紅茶菌菌膜的特性及應(yīng)用

趙 育， 蘇 喬， 張 悅， 張寶善

（1. 陜西師范大學(xué)食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710119；2. 陜西省果蔬深加工工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710119）

紅茶菌（kombucha）起源于我國，隨后又傳入日本、歐洲、北美等地。 傳統(tǒng)的紅茶菌飲料是由紅茶菌發(fā)酵制成的無乙醇或低乙醇飲料，酸甜爽口且具有獨(dú)特的發(fā)酵味[1]。 因其發(fā)酵液中含有機(jī)酸、茶多酚、葡萄糖醛酸等多種營養(yǎng)物質(zhì)及有益微生物，具有抑菌、護(hù)肝、抗炎癥、抗氧化、降血糖和預(yù)防癌癥等保健功效，深受消費(fèi)者的歡迎[2]。 基于紅茶菌飲料的保健功效和市場潛力，近年來，星巴克、可口可樂、百事等眾多飲料行業(yè)巨頭相繼進(jìn)軍紅茶菌領(lǐng)域，開發(fā)出多款以果蔬汁、中草藥為原料，具有特殊風(fēng)味和保健功能的紅茶菌飲料[3]。 預(yù)計(jì)到2025 年，國際紅茶菌飲料的市場規(guī)模將達(dá)到54 億美元，市場前景可觀[1]。

紅茶菌菌膜，是漂浮在紅茶菌飲料表面的一種含有細(xì)菌和酵母菌共生菌群 （symbiotic culture of bacteria and yeast，SCOBY）的生物膜。 其中，紅茶菌菌膜中細(xì)菌纖維素（bacteria cellulose，BC）的生產(chǎn)者為醋酸菌，而酵母菌產(chǎn)生的乙醇能刺激醋酸菌的生長，產(chǎn)生更多的細(xì)菌纖維素和乙酸[4]。 由于細(xì)菌纖維素與植物纖維素分子組成相似， 并且具有無毒、高結(jié)晶度、高孔隙率、良好的生物相容性和生物可降解性等特點(diǎn)，使其在食品、生物醫(yī)藥、紡織、電子工業(yè)等方面均有廣泛應(yīng)用， 現(xiàn)已成為國際研究的熱點(diǎn)。 然而，在傳統(tǒng)的紅茶菌工業(yè)中，只有發(fā)酵液作為紅茶菌飲料進(jìn)行銷售， 少量菌膜被用作發(fā)酵劑，其余的則直接被丟棄，造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。 隨著紅茶菌飲料產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，紅茶菌菌膜的開發(fā)和利用亟待開展。

隨著現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)紅茶菌的認(rèn)識(shí)和研究也逐步深入，這為紅茶菌的產(chǎn)業(yè)化提供了理論依據(jù)。用Web of Science 和Scopus 兩大數(shù)據(jù)庫對(duì)2012—2021 年這10 年中有關(guān)紅茶菌的關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，發(fā)現(xiàn)關(guān)于紅茶菌飲料產(chǎn)品開發(fā)及其生物活性成分的文獻(xiàn)報(bào)道較多，關(guān)于紅茶菌菌膜的相關(guān)報(bào)道較少，但關(guān)于菌膜特性及其應(yīng)用的文獻(xiàn)數(shù)量在逐年增加[5]。 此外，目前關(guān)于紅茶菌飲料的綜述類文獻(xiàn)較多，但鮮有針對(duì)紅茶菌菌膜特性及應(yīng)用的歸納總結(jié)。 因此，作者就紅茶菌菌膜的組成、合成機(jī)制、性能及其在食品、醫(yī)用、紡織和廢水處理等領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)研究中存在的問題和今后紅茶菌菌膜的發(fā)展趨勢進(jìn)行討論，以期推動(dòng)紅茶菌菌膜的開發(fā)和利用，實(shí)現(xiàn)生物資源的最大化利用。

1 紅茶菌菌膜的組成

1.1 紅茶菌菌膜的形成

傳統(tǒng)紅茶菌的制備方法是在沸水中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%～5.0%的紅茶/綠茶和質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～10%的蔗糖作為發(fā)酵底物，攪拌5 min 后將茶葉過濾，當(dāng)溫度降至室溫時(shí)，加入一定量發(fā)酵好的紅茶菌菌液和/或菌膜進(jìn)行發(fā)酵[6]，制備方法見圖1。 為保證微生物進(jìn)行有氧呼吸，一般用布或者薄紗覆蓋培養(yǎng)。 一般情況下，室溫發(fā)酵需要7～14 d。 在發(fā)酵的第2～3天，接種的紅茶菌母體（mother layer）表面會(huì)形成新的菌膜（daughter layer），14 d 后菌膜的厚度可達(dá)到8～12 mm，顏色呈白色、淺黃色或淺棕色。 菌膜如果太薄，說明可能被污染；如果太厚，則會(huì)阻止氧氣進(jìn)入，菌膜的合成也會(huì)緩慢停止。 隨著發(fā)酵時(shí)間的延長，由于質(zhì)量增加，紅茶菌菌膜可能會(huì)沉到容器底部。

