细菌纤维素在食品工业中的应用研究进展

◎ 吕 橄，赵文韬，龚建萍，武广珩

（1 武夷学院 福建省生态产业绿色技术重点实验室，福建 武夷山 354300；2武夷学院 生态与资源工程学院，福建 武夷山 354300）

细菌纤维素（Bacterial Cellulose，BC）是由细菌产生的胞外代谢产物，包括无色杆菌属（Achromobacter）、产碱菌属（Alcaligenes）、产气杆菌属（Aerobacter）、土壤杆菌属（Agrobacterium）、固氮菌属（Azotobacter）、木葡糖酸醋杆菌属（Komagataeibacter）、假单胞菌属（Pseudomonas）、根瘤菌属（Rhizobium）、产碱菌（Alcaligenes）、八叠球菌属（Sarcina）和红细菌属（Rhodobacter）等[1]。除了由微生物产生外，体外无细胞体系也可以产生细菌纤维素[2]。1931年，HIBBERT等[3]分析了细菌纤维素的化学组成和结构特性，发现细菌纤维素在分子式上与植物来源的纤维素相同，并且与植物来源的纤维素相比，细菌纤维素与纳米材料和聚合物具有独特的结合性，复合材料具有更好的生物、物理、机械、导电和磁性，因此在生物医学复合材料、生物传感器、造纸、化妆品工业、食品工业和其他领域中受到越来越多的关注[4-9]。本文将对细菌纤维素的生产、细菌纤维素产生菌的选育以及在食品工业中的应用进行综述，以期使其更广泛地在食品中应用。

1 细菌纤维素的结构和性质

细菌纤维素是一种无支链的长链聚合物，由许多1,4-β-糖苷键的葡萄糖单元组成。接近线性的葡聚糖链通过分子内和分子间氢键形成高度规则的纳米原纤维，可以聚集成宽50～80 nm、厚3～8 nm的微纤维，从而形成3D网络结构[10-11]。细菌纤维素的聚合度在16 000～20 000，而植物聚合物的平均聚合度在13 000～14 000[12]。①与植物来源的纤维素相比，纳米尺寸的细菌纤维素通常要小一些[13]，与植物来源的纤维素、半纤维素和木质素相较而言，细菌纤维素具有很高的纯度，因此细菌纤维素的纯化过程相对更简单、更便宜且更环保[14-15]。②与植物来源的纤维素相比，细菌纤维素具有相对更好的机械性能。细菌纤维素的机械性能以其高结晶度（通常高于60%）和原纤维结构表明，通常情况下它的抗拉强度在200～300 MPa，其杨氏模量高达15～35 GPa[16]。③此外，细菌纤维素被认为是一种重要的可降解材料，无生殖毒性、无胚胎毒性且无致畸作用[17]。简而言之，它的化学成分与植物纤维素相同，同时具有许多不同寻常的理化和机械性能，包括更高的纯度、结晶度、聚合度、拉伸强度、吸水和保持能力，以及更好的生物适应性[18-21]，正因为细菌纤维素有这些特性，在食品工业的特定应用中，细菌纤维素成为了植物来源纤维素的潜在替代品。

2 细菌纤维素的产生菌的选育

尽管细菌纤维素可以由诸多种属的细菌发酵产生，但其低产量和高生产成本仍是严重的缺点，在很大程度上限制了其在工业、食品、复合材料等行业中的广泛应用，因此有必要探索和筛选生产力更高的菌株以及成本较低的细菌纤维素生产来源[22]。王洁琛等[23]从红茶菌中分离出1株醋酸菌和3株酵母菌并进行不同比例共培养，产出的细菌纤维素最多可达4.70 g·L-1；杨颖等[24]从腐败柑橘表面分离出1株木葡糖酸醋杆菌，通过研究间歇振荡法生产BC的营养条件进行优化，得到BC产量高达10.26 g·L-1；KHAN等[25]探索人参果中分离出的希氏乳杆菌，发现该细菌可生产细菌纤维素，对其培养基进行优化后得到的高产菌株产量为（7.23±0.59）g·L-1；REVIN等[26]从红茶菌共生体系中筛选出两株BC生产菌，分别为Komagataeibacter sucrofermentansH 110、Komagataeibacter hanseniiC 110，分离得到的菌株具有很高的生产率，在含有食品工业废物的培养基上形成8.2～9.5 g·L-1的细菌纤维素。

