Получение и применение бактериальной целлюлозы
DOI:
10.5922/vestniknat-2025-1-6
Ключевые слова
бактериальная целлюлоза
биосинтез БЦ
субстраты для культивирования
применение БЦ
Аннотация
Бактериальная целлюлоза (далее — БЦ) представляет собой биоматериал, вырабатываемый некоторыми бактериями и обладающий уникальными свойствами, который отличается от растительной целлюлозы чистотой, высокой степенью кристалличности, отличной биосовместимостью, высокой влагоудерживающей способностью. Благодаря этими преимуществам БЦ находит все большее применение в различных промышленных сферах. Получение БЦ в промышленных масштабах огранено, в частности, высокой стоимостью питательной среды. В обзоре представлен анализ научных сведений и официальных данных о свойствах и способах повышения продуктивности БЦ для применения на пищевых производствах в качестве пищевой добавки и пищевой упаковки. Поиск научной литературы осуществлен на английском и русском языках по базам данных Scopus, ScienceDirect, PubMed и eLIBRARY.RU. Анализ научных сведений и официальных данных показал, что физические факторы (температура, рН, источник углерода, условия культивирования) питательной среды влияют на выход и свойства БЦ. Использование сельскохозяйственных и пищевых отходов в качестве питательной среды увеличивает продуктивность штаммов Komagataeibacter xylinus. Комбинирование БЦ с другими компонентами (биологически активными веществами, металлами, пробиотиками, полимерами, антибиотиками и т. д.) приведет к улучшению функциональных свойств БЦ и расширит области ее применения в пищевой промышленности в качестве заменителя жира, для получения искусственного мяса, иммобилизации ферментов, создания биоразлагаемых упаковочных материалов.
Гадышева Е. К. Влияние условий культивирования на биосинтез бактериальной наноцеллюлозы // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2018. Т. 8, № 3. С. 33—40. doi: 10.21285/2227-2925-2018-8-3-33-40.
Конышин В. В., Крахмалев В. А., Коршунов Л. А. и др. Способ очистки бактериальной целлюлозы : патент на изобретение № 2754368 от 01.09.2021 г.
Милютин М. А. Питательные среды для биосинтеза бактериальной целлюлозы // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности : материалы XV Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых с междунар. участием. Бийск, 2022. С. 321—324.
Ревин В. В., Лияськина Е. В. Штамм Gluсonaсetobaсtеr suсrofеrmеntans — продуцент бактериальной целлюлозы : патент на изобретение № 2523606 от 20.07.2014 г.
Amorim J. D. P., Galdino C. J. S., Costa A. F. S. et al. BioMask, a polymer blend for treatment and healing of skin prone to acne // Chemical Engineering Transactions. 2020. Vol. 79. P. 1—6. doi: 10.3303/CET2079035.
Aydinol P., Ozcan T. Production of reduced fat Labneh cheese with inulin and β-glucan fibre based fat replacer // International Journal of Dairy Technology. 2018. Vol. 71, № 2. P. 362—371. doi: 10.1111/1471-0307.12456.
Azredo H. M. C., Barud H., Farinas C. S., Vasconcellos V. M. Bacterial Cellulose as a Raw Material for Food and Food Packaging Applications // Frontiers in Sustainable Food Systems. 2019. Vol. 3. P. 45—57. doi: 10.3389/fsufs.2019.00007.
Calderón S., Horue M., Alvarez V. A. et al. Isolation and partial characterization of Komagataeibacter sp. SU12 and optimization of bacterial cellulose production using Mangifera indica extracts // Journal of Chemical Technology & Biotechnology. 2021. Vol. 97, № 6. P. 1—12. doi: 10.1002/jctb.6839.
Cao Y., Lu S., Yang Y. Production of bacterial cellulose from byproduct of citrus juice processing (citrus pulp) by Gluconacetobacter hansenii // Cellulose. 2018. Vol. 25. P. 6977—6988. doi: 10.1007/s10570-018-2056-0.