圖1 紅茶菌菌膜的制備方法Fig. 1 Preparation of kombucha biofilm

1.2 紅茶菌菌膜的微生物組成

紅茶菌菌膜中有大量的細(xì)菌和酵母菌，其顯微鏡照片見圖2[7]，微生物組成見表1。 雖然菌膜中的微生物種類不如菌液中多樣，但兩者的優(yōu)勢菌群基本一致[8-9]。 紅茶菌菌膜中的細(xì)菌主要有醋酸桿菌屬（Acetobacter）、 葡糖醋桿菌屬（Gluconacetobacter）、駒形桿菌屬（Komagataeibacter）等，其中，駒形桿菌屬中的木駒形桿菌（Komagataeibacter xylinus）是紅茶菌菌膜的主要纖維素生產(chǎn)者，其在最初的微生物環(huán)境中占到60%左右， 后期會(huì)增長至70%左右[10]。乳酸菌在紅茶菌菌膜中的含量較少，但Seto 等發(fā)現(xiàn)將乳酸菌和葡糖醋桿菌屬共生培養(yǎng)更有利于細(xì)菌纖維素的產(chǎn)生[11]。 菌膜中的酵母主要有類酵母屬（Saccharomyces）、假絲酵母屬（Candida）、接合酵母屬（Zygosaccharomyces）等[8-9，12-15]。 Marsh 等通過高通量測序發(fā)現(xiàn)接合酵母屬在菌膜與菌液中占95%[9]。而Chakravorty 等則發(fā)現(xiàn)假絲酵母屬在菌膜中占到73.5%～83.0%[8]。 因此，不同的菌膜包含的微生物種類不相同，這可能與發(fā)酵底物、培養(yǎng)環(huán)境以及培養(yǎng)時(shí)間有關(guān)。 此外，研究表明在發(fā)酵過程中，菌膜中的微生物也存在演替現(xiàn)象，但優(yōu)勢菌群幾乎保持不變[8-9]。 微生物種類在菌膜形成初期較多，后期逐漸減少，但豐度增加[10]。

表1 紅茶菌菌膜中的主要微生物組成Table 1 Main microbial composition in the kombucha biofilm

圖2 紅茶菌菌膜的顯微鏡照片（×400）[7]Fig. 2 A SCOBY of kombucha under the microscope（×400）[7]

1.3 紅茶菌菌膜/纖維素的合成機(jī)制和影響因素

紅茶菌中存在著復(fù)雜而多樣的微生物種群，使得紅茶菌纖維素比單一細(xì)菌形成的細(xì)菌纖維素更加復(fù)雜。 相對(duì)于單一細(xì)菌，微生物種群使用紅茶菌生產(chǎn)的纖維素的效率也有顯著提高[26]，其代謝機(jī)理見圖3。酵母菌將蔗糖轉(zhuǎn)化為果糖和葡萄糖，隨后產(chǎn)生乙醇[27-28]。 醋酸菌在葡糖氧化酶的作用下氧化產(chǎn)生乙酸、葡萄糖酸、葡萄糖醛酸等有機(jī)酸；而乙酸又刺激酵母菌產(chǎn)生更多乙醇，再經(jīng)醋酸菌轉(zhuǎn)化為乙酸。

圖3 紅茶菌菌膜中細(xì)菌與酵母菌的代謝過程Fig. 3 Metabolic processes of bacteria and yeast in kombucha membrane

