เซลลูโลสจากแบคทีเรีย
เซลลูโลสจากแบคทีเรียเป็นสารประกอบอินทรีย์ที่มีสูตร( C)ชั่วโมงโอ ) ผลิตโดย แบคทีเรียบางชนิดแม้ว่าเซลลูโลสจะเป็นวัสดุโครงสร้างพื้นฐานของพืชส่วนใหญ่ แต่ก็ยังผลิตโดยแบคทีเรีย โดยเฉพาะอย่างยิ่งแบคทีเรียในสกุลKomagataeibacter,Acetobacter,Sarcina ventriculiและAgrobacteriumเซลลูโลสจากแบคทีเรียหรือจุลินทรีย์มีคุณสมบัติแตกต่างจากเซลลูโลสจากพืช และมีลักษณะเด่นคือมีความบริสุทธิ์สูง แข็งแรง ขึ้นรูปง่าย และกักเก็บน้ำได้ดีขึ้น [ 1 ]ในถิ่นที่อยู่ตามธรรมชาติ แบคทีเรียส่วนใหญ่จะสังเคราะห์พอลิแซ็กคาไรด์เซลล์ เช่น เซลลูโลส ซึ่งสร้างเปลือกป้องกันรอบเซลล์ แม้ว่าเซลลูโลสจากแบคทีเรียจะผลิตขึ้นในธรรมชาติ แต่ปัจจุบันมีการวิจัยวิธีการมากมายเพื่อเพิ่มการเจริญเติบโตของเซลลูโลสจากการเพาะเลี้ยงในห้องปฏิบัติการในระดับอุตสาหกรรม โดยการควบคุมวิธีการสังเคราะห์ เซลลูโลสจากจุลินทรีย์ที่ได้สามารถปรับแต่งให้มีคุณสมบัติที่ต้องการได้Komagataeibacter xylinusได้รับความสนใจเนื่องจากคุณสมบัติเชิงกลที่เป็นเอกลักษณ์ของเซลลูโลส และการประยุกต์ใช้ในด้านเทคโนโลยีชีวภาพจุลชีววิทยาและวิทยาศาสตร์วัสดุ
ในอดีต เซลลูโลสจากแบคทีเรียถูกจำกัดไว้เฉพาะการผลิตขนมหวานคล้ายเยลลี่อย่างนาตาเดปิญาและนาตาเดโคโคซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์อาหารของฟิลิปปินส์[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]ด้วยความก้าวหน้าในการสังเคราะห์และระบุลักษณะของเซลลูโลสจากแบคทีเรีย วัสดุนี้จึงถูกนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ที่หลากหลาย รวมถึงสิ่งทอ เครื่องสำอาง และผลิตภัณฑ์อาหาร ตลอดจนการใช้งานทางการแพทย์ มีการออกสิทธิบัตรจำนวนมากเกี่ยวกับการใช้งานเซลลูโลสจากจุลินทรีย์ และมีหลายพื้นที่การวิจัยที่กำลังพยายามระบุลักษณะของเซลลูโลสจากจุลินทรีย์ให้ดียิ่งขึ้นและนำไปใช้ในพื้นที่ใหม่ๆ[ 1 ]
ประวัติศาสตร์
เซลลูโลสในฐานะวัสดุถูกค้นพบครั้งแรกในปี ค.ศ. 1838 โดยAnselme Payen Payen สามารถแยกเซลลูโลสออกจากสารพืชอื่นๆ และกำหนดลักษณะทางเคมีได้ ในการใช้งานทางอุตสาหกรรมครั้งแรกๆ และที่พบได้ทั่วไป เซลลูโลสจากเยื่อไม้ถูกนำมาใช้ในการผลิตกระดาษ เหมาะสำหรับการแสดงข้อมูลในรูปแบบสิ่งพิมพ์เนื่องจากมีความสะท้อนแสงสูง ความคมชัดสูง ต้นทุนต่ำ และมีความยืดหยุ่น การค้นพบเซลลูโลสที่ผลิตโดยแบคทีเรีย โดยเฉพาะจากAcetobacter xylinumได้รับการยกย่องให้แก่AJ Brownในปี ค.