Chen L., Hong F., Yang X., Han S. Biotransformation of wheat straw to bacterial cellulose and its mechanism // Bioresource Technology. 2013. Vol. 135. Р. 464—468. doi: 10.1016/j.biortech.2012.10.029.
Dubey S., Singh J., Singh R. Biotransformation of sweet lime pulp waste into high-quality nanocellulose with an excellent productivity using Komagataeibacter europaeus SGP37 under static intermittent fed-batch cultivation // Bioresource Technology. 2018. Vol. 247. P. 73—80. doi: 10.1016/j.biortech.2017.09.089.
Fontana J. D., Fontana J. D., Koop H. S., Tiboni M. New insights on bacterial cellulose // Food Biosynthesis. 2017. Vol. 7. P. 213—249. doi: 10.1038/ijo.2015.179.
Gutierrez E., Burdiles P. A., Quero F. et al. 3D printing of antimicrobial alginate/bacterial-cellulose composite hydrogels by incorporating copper nanostructures // ACS Biomaterials Science & Engineering. 2019. Vol. 5, № 11. P. 6290—6299. doi.org/10.1021/acsbiomaterials.9b01048.
Huang Ch., Ji H., Guo B. et al. Composite nanofiber membranes of bacterial cellulose / halloysite nanotubes as lithium-ion battery separators // Cellulose. 2019. Vol. 26, № 11. P. 6669—6681. doi: 10.1007/s10570-019-02558-y.
Jebel F. S., Almasi H. Morphological, physical, antimicrobial and release properties of ZnO nanoparticles-loaded bacterial cellulose films // Carbohydrate Polymers. 2016. Vol. 149. P. 8—19. doi: 10.1016/j.carbpol.2016.04.089.
Keshk S. M. Bacterial Cellulose Production and its Industrial Applications // Journal of Bioprocessing & Biotechniques. 2014. Vol. 4, № 2. P. 10. doi: 10.4172/2155-9821.1000150.
Kim S. S., Lee S. Y., Park K. J., Park S. M. Gluconacetobacter sp. gel_SEA623-2, bacterial cellulose producing bacterium isolated from citrus fruit juice // Saudi Journal of Biological Sciences. 2017. Vol. 24, № 2. P. 314—319. doi: 10.1016/j.sjbs.2015.09.031.
Lee K. Y., Buldum G., Mantalaris A., Bismarck A. More than meets the eye in bacterial cellulose: Biosynthesis, bioprocessing, and applications in advanced fiber composites // Macromolecular Bioscience. 2014. Vol. 14, № 1. P. 10—32. doi: 10.1002/mabi.201300298.
Li W., Zhang S., Zhang T., Shen Y. et al. Bacterial cellulose production from ethylenediamine pretreated Caragana korshinskii Kom // Industrial Crops and Products. 2021. Vol. 164. P. 113340.
Ma X., Yuan H., Wang H., Yu H. Coproduction of bacterial cellulose and pear vinegar by fermentation of pear peel and pomace // Bioprocess and Biosystems Engineering. 2021. Vol. 44. P. 1—14. doi: 10.1007/s00449-021-02599-3.
Nagmetova G., Kurmanbayev A. Isolation and identification of bacterial cellulose producers with potential for medicine and biotechnology // Eurasian Journal of Applied Biotechnology. 2019. Vol. 2. P. 114—120. doi: 10.11134/btp.2.2019.11.
Pang M., Huang Y., Meng F. et al. Application of Bacterial Cellulose in Skin and Bone Tissue Engineering // European Polymer Journal. 2019. Vol. 122. P. 9. doi: 10.1016/j.eurpolymj.2019.109365.
Ramon D. F., Gámez-Meza N., Medina-Juárez L. Á. et al. Bacterial cellulose production by Gluconacetobacter entanii using pecan nutshell as carbon source and its chemical functionalization // Carbohydrate Polymers. 2018. Vol. 1, № 207. P. 91—99. doi: 10.1016/j.carbpol.2018.11.067.