在已有的针对高产细菌纤维素菌株的研究中，木葡糖酸醋杆菌属菌种[27]因其较高的生产率和消耗不同碳源的能力而被广泛用于商业生产和研究中作为模型菌株，但是这些宽型细菌的细菌纤维素产量通常较低，不能满足商业需求。为了提高品质和产量，可以应用基因工程技术。目前已经尝试了多种方法对某些菌株进行遗传修饰[28]，从而引发出现诱变菌株。WU等[29]通过高静水压（HHP）处理诱导产生BC的木霉菌株发生有益突变，成功筛选出BC产量显著高于亲本菌株的突变体，在湿态下BC产量提高近100%，生产率为158.56 g·L-1（湿重）；HUNGUND等[30]研究证明了紫外线（UV）辐射和甲基磺酸乙酯（EMS）对葡萄酸乙酯细菌NCIM 2526提高纤维素产量的有效性，他们用UV法使BC产量增加了30%（3.92 g·L-1），用EMS法使BC产量增加了50%（5.96 g·L-1）；MEHTA等[31]人在木霉的acsABCD纤维素合成酶操纵子中创建了一个acsD破坏突变体，并观察到该蛋白参与纤维素纤维的层次定向，这种突变导致了纤维素的高效合成。

近年来，来自可再生的农林业残余物或工业副产品的各种纤维素废物已被用作碳源以提高细菌纤维素的产量，这也可以降低经济成本。ALMEIDA等[32]使用木醋杆菌，以甜菜糖蜜作为碳源得到的细菌纤维素的产量相比于使用葡萄糖培养基增加了31%；HUANG等[33]以玉米芯酸水解物作为碳源所得的细菌纤维素的结晶度和持水能力得到明显改善；TSOUKO等[34]二次利用来自生物柴油和糖果产业的废物和副产品进行发酵，产物的产量为4 g·L-1，其聚合度和机械强度有所提高，纤维的密度和厚度则有所降低；MOHAMMADKAZEMI、GALLEGOS等[35-36]以大枣糖浆为碳源，分别使用木糖杆菌和蔗糖发酵杆菌作为发酵菌株，蔗糖杆菌发酵所得细菌纤维素产量为1.2 g·L-1，木糖杆菌产量为其3倍；HONG等[37]以魔芋粉为碳源，经木醋杆菌发酵所得细菌纤维素产量为13 g·L-1；CAKAR等[38]以瓜皮为碳源，经木糖杆菌发酵所得细菌纤维素产量为8.34 g·L-1，其细菌纤维素的组成从纤细纤维变为网状结构。

3 细菌纤维素在食品工业中的应用

3.1 新型膳食纤维方面

谷物、水果和蔬菜中的膳食纤维在人类的小肠和大肠中都有不同的营养益处，然而，实验表明细菌纤维素降低仓鼠血清脂质和胆固醇的功效明显高于植物纤维素，可用于开发各种形式的新型富含纤维的功能食品[39]。ZHAI等[40]发现，细菌纤维素用作膳食纤维补充剂可以通过减轻胰岛素抵抗、肝损伤和炎症，增强抗氧化防御系统并调节脂肪细胞因子和脂肪生成相关蛋白的分泌来有效抑制高脂饮食引起的肥胖症。此外，补充细菌纤维素可以有效增加绒毛细胞的长度以及结肠粘膜和肌肉的厚度，从而保护结肠平滑肌细胞免于凋亡。同时，细菌纤维素将被用作减轻便秘和调节短链脂肪酸和肠道菌群的有应用前景的膳食纤维[41]。

