原創 as center as科學藝術研究中心

人們借助微生物的生命活動來制備微生物菌體本身，或者其代謝產物的過程叫做發酵。同與人類生活息息相關的發酵食品（酒、酸奶、干酪、面包、腌菜、腐乳）一樣，細菌纖維素(Bacterialcellulose，簡稱BC)也是一種發酵環境下的產物。

生長中的細菌纖維：https://magpieaesthetic.com/growing-bacterial-cellulose/

細菌纖維素是一種多孔性網狀納米級生物高分子聚合物，由獨特的絲狀纖維組成。纖維直徑在0.01～0.10μm之間，比植物纖維素（10μm）小2～3個數量級。

由于其獨特的合成方式，使得細菌纖維素具有超細網狀纖維結構。質地純、結晶度高、有很強的吸水性，是一種天然的納米級“海綿”，并具有良好的生物安全性和可降解性。合成過程溫和，同時具有強大的成膜特性。細菌纖維膜被形象地比喻成“以無數的細菌為梭子，織就的一塊無紡布”。

以上優勢預示著細菌纖維素在許多需要使用精細纖維素的領域有著不可替代的應用前景，作為一種新型納米材料，細菌纖維素已被廣泛應用于紡織、醫用材料、食品等各個領域，成為國際的研究熱點。

細菌纖維素與微觀影像，來源：Steve Scalise

目前，已知能夠生產纖維素的細菌有許多種。其中醋酸菌屬中的木醋桿菌可將葡萄糖、甘油、糖或任何其他有機物質轉化為純纖維素。木醋桿菌對原料適應廣泛，產纖維素能力強，被普遍用于生產和科研。

木醋桿菌，來源：https://www.bncc.com/pro/p2/8/p_280126.html

生產細菌纖維素需要一定的的發酵環境。果糖、甘油、麥芽糖、淀粉和木糖形式的碳以及酪蛋白水解物和蛋白胨形式的氮是細菌纖維素發酵所需的生長培養基的主要成分。25至30℃的溫度范圍最適合生產細菌纖維素，其中28℃是木醋桿菌生產細菌纖維素的最佳溫度。

pH值是控制細菌纖維素生產的另一個重要因素，在細菌纖維素的發酵過程中，乙酸、葡萄糖酸和乳酸等次生代謝物的產生會改變發酵培養基的pH值。因此，pH4–6被認為是細菌纖維素發酵培養基的理想pH值。

另外，由于產出細菌纖維素的微生物都是有氧的，因此需要充足的氧氣供應。在培養基內，低水平的溶解氧會阻礙細菌生長，導致細菌纖維素產生延遲。

細菌纖維素，來源：http://bbe.ac.uk/

as在之前的文章中為大家介紹過菌絲體材料（）。同樣是菌，菌絲體與細菌纖維素有何不同？簡單來說，菌絲體是真菌的本體。真菌的菌絲細胞不斷分裂，縱橫交錯生長而成的集合體；而細菌纖維素則是細菌代謝的產物。

菌絲體在宏觀上通常表現為潮濕時柔軟且富有彈性，干燥后重量減輕并且發硬的白色固體；細菌纖維素則通常表現為含水量極高的半透明凝膠。

細菌纖維素樣品，來源：https://www.blueblocks.nl/portfolio/microbial-cellulose/

纖維素作為一種重要的生物聚合物廣泛應用于生產生活，是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖。但細菌纖維素與植物纖維素的區別在于：植物纖維素是植物細胞壁最重要的結構成分，通常與木質素、果膠、半纖維素結合在一起，使我們很難獲取純纖維素底物；細菌纖維素則不含木質素與其他細胞壁成分，被認為是純纖維素的來源。

植物纖維素，來源：Understanding Cellulose Insulation (paragon-protection.com)

細菌纖維素本身就是一種膳食纖維，具有高纖維素、低脂肪、低熱量等優點。作為一種食品成分，細菌纖維素的主要優勢之一是它不會被人體吸收，除了有助于口感之外，它與其他膳食纖維一樣有利于腸道消化。

也許你會否認自己曾吃過細菌纖維素，但甜品和奶茶里的“椰果”你一定不陌生，它其實就是最常見的一種細菌纖維素。

1973年，菲律賓的研發人員用含糖的椰汁作為木醋桿菌的培養液，生產出了口感比椰肉還要好的白嫩凝膠，將其取名為“Nata de coco”也就是椰子凝膠的意思，并用它來代替椰肉。因其制造工藝簡單、口感良好而在全世界流行，廣泛應用于飲料、乳制品、果凍等食品行業。