Revin V. V., Dolganov A. V., Liyaskina E. V. et al. Characterizing bacterial cellulose produced by Komagataeibacter sucrofermentans H-110 on molasses medium and obtaining a biocomposite based on it for the adsorption of fluoride // Polymers. 2021. Vol. 13. P. 1422. doi: 10.3390/polym13091422.
Saavedra-Sanabria O. L., Durán D., Cabezas J. et al. Cellulose biosynthesis using simple sugars available in residual cacao mucilage exudate // Carbohydrate Polymers. 2021. Vol. 274. Р. 118645. doi: 10.1016/j.carbpol.2021.118645.
Selestina G., Janja T. Bacterial Cellulose: Production, Modification and Perspectives in Biomedical Applications // Nanomaterials. 2019. Vol. 9, № 10. P. 20. 1352. doi: 10.3390/nano9101352.
Sutthiphatkul T. S., Amornrat O. D. Optimization of bacterial cellulose production from wastewater of noodle processing by Komagataeibacter sp. PAP1 and bio-cellulose paper production // Walailak Journal of Science and Technology. 2020. Vol. 17, № 11. P. 1241—1251. doi: 10.48048/wjst.2021.6508.
Wang Q., Nnanna P. C., Shen F. et al. Full utilization of sweet sorghum for bacterial cellulose production: a concept of material crop //Industrial Crops and Products. 2021. Vol. 162. P. 113256. doi: 10.1016/J.INDCROP.2021.113256.
Wang S.-S., Han Y.-H., Chen J.-L. et al. Insights into Bacterial Cellulose Biosynthesis from Different Carbon Sources and the Associated Biochemical Transformation Pathways in Komagataeibacter sp. W1 // Polymers. 2018. Vol. 10, № 9. P. 20. 963. doi: 10.3390/polym10090963.
Xie Y., Niu X., Yang J. et al. Active biodegradable films based on the whole potato peel incorporated with bacterial cellulose and curcumin // International Journal of Biological Macromolecules. 2020. Vol. 150. P. 480—491. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2020.01.29.
Ye J., Zheng S., Zhang Z. et al. Bacterial cellulose production by Acetobacter xylinum ATCC 23767 using tobacco waste extract as culture medium // Bioresource Technology. 2019. Vol. 274. P. 518—524. doi: 10.1016/j.biortech.2018.12.028.
Zahan K. A.; Hedzir M. S.A.; Mustapha M. The potential use of papaya juice as fermentation medium for bacterial cellulose production by Acetobacter xylinum 0416 // Pertanika Journal of Tropical Agricultural Science. 2017. Vol. 40, № 3. P. 343—350.
Żywicka A., Junka A. F., Szymczyk P. et al. Bacterial cellulose yield increased over 500 % by supplementation of medium with vegetable oil // Carbohydrate Polymers. 2018. Vol. 199. P. 294—303. doi: 10.1016/j.carbpol.2018.06.126.
Конышин В. В., Крахмалев В. А., Коршунов Л. А. и др. Способ очистки бактериальной целлюлозы : патент на изобретение № 2754368 от 01.09.2021 г.
Милютин М. А. Питательные среды для биосинтеза бактериальной целлюлозы // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности : материалы XV Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых с междунар. участием. Бийск, 2022. С. 321—324.
Ревин В. В., Лияськина Е. В. Штамм Gluсonaсetobaсtеr suсrofеrmеntans — продуцент бактериальной целлюлозы : патент на изобретение № 2523606 от 20.07.2014 г.
Amorim J. D. P., Galdino C. J. S., Costa A. F. S. et al. BioMask, a polymer blend for treatment and healing of skin prone to acne // Chemical Engineering Transactions. 2020. Vol. 79. P. 1—6. doi: 10.3303/CET2079035.
Aydinol P., Ozcan T. Production of reduced fat Labneh cheese with inulin and β-glucan fibre based fat replacer // International Journal of Dairy Technology. 2018. Vol. 71, № 2. P. 362—371. doi: 10.1111/1471-0307.12456.