紅茶菌中的微生物雖為共生菌群，但產(chǎn)生纖維素的卻只有細(xì)菌，其中最主要的是醋酸桿菌屬中的木醋桿菌（Acetobacter xylinum），后又被歸類為木葡糖酸醋桿菌（Gluconacetobacter xylinus），最近又重新被分類為木駒形桿菌（Komagataeibacter xylinus），此菌也是闡述纖維素生物合成及調(diào)控機(jī)制的模式菌株[29-30]。 研究表明，木駒形桿菌細(xì)菌纖維素的生物合成調(diào)控過程通過一系列酶介導(dǎo)進(jìn)行。 首先是葡萄糖轉(zhuǎn)化成6-磷酸葡萄糖，經(jīng)葡萄糖磷酸變位酶催化后成為1-磷酸葡萄糖，再在尿苷二磷酸（UDP）-葡萄糖焦磷酸化酶催化下形成尿苷二磷酸葡萄糖（UDPGlc）， 然后在多種細(xì)菌纖維素合成酶的催化下， 每個(gè)單細(xì)胞每秒可以將多達(dá)20 萬個(gè)的UDPGlc，聚合形成葡聚糖苷鏈[31]。 原纖維的葡聚糖苷鏈直徑為2～4 nm，在細(xì)胞質(zhì)外形成，通過氣孔分泌到細(xì)菌細(xì)胞壁表面。 木駒形桿菌細(xì)胞膜表面的顯微照片表明，細(xì)胞表面存在50～80 個(gè)氣孔，它們將原纖維擠出形成納米纖維，而這些納米纖維再被組裝形成大約40～60 nm 的帶狀微纖維[32]，見圖4[33]。

圖4 木駒形桿菌合成細(xì)菌纖維素的過程[33]Fig. 4 Process of Komagataeibacter xylinus synthesizes bacterial cellulose[33]

在紅茶菌發(fā)酵初期，產(chǎn)生纖維素的細(xì)菌主要靠消耗溶液中的氧氣來生長繁殖。 當(dāng)發(fā)酵液中溶氧量下降時(shí)只有在空氣/液體界面中的細(xì)菌才可以維持其活性并產(chǎn)生表層的纖維素。 隨著發(fā)酵時(shí)間的推移，膜的厚度隨之增加，形成懸浮結(jié)構(gòu)。 當(dāng)發(fā)酵液中碳源減少，氧氣供給不足時(shí)，紅茶菌菌膜的合成就達(dá)到了極限[33]。 相比于單一細(xì)菌合成的細(xì)菌纖維素膜，紅茶菌菌膜合成形式的優(yōu)勢在于其中的細(xì)菌在適宜條件下生長迅速，并且能夠利用發(fā)酵液中的各種碳源，包括蔗糖、葡萄糖、乙醇和甘油等多種底物生產(chǎn)纖維素。 此外，紅茶菌菌液中存在的咖啡因和黃嘌呤類物質(zhì)也有助于通過激活纖維素相關(guān)酶來促進(jìn)木駒形桿菌產(chǎn)生更多的纖維素[34-35]；而酵母細(xì)胞死亡和自溶釋放出的維生素和其他營養(yǎng)物質(zhì)也可以促進(jìn)細(xì)菌的生長繁殖，進(jìn)而產(chǎn)生更多纖維素[8]。因此，相較于單一細(xì)菌，紅茶菌產(chǎn)生纖維素的過程更加高效、經(jīng)濟(jì)。

紅茶菌菌膜的產(chǎn)量因紅茶菌菌株、底物（碳源和氮源的含量）、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間以及容器的尺寸、 界面面積和溶液深度的不同而有所不同。Semjonovs 等研究發(fā)現(xiàn)，以葡萄糖為底物時(shí)，萊迪亞駒形桿菌（Komagataeibacter rhaeticus）P1463 和漢森駒形桿菌（Komagataeibacter hansenii）B22 合成的纖維素量顯著高于木駒形桿菌（Komagataeibacter xylinus）DSM6513T 和漢森駒形桿菌（Komagataeibacter hansenii）DSM 5602T 合成的纖維素量[23]；萊迪亞駒形桿菌（Komagataeibacter rhaeticus）P1463 在以葡萄糖、果糖和甘露醇為碳源時(shí)合成的纖維素量顯著高于以蔗糖、 半乳糖和核糖為碳源時(shí)合成的纖維素量。 當(dāng)以茶和蔗糖為底物發(fā)酵時(shí)，以綠茶為原料制備的紅茶菌菌膜產(chǎn)量顯著高于紅茶和烏龍茶制備的菌膜產(chǎn)量[36]。 當(dāng)茶汁質(zhì)量濃度低于0.9 g/dL 時(shí)，隨著茶汁質(zhì)量濃度增加，菌膜生成量增加，但茶汁質(zhì)量濃度高于0.9 g/dL 后菌膜的生成量下降， 這可能是由于茶多酚質(zhì)量濃度的增加在一定程度上會(huì)抑制紅茶菌中微生物的生長[37]；紅茶菌菌膜的制備溫度一般為20～40 ℃，超過這個(gè)范圍，紅茶菌中微生物的生長受到抑制，生物量下降[38]；容器的尺寸、界面面積和溶液深度也影響著菌膜的產(chǎn)量。 體積為1500 mL 和界面面積為130.5 cm2的容器可生成66 g/L 的菌膜，但當(dāng)體積為1000 mL 時(shí)，界面面積大幅下降至29.2 cm2， 纖維素膜的產(chǎn)量也迅速下降到21.3 g/L[38]。 當(dāng)界面面積和液體深度相同，體積不同時(shí)，其菌膜的生成量相同。因此，界面面積/開口較大的容器有利于提高紅茶菌菌膜的產(chǎn)量[39]。

