(河南工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

生物材料在我們的生活中扮演著重要的角色，生物聚合物在食品、醫(yī)療器械以及其他各個方面也發(fā)揮著重要作用[1]。纖維素是地球上最豐富的生物聚合物，年產(chǎn)量可達(dá)到1.59×1012t，其一般是從植物中獲得的[2]。除此之外，也可以通過葡萄糖衍生物開始的化學(xué)合成、各種微生物的生物合成等其他方式獲得，這其中的微生物包括真菌、藻類以及各種需氧非致病性的細(xì)菌(如土壤桿菌屬、沙門氏菌屬、根瘤菌屬的細(xì)菌和醋桿菌屬)[3-4]。細(xì)菌纖維素(Bacterial cellulose，簡稱BC)又稱為生物纖維素，是由某些細(xì)菌以異樣方式產(chǎn)生的胞外產(chǎn)物，不含半纖維素、木質(zhì)素和其他細(xì)胞壁成分，具有高結(jié)晶度和高化學(xué)純度。細(xì)菌纖維素與其他植物纖維素相比，雖具有相同的化學(xué)成分，但其還具有特殊的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性。這些特性使得細(xì)菌纖維素在食品、生物醫(yī)藥、造紙、化妝品等諸多領(lǐng)域獲得較高的關(guān)注，受到國內(nèi)外學(xué)者的青睞。筆者就細(xì)菌纖維素的合成調(diào)控及在化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行闡述。

1 細(xì)菌纖維素的性質(zhì)

細(xì)菌纖維素和植物纖維素的基本結(jié)構(gòu)，均可視為由吡喃葡萄糖單體以β-1,4糖苷鍵連接而成的直鏈多糖(又稱為β-1,4萄聚糖)，相鄰的吡喃葡萄糖的6個碳原子呈穩(wěn)定的椅狀立體結(jié)構(gòu)，并不在同一平面上。纖維素分子鏈為彎曲的鏈狀結(jié)構(gòu)，它是數(shù)個鄰近的β-1,4葡聚糖鏈由分子鏈內(nèi)與鏈間氫鍵穩(wěn)定結(jié)構(gòu)而形成不溶于水的聚合物，合度一般為16 000單體。細(xì)菌纖維素則具有更優(yōu)良的性質(zhì)：1)超精細(xì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)：微纖維組成獨特的束狀纖維,其寬度約為100 nm,由直徑3～4 nm的微纖組合成40～60 nm的纖維束，相互交織形成發(fā)達(dá)的超精細(xì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；2)高結(jié)晶度和高化學(xué)純度：以100%纖維素的形式存在,不含半纖維素、木質(zhì)素和其它細(xì)胞壁成分，提純過程簡單，結(jié)晶度可達(dá)95%，物纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%，高聚合度(DP值)為2 000～8 000；3)高強度：由Acetobacterxylinum(以下簡稱“A.xylinum”)發(fā)酵形成的細(xì)菌纖維素膜經(jīng)干燥后，其楊氏模量可達(dá)到15 MPa，經(jīng)過熱壓處理之后，則可達(dá)到30 MPa，而普通的膜片在5 MPa以下；4)高持水性：由于細(xì)菌纖維素內(nèi)部有很多孔道，具有良好的透氣、透水性能，因此具有強大的吸水性。通常情況下，持水率為1∶50，經(jīng)過修飾處理可達(dá)到1∶700，具有較強的持水保濕性能；5)較高的生物適應(yīng)性和良好的生物可降解性：自然環(huán)境中,細(xì)菌纖維素在酸性、微生物作用和纖維素酶催化等條件下可最終降解為小分子的糖，不會對環(huán)境造成污染；6)可調(diào)控性：不同發(fā)酵條件下所得的纖維素，其結(jié)構(gòu)和特性也不同。在靜止培養(yǎng)基中得到一層厚厚的纖維素膜，覆蓋在培養(yǎng)基表面；在動態(tài)培養(yǎng)基中得到球形的細(xì)菌纖維素，通過調(diào)節(jié)培養(yǎng)條件，可得到性質(zhì)有差異的細(xì)菌纖維素。與靜態(tài)法相比，動態(tài)法生產(chǎn)的細(xì)菌纖維素聚合度和結(jié)晶度低，楊氏模量也較低，但具有較高的吸水性。