Azredo H. M. C., Barud H., Farinas C. S., Vasconcellos V. M. Bacterial Cellulose as a Raw Material for Food and Food Packaging Applications // Frontiers in Sustainable Food Systems. 2019. Vol. 3. P. 45—57. doi: 10.3389/fsufs.2019.00007.
Calderón S., Horue M., Alvarez V. A. et al. Isolation and partial characterization of Komagataeibacter sp. SU12 and optimization of bacterial cellulose production using Mangifera indica extracts // Journal of Chemical Technology & Biotechnology. 2021. Vol. 97, № 6. P. 1—12. doi: 10.1002/jctb.6839.
Cao Y., Lu S., Yang Y. Production of bacterial cellulose from byproduct of citrus juice processing (citrus pulp) by Gluconacetobacter hansenii // Cellulose. 2018. Vol. 25. P. 6977—6988. doi: 10.1007/s10570-018-2056-0.
Chen L., Hong F., Yang X., Han S. Biotransformation of wheat straw to bacterial cellulose and its mechanism // Bioresource Technology. 2013. Vol. 135. Р. 464—468. doi: 10.1016/j.biortech.2012.10.029.
Dubey S., Singh J., Singh R. Biotransformation of sweet lime pulp waste into high-quality nanocellulose with an excellent productivity using Komagataeibacter europaeus SGP37 under static intermittent fed-batch cultivation // Bioresource Technology. 2018. Vol. 247. P. 73—80. doi: 10.1016/j.biortech.2017.09.089.
Fontana J. D., Fontana J. D., Koop H. S., Tiboni M. New insights on bacterial cellulose // Food Biosynthesis. 2017. Vol. 7. P. 213—249. doi: 10.1038/ijo.2015.179.
Gutierrez E., Burdiles P. A., Quero F. et al. 3D printing of antimicrobial alginate/bacterial-cellulose composite hydrogels by incorporating copper nanostructures // ACS Biomaterials Science & Engineering. 2019. Vol. 5, № 11. P. 6290—6299. doi.org/10.1021/acsbiomaterials.9b01048.
Huang Ch., Ji H., Guo B. et al. Composite nanofiber membranes of bacterial cellulose / halloysite nanotubes as lithium-ion battery separators // Cellulose. 2019. Vol. 26, № 11. P. 6669—6681. doi: 10.1007/s10570-019-02558-y.
Jebel F. S., Almasi H. Morphological, physical, antimicrobial and release properties of ZnO nanoparticles-loaded bacterial cellulose films // Carbohydrate Polymers. 2016. Vol. 149. P. 8—19. doi: 10.1016/j.carbpol.2016.04.089.
Keshk S. M. Bacterial Cellulose Production and its Industrial Applications // Journal of Bioprocessing & Biotechniques. 2014. Vol. 4, № 2. P. 10. doi: 10.4172/2155-9821.1000150.
Kim S. S., Lee S. Y., Park K. J., Park S. M. Gluconacetobacter sp. gel_SEA623-2, bacterial cellulose producing bacterium isolated from citrus fruit juice // Saudi Journal of Biological Sciences. 2017. Vol. 24, № 2. P. 314—319. doi: 10.1016/j.sjbs.2015.09.031.
Lee K. Y., Buldum G., Mantalaris A., Bismarck A. More than meets the eye in bacterial cellulose: Biosynthesis, bioprocessing, and applications in advanced fiber composites // Macromolecular Bioscience. 2014. Vol. 14, № 1. P. 10—32. doi: 10.1002/mabi.201300298.
Li W., Zhang S., Zhang T., Shen Y. et al. Bacterial cellulose production from ethylenediamine pretreated Caragana korshinskii Kom // Industrial Crops and Products. 2021. Vol. 164. P. 113340.