2 紅茶菌菌膜的結(jié)構(gòu)和特性

紅茶菌菌膜中的纖維素僅由細(xì)菌產(chǎn)生的纖維素組成，雖然細(xì)菌纖維素與植物纖維素分子組成相似， 是以D-葡萄糖為基本單元通過β-1，4-糖苷鍵連接而成的高分子聚合物，但二者在物理、化學(xué)性質(zhì)上有所不同。 由細(xì)菌產(chǎn)生的微纖維（microfibril）的直徑（0.01～0.10 μm）比植物纖維（10 μm）小2～3 個(gè)數(shù)量級(jí)[36]。 細(xì)菌纖維素?zé)o分支，且僅由纖維素組成。相反，植物纖維素有分支，并且由半纖維素、木質(zhì)素、果膠等物質(zhì)組成，因此植物纖維素的純化需要經(jīng)過更復(fù)雜的化學(xué)處理。 與植物纖維相比，細(xì)菌纖維素有更強(qiáng)的吸水性和更好的機(jī)械伸展性，還有多孔、高結(jié)晶度、生物相容、無毒等性能，使得細(xì)菌纖維素成為生物材料、生物能源、食品強(qiáng)化和包裝技術(shù)等方面的首選材料[31，40]。

2.1 高透氣性、高持水性、高熱穩(wěn)定性和高結(jié)晶度

在掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察紅茶菌菌膜/纖維素為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，中間有很多孔隙，纖維素與細(xì)菌、酵母菌交聯(lián)在一起，使得形成的紅茶菌菌膜具有持水性。 傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析發(fā)現(xiàn)紅茶菌纖維素中存在氫鍵連接的羥基，而由于氫鍵的存在， 紅茶菌纖維素的持水力可以達(dá)到88.42%， 使得它能吸收的水分是其自身干質(zhì)量的60～700 倍，并且可重復(fù)干燥[41-42]。未經(jīng)干燥的細(xì)菌纖維素持水能力高達(dá)1000%，冷凍干燥后其持水能力仍超過600%，而植物纖維素僅為60%，因此紅茶菌菌膜能夠成為良好的吸水材料[43]。

通過對(duì)紅茶菌發(fā)酵生成的纖維素菌膜進(jìn)行熱質(zhì)量分析， 發(fā)現(xiàn)紅茶菌纖維素具有較高的熱穩(wěn)定性，在298.7 ℃才開始降解。 此外，X 射線衍射分析結(jié)果表明紅茶菌纖維素的結(jié)晶度為80.21%，高于天然植物纖維[44-45]。

2.2 良好的生物降解性、生物相容性和彈性

紅茶菌菌膜中的纖維素純度高，可被纖維素酶降解，也可在自然環(huán)境中直接降解，不會(huì)造成環(huán)境污染[46]。 此外，細(xì)菌纖維素具有良好的生物相容性。例如，王宗良等將細(xì)菌纖維素膜分別與成纖維細(xì)胞和軟骨細(xì)胞進(jìn)行復(fù)合培養(yǎng)，并將形成的復(fù)合物進(jìn)行裸鼠皮下移植實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，移植的復(fù)合物很好地融入了裸鼠正常皮膚，成纖維細(xì)胞和軟骨細(xì)胞增殖明顯[46]。細(xì)菌纖維素中存在著大量氫鍵，使得其楊氏模量測量值高達(dá)15 GPa，抗撕拉能力是同樣厚度的聚乙烯和聚氯乙烯膜的6 倍。 Andrade 等證明細(xì)菌纖維素膜比人類的動(dòng)脈和靜脈更有彈性[47]。 這些性能滿足了其作為新型醫(yī)用組織器官、醫(yī)用敷料等產(chǎn)品的基本要求。

2.3 抗菌性

紅茶菌飲料具有一定的抗菌活性，主要是由于其中含有豐富的有機(jī)酸（乙酸、葡萄糖酸、葡萄糖醛酸等）、茶多酚和細(xì)菌素等。 同樣的，干燥的紅茶菌菌膜也被認(rèn)為會(huì)被一些致病菌抑制， 如大腸桿菌（Escherichia coli）、金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、 糞腸球菌（Enterococcus faecalis） 甚至耐甲氧西林葡萄球菌 （Methicillin -resistantStaphylococci）等，這為生產(chǎn)具有抗菌活性的輔料或醫(yī)療設(shè)備（如繃帶、口罩）提供了理論依據(jù)[48]。