2 細(xì)菌纖維素的合成調(diào)控

細(xì)菌纖維素的整個合成過程包括纖維素前體尿苷二磷酸葡萄糖(UDPGlc)的合成、葡萄糖聚合形成β-1,4-葡聚糖鏈、由成千上百個新合成的葡聚糖單鏈締合形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)3個過程。目前研究最為成熟的是A.xylinum的纖維素合成途徑。A.xylinum能夠以廣泛的碳水化合物作為碳源合成纖維素，如三碳糖(甘油、丙酮酸)、戊糖、己糖等。Gromet等[5]研究證明A.xylinum缺乏EMP途徑中的關(guān)鍵酶磷酸果糖激酶或者該酶酶活力極低，不存在EMP途徑，但是HMP途徑和TCA循環(huán)都間接參與纖維素的合成，所以其他底物或中間代謝產(chǎn)物可以通過糖異生作用生成葡萄糖磷酸合成纖維素，或者通過HMP途徑合成果糖磷酸，進(jìn)而合成纖維素。其合成路徑為

2.1 UDPGlc的合成

無論是植物還是原核生物，其纖維素的生物合成都是以UDPGlc為直接前體。這一具體過程是：1)葡萄糖在葡萄糖激酶作用下生成葡萄糖-6-磷酸;2)葡萄糖-6-磷酸異構(gòu)化為葡萄糖-1-磷酸;3)葡萄糖-1-磷酸在UDPGlc焦磷酸化酶作用下轉(zhuǎn)化為尿苷二磷酸葡萄糖(UDPGlc)。

Saxena等[6]研究證明UDPGlc焦磷酸化酶是纖維素合成的限速酶，Valla等[7]進(jìn)而利用特異性缺乏UDPGlc焦磷酸化酶的纖維素表型負(fù)突變株進(jìn)行體外纖維素生成實驗，結(jié)果沒有纖維素生成，同時也驗證了Saxena等[6]的觀點。該酶主要位于細(xì)胞質(zhì)中，其酶活性不受碳源的影響。而且，A.xylinum不同菌株的UDPGlc焦磷酸化酶的活性是不同的。Ross等[8]在體外進(jìn)行了纖維素合成實驗，雖然A.xylinum的不同菌株合成纖維素的能力相當(dāng)，但是焦磷酸化酶活性的最大差異則達(dá)到20倍。如兩株菌株ATCC23768和ATCC23769的UDPGlc焦磷酸化酶活力∶體外纖維素酶活力∶體內(nèi)纖維素酶活力分別為2∶1∶2和0.1∶1∶2。

2.2 β-1,4-葡聚糖鏈的聚合

不同生物的纖維素合成都是以UDPGlc為底物，在纖維素合酶(CS)的催化作用下聚合形成β-1,4-葡聚糖鏈。目前認(rèn)為纖維素合酶是一種4-β-糖基轉(zhuǎn)移酶，將UDPGlc分子上的吡喃型葡萄糖殘基直接轉(zhuǎn)移到正在延長的β-1,4-葡聚糖鏈上，而且纖維素合酶自始至終都與多糖鏈產(chǎn)物連在一起。木醋桿菌的CS是一個緊密結(jié)合在原生質(zhì)膜上的蛋白，其酶活性依賴于Mg2+，最適反應(yīng)溫度為30 ℃，pH 7.5～8.5。該酶對底物UDPGlc的Km值為0.125 mmol/L，并且受UTP，UDP(Ki=0.14 mmol/L)和UMP(Ki=0.71 mmol/L)的競爭性抑制。環(huán)二鳥苷單磷酸(c-di-GMP)是纖維素合酶的變構(gòu)效應(yīng)物，也是細(xì)菌纖維素合成調(diào)節(jié)機制的關(guān)鍵因子。其分子結(jié)構(gòu)式為

A.xylinum受c-di-GMP調(diào)節(jié)的纖維素合成模型如圖1所示[8]。

圖1 A.xylinum中纖維素合成調(diào)節(jié)模型Fig.1 Regulation model of cellulose synthesis in A.xylinum

由圖1可知：細(xì)胞中游離的c-di-GMP與CS的調(diào)節(jié)亞基相結(jié)合，誘導(dǎo)酶的構(gòu)象發(fā)生改變，從而激活纖維素合成酶，提高催化活性。在A.xylinum中，c-di-GMP的濃度由二鳥苷酸環(huán)化酶(diguanylatecyclase，DGC)、磷酸二酯酶A、磷酸二酯酶B這3種酶進(jìn)行調(diào)節(jié)[9]。DGC首先被Mg2+激活，然后將兩分子的GTP連成線狀結(jié)構(gòu)的二鳥苷三磷酸(pppGpG)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為c-di-GMP，激活纖維素合酶。

c-di-GMP會被磷酸二酯酶催化降解，其中磷酸二酯酶A從環(huán)狀c-di-GMP上切下單個磷酸二酯，使具有活性的c-di-GMP轉(zhuǎn)變?yōu)闊o活性的pGpG，磷酸二酯酶B進(jìn)一步將其降解為兩分子的5′-GMP。其中PDEA的酶活性同樣依賴于Mg2+，而Ca2+可高度選擇性的抑制PDEA的酶活性，卻不影響PDEB的酶活性。所以加入適量濃度的Ca2+減少c-di-GMP的降解，可有效地提高纖維素的合成速率。