ศ. 1886 ด้วยการสังเคราะห์แผ่นเจลาตินนอกเซลล์[ 5 ]อย่างไรก็ตาม จนกระทั่งศตวรรษที่ 20 จึงมีการศึกษาเซลลูโลสจากแบคทีเรียอย่างเข้มข้นมากขึ้น หลายทศวรรษหลังจากการค้นพบเซลลูโลสจากจุลินทรีย์ครั้งแรก CA Browne ได้ศึกษาวัสดุเซลลูโลสที่ได้จากการหมักน้ำอ้อยจากหลุยเซียน่าและยืนยันผลลัพธ์ของ AJ Brown [ 6 ]นักวิจัยคนอื่นๆ รายงานการสร้างเซลลูโลสโดยสิ่งมีชีวิตต่างๆ เช่นAcetobacter pasteurianum , Acetobacter rancens , Sarcina ventriculiและBacterium xylinoidesในปี พ.ศ. 2474 Tarr และ Hibbert ได้ตีพิมพ์งานวิจัยโดยละเอียดชิ้นแรกเกี่ยวกับการสร้างเซลลูโลสจากแบคทีเรีย โดยทำการทดลองหลายชุดเพื่อเพาะเลี้ยงA. xylinumบนอาหารเลี้ยงเชื้อ[ 7 ]
ในช่วงกลางทศวรรษ 1900 เฮสตินและคณะได้พิสูจน์ความจำเป็นของกลูโคสและออกซิเจนในการสังเคราะห์เซลลูโลสของแบคทีเรีย ไม่นานหลังจากนั้น คอลวินได้ตรวจพบการสังเคราะห์เซลลูโลสในตัวอย่างที่มีสารสกัดที่ปราศจากเซลล์ของA. xylinumกลูโคส และ ATP [ 8 ]ในปี 1949 โครงสร้างไมโครไฟบริลของเซลลูโลสแบคทีเรียได้รับการระบุลักษณะโดยมูห์เลธาเลอร์[ 9 ]การศึกษาเซลลูโลสแบคทีเรียเพิ่มเติมได้นำไปสู่การใช้งานและการประยุกต์ใช้วัสดุใหม่ๆ
การสังเคราะห์ทางชีวภาพ
แหล่งที่มาของแบคทีเรีย
แบคทีเรียที่ผลิตเซลลูโลส ได้แก่แบคทีเรียแกรมลบเช่นAcetobacter , Azotobacter , Rhizobium , Pseudomonas , Salmonella , Alcaligenesและแบคทีเรียแกรมบวกเช่นSarcina ventriculi [ 10 ] ผู้ผลิตเซลลูโลสที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดคือA. xylinum , A. hanseniiและA. pasteurianusในบรรดาแบคทีเรียเหล่านี้A. xylinumเป็นจุลินทรีย์ต้นแบบสำหรับการศึกษาพื้นฐานและการประยุกต์ใช้เกี่ยวกับเซลลูโลส เนื่องจากความสามารถในการผลิตพอลิเมอร์ในระดับที่ค่อนข้างสูงจากแหล่งคาร์บอนและไนโตรเจนที่หลากหลาย[ 11 ]
กระบวนการทั่วไป
การสังเคราะห์เซลลูโลสของแบคทีเรียเป็นกระบวนการหลายขั้นตอนที่เกี่ยวข้องกับกลไกหลักสองอย่าง ได้แก่ การสังเคราะห์ยูริดีนไดฟอสโฟกลูโคส (UDPGIc) ตามด้วยการพอลิเมอไรเซชันของกลูโคสเป็นสายโซ่ยาวและไม่มีกิ่งก้าน (สายโซ่กลูแคน β-1→4) โดยเซลลูโลสซินเทสรายละเอียดเกี่ยวกับการสังเคราะห์เซลลูโลสได้รับการบันทึกไว้อย่างละเอียด[ 12 ] [ 13 ] กลไกแรกเป็นที่รู้จักกันดี ในขณะที่กลไกหลังยังคงต้องการการสำรวจ การผลิต UDPGIc