紙表面原位生長細菌纖維素薄膜的方法，獲取具有細菌纖維素優異性能的覆膜材料，同時克服細菌纖維素膜本身干燥性能差、耐水性差的缺點。此外，通過原位生長復合蒙脫土納米材料，可進一步提高材料的阻水性能和強度。因此，細菌纖維素覆膜生產復合材料的研究對促進新型食品包裝材料技術的發展有一定的積極意義。

1 實驗部分

1.1 主要試劑及材料

蛋白胨、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鈉、檸檬酸、乙醇等均為分析純，上海國藥化學試劑有限公司；蒙脫土K，阿拉丁試劑有限公司；紅茶，浙江省新昌縣南龍茶葉商行；酵母菌，安琪酵母股份有限公司；乳酸菌，北京川秀國際貿易有限公司；酵母浸粉，四川寶順生物技術有限公司；木醋桿菌，實驗室留樣葡糖醋桿菌BC19-2[4]。

1.2 細菌培養基

菌種培養基：紅茶，0.2%；蔗糖，3%；菌種量，10%；裝液量，20%（200 mL/1000 mL 培養瓶）。室溫下靜置培養一周。

紅茶培養基：蔗糖，20.0 g/L；紅茶，3.4 g/L。將紅茶裝入茶包，并用微波爐煮沸，至蔗糖完全溶解后，除去茶包。用玻璃棒攪拌后，在高壓蒸汽滅菌鍋（121 ℃、101 KPa）中滅菌20 min，冷卻備用。

常規培養基: 蔗糖，20.0 g/L；蛋白胨，5.0 g/L；酵母浸粉，5.0 g/L；磷酸氫二鈉，5.1 g/L；磷酸二氫鉀，2 g/L；乙醇，10 g/L；無水檸檬酸，1.15 g/L。放入高壓蒸汽滅菌鍋中，設置溫度為121 ℃、壓力為101 kPa，滅菌20 min，冷卻備用[3,5]。

1.3 細菌纖維素培養及覆膜材料的制備

在培養皿中以硅油紙（妙潔零沾黏*烹調紙）作為紙質材料基底，倒入適量的細菌纖維素培養液，使其在硅油紙表面自然生長形成細菌纖維素復合紙。

蒙脫土懸浮液的配置：向不同質量的蒙脫土中加入50 mL 蒸餾水配置蒙脫土懸浮液，濃度分別為3 g/L、5 g/L、8 g/L，室溫下攪拌24 h 滅菌備用。

共進行9 組培養基對照研究。其中第1～3 組中加入紅茶培養基，第4～6 組中加入常規培養基，第7～9 組加入紅茶培養基及蒙脫土懸浮液，對比探究最佳蒙脫土負荷量。不同細菌纖維素膜培養基的培養條件見表1。

表1 不同細菌纖維素膜培養基的培養條件

將所有培養基均置于設定溫度為30 ℃的恒溫箱中培養。在細菌纖維素生長約4 d（96 h）后從恒溫箱取出，在60 ℃的烘箱中自然干燥約24 h，可得細菌纖維素復合。

1.4 細菌纖維素覆膜材料的表征

膜表面性質測試：將細菌纖維素復合紙裁剪成大小為5 mm×5 mm 樣品，平整地置于載玻片上，將3 μL 蒸餾水液滴自然滴加至覆膜紙上，通過表面接觸角測量儀（Dataphysics OCA15ECTBU 100）采集系統采集圖像與表面接觸角，以分析不同樣品對應的疏水性能。

抗張強度的測定（恒速負荷法）：在覆膜濾紙上切出寬度為15 mm 的細條，拉力機（Instron 5967）夾具之間試樣尺寸為50 mm。在拉伸速率為10 mm/min 的條件下測試拉伸強度。

2 實驗結果與討論

2.1 培養基用量

細菌纖維素生物合成途徑是由自然界篩選的醋酸菌屬、土壤桿菌屬等，主要以木醋桿菌為代表的微生物，將葡萄糖、果糖、甘露醇等碳源聚合生成纖維素鏈，在菌體內及其鄰近培養基中分泌并完成自組裝，并自發移動到培養基和空氣的界面中[2]。木醋桿菌合成細菌纖維素會在培養液表面形成菌膜，在形成一定厚度無法透氧后會停止生長。因而，淺盤生長細菌纖維素是比較常用的方法。