3 紅茶菌菌膜的應(yīng)用

基于其特性，紅茶菌菌膜可以從一個(gè)基本沒有附加價(jià)值的副產(chǎn)物/廢棄物轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)具有開發(fā)潛力的原材料。 但迄今為止，紅茶菌菌膜的利用率仍然較低，關(guān)于紅茶菌菌膜的應(yīng)用和新產(chǎn)品開發(fā)的研究仍然很有限。根據(jù)其性質(zhì)不同，紅茶菌菌膜一般用于食品、醫(yī)藥、紡織和廢水處理等領(lǐng)域。

3.1 食品領(lǐng)域

紅茶菌菌膜通常作為發(fā)酵劑應(yīng)用到新的紅茶菌飲料的生產(chǎn)中。 近年來，隨著紅茶菌飲料越來越受消費(fèi)者歡迎，基于紅茶菌飲料的保健優(yōu)勢、市場潛力與消費(fèi)者日漸增長的多元化需求，越來越多的研究人員在積極開發(fā)和創(chuàng)新紅茶菌飲料的原料和工藝，如利用紅茶菌菌膜發(fā)酵果汁、蔬菜汁和中草藥的浸提液等新型紅茶菌飲料。Watawana 等用紅茶菌菌膜直接發(fā)酵椰子汁7 d， 得到的飲料不僅具有椰子的典型香氣，其總酚質(zhì)量濃度和抗氧化活性也顯著提高[49]；該飲料可抑制α-葡萄糖苷酶的活性，從而抑制葡萄糖的水解，降低人體生理系統(tǒng)中葡萄糖的質(zhì)量濃度，更有利于控制消費(fèi)者的血糖。Loncar等利用紅茶菌菌膜發(fā)酵菊芋（洋姜）提取物，發(fā)酵液中含有豐富的低聚果糖和果糖，能促進(jìn)腸內(nèi)雙歧桿菌的增殖[50]，可作為膳食補(bǔ)充劑。 Zhang 等用紅茶菌菌膜分別發(fā)酵玫瑰花浸提液和酸棗仁浸提液的混合液，發(fā)酵后溶液的口感（酸味和苦味）更佳，總酚和總黃酮含量顯著提高[51]，同時(shí)，發(fā)酵液中2 種典型的鎮(zhèn)靜催眠物質(zhì)，6-阿魏酰斯皮諾素和棘甙的含量較發(fā)酵前顯著提高，可得到藥效更顯著的紅茶菌飲料。 此外， 飲料中的重金屬會(huì)危害公眾健康，Najafpour 等研究發(fā)現(xiàn)，紅茶菌菌膜對(duì)重金屬具有良好的吸附效果，對(duì)于500 mL 的飲料來說，當(dāng)紅茶菌菌膜的初始用量35.85 g、茶葉4.43 g、蔗糖18.42 mg/L、水中鈣和鎂離子質(zhì)量濃度0.0 mg/L 時(shí)， 對(duì)液體中Hg2+、As3+、Pb2+、Cd2+和Cr6+的去除效率分別為93.3%、76.7%、76.1%、84.3%和75.4%[52]。 因此，紅茶菌菌膜對(duì)重金屬的吸附作用能夠保證紅茶菌飲料的安全性，并可進(jìn)一步應(yīng)用于其他飲料的安全生產(chǎn)。

紅茶菌菌膜含有豐富的膳食纖維， 呈肉質(zhì)感，并具有醋酸、乳酸等特殊風(fēng)味，還可以作為食品直接或加工后食用（見圖5），如將菌膜切絲涼拌，做成類似于涼皮的小吃，或制成漢堡中的“肉”餅、“肉”丸、“肉”干，或糖果、咀嚼片和軟糖，受到很多素食者的歡迎。

圖5 紅茶菌菌膜制成的各類食品Fig. 5 Foods made from kombucha biofilm

紅茶菌菌膜可以作為一種良好的飼料添加劑。紅茶菌菌膜中含有蛋白質(zhì)、氨基酸、粗纖維、鈣、磷等多種營養(yǎng)物質(zhì)，將紅茶菌菌膜曬干后，其植酸酶的活性為2.3×104IU/g（以蛋白質(zhì)質(zhì)量計(jì)），將曬干的菌膜粉加入肉雞的飼料中，可以提高肉雞對(duì)飼料和水分的進(jìn)食率，進(jìn)而增加肉雞的質(zhì)量，同時(shí)，加入的紅茶菌菌膜對(duì)肉雞的肝功能沒有損害，是一種安全的添加劑[55]。

