一、细菌纳米纤维素——绿色材料的新星
细菌纳米纤维素（Bacterial Nanocellulose, BNC）是一种由细菌（如醋酸杆菌属）在特定条件下合成的纳米级纤维素材料，其纤维直径通常在0.01~0.10μm之间，比传统植物纤维素小得多，这赋予了它更为优异的物理和化学性能。与传统的植物纤维素相比，BNC具有更高的纯度、强度以及可调性。这些特性使得BNC在多个领域，包括医疗、纺织、食品和包装等，都有着广泛的应用前景。
二、细菌纳米纤维生产方法
BNC主要由醋酸菌属（如Komagataeibacter）的某些菌种通过氧化发酵过程产生。其生物合成过程涉及多个酶和催化蛋白复合物的协同作用，最终形成三维纳米纤维网络结构。BNC的生产方法主要包括静态培养和搅拌培养两种。静态培养法操作简单，但生产效率较低；搅拌培养法则能提高生产效率，但存在遗传不稳定性和粘度增加等问题。近年来，研究者们通过优化培养条件、开发新型生物反应器等手段，不断提高BNC的生产效率和降低成本。
静态间歇补料分批技术：在静态培养过程中，间歇地向BNC膜表面补充新鲜培养基，以满足微生物对氧气和营养的需求，从而提高产量。
采用静态间歇补料分批策略对传统的BNC静态生产进行改进
生物反应器技术：使用不同类型的生物反应器（如搅拌罐反应器、气升反应器、旋转盘反应器等）控制培养条件，提高BNC的生产效率和质量。
用于BNC生产的一些生物反应器的基本设计
(a) Stirred tank reactor; (b) rotating disc reactor; (c) bioreactor with spin filter.
三、BNC的特性
1.高结晶度与高强度：纳米纤维素的结晶度高达95%以上，杨氏模量测量值可达15GPa，甚至更高，这使其具备出色的力学性能和稳定性。
2.优异的生物相容性与可降解性：由微生物代谢产生的纳米纤维素，具有良好的生物相容性，且在酸性及微生物存在的自然条件下可直接降解，符合环保要求。
3.高比表面积与多孔结构：纳米纤维素的三维网状结构，使其具有极高的比表面积和丰富的孔隙，有利于吸附、过滤和运输性能的提升。
4.可调控性：通过改变发酵条件和菌体生长空间，可以制备出形状、大小、厚度和性质各不相同的纳米纤维素，满足多样化应用需求。
四、BNC的应用方向：纳米纤维素的无限可能
1.生物医学：纳米纤维素在伤口敷料、组织工程支架、药物控释系统等领域展现出巨大潜力，其生物相容性和可降解性使其成为理想的医用材料。
2.食品包装：利用纳米纤维素的高强度和阻氧性能，可开发环保、可降解的食品包装材料，减少塑料污染。
3.纺织与复合材料：纳米纤维素的纳米纤维状结构和优异的力学性能，使其成为增强纺织品和复合材料的理想添加剂。
4.电子与传感器：纳米纤维素的高反射率、弹性和尺寸稳定性，使其适合作为信息显示的媒介，可应用于电子传感器、信息储存等领域。
5.环保材料：利用农业废弃物作为发酵底物生产纳米纤维素，可促进其在环保材料领域的应用，如重金属离子吸附、废水处理等。
五、BNC市场的挑战与展望
近年来，随着可持续发展观念的深入人心，纳米纤维素作为绿色、环保的生物材料，其市场需求不断增长。通过基因工程改造菌株和优化发酵工艺，显著提高了纳米纤维素的生产效率和产物性能，推动了其在多个领域的广泛应用。
目前，全球纳米纤维素行业正处于快速发展阶段，主要参与者包括GE Fiberlean Technologies、Borregaard、日本制纸集团等知名企业。北美是全球纳米纤维素市场占比最大的区域，得益于商业建筑行业和翻新活动的兴起，以及油漆和涂料、石油和天然气、食品和饮料等行业的不断进步。尽管BNC在绿色化妆品领域展现出了巨大的潜力，但其市场应用仍面临一些挑战。
参考文献：Sharma C, Bhardwaj NK. Bacterial nanocellulose: Present status, biomedical applications and future perspectives. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2019 Nov;104:109963. doi: 10.1016/j.msec.2019.109963. Epub 2019 Jul 10. PMID: 31499992.