2.3 葡聚糖鏈的組裝與結(jié)晶

Haiger等[10]研究表明木醋桿菌在胞內(nèi)合成葡聚糖，通過細(xì)胞膜將其排至胞外，然后進(jìn)行組裝結(jié)晶。纖維素的聚合和結(jié)晶兩個過程既相互獨立又高度偶聯(lián)。β-1,4-葡聚糖鏈的裝配模型如圖2所示[10]。

由圖2可知：首先10～15個新合成的β-1,4-葡聚糖鏈組裝成直徑為1.5 nm的原纖維(又稱原微纖維)，再通過細(xì)胞膜外層的微孔分泌到培養(yǎng)基中。這些原纖維依靠彼此間的氫鍵進(jìn)一步聚合形成直徑為40～60 nm的束裝纖維，這些束裝纖維松散地纏繞成約含有1 000個獨立的β-1,4-葡聚糖鏈的帶狀結(jié)構(gòu)，并從桿形細(xì)胞的端部排出。

圖2 A.xylinum束裝纖維的裝配模型Fig.2 Generalized model of ribbon assembly in A. xylinum

3 細(xì)菌纖維素在化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，大多數(shù)消費者在選擇護(hù)膚品時越來越傾向于天然護(hù)膚品。天然護(hù)膚品，全部采用植物或源自天然的成分，如草本、根莖、精油和鮮花，或者沒有使用合成化學(xué)品或其他組合成分等[11]。而細(xì)菌纖維素因其高持水能力和良好的氣體滲透性，是可用于美容活性成分的良好載體，在化妝品領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

3.1 面部磨砂膏

Kurisaki等[12]最早將細(xì)菌纖維素應(yīng)用于化妝品，他們將其研制成粉末以松散或加壓的狀態(tài)加入，結(jié)果表明其具有優(yōu)異的鋪展性和黏附性。Hasan等[13]通過加入1 g纖維素粉末、2 g糯米粉、6 g抗壞血酸、6 mL蘆薈提取物、6 mL橄欖油制成面部磨砂膏，并使用HAAKE RheoWin板板流變儀測定制劑的流變行為。與市場銷售的使用其他方法制備的面部磨砂膏相比，該面部磨砂膏在較低的剪切力下具有較高的黏度，而在較高的剪切力下，兩者都具有較低的黏度，且黏度相似。這是由于當(dāng)生物聚合物(纖維素)鏈?zhǔn)艿郊羟辛Φ臅r候，它們解開并沿剪切方向平行因此形成了流動阻力，黏度降低。樣品的黏度降低程度越大，滲透效果越強，擦洗效果更強烈。加入的細(xì)菌纖維素碎片，不僅可改善存在于化妝品中的活性成分的滲透，還可提高皮膚保濕功能，促進(jìn)皮脂吸收和皮膚更新。這表明，自制面部磨砂膏在一定的剪切力下能達(dá)到同樣的深度清洗去死皮的效果。而其所含成分皆源自天然成分，屬于天然護(hù)膚品，可以更有效地保護(hù)皮膚。