Yoshino 等[6]的研究表明，可透氧通孔的硅膠膜體系可使巴氏醋酸菌在膜和液體表面產生細菌纖維素，從而極大地促進了細菌纖維素的產量。在本研究中，以涂布硅油烹調紙為基材，以少量營養液培養細菌纖維素膜，試圖研究覆膜生長的情況。發現涂布硅油的烹調紙表面確實可以產生和紙表面緊密相連的細菌纖維素薄膜，在干燥后也無法分開。圖1 表明細菌纖維素的產量和培養基用量關系密切。當培養基用量從30 mL 增加至40 mL 時，細菌纖維素產量增長了1.35 倍；但培養基用量從40 mL 提高到50 mL 時，細菌纖維素產量僅增加了24%。

圖1 培養基用量對細菌纖維素產膜量的影響

從圖1 中可以看出，紅茶培養基產細菌纖維素的能力略高于文獻中常用于產細菌纖維素的常規培養基。這可能是由于細菌纖維素的合成是一個精密且繁復的過程，涉及大量單酶、復合催化及調節蛋白等。在本研究中，菌種培育在紅茶培養基中進行過優化，更有利于在紅茶萃取物中生長。

2.2 蒙脫土用量

填料是造紙中常用的原料，可增加紙張的強度、白度、不透明性等。細菌纖維素薄膜是高親水性物質，也意味著其耐水性差，且干燥性能不佳。蒙脫土經常用于改善細菌纖維素膜的物理和機械性能，以及耐水性等。將形成的細菌纖維素膜放到蒙脫土懸浮液中可極大改善其阻水性能[7]。而將細菌纖維素膜粉碎后再和蒙脫土懸浮液復合的研究表明，添加2%的蒙脫土不會影響透濕性或降低復合膜強度，但細菌纖維素的晶型從α更多地轉化成β，而5%的蒙脫土會增加其透濕性[5]。在本研究中，加入少量蒙脫土于培養基的目的是觀察其是否可以在培養基中原位生長細菌纖維素并提高其干燥性能。不同蒙脫土加入量對覆膜細菌纖維素產量的影響見圖2。從圖2 中可以看出，加入少量蒙脫土有利于增加細菌纖維素的產量，但加入過多則會降低木醋桿菌對細菌纖維素的分泌。其原因可能是由于一方面有著很大比表面積的蒙脫土提供了木醋桿菌的附著場所，使得細菌纖維素的分泌、組裝和結晶過程變得容易；另一方面，蒙脫土的增加使細菌纖維素膜快速成型，從而減少氧的通透性，導致膜的厚度增加有限，最終細菌纖維素的產量降低。

圖2 不同蒙脫土濃度對覆膜細菌纖維素產量的影響

2.3 細菌纖維素覆膜對紙張表面性質的影響

作為食品包裝材料，其表面狀況是備受關注的重要性質。紙張的耐水性差可通過添加濕強劑來改善。同時，通過覆膜不可降解的聚乙烯等材料也可以改善其耐水性。在本研究中，試圖通過在蒙脫土懸浮液培養基中原位生長細菌纖維素材料同時解決功能和環保的問題。圖3 為涂布硅油紙及覆膜生長細菌纖維素后膜表面性質的變化。

圖3 不同蒙脫土濃度對覆膜細菌纖維素表面親水性的影響

從圖3 滴液后的0.05 s 接觸角數據中可以看出，涂布硅油紙有較好的耐水性，其表面生長細菌纖維素后因為和水的接觸時間短，其耐水性還略有增加，表明覆膜表面結構致密。同時，引入蒙脫土可極大改善瞬時耐水性，表現為接觸角的明顯增加。