此外，紅茶菌菌膜因具有良好的透氣性、彈性和可降解性，也可以代替塑料成為食品的包裝保鮮材料。 Aduri 等研究出了一種用紅茶菌菌膜制作的環(huán)境友好型購物袋[56]，這種袋子具有良好的折疊性和保鮮性能，將蔬菜放到菌膜包裝袋中在冰箱中保存，8 d 之后蔬菜依舊新鮮， 營養(yǎng)物質(zhì)幾乎沒有損失。 但由于菌膜干燥后容易脆裂，需要噴涂橄欖油或蜂蠟。 此外，紅茶菌菌膜具有多孔性，水分不能透過，干燥后具有一定的吸濕性，不適于盛放牛奶或其他飲料[56]；Sharma 等以番茄為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)紅茶菌菌膜可以將番茄的保鮮期延至28 d[57]。

3.2 醫(yī)用敷料領(lǐng)域

紅茶菌菌膜具有獨(dú)特的纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、高彈性模量和良好的生物相容性等特性，是一種制備醫(yī)用組織的優(yōu)良候選材料。Zhu 等研究發(fā)現(xiàn)，在紅茶菌菌膜上培養(yǎng)的施萬細(xì)胞（Schwann cells）和在玻片上培養(yǎng)的細(xì)胞無形態(tài)和細(xì)胞功能上的顯著差異[58]。隨后，研究人員首次用紅茶菌菌膜和不銹鋼內(nèi)芯制成神經(jīng)導(dǎo)管， 浸泡處理后作為體外培養(yǎng)施萬細(xì)胞的支架，再沿坐骨神經(jīng)植入大鼠肌間隙；植入42 d 內(nèi)，植入大鼠與假手術(shù)組大鼠在血細(xì)胞計(jì)數(shù)、血清生化參數(shù)、組織反應(yīng)上均無顯著性差異。 因此認(rèn)為紅茶菌菌膜與施萬細(xì)胞具有良好的生物相容性，且沒有血液學(xué)和組織學(xué)負(fù)面作用。

由于紅茶菌菌膜/纖維素膜具有高透氣性、高持水性、高結(jié)晶度、抑菌性和良好的生物相容性等性質(zhì)，其在醫(yī)用敷料產(chǎn)業(yè)也具有廣闊的應(yīng)用前景。 在細(xì)菌纖維素膜合成的過程中，若向培養(yǎng)基中添加外源材料，會(huì)在納米纖維組裝過程中產(chǎn)生干擾，最終產(chǎn)生具有新性能的新型纖維素膜。 例如，紅茶菌菌膜本身具有一定的抗菌特性，加入5 mmol/L 的硝酸銀溶液，形成的納米陰離子（AgNPs）能夠高效抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌， 且對(duì)人乳腺癌細(xì)胞（MCF-7）具有良好的抗癌特性[59]；將紅茶菌纖維素浸泡在咖啡粉浸提液（含有2.732 g/L 酚類化合物）中，得到的生物復(fù)合材料抑菌特性增強(qiáng)，并可通過吸收多余的滲出物來保護(hù)受傷區(qū)域，有望成為傷口愈合的首選材料[60]；將紅茶菌菌膜浸泡在具有抗菌活性的散沫花（Lawsonia inermis）浸提液中24 h 后干燥，含有散沫花生物活性成分的紅茶菌菌膜具有更強(qiáng)的抑菌活性，且小鼠成纖維細(xì)胞（L929）的傷口愈合率提高至90%[61]。因此，經(jīng)過修飾和功能化后的紅茶菌纖維素膜的特性可以得到進(jìn)一步加強(qiáng)和擴(kuò)展，用于繃帶、紗布和創(chuàng)可貼等的制作。

3.3 紡織領(lǐng)域

天然纖維和人造纖維是紡織服裝行業(yè)的主要原材料，但人造纖維在加工和生產(chǎn)的過程會(huì)造成環(huán)境污染。 其中，人造纖維的可降解性較差，處理方式不當(dāng)還會(huì)加劇環(huán)境的惡化。 因此，“綠色”環(huán)保纖維的開發(fā)與應(yīng)用得到了紡織研究領(lǐng)域的重視。 紅茶菌菌膜中的纖維素分子結(jié)構(gòu)類似于植物纖維素，并且具有優(yōu)于絲、麻、棉等傳統(tǒng)纖維的高拉伸強(qiáng)度、高孔隙率和良好的生物降解性等獨(dú)特的性質(zhì)，同時(shí)呈現(xiàn)皮革一樣的質(zhì)感、色澤和機(jī)理，因此可制備出性能更優(yōu)的“綠色”紡織品以及替代動(dòng)物皮革的“可持續(xù)”皮革。