3.2 乳化劑和清潔制劑

乳液作為護(hù)膚品，最大的特點就是含水量很高，可以快速滋潤肌膚，為干燥肌膚補充水分。同時，乳液可以在肌膚表面形成輕薄透氣的保護(hù)膜，防止水分流失，起到極佳的保濕效果。為避免貯存過程中產(chǎn)生分層，乳液應(yīng)具備良好的流動性和穩(wěn)定性，因此在制備乳液時，乳化劑的選擇顯得尤為重要。乳液穩(wěn)定效果是細(xì)菌纖維素的物理性質(zhì)之一，Ougiya等[14]利用葡糖醋桿菌在不同培養(yǎng)條件下生產(chǎn)細(xì)菌纖維素，并以微晶纖維素(MCC)、微纖維化纖維素(MFC)、黃原膠和脫水山梨糖醇單月桂酸酯為對照，研究其乳化穩(wěn)定效果。試驗中，選取Ag-BC(攪拌培養(yǎng)BC膜)、St-BC(靜態(tài)培養(yǎng)BC膜)、MCC、MFC、黃原膠和脫水山梨糖醇單月桂酸酯為乳化劑，蔬菜油和煤油為油相，蒸餾水為水相，制作油包水型乳液。在所有乳液中，水相與油相的體積比為1∶1。結(jié)果顯示，不論油相是什么，Ag-BC都具有最高的穩(wěn)定性系數(shù)，而且添加Ag-BC的乳液，不隨鹽濃度、pH、溫度的改變而改變。隨后測定水相和油相之間的界面張力，確定細(xì)菌纖維素幾乎不降低界面張力。進(jìn)而通過透射電子顯微鏡觀察油滴表面，發(fā)現(xiàn)許多單獨的Ag-BC原纖維被吸附到油滴的表面，同時也連續(xù)地分散在水相中。而其他材料的乳化劑，則不能檢測到吸附到表面并分散在連續(xù)相中的任何纖維素原纖維。其機理是因為與其他材料相比，Ag-BC由更細(xì)的原纖維和更小的絮凝物組成，這些成分可作為機械屏障和支架結(jié)構(gòu)，中斷油滴的聚結(jié)，從而具有較好的乳化穩(wěn)定效果。

清潔制劑的目的是去除污垢，減少皮脂和外源污染物，并控制皮膚微生物群落。然而這種制劑中損害皮膚成分的表面活性劑可能在洗滌后纏結(jié)在角質(zhì)層中，會導(dǎo)致過敏反應(yīng)和皮膚刺激，特別是在敏感皮膚的情況下，反應(yīng)則更明顯。Heath等[15]發(fā)明的專利，制備了由液體基質(zhì)構(gòu)成的添加有細(xì)菌纖維素膜的個人清潔制劑，如起泡表面活性劑和外部結(jié)構(gòu)化試劑，其包含細(xì)菌纖維素網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和陽離子聚合物(如淀粉衍生物、纖維素衍生物以及兩者的混合物)。將這些制劑的顆粒懸浮在液體基質(zhì)中，其pH約小于4.0或7.0。這種組合物具有良好的起泡性和易沖洗性，沒有任何殘留的薄膜，且使用后沒有黏滑的手感。顆粒物質(zhì)的存在有效地改善了皮膚的清潔和表皮脫落，并且對皮膚沒有任何刺激或損傷。在此基礎(chǔ)上加入水楊酸使其pH小于4.0。這種制劑沒有任何刺激，可用于敏感皮膚的清潔，還可用于清除、預(yù)防皮膚瑕疵和粉刺以及鱗屑、皮膚過度生長等皮膚病癥的治療。

3.3 面 膜

面膜是一種常見的，也是較便于攜帶的護(hù)膚產(chǎn)品。它是涂或敷在人體皮膚表面，經(jīng)過一段時間后揭離、擦洗或保留，起到集中護(hù)理或清潔作用的產(chǎn)品[16]。目前，可作為面膜材質(zhì)的介質(zhì)有很多，如無紡布、蠶絲、天絲、生物纖維素等。生物纖維素面膜即是用生物纖維素作為面膜介質(zhì)，纖維直徑為0.05～0.08 μm，呈現(xiàn)3D立體交錯結(jié)構(gòu)，空氣可通過，不僅柔軟而且具有絕佳韌性。同時，它還具有極強的吸水性能和排油去污能力，無刺激、無異味，不易滋生細(xì)菌、不含熒光物質(zhì)，容易清洗，是純天然、健康的環(huán)保用品。由于細(xì)菌纖維素具有生物可降解性、低毒性和水合皮膚的優(yōu)良特性，細(xì)菌纖維素面膜也是非常具有市場競爭力的。

在國內(nèi)，鐘春燕[17]制備了一種細(xì)菌纖維素凝膠面膜。研究者認(rèn)為這種面膜可長時間或反復(fù)使用并緩慢釋放藥物，具有良好的美容、營養(yǎng)、保濕效果。孫東平等[18]發(fā)明了細(xì)菌纖維素/透明質(zhì)酸復(fù)合材料，在碳化二亞胺的作用下，細(xì)菌纖維素與透明質(zhì)酸發(fā)生交聯(lián)，進(jìn)而充分發(fā)揮細(xì)菌纖維素的高柔韌性、附著性以及透明質(zhì)酸的保濕、營養(yǎng)、潤膚作用。郭茂祥[19]制備了一種生物纖維素蘆薈面膜，通過在發(fā)酵培養(yǎng)基中添加蘆薈凝膠提取液，在生物纖維素發(fā)酵形成的過程中充分吸附蘆薈凝膠提取液，最大程度發(fā)揮其生物效能。賈士儒等[20]制備了細(xì)菌纖維素/生物防腐劑復(fù)合面膜，當(dāng)細(xì)菌纖維素膜形成一定厚度時，向發(fā)酵液中加入一定量的生物防腐劑，所形成的復(fù)合膜不僅持水性強、保濕效果好，而且抑菌效果好、安全性高，使用后皮膚潤澤，具有良好的美容功能。