เริ่มต้นด้วยสารประกอบคาร์บอน ( เช่นเฮกโซสกลีเซอ รอล ไดไฮดรอกซีอะซีโตน ไพรูเวตและกรดไดคาร์บอกซิลิก ) ที่เข้าสู่รอบเครบส์ ก ลูโคเนโอเจเนซิสหรือวงจรเพนโทสฟอสเฟต ขึ้น อยู่กับแหล่งคาร์บอนที่มีอยู่ จากนั้นจะผ่านกระบวนการฟอสโฟรีเลชันพร้อมกับการเร่งปฏิกิริยา ตามด้วยการไอโซเมอไรเซชันของสารตัวกลาง และกระบวนการที่เรียกว่า UDPGIc ไพโรฟอสโฟรีเลส เพื่อแปลงสารประกอบให้เป็น UDPGIc ซึ่งเป็นสารตั้งต้นในการผลิตเซลลูโลส การพอลิเมอไรเซชันของกลูโคสเป็นสายโซ่กลูแคน β-1→4 นั้นมีสมมติฐานว่าอาจเกี่ยวข้องกับสารตัวกลางที่เป็นไขมัน[ 14 ]หรือไม่เกี่ยวข้องกับสารตัวกลางที่เป็นไขมัน[ 12 ]แม้ว่าการศึกษาเอนไซม์วิทยาเชิงโครงสร้างและ การทดลอง ในหลอดทดลองจะบ่งชี้ว่าการพอลิเมอไรเซชันสามารถเกิดขึ้นได้โดยการถ่ายโอนหมู่กลูโคซิลโดยตรงจากน้ำตาลนิวคลีโอไทด์ไปยังพอลิแซ็กคาไรด์ที่กำลังเติบโต[ 15 ] A. xylinumมักจะแปลงสารประกอบคาร์บอนเป็นเซลลูโลสด้วยประสิทธิภาพประมาณ 50% [ 14 ]
การผลิตโดยการหมัก
| จุลินทรีย์ | แหล่งคาร์บอน | อาหารเสริม | ระยะเวลาเพาะเลี้ยง ( ชม. ) | ผลผลิต ( กรัม / ลิตร ) |
|---|---|---|---|---|
| เอ. ไซลินัมบีอาร์ซีเอส | กลูโคส | เอทานอล, ออกซิเจน | 50 | 15.30 |
| ก. ฮันเซนี PJK (KCTC 10505 BP) | กลูโคส | ออกซิเจน | 48 | 1.72 |
| กลูโคส | เอทานอล | 72 | 2.50 | |
| อะซิโตแบคเตอร์ สปีชีส์ V6 | กลูโคส | เอทานอล | 192 | 4.16 |
| อะซิโตแบคเตอร์ สปีชีส์ A9 | กลูโคส | เอทานอล | 192 | 15.20 |
| ก. ไซลินัมเอสเอสพี. ถังหมัก ซูโครBPR2001 | กากน้ำตาล | ไม่มี | 72 | 7.82 |
| ฟรุกโตส | ออกซิเจนอะการ์ | 72 | 14.10 | |
| ฟรุกโตส | อะการ์ | 56 | 12.00 | |
| ฟรุกโตส | ออกซิเจน | 52 | 10.40 | |
| ฟรุกโตส | ออกซิเจนอะการ์ | 44 | 8.70 | |
| เอ. ไซลินัมอี25 | กลูโคส | เลขที่ | 168 | 3.50 |
| จี. ไซลินัสเค3 | แมนนิทอล | ชาเขียว | 168 | 3.34 |
| G. xylinus IFO 13773 | กลูโคส | ลิกโนซัลโฟเนต | 168 | 10.10 |
| A. xylinum NUST4.1 | กลูโคส | โซเดียมอัลจิเนต | 120 | 6.00 |
| G. xylinus IFO 13773 | กากน้ำตาลอ้อย | เลขที่ | 168 | 5.76 |
| จี. ไซลินัสสปีชีส์ อาร์จี5 | กลีเซอรอล | เลขที่ | 144 | 5.63 |
| แบคทีเรีย Glucon acetobacter sp. St-60-12 และแบคทีเรีย Lacto bacillus Mali JCM1116 (เพาะเลี้ยงร่วมกัน) | ซูโครส | เลขที่ | 72 | 4.20 |
การผลิตเซลลูโลสขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่นสารอาหารในอาหารเลี้ยงเชื้อ สภาพแวดล้อม และการเกิดผลพลอยได้ อาหารเลี้ยงเชื้อประกอบด้วยคาร์บอนไนโตรเจน และธาตุ อาหารหลักและรองอื่นๆ ที่จำเป็นต่อการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย แบคทีเรียจะมีประสิทธิภาพมากที่สุดเมื่อได้รับแหล่งคาร์บอนที่อุดมสมบูรณ์และแหล่งไนโตรเจนที่น้อยที่สุด[ 16 ]กลูโคสและซูโครสเป็นแหล่งคาร์บอนที่ใช้กันทั่วไปในการผลิตเซลลูโลส ในขณะที่ฟรุกโตสมอลโทสไซโลสแป้งและกลีเซอรอลก็เคยถูกนำมาทดลองใช้เช่นกัน[ 17 ]บางครั้งอาจใช้เอทานอลเพื่อเพิ่มการผลิตเซลลูโลส[ 18 ]ปัญหาของการใช้กลูโคสคือกรดกลูโคนิกจะเกิดขึ้นเป็นผลพลอยได้ ซึ่งจะทำให้ค่า pH ของอาหารเลี้ยงเชื้อลดลง และส่งผลให้การผลิตเซลลูโลสลดลง การศึกษาแสดงให้เห็นว่าการผลิตกรดกลูโคนิกสามารถลดลงได้เมื่อมีลิกโนซัลโฟเนตอยู่[ 19 ]การเติมกรดอินทรีย์ โดยเฉพาะกรดอะซิติกก็ช่วยให้ได้ผลผลิตเซลลูโลสที่สูงขึ้นเช่นกัน[ 20 ]การศึกษาการใช้สื่อกากน้ำตาลในถังหมัก[ 21 ]รวมถึงส่วนประกอบที่เพิ่มของกากน้ำตาลอ้อย[ 22 ]ในแบคทีเรียบางสายพันธุ์ได้รับการศึกษาโดยมีผลการศึกษาที่แสดงให้เห็นถึงการเพิ่มขึ้นของการผลิตเซลลูโลส
โดยทั่วไปแล้ว การเติมไนโตรเจนเพิ่มเติมจะลดการผลิตเซลลูโลส ในขณะที่การเติมโมเลกุลตั้งต้น เช่นกรดอะมิโน[ 23 ]และเมไทโอนีนจะช่วยเพิ่มผลผลิตไพริดอกซีน กรด นิโคตินิก กรดพี-อะมิโนเบนโซอิกและไบโอตินเป็นวิตามินที่สำคัญสำหรับการผลิตเซลลูโลส ในขณะที่แพนโทเทเนตและไรโบฟลาวินมีผลตรงกันข้าม[ 24 ] ในเครื่องปฏิกรณ์ที่กระบวนการมีความซับซ้อนมากขึ้น จะมีการเติมพอลิแซ็ กคาไรด์ที่ละลายน้ำได้ เช่นอะการ์ [ 25 ]อะซิแทนและโซเดียมอัลจิเนต[ 26 ]เพื่อป้องกันการจับตัวเป็นก้อนหรือการตกตะกอนของเซลลูโลสจากแบคทีเรีย
ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมหลักอื่นๆ ที่ส่งผลต่อการผลิตเซลลูโลส ได้แก่ ค่า pH อุณหภูมิ และออกซิเจนละลาย ตามการศึกษาเชิงทดลอง อุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการผลิตสูงสุดอยู่ระหว่าง 28 ถึง 30 °C [ 27 ]สำหรับสายพันธุ์ส่วนใหญ่ ค่า pH ที่เหมาะสมที่สุดอยู่ระหว่าง 4.0 ถึง 6.0 [ 17 ]การควบคุมค่า pH มีความสำคัญอย่างยิ่งในการเพาะเลี้ยงแบบคงที่ เนื่องจากการสะสมของกรดกลูโคนิก กรดอะซิติก หรือกรดแลคติก จะทำให้ค่า pH ลดลงต่ำกว่าช่วงที่เหมาะสมมาก ปริมาณออกซิเจนละลายสามารถเปลี่ยนแปลงได้ด้วยความเร็วของเครื่องกวน เนื่องจากจำเป็นสำหรับการเพาะเลี้ยงแบบคงที่ซึ่งจำเป็นต้องมีการขนส่งสารตั้งต้นโดยการแพร่[ 28 ]
