细菌纤维素覆膜硅油纸制备食品包装材料的研究

陈璇琪，徐雅玲,2，胡歆笛，柳蕲津，孔世齐，王红霞，安润知

（1.嘉兴学院 生物与化学工程学院，浙江 嘉兴 314001；2.嘉兴市化工清洁工艺重点实验室，浙江 嘉兴 314001）

细菌纤维素（bacterial cellulose，BC），又称为微生物纤维素，是由微生物发酵合成的多孔性网状生物高分子聚合物，其分子式为(C6H10O5)n。细菌纤维素的分子组成和植物纤维素一致，都是由β-D-葡萄糖通过β-1,4-糖苷键结合成的直链[1-2]。细菌纤维素因高纯度、高结晶性、成本低廉、易获取，以及比植物纤维素更高的拉伸强度和韧性而备受关注。细菌纤维素除了在食品（如椰果）和化妆品（如面膜）等领域应用外，其作为医用敷料可帮助伤口愈合，并可用作人造皮肤和血管，或者其他组织工程的框架材料[3]。

另一方面，细菌纤维素也可用作食品包装材料。通常做法是将干燥后的细菌纤维素膜破碎，然后同其他材料如聚合物或颗粒材料（聚乙烯醇、壳聚糖、SiO2、金属氧化物、黏土材料等）混合得到复合材料，可获得与合成聚合物媲美的机械性能[1]。在相关研究中，由于细菌纤维素膜的高亲水性（可达95%～97%含水量）[4]，导致在成膜加工时干燥性能差、耗能严重的缺点均未提及。

在本研究中，通过在硅油纸表面原位生长细菌纤维素薄膜的方法，获取具有细菌纤维素优异性能的覆膜材料，同时克服细菌纤维素膜本身干燥性能差、耐水性差的缺点。此外，通过原位生长复合蒙脱土纳米材料，可进一步提高材料的阻水性能和强度。因此，细菌纤维素覆膜生产复合材料的研究对促进新型食品包装材料技术的发展有一定的积极意义。

1 实验部分

1.1 主要试剂及材料

蛋白胨、磷酸二氢钾、磷酸氢二钠、柠檬酸、乙醇等均为分析纯，上海国药化学试剂有限公司；蒙脱土K，阿拉丁试剂有限公司；红茶，浙江省新昌县南龙茶叶商行；酵母菌，安琪酵母股份有限公司；乳酸菌，北京川秀国际贸易有限公司；酵母浸粉，四川宝顺生物技术有限公司；木醋杆菌，实验室留样葡糖醋杆菌BC19-2[4]。

1.2 细菌培养基

菌种培养基：红茶，0.2%；蔗糖，3%；菌种量，10%；装液量，20%（200 mL/1000 mL 培养瓶）。室温下静置培养一周。

红茶培养基：蔗糖，20.0 g/L；红茶，3.4 g/L。将红茶装入茶包，并用微波炉煮沸，至蔗糖完全溶解后，除去茶包。用玻璃棒搅拌后，在高压蒸汽灭菌锅（121 ℃、101 KPa）中灭菌20 min，冷却备用。

常规培养基: 蔗糖，20.0 g/L；蛋白胨，5.0 g/L；酵母浸粉，5.0 g/L；磷酸氢二钠，5.1 g/L；磷酸二氢钾，2 g/L；乙醇，10 g/L；无水柠檬酸，1.15 g/L。放入高压蒸汽灭菌锅中，设置温度为121 ℃、压力为101 kPa，灭菌20 min，冷却备用[3,5]。

1.3 细菌纤维素培养及覆膜材料的制备

在培养皿中以硅油纸（妙洁零沾黏*烹调纸）作为纸质材料基底，倒入适量的细菌纤维素培养液，使其在硅油纸表面自然生长形成细菌纤维素复合纸。

蒙脱土悬浮液的配置：向不同质量的蒙脱土中加入50 mL 蒸馏水配置蒙脱土悬浮液，浓度分别为3 g/L、5 g/L、8 g/L，室温下搅拌24 h 灭菌备用。

共进行9 组培养基对照研究。其中第1～3 组中加入红茶培养基，第4～6 组中加入常规培养基，第7～9 组加入红茶培养基及蒙脱土悬浮液，对比探究最佳蒙脱土负荷量。不同细菌纤维素膜培养基的培养条件见表1。

表1 不同细菌纤维素膜培养基的培养条件

将所有培养基均置于设定温度为30 ℃的恒温箱中培养。在细菌纤维素生长约4 d（96 h）后从恒温箱取出，在60 ℃的烘箱中自然干燥约24 h，可得细菌纤维素复合。