Ma X., Yuan H., Wang H., Yu H. Coproduction of bacterial cellulose and pear vinegar by fermentation of pear peel and pomace // Bioprocess and Biosystems Engineering. 2021. Vol. 44. P. 1—14. doi: 10.1007/s00449-021-02599-3.
Nagmetova G., Kurmanbayev A. Isolation and identification of bacterial cellulose producers with potential for medicine and biotechnology // Eurasian Journal of Applied Biotechnology. 2019. Vol. 2. P. 114—120. doi: 10.11134/btp.2.2019.11.
Pang M., Huang Y., Meng F. et al. Application of Bacterial Cellulose in Skin and Bone Tissue Engineering // European Polymer Journal. 2019. Vol. 122. P. 9. doi: 10.1016/j.eurpolymj.2019.109365.
Ramon D. F., Gámez-Meza N., Medina-Juárez L. Á. et al. Bacterial cellulose production by Gluconacetobacter entanii using pecan nutshell as carbon source and its chemical functionalization // Carbohydrate Polymers. 2018. Vol. 1, № 207. P. 91—99. doi: 10.1016/j.carbpol.2018.11.067.
Revin V. V., Dolganov A. V., Liyaskina E. V. et al. Characterizing bacterial cellulose produced by Komagataeibacter sucrofermentans H-110 on molasses medium and obtaining a biocomposite based on it for the adsorption of fluoride // Polymers. 2021. Vol. 13. P. 1422. doi: 10.3390/polym13091422.
Saavedra-Sanabria O. L., Durán D., Cabezas J. et al. Cellulose biosynthesis using simple sugars available in residual cacao mucilage exudate // Carbohydrate Polymers. 2021. Vol. 274. Р. 118645. doi: 10.1016/j.carbpol.2021.118645.
Selestina G., Janja T. Bacterial Cellulose: Production, Modification and Perspectives in Biomedical Applications // Nanomaterials. 2019. Vol. 9, № 10. P. 20. 1352. doi: 10.3390/nano9101352.
Sutthiphatkul T. S., Amornrat O. D. Optimization of bacterial cellulose production from wastewater of noodle processing by Komagataeibacter sp. PAP1 and bio-cellulose paper production // Walailak Journal of Science and Technology. 2020. Vol. 17, № 11. P. 1241—1251. doi: 10.48048/wjst.2021.6508.
Wang Q., Nnanna P. C., Shen F. et al. Full utilization of sweet sorghum for bacterial cellulose production: a concept of material crop //Industrial Crops and Products. 2021. Vol. 162. P. 113256. doi: 10.1016/J.INDCROP.2021.113256.
Wang S.-S., Han Y.-H., Chen J.-L. et al. Insights into Bacterial Cellulose Biosynthesis from Different Carbon Sources and the Associated Biochemical Transformation Pathways in Komagataeibacter sp. W1 // Polymers. 2018. Vol. 10, № 9. P. 20. 963. doi: 10.3390/polym10090963.
Xie Y., Niu X., Yang J. et al. Active biodegradable films based on the whole potato peel incorporated with bacterial cellulose and curcumin // International Journal of Biological Macromolecules. 2020. Vol. 150. P. 480—491. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2020.01.29.
Ye J., Zheng S., Zhang Z. et al. Bacterial cellulose production by Acetobacter xylinum ATCC 23767 using tobacco waste extract as culture medium // Bioresource Technology. 2019. Vol. 274. P. 518—524. doi: 10.1016/j.biortech.2018.12.028.
Zahan K. A.; Hedzir M. S.A.; Mustapha M. The potential use of papaya juice as fermentation medium for bacterial cellulose production by Acetobacter xylinum 0416 // Pertanika Journal of Tropical Agricultural Science. 2017. Vol. 40, № 3. P. 343—350.
Żywicka A., Junka A. F., Szymczyk P. et al. Bacterial cellulose yield increased over 500 % by supplementation of medium with vegetable oil // Carbohydrate Polymers. 2018. Vol. 199. P. 294—303. doi: 10.1016/j.carbpol.2018.06.126.