近年來，紅茶菌菌膜被一些環(huán)保設(shè)計(jì)師小規(guī)模制作成衣服、腕帶、鞋子、手套、口罩和包等多種風(fēng)格各異的綠色紡織品，見圖6。 設(shè)計(jì)師Suzan Lee 還推出了以紅茶菌菌膜為材料的高級(jí)時(shí)裝定制項(xiàng)目。Kaminski 等也致力于提高紅茶菌菌膜的紡織性能[62]，其將干燥后的紅茶菌菌膜浸泡在甘油水溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)6% 或12%）中，使紅茶菌纖維素形成水凝膠結(jié)構(gòu)， 凍干后的菌膜具有較高的彈性和機(jī)械性能，并且防火、耐高溫。 這些改性的材料被制作成腕帶和T 恤，具有較高的舒適性和耐用性。

圖6 紅茶菌菌膜應(yīng)用于服裝紡織的示例Fig. 6 Clothing textile made from kombucha biofilm

由于紅茶菌菌膜的吸水性極佳， 因此極易染色。 一些愛好者利用鐵氧化的方法對(duì)其進(jìn)行色彩加工，或用蔬菜、水果的天然色素快速地染出絢麗的顏色。 然而紅茶菌菌膜會(huì)從空氣中或者人體表面吸濕，致使紡織品變重、變厚，成為其作為紡織材料的一大缺點(diǎn)[63]。為了解決這一問題，研究人員采用各種化學(xué)方法共價(jià)官能化紅茶菌纖維素的表面，使其表面疏水。 例如，可以將硬脂酸乙醇溶液（2.5 g/dL）涂抹在干燥后的紅茶菌菌膜表面， 然后用熱空氣流（70～75 ℃）處理該材料以去除乙醇和硬脂酸，起到疏水的效果[62]；也可利用金納米顆粒（AuNP）、銀納米顆粒（AgNP）和氧化石墨烯來處理紅茶菌衍生的細(xì)菌纖維素， 通過不同納米顆粒來堵塞纖維素孔隙，并通過不同納米材料的協(xié)同非共價(jià)相互作用改變其表面特性，增加表面粗糙度，從而增加其疏水性，此外，改性后的材料具有較高的抗菌活性和較高的抗彎曲性， 更有希望成為天然皮革的替代品[63]。

3.4 廢水處理領(lǐng)域

基于紅茶菌菌膜多孔、比表面積高和金屬結(jié)合活性位點(diǎn)多的特點(diǎn)，紅茶菌菌膜具有良好的金屬吸附能力。 在pH 分別為2.0 和4.0、接觸時(shí)間分別為60 min 和120 min 的情況下， 紅茶菌菌膜對(duì)鉻離子（Cr6+）和銅離子（Cu2+）最大吸附量分別為74.2%和58.0%[65]；紅茶菌菌膜還被用于去除廢水中的砷離子（As5+）。 根據(jù)蘭格繆爾吸附模型分析發(fā)現(xiàn)，用氯化鐵對(duì)紅茶菌菌膜進(jìn)行預(yù)處理可以將紅茶菌菌膜的吸附量提高至3.98×10-3mmol/g[66]；當(dāng)pH 為5.0，溫度為50 ℃時(shí)，紅茶菌菌膜對(duì)合成廢水中鉛離子（Pb2+）的吸附效率為99.7%，比高效的吸附劑氧化石墨烯/Fe3O4納米顆粒的吸附效率（98.08%）略高[67]；當(dāng)pH為7，接觸時(shí)間為15 min，溫度為25 ℃時(shí)，紅茶菌菌膜可以去除廢水中94.5% 的鎳離子（Ni2+），此外，平衡實(shí)驗(yàn)與蘭格繆爾吸附模型擬合良好，25 ℃時(shí)紅茶菌菌膜對(duì)Ni2+的吸附量可以達(dá)到454.54 mg/g[68]。 因此，紅茶菌菌膜在廢水處理領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力。

3.5 其他應(yīng)用

紅茶菌菌膜也被用于家居設(shè)計(jì)中。 紅茶菌菌膜對(duì)高溫穩(wěn)定，可生物降解，使得用紅茶菌菌膜制成的臺(tái)燈更耐熱、更安全、更環(huán)保（見圖7（a）），但由于紅茶菌菌膜通常生長在容器的頂部，很難按設(shè)計(jì)的形狀定型[69]。