การผลิตโดยใช้เครื่องปฏิกรณ์
การเพาะเลี้ยงแบบคงที่และการเพาะเลี้ยงแบบกวนเป็นวิธีการทั่วไปในการผลิตเซลลูโลสจากแบคทีเรีย ทั้งการเพาะเลี้ยงแบบคงที่และการเพาะเลี้ยงแบบกวนนั้นไม่เหมาะสมสำหรับการผลิตในระดับใหญ่ เนื่องจากวิธีการเพาะเลี้ยงแบบคงที่ต้องใช้ระยะเวลาการเพาะเลี้ยงนานและต้องใช้แรงงานจำนวนมาก ในขณะที่วิธีการเพาะเลี้ยงแบบกวนจะทำให้เกิดสายพันธุ์กลายพันธุ์ที่ไม่สามารถผลิตเซลลูโลสได้ควบคู่ไปกับปฏิกิริยาเนื่องจากการเจริญเติบโตอย่างรวดเร็ว[ 29 ]ดังนั้นจึงมีการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์เพื่อลดระยะเวลาการเพาะเลี้ยงและยับยั้งการเปลี่ยนสายพันธุ์แบคทีเรียที่ผลิตเซลลูโลสไปเป็นสายพันธุ์กลายพันธุ์ที่ไม่สามารถผลิตเซลลูโลสได้ เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ เครื่องปฏิกรณ์แบบจานหมุน[ 30 ] เครื่องปฏิกรณ์แบบสัมผัส ไบโอฟิล์มหมุน(RBC) [ 29 ]เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่ติดตั้งตัวกรองแบบหมุน[ 31 ]และเครื่องปฏิกรณ์ที่มีเยื่อซิลิโคน[ 32 ]
โครงสร้างและคุณสมบัติ
| ประเภท | เซลลูโลสชนิด | บทบาททางชีววิทยา |
|---|---|---|
| อะซีโตแบคเตอร์ | เยื่อหุ้มเซลล์ภายนอก, ริบบิ้น | รักษาสภาพแวดล้อม แบบใช้ออกซิเจน |
| อะโครโมแบคเตอร์ | ริบบิ้น | การตกตะกอน |
| แอโรแบคเตอร์ | เส้นใย | การตกตะกอน |
| อะโกรแบคทีเรียม | เส้นใยสั้น | การยึดเกาะกับพืช |
| อัลคาลิจีนส์ | เส้นใย | การตกตะกอน |
| ซูโดโมนาส | ไม่ชัดเจน | การตกตะกอน |
| โรโซเบียม | เส้นใยสั้น | การยึดเกาะกับพืช |
| ซาร์ซิน่า | อะมอร์ฟัส | ไม่ทราบ |
ความแตกต่างระหว่างเซลลูโลสจากพืชและเซลลูโลสจากแบคทีเรีย
เซลลูโลสเป็นวัสดุ อินทรีย์ที่พบได้ทั่วไปมากที่สุดบนโลกสามารถจำแนกได้เป็นเซลลูโลสจากพืชและเซลลูโลสจากแบคทีเรีย ซึ่งทั้งสองชนิดเกิดขึ้นตามธรรมชาติ เซลลูโลสจากพืชซึ่งเป็นส่วนประกอบของผนังเซลล์ของพืชส่วนใหญ่ เป็นโครงสร้างตาข่ายที่แข็งแรง โดยมีเส้นใยเซลลูโลสเป็นองค์ประกอบหลัก ในขณะที่เซลลูโลสจากแบคทีเรียมีสูตรโมเลกุลเดียวกันกับเซลลูโลสจากพืช แต่มีคุณสมบัติและลักษณะเฉพาะของโมเลกุลขนาดใหญ่ที่แตกต่างกันอย่างมาก[ 8 ]โดยทั่วไป เซลลูโลสจากจุลินทรีย์มีความบริสุทธิ์ทางเคมีมากกว่า