细菌纤维素的最新进展外文翻译资料

 2021-12-11 09:12

英语原文共 30 页

细菌纤维素的最新进展

摘要

微生物产生的细菌纤维素作为多功能纳米生物材料已被广泛接受。它由带有氢键的线性葡聚糖分子组成，看起来类似于植物纤维素。然而，与其他传统的天然或合成对应物相比，BC在生物医学、功能器件、水处理、纳米填料等领域表现更好，因为其独特的优越化学纯度、结晶度、生物活性、兼容性和超细网络架构。当细菌纤维素被掺入材料或用作支架时，会产生与细菌纤维素的上述内在特征相关的新特征。本文主要综述了用BC制造的功能性产品的最新进展。此外，还应探讨可控的培养条件，以期在产量上有所突破。我们重点介绍了近5年来的文献，致力于为BC研究提供关注领域的最新观点。

关键词：细菌纤维素；纳米生物材料；网络架构；可控培养

介绍

植物或细菌合成的纤维素是地球上几乎取之不尽的有机聚合物资源，具有全球经济重要性( Kim等，2006年)。据估计，全球每年合成的纤维素数量在1000至1500亿吨之间( Hon, 1994年 )。因此，纤维素有望满足日益增长的环保和石油替代产品的需求。这些天然聚合物通常用于广泛的领域，例如造纸( Saikia等，1997年)，纺织工业( Perepelkinet 等，1997年)，医疗应用( Hoenich，2007年)。增强剂( Bhatnagar和Sain，2005年；Wu等，2007年 )，因其良好的生物相容性、高刚性、纤维形态和低成本而蚀刻。

最近，一种特殊的天然纤维素，即细菌纤维素（BC）引起了人们的特别兴趣。布朗在1886年首次报道了由某些细菌合成的细菌，如木醋杆菌。据推测，细菌产生纤维素是为了防止紫外线辐射和恶劣的化学环境以及氧气的进入(布朗，2004年；Eichhorn等，2001年；Iguchi等，2000年；Klemm等，2005年；Putra等，2008年；Retegi等，2010年；shoda和sugano 2005年；Somerville，2006年 )，而由纤维素制成的植物细胞壁提供抵抗渗透压的支持。由于来源于植物或细菌的纤维素具有生物相容性和生物可降解性，因此有可能用于生物医学领域。

虽然纤维素的化学组成是由纤维二糖连接的链状分子，但与其他纤维素一样，它不含木质素、半纤维素和果胶等污染物分子，而通常在植物来源的纤维素中发现。棉花中的纤维素含量为90 %，木材中的纤维素含量为50 %，这是由于一些无定形聚合物也嵌入其中，如中性和酸性多糖、糖蛋白和蜡质芳香物质(Conner，1995年)。因此，用氢氧化钠溶液可以很容易地纯化细菌纤维素，并且能耗低。因此，BC的化学纯度也可以在不使用其他化学品的情况下得到最大限度的保持(Sani和Dahman，2010年)。根据培养条件、各种添加剂以及最终的菌株，细菌纤维素的聚合度在300至10,000之间( Vitta和Thiruvengadam，2012年)。

与植物纤维素不同，微生物产生的纤维素在链状分子合成中有独特的机制，随后是微妙的自组装过程。一个圆柱形细胞每秒可以用存在于细胞表面的孔中纤维素合酶或末端复合物（TC）聚合200,000个葡萄糖分子( Hestrin和Schramm，1954 年)，然后挤出到周围的培养基中，通常获得长度为1至9 micro;m的带状束的形式。

细胞包膜表面的显微照片表明，存在约50 - 80个孔状位点，这些位点沿着细胞的经度排列成规则的一行，并与胞外纤维素带明显并列(Brown等，1976年；Zaar 1979年 )。脂多糖层的这些离散结构被认为是预纤维素聚合物在约10 - 15个链组中相互结合形成宽度为1.5纳米的所谓亚纤丝的挤出位点( Ross等，1991年 )。这些亚纤丝然后自组装形成微纤丝，然后形成纤丝带，接着它们并排紧密聚集，宽度约为50 - 80纳米，比棉纤维细200倍，并显示出非常高的表面积( Vitta和Thiruvengadam，2012年)。

预微纤丝聚集的空间排列提供高达84 - 89 %的高结晶度( Czaja等，2004年)，而植物纤维素的数据从40 %到60 %不等(Jonas和Farah，1998年)。这导致BC的典型杨氏模量在15-35 GPa范围内，拉伸强度在200 – 300MPa范围内(Brown等，1976年)。相对高的模量使其在聚合物基体中起到增强元件的作用。不同来源的纤维素中存在的结晶纤维素的晶体结构也因两种不同的晶相而不同，和分别对应于三斜晶胞和单斜晶胞(Atalla和Vanderhart，1984 年)。据报道，大多数植物细胞富含，而BC被发现富含 (Sugiyama等，1985年)，并且纤维素的比例超过80 % (Sun等人，2007年)。晶体结构是影响纤维素机械性能和界面性能的最重要因素之一( Nishiyama等,2002年)。

