細菌纖維素在食品工業中的應用研究進展

◎ 呂 橄，趙文韜，龔建萍，武廣珩

（1 武夷學院 福建省生態產業綠色技術重點實驗室，福建 武夷山 354300；2武夷學院 生態與資源工程學院，福建 武夷山 354300）

細菌纖維素（Bacterial Cellulose，BC）是由細菌產生的胞外代謝產物，包括無色桿菌屬（Achromobacter）、產堿菌屬（Alcaligenes）、產氣桿菌屬（Aerobacter）、土壤桿菌屬（Agrobacterium）、固氮菌屬（Azotobacter）、木葡糖酸醋桿菌屬（Komagataeibacter）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、根瘤菌屬（Rhizobium）、產堿菌（Alcaligenes）、八疊球菌屬（Sarcina）和紅細菌屬（Rhodobacter）等[1]。除了由微生物產生外，體外無細胞體系也可以產生細菌纖維素[2]。1931年，HIBBERT等[3]分析了細菌纖維素的化學組成和結構特性，發現細菌纖維素在分子式上與植物來源的纖維素相同，并且與植物來源的纖維素相比，細菌纖維素與納米材料和聚合物具有獨特的結合性，復合材料具有更好的生物、物理、機械、導電和磁性，因此在生物醫學復合材料、生物傳感器、造紙、化妝品工業、食品工業和其他領域中受到越來越多的關注[4-9]。本文將對細菌纖維素的生產、細菌纖維素產生菌的選育以及在食品工業中的應用進行綜述，以期使其更廣泛地在食品中應用。

1 細菌纖維素的結構和性質

細菌纖維素是一種無支鏈的長鏈聚合物，由許多1,4-β-糖苷鍵的葡萄糖單元組成。接近線性的葡聚糖鏈通過分子內和分子間氫鍵形成高度規則的納米原纖維，可以聚集成寬50～80 nm、厚3～8 nm的微纖維，從而形成3D網絡結構[10-11]。細菌纖維素的聚合度在16 000～20 000，而植物聚合物的平均聚合度在13 000～14 000[12]。①與植物來源的纖維素相比，納米尺寸的細菌纖維素通常要小一些[13]，與植物來源的纖維素、半纖維素和木質素相較而言，細菌纖維素具有很高的純度，因此細菌纖維素的純化過程相對更簡單、更便宜且更環保[14-15]。②與植物來源的纖維素相比，細菌纖維素具有相對更好的機械性能。細菌纖維素的機械性能以其高結晶度（通常高于60%）和原纖維結構表明，通常情況下它的抗拉強度在200～300 MPa，其楊氏模量高達15～35 GPa[16]。③此外，細菌纖維素被認為是一種重要的可降解材料，無生殖毒性、無胚胎毒性且無致畸作用[17]。簡而言之，它的化學成分與植物纖維素相同，同時具有許多不同尋常的理化和機械性能，包括更高的純度、結晶度、聚合度、拉伸強度、吸水和保持能力，以及更好的生物適應性[18-21]，正因為細菌纖維素有這些特性，在食品工業的特定應用中，細菌纖維素成為了植物來源纖維素的潛在替代品。

2 細菌纖維素的產生菌的選育

盡管細菌纖維素可以由諸多種屬的細菌發酵產生，但其低產量和高生產成本仍是嚴重的缺點，在很大程度上限制了其在工業、食品、復合材料等行業中的廣泛應用，因此有必要探索和篩選生產力更高的菌株以及成本較低的細菌纖維素生產來源[22]。王潔琛等[23]從紅茶菌中分離出1株醋酸菌和3株酵母菌并進行不同比例共培養，產出的細菌纖維素最多可達4.70 g·L-1；楊穎等[24]從腐敗柑橘表面分離出1株木葡糖酸醋桿菌，通過研究間歇振蕩法生產BC的營養條件進行優化，得到BC產量高達10.26 g·L-1；KHAN等[25]探索人參果中分離出的希氏乳桿菌，發現該細菌可生產細菌纖維素，對其培養基進行優化后得到的高產菌株產量為（7.23±0.59）g·L-1；REVIN等[26]從紅茶菌共生體系中篩選出兩株BC生產菌，分別為Komagataeibacter sucrofermentansH 110、Komagataeibacter hanseniiC 110，分離得到的菌株具有很高的生產率，在含有食品工業廢物的培養基上形成8.2～9.5 g·L-1的細菌纖維素。

