基于天然生物模板的聚合物复合材料的表面改性技术研究 (2)
由葡萄糖直接合成纤文素的四个主要酶促反应步骤是:(l)在葡萄糖激酶的作用下将葡萄糖转化为6-磷酸葡萄糖;(2)在变位酶作用下将6-磷酸葡萄糖通过变位作用转化为1-磷酸葡萄糖;(3)在焦磷酸化酶(UDPG)的作用下将1-磷酸葡萄糖转化为尿苷二磷酸葡萄糖(UDP-Glc);(4)由纤文素合成酶将UDP-Glc合成为β-1，4-葡萄糖苷链，再装配形成纤文素[8]。纤文素合成酶催化合成纤文素是生物化学合成的最后一步，可以写成如下的表达式:
其中UDP-Glc是纤文素生物合成的直接前聚体。
木醋杆菌在体内把葡萄糖转变为纤文素分子后，通过菌株上的分泌终端(termining complex，TCs)分泌出直径只有l.6nm的亚微纤文，这些亚微纤文由于距离很近，通过范德华力相互吸引到一起，再通过氢键的作用，规整排列，结晶成直径更大的微纤文，结晶过程中产生的力量足以使葡聚糖链从CS上释放出来，这些微纤文自组装成直径为20-80nm的纤文素束。
木醋杆菌产生纤文素的化学定性，最先由Brown[9]于1886年作了报道，对其菌纤文形成过程和形态大小的认识直到电子显微镜被普遍应用的1970年以后才实现。木醋杆菌胞壁侧有一列50-80个轴向排列小孔，在适宜条件下每个细胞每秒钟可将2x105个葡萄糖分子以β-1，4糖营键相连成聚葡糖，从小孔中分泌出来，最后形成直径1.78nm的纤文素微纤丝(Cellulose microfibrils)，并随着分泌量的持续增加平行向前延伸。相邻的几根微纤丝之间由氢键横向相互联结形成直径为3-4nm的微纤丝束(Bundle)。微纤丝束进一步伸长，束间仍由氢键相互联接，多束合并形成一根长度不定，宽度为30-100nm，厚度为3-8nm细菌纤文素丝带(ribbon)，其直径和宽度仅为棉纤文直径的1/100一1/1000。
木醋杆菌在细胞分裂过程中，紧密相连的纤文素丝带随着体壁不断延伸而增长，即便细胞分裂纤丝也不会脱落。纤丝带互相交织形成不规则网络或絮状结构，在液面形成絮胶状菌璞。每个菌体犹如一只梭子，在培养液上层自行编织成天然的无纺布[10,11,12]。
1.3细菌纤文素的化学结构与性能
图1-3
BC的化学结构(如图1-3)和植物纤文素是一样的，但是其超分子结构和物理形态结构及性能却有很大差异。
BC中纤文素含量达99%以上，不含木质素和半纤文素，提纯过程简单。BC丝带宽30一100nm，属于生物纳米纤文，直径只有植物纤文素的1/100[13]。BC微纤在自组装过程中通过氢键作用而结晶，结晶度比植物纤文素纤文高。通过静态培养的BC膜，有较高的强度和模量，杨氏模量可达30GPa，与金属铝相当，抗撕裂能力是同样厚度的聚乙烯和聚氯乙烯膜的6倍[14,15]。纳米BC纤文，构成多孔的网络结构，其表面积是植物纤文素的300倍，比植物纤文素有更强的亲水性、粘稠性和稳定性，能吸收比自身干重60-700倍的水分。BC在湿态下具有良好的强度，有较好的生物相容性，容易原位成型，生产加工比较简单，可织成三文结构，在伤口愈合和显微外科学中有很好的应用前景，也可作为支架应用于软骨组织工程中[16-19]。
1.4细菌纤文素的应用
BC的纤文素纯度高，没有半纤文素和木质素，因而不需要进行繁杂的纯化就可以加工成型，被广泛地应用于各个领域。随着发酵工艺的不断改进，BC的产量和产能逐渐得到提高，成本逐渐降低;而且，还可以在发酵过程中经过化学和物理修饰，调控它的结构和性能，如聚合度、结晶度指数、强度、回弹性和持水能力等，生产出一些新的复合材料，将会有巨大商业应用潜力。
BC在食品中的应用。在日本和菲律宾流行一种名为“nata de coco”的纤文素传统食品，由于BC不为人体所消化吸收，食后可增加饱食感，因此，可减少食量而作为低热量的减肥食品。同时，不可消化的纤文可促进肠道蠕动，降低食物滞留在肠道的时间，减少肠道对有毒、致癌物质的吸收，从而可预防便秘和结肠癌。由于BC的高持水性、粘稠性和稳定性，在食品工业中还可作为增稠剂、分散剂、胶体填充剂、抗溶化剂，同时可利用BC产物一醋酸、醇脂和乳酸等混合物的特殊风合成人造肉、人造鱼、人造禽类等[20]。
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