在静态培养方法中产生的血糖似乎是一种水凝胶片，其具有可以在显微镜下观察到的三维(3D)网状网络结构。从未干燥的片材获得的湿重量和干重量之比大约100倍。极高的含水量归因于纤维素的天然亲水性，以及湿薄膜中存在的孔结构和“隧道”，这导致从未干燥的基质的间隙空间的大的内表面积( White等，1989年 )。由于BC具有独特的纳米纤维网络形态，在一定程度上模拟了细胞外基质的性质，因此它具有作为组织工程支架的潜力。除了在生物医学领域的应用外，干纤维素膜还被用作扬声器振膜( Iguchi等,2000年)、食品包装薄膜( Wanichapichart等，2012年)和用于储存和展示的脆弱的历史丝绸织物加固( Wu等，2012年)。最近，为了进一步开发这种新型生物材料的独特特征，一些新的领域受到关注。光学活性的整合(Hu等，2011 d)，电导率(Hu等。2011 b)。磁性纳米粒子( Zhang等，2011a )，或光催化降解( Zhang等，2011b)某些应用中材料对纤维素基质的降解，在过去的几十年里一直是一个热门的研究领域。

毕竟，这种有前途的多糖聚合物的更广泛应用显然取决于实际考虑，例如放大能力和生产成本，因此，在其培养期间实现大规模工业生产的因素，包括碳和氮源以及细菌种类，甚至发酵仪器也应该被研究。

BC发酵

为了提高细菌的产量，可以将许多种细菌列为候选细菌，例如葡糖酸醋杆菌(以前的乙酰菌) 、农杆菌、需氧菌、无色杆菌、产碱杆菌、固氮菌、根瘤菌、沙雷那、沙门氏菌、埃希氏菌等。代谢产物(即BC )在分泌到细胞外之前可能经过不同的途径。因此，在处理不同菌株或用突变方法研究一个菌株时，可以发现其科学意义。必要的营养素和发酵方式也会显著影响细菌纤维素的产量。

细菌纤维素生产菌株的筛选及诱变

2001年，藤原等人。( 2001年)报道了一种细菌菌株肠杆菌。首次生产细菌纤维素。之后，Zogaj等人。( 2003年)从人类肠道中分离出一株菌株，最近，Hungund和Gupta( 2010a )试图通过研究各种碳源、氮源和其他因素对从腐烂苹果中分离出的暗尼肠杆菌GH-1代谢途径的影响来提高其纤维素产量。

葡萄酒生产过程中空气-液体界面的薄膜最初被发现为污染物，最终被证明是细菌纤维素。Rani等人( 2011年)试图分离负责薄膜生产的细菌。最终获得细菌，鉴定为葡萄糖酸杆菌。在环境温度下，在静止条件下培养2周后，发现葡萄提取物中BC的产量为7.47克/升(干重)。结果表明，该菌对葡萄培养基的偏好程度较高，但具体原因尚不清楚。

尽管菌株诱变是提高细菌纤维素生产率的有效方法，但这方面的报道很少。Inshikawa等人。( 1995 年)通过NTG ( N -甲基- N / -硝基- N -亚硝基胍)处理获得了对磺胺胍具有抗性的木蝴蝶BPR 2001突变体。bapiraju等人( 2005年)报道突变诱导根霉脂肪酶产量增加。使用紫外线和非关税壁垒。Kadam等人( 2006年)成功地利用紫外诱变来优化乳酸生产的delbruekii乳杆菌菌株。Hungund和Gupta( 2010b )报告了使用紫外线辐射和甲基磺酸乙酯( EMS )对木葡糖酸醋杆菌菌株的改良。突变体GHEM4的纤维素产量为5.96克/升，比亲本菌株( GHUV4 )高50 %，比野生菌株( NCIM 2526 )高98 %。紫外辐射(物理诱变剂)和EMS (化学诱变剂)在菌株改良中提高纤维素产量的有效性已经得到证实。

然而，由于这些诱变方法具有对人类健康相当有害的辐射或毒性，他们的应用是有限的。寻找新的诱变处理对提高产芽孢杆菌的芽孢杆菌产量具有重要意义。Wu等人( 2010年)通过高静水压处理诱导的诱变，用木醋杆菌菌株提高了细菌纤维素的产量。将处于指数期的亲本菌株在250MPa和25℃下处理15分钟，以使用HHP机器诱导诱变。在突变体中，M438菌株表现出最高的BC湿态产量(五代平均为158.56克/升)和最低变异系数(五代为2.4 % )。因此，HHP处理可以作为一种有效的方法来引起具有高产BC能力的诱变。然后，Ge等人。( 2011年 )通过扩增片段长度多态性研究了M438菌株及其初始菌株的遗传多样性。结果表明，M438菌株是HHP诱导的缺失突变体，唯一缺失的序列与Ga基因组序列中的24917 - 24723 bp有99 %的一致性。汉逊尼ATCC23769，补体基因序列位于24699-25019 bp，局部标记GXY_15142，编码小的多药耐药蛋白。因此，作者认为SMR可能是细菌产生的抑制作用。

