利用越南本土生物质开发可持续细菌纤维素：面向纺织应用的材料表征与创新

本刊推荐：研究团队针对传统纺织材料环境负担重的问题，利用越南本土原料（茶、糖、水果）培养细菌纤维素(BC)，通过SEM/EDX/FTIR/DSC等技术系统表征其理化性能。结果证实BC具有典型纤维素结构（C/O元素占99%）、良好热稳定性（降解温度>150°C）及优势菌株Acetobacter indonesiensis，为可持续纺织材料开发提供了本土化解决方案。

　　

随着全球对可持续材料需求的日益增长，生物基材料正成为材料科学领域的新宠。传统植物纤维素生产导致森林砍伐和农业强化，而细菌纤维素(BC)作为一种微生物合成的纳米纤维材料，以其高纯度（不含木质素和半纤维素）、卓越机械性能和可生物降解特性受到广泛关注。特别是在时尚纺织领域，BC被视为石油基材料的理想替代品。然而，BC的商业化应用仍面临规模化生产难度大、成本高以及原料依赖商业化试剂等问题。越南作为热带国家，拥有丰富的本土生物质资源，如何利用这些资源生产高性能BC成为值得探索的方向。

本研究创新性地采用越南本土原料（包括黑茶、乌龙茶、绿茶等氮源以及白糖、红糖、甘蔗汁等碳源）制备BC，并借鉴当地稻米卷干燥传统工艺，开发出150个BC样本库。通过多维度表征技术，系统评估了BC在纺织应用领域的潜力。论文发表于《Scientific Reports》，为区域性生物质资源的高值化利用提供了重要参考。

研究采用的关键技术方法包括：①基于本土原料的静态培养法制备BC样本；②扫描电子显微镜(SEM)分析表面形态；③能量色散X射线光谱(EDX)测定元素组成；④傅里叶变换红外光谱(FTIR)解析化学结构；⑤差示扫描量热法(DSC)评估热稳定性；⑥基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF)鉴定微生物菌种。

表面形态(SEM结果)

通过SEM观察发现，不同原料制备的BC样品呈现显著差异的形态特征。样品S1显示粗糙表面与不规则颗粒结构，S2表面相对光滑但存在分散颗粒，S3呈现紧凑的粗糙纹理。特别值得注意的是，使用火龙果和栀子花果为原料的S4、S5样品中出现5-6微米的独特颗粒物质，而未充分纯化的样品中纤维素纤维结构被发酵残留物掩盖。这些形态差异直接反映了原料特性对BC微观结构的影响。

能量色散X射线结果

EDX分析显示所有BC样品主要由碳(C)和氧(O)元素组成，占总元素的99%。其中碳含量为52-63%，氧含量为36-47%，其余1%为钠(Na)、氯(Cl)等微量元素。这种元素组成与纤维素(C₆H₁₀O₅)的分子结构高度一致，证实了BC的有机材料本质。检测到的微量金属元素来源于原料中的天然成分。

傅里叶变换红外光谱

FTIR光谱进一步验证了BC的化学结构：在3240-3340 cm^-1处出现O-H伸缩振动峰，2850-2920 cm^-1为C-H伸缩振动，1730 cm^-1附近的C=O伸缩振动表明羧基存在，980-1060 cm^-1区域的C-O振动峰则确认了纤维素骨架结构。尽管不同样品峰强度存在差异（特别是S4、S5羟基含量较低），但所有样品都表现出典型的纤维素特征谱图。

DSC结果

热分析显示BC样品在151.6-169.1°C范围内出现吸热峰，对应于结晶区向无定形区的相转变。样品S4表现出最高转变温度(169.1°C)和最大焓值(4.679 mW/mg)，表明其具有更高的结晶度和结构稳定性。所有样品在250°C前未出现降解放热峰，证明BC材料在纺织加工温度范围内具有良好的热稳定性，满足常规纺织加工要求。

微生物分析结果

通过MALDI-TOF技术鉴定发现，所有BC样品中都存在醋酸杆菌印尼种(Acetobacter indonesiensis)，这是一种革兰氏阴性菌，也是BC合成的主要功能菌。此外还检测到枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、土壤杆菌(Agrobacterium rubi)和人葡萄球菌(Staphylococcus hominis)等伴生微生物。菌落计数显示样品S6的细菌浓度最高(2.16×10⁷ CFU/ml)，但样品厚度与菌落数未呈现正相关，表明原料营养成分对BC产量影响更为显著。

本研究通过系统表征证实了利用越南本土原料生产BC的可行性。BC展示出的优异性能（元素纯度99%、典型纤维素结构、热稳定性高于150°C）使其非常适合纺织应用。研究首次报道了在越南本土BC中普遍存在的Acetobacter indonesiensis菌株，为后续菌种优化提供了重要依据。采用传统日光干燥法不仅降低了能耗，还在BC表面形成了独特的纹理图案，增加了材料的美学价值。

该研究的重要意义在于：①开发了基于区域性生物质资源的BC生产技术，降低了原料成本和对商业化试剂的依赖；②建立了BC材料的多维度评价体系，为生物基纺织材料的标准化测试提供了参考；③证实了本土微生物资源在BC合成中的重要作用，为菌种库建设奠定了基础；④将传统工艺与现代材料科学相结合，为可持续材料设计提供了文化整合的新范式。未来研究可进一步探索更多热带水果原料、优化纯化工艺，并解决BC服装的大规模生产与接缝技术等实际问题，推动这种可持续材料在时尚产业的实际应用。