在已有的針對高產細菌纖維素菌株的研究中，木葡糖酸醋桿菌屬菌種[27]因其較高的生產率和消耗不同碳源的能力而被廣泛用于商業生產和研究中作為模型菌株，但是這些寬型細菌的細菌纖維素產量通常較低，不能滿足商業需求。為了提高品質和產量，可以應用基因工程技術。目前已經嘗試了多種方法對某些菌株進行遺傳修飾[28]，從而引發出現誘變菌株。WU等[29]通過高靜水壓（HHP）處理誘導產生BC的木霉菌株發生有益突變，成功篩選出BC產量顯著高于親本菌株的突變體，在濕態下BC產量提高近100%，生產率為158.56 g·L-1（濕重）；HUNGUND等[30]研究證明了紫外線（UV）輻射和甲基磺酸乙酯（EMS）對葡萄酸乙酯細菌NCIM 2526提高纖維素產量的有效性，他們用UV法使BC產量增加了30%（3.92 g·L-1），用EMS法使BC產量增加了50%（5.96 g·L-1）；MEHTA等[31]人在木霉的acsABCD纖維素合成酶操縱子中創建了一個acsD破壞突變體，并觀察到該蛋白參與纖維素纖維的層次定向，這種突變導致了纖維素的高效合成。

近年來，來自可再生的農林業殘余物或工業副產品的各種纖維素廢物已被用作碳源以提高細菌纖維素的產量，這也可以降低經濟成本。ALMEIDA等[32]使用木醋桿菌，以甜菜糖蜜作為碳源得到的細菌纖維素的產量相比于使用葡萄糖培養基增加了31%；HUANG等[33]以玉米芯酸水解物作為碳源所得的細菌纖維素的結晶度和持水能力得到明顯改善；TSOUKO等[34]二次利用來自生物柴油和糖果產業的廢物和副產品進行發酵，產物的產量為4 g·L-1，其聚合度和機械強度有所提高，纖維的密度和厚度則有所降低；MOHAMMADKAZEMI、GALLEGOS等[35-36]以大棗糖漿為碳源，分別使用木糖桿菌和蔗糖發酵桿菌作為發酵菌株，蔗糖桿菌發酵所得細菌纖維素產量為1.2 g·L-1，木糖桿菌產量為其3倍；HONG等[37]以魔芋粉為碳源，經木醋桿菌發酵所得細菌纖維素產量為13 g·L-1；CAKAR等[38]以瓜皮為碳源，經木糖桿菌發酵所得細菌纖維素產量為8.34 g·L-1，其細菌纖維素的組成從纖細纖維變為網狀結構。

3 細菌纖維素在食品工業中的應用

3.1 新型膳食纖維方面

谷物、水果和蔬菜中的膳食纖維在人類的小腸和大腸中都有不同的營養益處，然而，實驗表明細菌纖維素降低倉鼠血清脂質和膽固醇的功效明顯高于植物纖維素，可用于開發各種形式的新型富含纖維的功能食品[39]。ZHAI等[40]發現，細菌纖維素用作膳食纖維補充劑可以通過減輕胰島素抵抗、肝損傷和炎癥，增強抗氧化防御系統并調節脂肪細胞因子和脂肪生成相關蛋白的分泌來有效抑制高脂飲食引起的肥胖癥。此外，補充細菌纖維素可以有效增加絨毛細胞的長度以及結腸粘膜和肌肉的厚度，從而保護結腸平滑肌細胞免于凋亡。同時，細菌纖維素將被用作減輕便秘和調節短鏈脂肪酸和腸道菌群的有應用前景的膳食纖維[41]。