纯化和冷冻干燥后纤维素产品的铁扫描电镜图像(Kumagai等，2011年)。纤维素原纤维的宽度，博戈氏芽孢杆菌AJ菌株和木霉菌分别在5至20纳米和40至100纳米的范围内，表明这两种相关细菌物种中纤维素生物合成的机制或纤维素合成位点的组织存在差异。重要的是要找出博戈氏芽胞杆菌和木蝴蝶产生的纤维素数量和形态差异的原因，这将提供对纤维素生物合成机制的更好理解。

碳和氮源对纤维素生产的影响

近年来，各种碳源，包括单糖、寡糖、醇、糖醇和有机酸，已经被用于最大化各种木蝴蝶菌株的细菌纤维素产量。(Ishihara等2002年；Keshk和Sameshima，2005年；Masaoka等，1993年；Matsuoka等，1996年；Mikkelsen等，2009年；Yang等，1998年)，木蝴蝶有两个主要的运行角闪岩路径 ：磷酸戊糖循环氧化碳酸氢盐和克雷布镰刀氧化有机酸和相关化合物( Bielecki等，2005年；Ha等人，2011年；Ross等人，1991年；Sutherland，2001年 )。

为了确定各种培养条件的影响，以双糖、单糖和多糖等多种碳源(2％)为基础，进行了初步筛选。还研究了有机和无机氮源(Rani和Appaiah，2011年)。

表1显示的结果表明，葡萄糖似乎是最好的碳源。它证明了以下结果的有效性:各种碳底物可以被葡糖酸醋杆菌转化为单体糖，然后聚合成BC(Mikkelsen等，2009年)。当各种氮源被添加到HS培养基中时，蛋白胨被发现是最有效的营养物。然而，生产第二高产量的玉米浆总是被选为经济观点的替代品。显而易见，无机氮不能作为它们总的低细菌纤维素生产率的优选选择。

近年来，许多研究集中在通过使用替代原料生产BC的尝试上，例如食品加工废水、常压醋酸制浆废液中的半纤维素、糖蜜、魔芋葡甘聚糖、果汁、大米哈克、黑糖蜜溶液和麦草( Carreira等，2011年；El-Saied等，2008年；Hong等，2011年；Kongruang，2008；Kurosumi等人，2009 )这些原材料丰富，或者是工业/农业废弃物，或者是相对便宜的农产品。该策略不仅可以减轻环境负担，而且可以实现低成本大规模生产的目标。

生物反应器中的BC生产

在静态培养条件下，细菌纤维素在培养基表面以薄膜形式产生。然而，传统的静态培养方法不能用于大规模生产，因为它需要长的培养周期和密集的劳动，并导致低生产率( Chao等，2000年 )。因此，大规模工业化生产是不可行的。为了获得更高的细菌纤维素产率，在某些菌株的搅拌发酵模式中需要低剪切力和高氧转移率。

Song等人( 2009年)开发了一种大规模生产细菌纤维素的方法，使用了一种从空气输送型反应器改造而来的球形鼓泡塔生物反应器(图6 )。低剪切、高氧转移率的球形鼓泡塔生物反应器可减少细胞突变菌，从而提高细菌产量。通过在10 L球形鼓泡塔生物反应器中测量kLa，确定最佳曝气速率为1.2 vvm(6 L/min )。在50L和10 L球形生物反应器中添加0.4 %琼脂的糖化食品废料中，细菌纤维素的产率分别达到5.6和5.8 g/L。Choi等人，( 2009年)研究了不同方法生产的细菌纤维素的生产力和物理性质，例如静态培养和使用10和50升球形气升式生物反应器的改良鼓泡塔培养。

不同类型的塑料复合支持物( PCS ) (图7 )在发酵培养基中分别实施，以提高Chengll等人的细菌纤维素产量。( 2009年)。在上面提到的一个PCS生物膜反应器中，最高的生物浓缩产率为7.05克/升。后来，Cheng等人( 2011年)将羧甲基纤维素(羧甲基纤维素，一种纤维素的可溶性形式，以前曾报道可提高颗粒形式的细菌纤维素产量)添加到细菌纤维素生产培养基中PCS生物膜反应器的实施。当使用1.5 %羧甲基纤维素时，细菌纤维素产量提高到最大值( ~ 13克/升)。

BC在医学领域的应用

以木蝴蝶为原料合成的细菌纤维素因其独特的结构和性质，在生物医学领域受到越来越多的关注和关注。如相对高的抗拉强度、极其亲水的表面、与天然细胞外基质同源的结构，独特的纳米结构、优异的生物降解性和生物亲和性等，使BC成为生物医学应用中的一种有前途的材料。

伤口敷料

伤口愈合的目标是恢复皮肤的生物和结构功能，并阻止疤痕组织的形成。BC似乎是人类皮肤的合适替代品，可在伤口愈合过程中形成保护屏障并输送治疗化合物。除了上述标准之外，还应该对所需的伤口愈

资料编号：[5769]

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