Hemicellulose-bacterial cellulose ribbon interactions affect the anisotropic mechanical behaviour of bacterial cellulose hydrogels

2022年10月，太阳成集团tyc234cc食品營養健康工程與智能化加工研究中心陳思謙（第一作者）在國際食品頂級期刊《Food Hydrocolloids》（IF: 11.504, Q1）發表了題為“Hemicellulose-bacterial cellulose ribbon interactions affect the anisotropic mechanical behaviour of bacterial cellulose hydrogels”的研究論文。

細菌纖維素（bacterial cellulose，BC）是一類由細菌合成的納米級生物多糖材料，具有極強的持水性和優良的力學性能，常被應用于食品（椰果類産品）、醫用材料等領域。以往研究發現，天然細菌纖維素水凝膠的纖維排布具有一定程度取向性，使其網絡結構沿水平方向具有密度較高、纖維取向較強的纖維堆積層，而在相鄰纖維堆積層間存在數十到數百微米的密度較小的類空穴結構。這種微觀結構決定了天然細菌纖維素水凝膠的各向異性力學特性。

本研究旨在探究兩種半纖維素（阿拉伯木聚糖（AX）、β-葡聚糖（MLG））對天然細菌纖維素各向異性力學特性的影響。研究借鑒了M.J. Gidley等建立的細菌纖維素-植物細胞壁多糖複合體系，構建了BC-AX與BC-MLG兩種凝膠，比較了其與天然細菌纖維素凝膠在結構及力學性質上的各向異性程度。

圖1 制備的細菌纖維素、細菌纖維素-阿拉伯木聚糖、細菌纖維素-β葡聚糖水凝膠

圖2 細菌纖維素、細菌纖維素-阿拉伯木聚糖、細菌纖維素-β葡聚糖水凝膠微觀結構圖（掃描電子顯微鏡觀察）

圖3 細菌纖維素、細菌纖維素-阿拉伯木聚糖、細菌纖維素-β葡聚糖水凝膠的各向異性力學特性表征

研究發現，AX和MLG雖無法對細菌纖維素的結晶結構有顯著影響，但可以球狀團聚物的形式吸附在纖維表層。而通過兩個方向上的力學及流變學測試發現，兩種半纖維素在小應變（線性黏彈區，小振幅振蕩剪切實驗）對細菌纖維素水凝膠的各向異性力學性能影響較小，而在大應變（非線性黏彈區，壓縮-應力松弛實驗）條件下能減少細菌纖維素水凝膠力學性能的各向異性程度。本研究介紹了一種簡單、綠色的方法調控細菌纖維素凝膠的各向異性力學性能，為進一步開發細菌纖維素的利用價值提供了經驗。

陳思謙，博士，講師，碩士生導師。主要從事多糖基複合納米材料的開發與表征體系、微生物發酵工程、食品流變學等的研究工作。主持完成國家自然科學基金青年基金項目，參與澳洲科學委員會ARC項目、國家自然科學基金重點研發計劃子課題等項目；以第一/通訊作者發表學術論文20餘篇，其中SCI收錄10篇；兼職Food Hydrocolloids、Carbohydrate Polymers等國内外學術期刊審稿人。