圖7 紅茶菌菌膜其他應(yīng)用實(shí)例Fig. 7 Other applications of kombucha biofilm

紅茶菌菌膜具有較強(qiáng)的抗張強(qiáng)度、彈性模量和聚合能力， 可以被直接或間接地用來造紙（見圖7（b））。 將紅茶菌菌膜破碎均勻后與辦公室回收的廢紙漿混合，其纖維素分子鏈上的羥基暴露，極易與廢紙漿中的植物纖維形成氫鍵，因此可以填補(bǔ)廢紙纖維間的薄空隙，降低紙張的撕裂指數(shù)，增強(qiáng)紙張的機(jī)械強(qiáng)度以提高廢紙回收后的紙張質(zhì)量[70]。

紅茶菌菌膜也被用于電化學(xué)研究與應(yīng)用中。Kalaiappan 等利用紅茶菌菌膜中的碳和氧化石墨烯作為碳宿主基質(zhì)，與硫和聚丙烯腈一起被制成一種復(fù)合材料，用作鋰硫電池的陰極，該陰極的初始放電容量為1652 mAh/g，第100 次循環(huán)容量為1193 mAh/g，具有較高的容量和良好的循環(huán)穩(wěn)定性[71]。 欒玉婷等以紅茶菌菌膜為碳源制備碳材料，通過對(duì)其進(jìn)行預(yù)碳化、活化及再煅燒，在其內(nèi)部、外部形成大量孔洞結(jié)構(gòu)， 再結(jié)合紅茶菌菌膜自身的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使之更加適合離子的運(yùn)輸與傳遞，更適合作為電極材料[72]。研制的碳材料具有較好的電容性，每克材料電容值可達(dá)到167 F，并具有良好的穩(wěn)定性。

4 展望

紅茶菌菌膜是漂浮在紅茶菌飲料表面由細(xì)菌和酵母菌在胞外形成的生物膜，經(jīng)常作為副產(chǎn)物被丟棄。 紅茶菌中的細(xì)菌纖維素與植物纖維素分子組成相似，其菌膜具有納米級(jí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、多孔、透氣、持水、易吸附、高彈性、高熱穩(wěn)定性、強(qiáng)抗菌、生物相容性良好、可降解等特點(diǎn)，因此紅茶菌菌膜亟待開發(fā)。

紅茶菌菌膜具有細(xì)菌纖維素的多種特性，因此在食品、醫(yī)療、紡織、廢水處理和電子工業(yè)等方面均有廣泛的應(yīng)用前景， 近幾年已成為國際研究的熱點(diǎn)。 但迄今為止，對(duì)紅茶菌菌膜的研究主要集中在菌膜的微生物互作、纖維素的形成機(jī)理和基本性質(zhì)等方向，對(duì)紅茶菌菌膜的產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用的研究尚處于初級(jí)階段。 究其根本，主要還是紅茶菌菌膜的發(fā)酵成本較高、產(chǎn)量較低、周期較長。 因此，在不影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的情況下，可以通過使用可替代的、廉價(jià)的糖源，使用廉價(jià)的茶葉，如作者所在團(tuán)隊(duì)正在使用夏秋茶進(jìn)行紅茶菌的發(fā)酵，或減少發(fā)酵生產(chǎn)的所需空間等以降低原料的成本；通過篩選穩(wěn)定高產(chǎn)菌膜/纖維素的菌種，優(yōu)化發(fā)酵原料、條件等提高紅茶菌生物膜的產(chǎn)量；通過調(diào)控紅茶菌菌群對(duì)纖維素的合成速度以縮短發(fā)酵周期。

紅茶菌菌膜的應(yīng)用和開發(fā)主要是基于細(xì)菌纖維素的應(yīng)用。 自細(xì)菌纖維素被發(fā)現(xiàn)以來，其合成機(jī)制、理化特征及其在食品、醫(yī)藥、紡織、電化學(xué)、環(huán)保、 時(shí)尚和化妝品等方面的應(yīng)用得到了廣泛報(bào)道。而紅茶菌菌膜/纖維素的生產(chǎn)與單一細(xì)菌生產(chǎn)的纖維素相較更經(jīng)濟(jì)和更易培養(yǎng)，由于紅茶菌菌膜是紅茶菌飲料生產(chǎn)的副產(chǎn)物， 其應(yīng)用也更符合綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的理念，因此，紅茶菌菌膜有望作為傳統(tǒng)細(xì)菌纖維素的替代品，發(fā)揮更廣泛的作用。