液滴落在材料表面鋪展滲透體現出接觸角的變化。從圖3 中可以看出，0.05 s 之后的接觸角數據表明，在硅油紙上的液滴的鋪展滲透比較有限，表現出較好的耐水穩定性。而覆膜細菌纖維素則表現出明顯的接觸角降低，體現出細菌纖維素膜的親水性。與液滴在濾紙上的鋪展相比（瞬時滲透鋪展），細菌纖維素薄膜的耐水性較好，表明其表面致密，結晶性水含量多，不易水合。當體系中加入蒙脫土時，添加3%的蒙脫土使體系的耐水性變好，在0.05 s 之后的接觸角比硅油紙大。而添加5%的蒙脫土，0.05 s 后的接觸角則低于硅油紙和3%蒙脫土體系，說明耐水性變差。而進一步增加至8%的蒙脫土時，復合膜的耐水性最好，比硅油紙的耐水性更優異穩定。結合圖2 的數據表明，添加5%蒙脫土，0.05 s 時耐水性增加，可能是由于細菌纖維素膜的含量有較大增加所致，但同時體系變得不夠均勻，使得0.05 s 后液滴的滲透性變強，接觸角反而下降很快。此外，加入8%的蒙脫土，復合膜表面蒙脫土的量進一步增加，形成耐水性較好的蒙脫土富集的致密結構，使其耐水性和穩定性增加。

2.4 覆膜對紙張拉伸強度的影響

覆膜細菌纖維素中添加蒙脫土對紙張拉伸強度的影響見圖4。

圖4 覆膜細菌纖維素中添加蒙脫土對紙張拉伸強度的影響

從圖4 可以看出，添加蒙脫土于細菌纖維素培養基中，能較好地改善復合紙的拉伸強度。由于蒙脫土表面也具有親水基團，可以與細菌纖維素結合并形成氫鍵網絡，且填料的加入可顯著改善納米復合材料的性能，因此賦予了復合膜較好的強度[8]。圖4 顯示隨著蒙脫土濃度從3%增加到5%，拉伸強度有較大的提升但誤差變大。這是因為在蒙脫土用量變化下，細菌纖維素的產量增加，蒙脫土填料量的增加可顯著改善薄膜的強度。但結合圖3 的數據，可能由于體系的不均勻性增加，拉伸強度會表現出較大的波動。進一步增加蒙脫土的用量（8%蒙脫土）則導致拉伸強度降低。Sommer 等[5]發現，加入2%的蒙脫土于經粉碎處理的細菌纖維素中，會導致后續成膜后薄膜的拉伸強度增加15%，而加入5%蒙脫土則使復合膜的拉伸強度降低8%。在類似的研究中，Giannakas等[9]發現，3%的蒙脫土添加量使聚多糖（殼聚糖薄膜）復合膜的拉伸強度降低30%，5%的蒙脫土添加量則使復合膜的拉伸強度降低80%，而添加10%的蒙脫土時拉伸強度變化不大。本研究的結果和文獻報道的一致，復合膜的拉伸強度隨蒙脫土用量都有一個先增加后下降的趨勢，這可能是由于8%蒙脫土用量時細菌纖維素產量減少，因而與蒙脫土相互作用的數量減少，從而使得強度變小。

3 結論

從上述研究中可知，通過淺盤培養，少量的培養基足以生產一定厚度的細菌纖維素薄膜于紙張上，而不會將之與紙張表面分開。細菌纖維素的產量與培養基成分和用量有關，其產量隨初始培養基用量的增加快速增加，而后增長趨緩。紅茶培養基比傳統氮源含量高的常規培養基更能促進細菌纖維素的生產。同時，木醋桿菌可以附著在蒙脫土填料上形成細菌纖維素，且隨著蒙脫土用量的增加，細菌纖維素的產量上升，拉伸強度增加，阻水性能變好，但過量蒙脫土的添加則限制了細菌纖維素的生長。在此情況下，雖然進一步改善了材料表面的耐水性能，但拉伸強度卻有所下降。因此，細菌纖維素的產量以及和蒙脫土的相互作用需要有一個較好的平衡值。

綜上所述，覆膜生產細菌纖維素于紙張表面以改善紙張的強度和表面性能，是一種行之有效的方法。原位生產細菌纖維素具有作為食品包裝材料的應用潛力。