3.2 食品原料方面

细菌纤维素作为食品工业的原料，传统上用在可可甜品和康普茶的生产中[43-44]。源自菲律宾的Nata是东南亚著名的传统甜点，这种食品因其光滑的口感和简单的制造工艺而在全世界变得非常流行。不同口味的Nata食品可以使用不同的果汁作为媒介来制备，例如椰油中的Nata de coco是由细菌发酵产生的，这种椰油中含有丰富的椰子风味。同样，可以从菠萝汁中生产出具有菠萝风味的Nata de pino[43]。此外，细菌纤维素通常出现在康普茶中。康普茶是通过使用酵母，乳酸菌和木葡糖酸醋杆菌的共生菌发酵含糖茶而制成的。据报道，由于其热量低、纤维含量高以及含有抗氧化成分，康普茶能减轻脂质的积聚并保护肝脏不受损害，促进小鼠肝脏的恢复[44]。红茶菌茶还具有潜在的治疗作用和免疫调节特性，已被证明可以改善小鼠模型的实验性自体免疫性脑脊髓炎[45]。

3.3 作为食品成分添加

由于其悬浮、保水、增稠和具有乳化稳定性的性能，细菌纤维素在食品工业中的潜在应用已经得到了探索。OKIYAMA等[46]发现：①细菌纤维素可作为一种热稳定的悬浮剂和填充剂，增强豆腐和荞麦面条等易碎凝胶的主体结构，同时保持其细腻的质地。②添加细菌纤维素可降低糊状食品的黏性，改善其口感；能防止巧克力饮料沉淀；还可以显著提高豆腐的强度，从而提供坚实的质感。③将细菌纤维素添加到Kamaboko（一种加工过的日本海鲜）中可以改善弹性和感官品质，因为它具有更好的耐老化性[47]。LIN等[48]已证明，向中式肉丸中添加细菌纤维素之后，与对照组相比具有相似的质量而不会对质地造成不利影响，且它可以在至少1个月内保持其湿度。最近的研究报道，从冰柜中取出后，细菌纤维素还能保持的轮廓至少60 min，而冰淇淋在不添加细菌纤维素的情况下会很快融化，因此可以在冰淇淋中添加细菌纤维素作为奶油替代品，不仅会降低冰淇淋的总热量，而且能提高其耐融性和其他质地特性[49]。此外，由于某些成分是非动物来源的，因此对于某些有饮食限制的消费者而言，它可以替代动物性产品。总之，与其他多糖相比细菌纤维素具有独特的优势，这些发现进一步说明细菌纤维素可以广泛用作加工食品中的食品添加剂，以改善其质量，延长储存时间并限制其热量。

3.4 食品包装方面

目前，消费者对符合高质量和安全标准的天然食品的需求不断增加，因此，人们已开发出新的食品包装来存储新鲜的水果和蔬菜。通常藻酸盐、纤维素、壳聚糖、角叉菜胶或果胶及其衍生物被广泛用作成膜材料[50-52]，最近许多研究人员证明，细菌纤维素在食品包装的应用中具有许多优势。TOME等[53]发现，与细菌纤维素结合使用的薄膜表现出更高的疏水性，还具有在不同相对湿度下控制水蒸气以及加湿的氮、氧和二氧化碳的阻隔性能；JIPA等[54]通过结合山梨酸（SA）作为抗菌剂，设计了可生物降解的基于细菌纤维素的单层和多层膜，并测试了细菌纤维素-SA的抗大肠杆菌K12-MG1655的抗菌效果，这表明细菌纤维素-SA膜具有良好的抗菌性能[55]；此外，LAPIDOT等[56]申请了有关细菌纤维素用作涂层材料的纳米晶纤维素的专利，ZHONG[57]申请了有关用于冰袋的细菌纤维素的专利。综上所述，细菌纤维素及其衍生物是食品包装中具有很大应用前景。

4 结语

细菌纤维素以其优异的机械性能、生物相容性和生物降解性，完全符合现代社会对环境保护和食品安全的要求。近年来，细菌纤维素在食品工业领域的研究及应用已取得较多成果，在食品领域和其他应用中具有巨大的应用前景，然而细菌纤维素的产量低和生产成本高成为限制其在食品工业中进一步应用的主要问题之一，许多研究人员已开始尝试通过分离高产细菌纤维素菌株，探索低成本培养基成分以及改良发酵工艺等方式使细菌纤维素能有更高产量。同时，细菌纤维素在食品包装材料方面的应用以及在低热量膳食纤维的机理研究中都具有较多的研究潜力，为探索其在食品工业中的新功能提供坚实的理论基础。