椰果奶茶 來源：https://www.zcool.com.cn/work/ZMjU5OTY2OTI=.html

近兩年深受歐美健身人士青睞的康普茶（Kombucha）并不是一種新型飲料，這種發酵茶飲實際上來源于中國。

康普茶也叫紅茶菌，是一種有著悠久歷史的民間傳統酸性飲料，加入糖的茶湯經細菌發酵后產生微量酒精與醋酸從而生出一股獨特的酸甜感。它的產生可以追溯到我國古代的秦朝，并在上世紀80年代時形成家庭自制的風潮。

紅茶菌菌液發酵后通常會產生一層漂浮的纖維素膜，其形酷似海蜇，俗稱“海寶”。這層“海寶”也被稱為“SCOBY”，“SCOBY”這個詞實際上是“細菌和酵母的共生培養（symbiotic culture of bacteria and yeast）”的首字母縮寫，“SCOBY”就是細菌纖維素的典型代表。

康普茶，來源https://www.greenmatters.com/p/what-is-scoby-kombucha

SCOBY，來源：https://brewyourbucha.com/blog/2018/02/12/what-should-a-healthy-scoby-look-like/

SCOBY制成的軟糖，來源：https://www.liveeatlearn.com/kombucha-scoby-candy/

過高的脂肪攝入會引發多種健康問題，包括肥胖、糖尿病、高膽固醇和心臟病等。消費者對高脂肪飲食警惕性的提高，拉動了低脂產品的消費需求。

為了減少食物中的脂肪含量，科研人員對此已經做出了許多努力。不過，與高脂肪食物相比，低脂食物通常口感較差。因此，從降低食物的脂肪含量轉為尋找合適的脂肪替代成分，確保低脂食物的良好口感，是目前面臨的重要挑戰。

肉丸，來源：http://k.sina.com.cn/article_5622417668_v14f1f490401900zn0r.html

細菌纖維素已被用作肉丸、魚糜等產品中的脂肪替代成分。由于其特別的網絡結構可以增強彈性，口感和持水能力。

細菌纖維素也被用來與紅曲提取物結合，制備肉類替代品。紅曲是一種產生黃色、橙色或紅色聚酮色素以及抗高膽固醇血癥劑的霉菌。用這種霉菌進行細菌纖維素發酵會產生有色產物，這種有色復合材料已被用作以肉類替代物為主的新型功能性食品原料。

細菌纖維素的食品應用，來源：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fsufs.2019.00007/full

細菌纖維素作為食品添加劑同樣功能強大。可用作增稠劑、穩定劑以及脂肪替代物等。例如在冰淇淋的加工中，細菌纖維素不僅可以替代脂肪，賦予冰激凌與傳統的低脂配方相比更好的口感。也可以增加其粘度和熔融時間，支持物理結構，有助于溫度波動時的形狀保持。細菌纖維素可以使冰淇淋在室溫下保持其形狀至少60分鐘，而不含細菌纖維素的對照冰淇淋則在同一時間內完全融化。

冰淇淋，來源：https://www.zcool.com.cn/work/ZNDkwOTA4NjQ=.html

已有研究利用大豆乳清發酵得到的細菌纖維素作為穩定劑，應用到冰淇淋的加工當中。試驗證明，細菌纖維素可以替代黃原膠、卡拉膠等穩定劑，它可以改善口感，同時呈現爽口的香甜味。細菌纖維素冰淇淋的抗融性和融化特性都比較理想，融化率21.7%，膨脹率67%。同時產品具有一定的膳食保健功能。

添加BC的冰淇淋結構示意圖，來源：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fsufs.2019.00007/full

細菌纖維素材料，來源：https://www.lionnevandeursen.com/

除了在食品加工中的應用，細菌纖維素在醫藥領域可用于醫用敷料、血液透析膜等；在工業領域可用于化妝品、造紙、紡織材料；甚至可用于制備質子導電膜和有機發光二極管等電子元件。隨著各項技術的發展和成熟，相信作為生物基材料的細菌纖維素在未來會更好地為人類服務。

細菌纖維素包裝，來源：https://www.praguecityuniversity.cz/media/prague-college-student-creates-sustainable-packaging-by-growing

細菌纖維素包裝，來源：https://wevux.com/scoby_-roza-janusz0049152/

Reference:

https://kd.nsfc.gov.cn/paperDownload/1000016090156.pdf

http://www.texleader.com.cn/article/29396.html

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8657668/

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fsufs.2019.00007/full

https://new.qq.com/rain/a/20201109A01E3J00

https://doc.taixueshu.com/journal/20040122spyfx.html

閱讀原文