1.4 细菌纤维素覆膜材料的表征

膜表面性质测试：将细菌纤维素复合纸裁剪成大小为5 mm×5 mm 样品，平整地置于载玻片上，将3 μL 蒸馏水液滴自然滴加至覆膜纸上，通过表面接触角测量仪（Dataphysics OCA15ECTBU 100）采集系统采集图像与表面接触角，以分析不同样品对应的疏水性能。

抗张强度的测定（恒速负荷法）：在覆膜滤纸上切出宽度为15 mm 的细条，拉力机（Instron 5967）夹具之间试样尺寸为50 mm。在拉伸速率为10 mm/min 的条件下测试拉伸强度。

2 实验结果与讨论

2.1 培养基用量

细菌纤维素生物合成途径是由自然界筛选的醋酸菌属、土壤杆菌属等，主要以木醋杆菌为代表的微生物，将葡萄糖、果糖、甘露醇等碳源聚合生成纤维素链，在菌体内及其邻近培养基中分泌并完成自组装，并自发移动到培养基和空气的界面中[2]。木醋杆菌合成细菌纤维素会在培养液表面形成菌膜，在形成一定厚度无法透氧后会停止生长。因而，浅盘生长细菌纤维素是比较常用的方法。

Yoshino 等[6]的研究表明，可透氧通孔的硅胶膜体系可使巴氏醋酸菌在膜和液体表面产生细菌纤维素，从而极大地促进了细菌纤维素的产量。在本研究中，以涂布硅油烹调纸为基材，以少量营养液培养细菌纤维素膜，试图研究覆膜生长的情况。发现涂布硅油的烹调纸表面确实可以产生和纸表面紧密相连的细菌纤维素薄膜，在干燥后也无法分开。图1 表明细菌纤维素的产量和培养基用量关系密切。当培养基用量从30 mL 增加至40 mL 时，细菌纤维素产量增长了1.35 倍；但培养基用量从40 mL 提高到50 mL 时，细菌纤维素产量仅增加了24%。

图1 培养基用量对细菌纤维素产膜量的影响

从图1 中可以看出，红茶培养基产细菌纤维素的能力略高于文献中常用于产细菌纤维素的常规培养基。这可能是由于细菌纤维素的合成是一个精密且繁复的过程，涉及大量单酶、复合催化及调节蛋白等。在本研究中，菌种培育在红茶培养基中进行过优化，更有利于在红茶萃取物中生长。

2.2 蒙脱土用量

填料是造纸中常用的原料，可增加纸张的强度、白度、不透明性等。细菌纤维素薄膜是高亲水性物质，也意味着其耐水性差，且干燥性能不佳。蒙脱土经常用于改善细菌纤维素膜的物理和机械性能，以及耐水性等。将形成的细菌纤维素膜放到蒙脱土悬浮液中可极大改善其阻水性能[7]。而将细菌纤维素膜粉碎后再和蒙脱土悬浮液复合的研究表明，添加2%的蒙脱土不会影响透湿性或降低复合膜强度，但细菌纤维素的晶型从α更多地转化成β，而5%的蒙脱土会增加其透湿性[5]。在本研究中，加入少量蒙脱土于培养基的目的是观察其是否可以在培养基中原位生长细菌纤维素并提高其干燥性能。不同蒙脱土加入量对覆膜细菌纤维素产量的影响见图2。从图2 中可以看出，加入少量蒙脱土有利于增加细菌纤维素的产量，但加入过多则会降低木醋杆菌对细菌纤维素的分泌。其原因可能是由于一方面有着很大比表面积的蒙脱土提供了木醋杆菌的附着场所，使得细菌纤维素的分泌、组装和结晶过程变得容易；另一方面，蒙脱土的增加使细菌纤维素膜快速成型，从而减少氧的通透性，导致膜的厚度增加有限，最终细菌纤维素的产量降低。

图2 不同蒙脱土浓度对覆膜细菌纤维素产量的影响

2.3 细菌纤维素覆膜对纸张表面性质的影响

作为食品包装材料，其表面状况是备受关注的重要性质。纸张的耐水性差可通过添加湿强剂来改善。同时，通过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，试图通过在蒙脱土悬浮液培养基中原位生长细菌纤维素材料同时解决功能和环保的问题。图3 为涂布硅油纸及覆膜生长细菌纤维素后膜表面性质的变化。