在國外，Almeida等[21]分別研究了添加甘油和無添加甘油的細(xì)菌纖維素對人類皮膚的刺激性影響，參加實驗的2組志愿者中，除5人紅斑臨床顯示弱反應(yīng)，其他志愿者均無不良反應(yīng)。結(jié)果表明，細(xì)菌纖維素對皮膚是溫和、無刺激的，同時進(jìn)行了皮膚水分損失測量(TEWL)，顯示經(jīng)表皮的水分流失并沒有顯著性的差異(即不存在屏障破壞)。此外，添加甘油可顯著提高皮膚保濕效果，表明添加甘油的細(xì)菌纖維素面膜是潛在的具有良好效果的保濕面膜。

Aramwit等[22]研究了用于面部治療的釋放絲膠蛋白的細(xì)菌纖維素凝膠，通過表征實驗證明在pH 4.5條件下產(chǎn)生的釋放絲膠蛋白的細(xì)菌纖維素凝膠具有超細(xì)和極純的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。與市場銷售的無紡布面膜相比，凝膠的機械性能和吸濕能力均得到改善，進(jìn)一步進(jìn)行了豬皮膚剝離以及體內(nèi)體外細(xì)胞毒性試驗，與市售的無紡布面膜相比，黏性更小，更易從面部剝離且沒有疼痛感，體內(nèi)體外細(xì)胞毒性試驗顯示凝膠對L929小鼠成纖維細(xì)胞和HaCaT人角質(zhì)形成細(xì)胞無毒。結(jié)果表明制備的細(xì)菌纖維素凝膠在藥物化妝品的抗皺、抗衰老、保濕等方面具有巨大的潛在應(yīng)用研究價值。

Amnuaikit等[23]做了針對細(xì)菌纖維素面膜的滿意度調(diào)查研究。在該項研究中，第1組志愿者把濕毛巾敷在臉上25 min，第2組則在相同時間內(nèi)使用透明細(xì)菌纖維素面膜。1周后，各組交換替代治療，然后使用常規(guī)皮膚咨詢系統(tǒng)，對2組志愿者的皮膚鈍度、質(zhì)地、彈性、皮脂含量、水分含量和剝離水平進(jìn)行檢測，同時進(jìn)行用戶滿意度調(diào)查。結(jié)果表明與濕毛巾單一治療相比，細(xì)菌纖維素面膜可明顯提高皮膚水分含量，且對皮膚沒有不良影響，用戶滿意度為4～5，是可以被消費者接受的。

4 結(jié) 論

據(jù)統(tǒng)計，截止到2015年，我國的城鎮(zhèn)人口總數(shù)高達(dá)7.7億。目前數(shù)據(jù)顯示有1%的人愿意每天花10～15 min敷一片面膜，那么就會消耗掉28億片面膜，可見市場預(yù)期規(guī)模還是很大的。研究表明，細(xì)菌纖維素具有優(yōu)秀的生物親和性、生物相容性、生物適應(yīng)性和良好的生物可降解性,可作為面膜的載體。因此，在制備面貼膜時，含有細(xì)菌纖維素面膜的性能要優(yōu)于其他材質(zhì)的面膜，具有良好的應(yīng)用前景。目前，我國對細(xì)菌纖維素的了解研究尚處于初級階段，應(yīng)用主要集中在食品、醫(yī)療、造紙等領(lǐng)域，在化妝品領(lǐng)域的研究報道和開發(fā)應(yīng)用則較少。另外，我國細(xì)菌纖維素產(chǎn)量低、成本高、品種少，這些因素也嚴(yán)重制約了其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。筆者認(rèn)為可以主要從以下兩方面來進(jìn)行探索：一是相關(guān)部門增加資金的投入，推動并加大細(xì)菌纖維素的研究力度，進(jìn)而提高纖維素產(chǎn)量和質(zhì)量，提升社會效益和經(jīng)濟效益；二是積極開展細(xì)菌纖維素在化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用研究，開發(fā)具有自主產(chǎn)權(quán)的細(xì)菌纖維素化妝品，加大推廣力度，提高其社會價值。