張 銘

（國家圖書館，北京 100034）

1 細菌纖維素的介紹與研究背景

我國是四大文明古國之一，傳世的紙質文獻卷帙浩繁、彌足珍貴，然而隨著時間的推移，很多文獻出現了發(fā)黃、變脆、破損、蟲蛀等損毀現象。傳統手工紙是古籍等紙質文獻的主要載體，它以麻類、樹皮、竹子等植物為原料，經過泡料、煮料、洗料、曬白等生產工序去除果膠、木素、半纖維素等雜質，再經抄造而成，其主要成分為纖維素，是由大量β-葡萄糖分子脫水聚合形成的直鏈狀高分子化合物。

傳統纖維素主要來自于植物，與此不同，細菌纖維素是一種由木醋桿菌等細菌發(fā)酵產生的纖維素，生產周期短、產量大，可利用廣泛的原材料進行培養(yǎng)。細菌纖維素在分子結構上和植物纖維素一樣，都是由β-葡萄糖通過β-1，4-葡萄糖苷鍵結合成的直鏈，但從性能來看，細菌纖維素具有更加優(yōu)異的性質：①細菌纖維素具有高化學純度，纖維素含量達到95%以上，而植物中棉花纖維素含量為90%左右；②細菌纖維素具有高聚合度，木醋桿菌纖維素的聚合度為16 000，而優(yōu)質棉纖維聚合度在13 000～14 000之間；③細菌纖維素具有高結晶度，結晶度可達95%以上，高于天然植物纖維；④細菌纖維素具有高抗張強度和彈性模量，其聚合度可通過生物合成時進行調控，有可能實現根據實際需求生產不同聚合度的纖維素[1]。

自然界中，能夠產生細菌纖維素的菌屬有很多，比如醋酸菌屬、土壤桿菌屬、假單細胞桿菌屬、葡萄糖桿菌屬等，其中醋酸菌屬中的木醋桿菌是最早發(fā)現能夠產生細菌纖維素，同時也是目前研究最多的菌種[2]。

木醋桿菌培養(yǎng)過程較為簡單，使用含有葡萄糖、蛋白胨、酵母粉、Na2HPO4等營養(yǎng)成分和pH值調節(jié)材料的培養(yǎng)基即可。細菌纖維素的合成是在微生物體內進行的生物合成過程，需要在葡萄糖激酶、受異構酶、寡聚纖維素合成酶、纖維素合成酶等多種酶的操作下將培養(yǎng)基中葡萄糖分子轉化為β-1，4-D葡聚糖鏈，再穿過細胞外膜分泌到胞外，形成大量寬度僅為1.5 nm的亞小纖維，通過氫鍵結合成直徑為3～6 nm的微纖維，再經過微纖維排列和交織，形成具有長分子鏈和結晶度的纖維絲帶，纖維絲帶進一步交織生成超分子空間網絡結構，如圖1所示[2-3]。目前，細菌纖維素的培養(yǎng)方法主要有兩種：靜態(tài)培養(yǎng)和動態(tài)培養(yǎng)。在培養(yǎng)過程中，通過改變培養(yǎng)方法或調節(jié)培養(yǎng)條件，即可得到性質差異的細菌纖維素。靜態(tài)培養(yǎng)時，纖維絲帶交織成網狀多孔結構，在培養(yǎng)基的表面形成一層白色凝膠狀菌膜；動態(tài)培養(yǎng)時，由于培養(yǎng)基搖晃，纖維絲帶在剪切力的作用下形成的是規(guī)格不一的白色片狀物[3]。

圖1 細菌纖維素掃描電鏡圖[3]

與傳統植物纖維素相比，細菌纖維素是一種性能優(yōu)異的新型材料，其纖維素純度高、聚合度可調控，適用空間大；生產周期短、產量大、生產成本低，經濟前景較好；使用細菌纖維素代替植物纖維素后，可減少對于樹木等植物的砍伐，有利于保護綠水青山，推動生態(tài)文明建設和可持續(xù)發(fā)展。

近年來，國內外對細菌纖維素的研究越來越多，主要集中在食品和造紙等領域。由于細菌纖維素具有很強的親水性、黏稠性和穩(wěn)定性，可作為增稠劑應用于食品。造紙行業(yè)中因存在造紙原料不足、環(huán)境污染和破壞等問題，而細菌纖維素具有優(yōu)異的機械性能和可抄造性能，既可作為主要原料制成特種功能紙，也可用作添加材料改善紙張的性能[4]，但在文獻保護領域中研究人員對其的關注相對較少。