3.2 食品原料方面

細菌纖維素作為食品工業的原料，傳統上用在可可甜品和康普茶的生產中[43-44]。源自菲律賓的Nata是東南亞著名的傳統甜點，這種食品因其光滑的口感和簡單的制造工藝而在全世界變得非常流行。不同口味的Nata食品可以使用不同的果汁作為媒介來制備，例如椰油中的Nata de coco是由細菌發酵產生的，這種椰油中含有豐富的椰子風味。同樣，可以從菠蘿汁中生產出具有菠蘿風味的Nata de pino[43]。此外，細菌纖維素通常出現在康普茶中。康普茶是通過使用酵母，乳酸菌和木葡糖酸醋桿菌的共生菌發酵含糖茶而制成的。據報道，由于其熱量低、纖維含量高以及含有抗氧化成分，康普茶能減輕脂質的積聚并保護肝臟不受損害，促進小鼠肝臟的恢復[44]。紅茶菌茶還具有潛在的治療作用和免疫調節特性，已被證明可以改善小鼠模型的實驗性自體免疫性腦脊髓炎[45]。

3.3 作為食品成分添加

由于其懸浮、保水、增稠和具有乳化穩定性的性能，細菌纖維素在食品工業中的潛在應用已經得到了探索。OKIYAMA等[46]發現：①細菌纖維素可作為一種熱穩定的懸浮劑和填充劑，增強豆腐和蕎麥面條等易碎凝膠的主體結構，同時保持其細膩的質地。②添加細菌纖維素可降低糊狀食品的黏性，改善其口感；能防止巧克力飲料沉淀；還可以顯著提高豆腐的強度，從而提供堅實的質感。③將細菌纖維素添加到Kamaboko（一種加工過的日本海鮮）中可以改善彈性和感官品質，因為它具有更好的耐老化性[47]。LIN等[48]已證明，向中式肉丸中添加細菌纖維素之后，與對照組相比具有相似的質量而不會對質地造成不利影響，且它可以在至少1個月內保持其濕度。最近的研究報道，從冰柜中取出后，細菌纖維素還能保持的輪廓至少60 min，而冰淇淋在不添加細菌纖維素的情況下會很快融化，因此可以在冰淇淋中添加細菌纖維素作為奶油替代品，不僅會降低冰淇淋的總熱量，而且能提高其耐融性和其他質地特性[49]。此外，由于某些成分是非動物來源的，因此對于某些有飲食限制的消費者而言，它可以替代動物性產品。總之，與其他多糖相比細菌纖維素具有獨特的優勢，這些發現進一步說明細菌纖維素可以廣泛用作加工食品中的食品添加劑，以改善其質量，延長儲存時間并限制其熱量。

3.4 食品包裝方面

目前，消費者對符合高質量和安全標準的天然食品的需求不斷增加，因此，人們已開發出新的食品包裝來存儲新鮮的水果和蔬菜。通常藻酸鹽、纖維素、殼聚糖、角叉菜膠或果膠及其衍生物被廣泛用作成膜材料[50-52]，最近許多研究人員證明，細菌纖維素在食品包裝的應用中具有許多優勢。TOME等[53]發現，與細菌纖維素結合使用的薄膜表現出更高的疏水性，還具有在不同相對濕度下控制水蒸氣以及加濕的氮、氧和二氧化碳的阻隔性能；JIPA等[54]通過結合山梨酸（SA）作為抗菌劑，設計了可生物降解的基于細菌纖維素的單層和多層膜，并測試了細菌纖維素-SA的抗大腸桿菌K12-MG1655的抗菌效果，這表明細菌纖維素-SA膜具有良好的抗菌性能[55]；此外，LAPIDOT等[56]申請了有關細菌纖維素用作涂層材料的納米晶纖維素的專利，ZHONG[57]申請了有關用于冰袋的細菌纖維素的專利。綜上所述，細菌纖維素及其衍生物是食品包裝中具有很大應用前景。

4 結語

細菌纖維素以其優異的機械性能、生物相容性和生物降解性，完全符合現代社會對環境保護和食品安全的要求。近年來，細菌纖維素在食品工業領域的研究及應用已取得較多成果，在食品領域和其他應用中具有巨大的應用前景，然而細菌纖維素的產量低和生產成本高成為限制其在食品工業中進一步應用的主要問題之一，許多研究人員已開始嘗試通過分離高產細菌纖維素菌株，探索低成本培養基成分以及改良發酵工藝等方式使細菌纖維素能有更高產量。同時，細菌纖維素在食品包裝材料方面的應用以及在低熱量膳食纖維的機理研究中都具有較多的研究潛力，為探索其在食品工業中的新功能提供堅實的理論基礎。