微生物合成纤维素的特性及溶解性研究

纤维素是地球上最丰富的天然聚合体，它是D－葡萄糖以β－1，4－糖苷键连接而成的链状高分子，具有（C6H10O5）n的组成，是维管束植物、地衣植物以及一部分藻类细胞壁的主要成分。因此，它除广泛存在于树木、棉花等植物中，也有少量存在于若干细菌和个别低级动物中，因此可利用部分微生物合成纤维素。

（一）微生物合成纤维素菌种

与植物纤维素不同，微生物合成的纤维素一般以纯纤维素的形式存在。1989年，S.Yamanaka等发现醋酸菌类微生物具有合成纤维素的独特功能。从那时开始，努力寻求新的可微生物合成纤维素的菌种的目标一直激发人们在微生物材料研究领域探索。

目前，人们研究发现真正能大批量工业化生产醋酸菌纤维素的只有醋酸菌中的几个种，即木醋杆菌、醋化醋杆菌、产醋醋杆菌、巴氏醋杆菌，其中木醋杆菌是合成纤维素能力最强的细菌之一。

醋酸菌纤维素是I型结构，它具有在静态培养条件下高杨氏模量、高抗张强度和极佳的形状维持能力；高结晶度；超细（纳米级）；高纯纤维素含量（99%～100%）；较高的生物适应性和良好的生物可降解性；生物合成时的物理性能可调控性等多种特性。

（二）醋酸菌纤维素的生物合成途径

醋酸菌纤维素的生物合成可分为聚合、分泌、组装与结晶四个大过程。这四个过程是高度耦合的，并和细胞膜上的特定位点密切相关。四个过程大致为：在葡萄糖激酶的作用下将葡萄糖转化成6－磷酸葡萄糖；在异构酶作用下将6－磷酸葡萄糖转化成1－磷酸葡萄糖；在UDPG（尿苷二磷酸葡萄糖）焦磷酸化酶的作用下由1－磷酸葡萄糖生成UDPG；由纤维素合成酶将UDPG合成β－1，4－葡萄糖苷链，再装配形成纤维素。所以UDPG为生成细菌纤维素的直接前体。(www.xing528.com)

研究发现培养基中含有的乳酸盐或甲硫氨酸，能加速细胞生长，提高纤维素产量；当氧分压为大气压的10%～15%时，纤维素的产量最高。提高溶氧会使气相的CO2分压同时加大，并降低纤维素的生产速率；在发酵培养基中加入醋酸作为能源，能保持培养基中pH的稳定，有利于纤维素的生成；在培养基中添加少量纤维素酶可提高纤维素的产量。分别添加1.5%的乙醇，0.1%的醋酸，0.2%的柠檬酸，纤维素的产量可分别提高59.5%，44.4%和40.5%。

（三）微生物合成纤维素的溶解性

微生物合成纤维素纤维的碱液溶解性能与其聚合度有关。与通常木材纤维素纤维一样，如果微生物合成纤维素的聚合度不超过400，则它可以溶解在8.5%的NaOH水溶液中（－5℃），添加1%尿素可以提高微生物合成纤维素的溶解性能。从13C－NMR分析可见，在纤维素溶解过程中，纤维素存在从“tg”向“gt”转变过程，同时伴随着分子间氢键的分离。因此，对于微生物合成纤维素也可以采用普通黏胶纤维一样的溶液纺丝成型制备纤维材料。木醋杆菌合成纤维素与云杉纤维素溶解性对比如表5－25所示。

表5－25　木醋杆菌合成纤维素与云杉纤维素溶解性对比

①纤维素采用含有1.0%尿素的8.5%NaOH溶液处理。

同时，在对木醋杆菌的溶解性研究发现，微生物合成纤维素与木材纤维素一样存在碱性条件下的降解趋势。