2 細菌纖維素在文獻保護領域的研究現狀

由于細菌纖維素具有優(yōu)異的機械強度和光學性能，可用于對破損紙張進行加固處理。Sara M. Santos等人對細菌纖維素進行了系統表征，并探索了其在紙張修復中的應用。他們認為細菌纖維素薄膜應用于文獻保護有2種方式："原位保護，即在待修復的紙張表面直接合成細菌纖維素；#異位合成細菌纖維素，再將其應用于紙張表面，從而達到保護目的。為比較2種方式的效果，采用2種不同的方法進行細菌纖維素的培養(yǎng)和純化：前者采用不含乙醇的培養(yǎng)基并使用熱處理進行純化；后者采用含有1%乙醇的培養(yǎng)基并使用堿處理進行純化。通過老化處理，研究細菌纖維素薄膜在撕裂指數、耐破指數、光學特性、SEM、X射線衍射、FTIR、聚合度、靜態(tài)和動態(tài)接觸角和壓汞試驗等方面的變化，他們發(fā)現：細菌纖維素薄膜具有較好的結晶度、機械性能和穩(wěn)定性以及較低的內孔隙率，特別是經過堿處理提純后的上述性能更為優(yōu)異，如圖2所示[5]。

圖2 細菌纖維素薄膜表面的掃描電鏡圖[5]

Nuria Gómez等人對比使用細菌纖維素與日本和紙進行托裱后打印紙張視覺外觀的變化。他們發(fā)現：使用日本和紙托裱后，打印紙張的印刷密度和CIELAB值變化較明顯；細菌纖維素會降低打印紙張的顏色強度，紙張光澤度波動變大。對上述樣品老化處理后，細菌纖維素托裱的紙張色差變大[6]。

Sara M. Santos等人也做了類似研究，他們發(fā)現：使用細菌纖維素膜做襯紙的樣品具有更高的光澤度和B值（CIE LAB坐標中的黃藍軸），而潤濕性則明顯下降[7]。他們在另一項研究中進一步將細菌纖維素用于已破損圖書的修復，他們發(fā)現：細菌纖維素形成的襯紙可以達到日本和紙同樣的力學性能，而且細菌纖維素襯紙可以提供更好的光學性能，對書中的文字不會形成明顯遮蓋，如圖3所示[8]。

圖3 圖書的顯微照片[8]

木材的主要成分也是纖維素，細菌纖維素在木質文物的保護研究對紙張文物保護有一定的參考價值。周松巒、衛(wèi)揚波等人嘗試使用細菌纖維素對木質文物進行修復。將待修復的木質文物置于Acetobacter sp. PDA醋桿菌培養(yǎng)基中，通過掃描電鏡發(fā)現，隨著培養(yǎng)時間的延長，醋桿菌產生的細菌纖維素最初呈粉粒狀覆蓋在木塊表面，之后覆蓋量變大，同時木質文物的纖維間隙變小，這表明細菌纖維素對木質文物具有一定的修復效果[9-10]。

張志惠使用細菌纖維素對檔案紙張進行修復的研究，將細菌纖維素漿液均勻的刷涂在檔案紙張表面，通過調節(jié)漿液濃度、打漿轉數、涂布量、溫度等因素，優(yōu)化修復質量。他發(fā)現：涂覆細菌纖維素后紙張的撕裂度、抗張力、耐折度等機械指標均有所提升，充分證實了細菌纖維素用于文獻保護的可行性[11]。

段大程進行了細菌纖維素對紙質文物加固處理的研究：將經過活化處理的細菌纖維素溶解在Licl-DMAc溶液中，然后噴涂到宣紙樣品上，再經過DMAc水溶液對樣品進行再生處理，在一定溫度下干燥后即可完成加固過程。他發(fā)現：當細菌纖維素的濃度為1.0%時，即可明顯提高紙張的拉力強度。此外，他還通過甘油對加固后紙張進行塑化處理，進一步改善了紙張的柔軟性[12]。

3 結論

細菌纖維素能夠通過現代工業(yè)進行大規(guī)模生產，且合成工藝簡單成熟，不需要砍伐樹木植被，有利于環(huán)境保護。與常見的植物來源的纖維素相比，細菌纖維素具有更高的聚合度、結晶度以及更優(yōu)異的機械性能，在紙張加固等紙質文獻的保護領域有很大的應用前景。