图3 不同蒙脱土浓度对覆膜细菌纤维素表面亲水性的影响

从图3 滴液后的0.05 s 接触角数据中可以看出，涂布硅油纸有较好的耐水性，其表面生长细菌纤维素后因为和水的接触时间短，其耐水性还略有增加，表明覆膜表面结构致密。同时，引入蒙脱土可极大改善瞬时耐水性，表现为接触角的明显增加。

液滴落在材料表面铺展渗透体现出接触角的变化。从图3 中可以看出，0.05 s 之后的接触角数据表明，在硅油纸上的液滴的铺展渗透比较有限，表现出较好的耐水稳定性。而覆膜细菌纤维素则表现出明显的接触角降低，体现出细菌纤维素膜的亲水性。与液滴在滤纸上的铺展相比（瞬时渗透铺展），细菌纤维素薄膜的耐水性较好，表明其表面致密，结晶性水含量多，不易水合。当体系中加入蒙脱土时，添加3%的蒙脱土使体系的耐水性变好，在0.05 s 之后的接触角比硅油纸大。而添加5%的蒙脱土，0.05 s 后的接触角则低于硅油纸和3%蒙脱土体系，说明耐水性变差。而进一步增加至8%的蒙脱土时，复合膜的耐水性最好，比硅油纸的耐水性更优异稳定。结合图2 的数据表明，添加5%蒙脱土，0.05 s 时耐水性增加，可能是由于细菌纤维素膜的含量有较大增加所致，但同时体系变得不够均匀，使得0.05 s 后液滴的渗透性变强，接触角反而下降很快。此外，加入8%的蒙脱土，复合膜表面蒙脱土的量进一步增加，形成耐水性较好的蒙脱土富集的致密结构，使其耐水性和稳定性增加。

2.4 覆膜对纸张拉伸强度的影响

覆膜细菌纤维素中添加蒙脱土对纸张拉伸强度的影响见图4。

图4 覆膜细菌纤维素中添加蒙脱土对纸张拉伸强度的影响

从图4 可以看出，添加蒙脱土于细菌纤维素培养基中，能较好地改善复合纸的拉伸强度。由于蒙脱土表面也具有亲水基团，可以与细菌纤维素结合并形成氢键网络，且填料的加入可显著改善纳米复合材料的性能，因此赋予了复合膜较好的强度[8]。图4 显示随着蒙脱土浓度从3%增加到5%，拉伸强度有较大的提升但误差变大。这是因为在蒙脱土用量变化下，细菌纤维素的产量增加，蒙脱土填料量的增加可显著改善薄膜的强度。但结合图3 的数据，可能由于体系的不均匀性增加，拉伸强度会表现出较大的波动。进一步增加蒙脱土的用量（8%蒙脱土）则导致拉伸强度降低。Sommer 等[5]发现，加入2%的蒙脱土于经粉碎处理的细菌纤维素中，会导致后续成膜后薄膜的拉伸强度增加15%，而加入5%蒙脱土则使复合膜的拉伸强度降低8%。在类似的研究中，Giannakas等[9]发现，3%的蒙脱土添加量使聚多糖（壳聚糖薄膜）复合膜的拉伸强度降低30%，5%的蒙脱土添加量则使复合膜的拉伸强度降低80%，而添加10%的蒙脱土时拉伸强度变化不大。本研究的结果和文献报道的一致，复合膜的拉伸强度随蒙脱土用量都有一个先增加后下降的趋势，这可能是由于8%蒙脱土用量时细菌纤维素产量减少，因而与蒙脱土相互作用的数量减少，从而使得强度变小。

3 结论

从上述研究中可知，通过浅盘培养，少量的培养基足以生产一定厚度的细菌纤维素薄膜于纸张上，而不会将之与纸张表面分开。细菌纤维素的产量与培养基成分和用量有关，其产量随初始培养基用量的增加快速增加，而后增长趋缓。红茶培养基比传统氮源含量高的常规培养基更能促进细菌纤维素的生产。同时，木醋杆菌可以附着在蒙脱土填料上形成细菌纤维素，且随着蒙脱土用量的增加，细菌纤维素的产量上升，拉伸强度增加，阻水性能变好，但过量蒙脱土的添加则限制了细菌纤维素的生长。在此情况下，虽然进一步改善了材料表面的耐水性能，但拉伸强度却有所下降。因此，细菌纤维素的产量以及和蒙脱土的相互作用需要有一个较好的平衡值。

综上所述，覆膜生产细菌纤维素于纸张表面以改善纸张的强度和表面性能，是一种行之有效的方法。原位生产细菌纤维素具有作为食品包装材料的应用潜力。