ไม่มีเฮมิเซลลูโลสหรือลิกนินมีความสามารถในการกักเก็บน้ำและความชอบ น้ำสูงกว่า มี ความแข็งแรงดึงมากกว่าอันเนื่องมาจากการเกิดพอลิเม อไรเซชันในปริมาณที่มากขึ้น และมีโครงสร้างเครือข่ายละเอียดมาก นอกจากนี้ เซลลูโลสจากแบคทีเรียยังสามารถผลิตได้บนพื้นผิวที่หลากหลายและสามารถปลูกได้แทบทุกรูปทรงเนื่องจากความสามารถในการขึ้นรูปสูงในระหว่างการสร้าง[ 33 ] ยิ่งไปกว่านั้น เซลลูโลสจากแบคทีเรียยังมีโครงสร้างผลึกมากกว่าเมื่อเทียบกับเซลลูโลสจากพืชและก่อตัวเป็น ไมโครไฟเบอร์ที่มีลักษณะคล้ายริบบิ้น[ 1 ]ไมโครไฟบริลบางๆ เหล่านี้ ซึ่งเป็นลักษณะเด่นของเซลลูโลสจุลินทรีย์มีขนาดเล็กกว่าไมโครไฟบริลในเซลลูโลสพืชอย่างมาก ทำให้เซลลูโลสแบคทีเรียมีรูพรุนมากกว่า[ 9 ]
โครงสร้างระดับมหภาค
เซลลูโลสประกอบด้วยคาร์บอนออกซิเจนและไฮโดรเจนและจัดเป็นพอลิแซ็กคาไรด์ ซึ่ง บ่งชี้ว่าเป็นคาร์โบไฮเดรต ที่มีคุณสมบัติ เป็นพอลิเมอร์ เซลลูโลสประกอบด้วยพอลิเมอร์สายตรง โดยหน่วยพื้นฐานของกลูโคสจะยึดติดกันด้วยพันธะเบต้า บทบาทเชิงโครงสร้างของเซลลูโลสในผนังเซลล์นั้นเปรียบได้กับเส้นใยแก้วของไฟเบอร์กลาสหรือแท่งค้ำยันภายในคอนกรีตเสริมเหล็กเส้นใยเซลลูโลสมีความไม่ละลายน้ำและไม่ยืดหยุ่นสูง และเนื่องจากโครงสร้างโมเลกุล จึงมีความแข็งแรงในการรับแรงดึงเทียบเท่ากับเหล็กดังนั้น เซลลูโลสจึงมอบความยืดหยุ่นทางเคมี การรองรับเชิงกล และความยืดหยุ่นที่เป็นเอกลักษณ์ให้กับเนื้อเยื่อที่มันอาศัยอยู่[ 34 ]เซลลูโลสจากแบคทีเรียที่ผลิตโดย สายพันธุ์ Acetobacterแสดงคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ ได้แก่ ความแข็งแรงเชิงกลสูง ความสามารถในการดูดซับน้ำสูง ความเป็นผลึกสูง และโครงสร้างเครือข่ายเส้นใยที่ละเอียดมากและบริสุทธิ์สูง[ 35 ]หนึ่งในคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของเซลลูโลสจากแบคทีเรียคือความบริสุทธิ์ทางเคมี นอกจากนี้ เซลลูโลสจากแบคทีเรียยังมีความเสถียรต่อสารเคมีและอุณหภูมิสูง[ 36 ]มีการเสนอว่าเซลลูโลสจากแบคทีเรียมีโครงสร้างคล้าย 'กรง' ซึ่งปกป้องเซลล์จากสิ่งแปลกปลอมและไอออนโลหะหนัก ในขณะเดียวกันก็ยังช่วยให้สารอาหารสามารถแพร่กระจายได้ง่าย[ 2 ] [ 37 ]หลุยส์ ปาสเตอร์อธิบายเซลลูโลสจากแบคทีเรียว่าเป็น "ผิวหนังที่ชุ่มชื้น บวม เป็นเจล และลื่น" แม้ว่าส่วนที่เป็นของแข็งในเจลจะมีน้อยกว่าหนึ่งเปอร์เซ็นต์ แต่ก็เกือบจะเป็นเซลลูโลสบริสุทธิ์ที่ไม่มีลิกนินและสารแปลกปลอมอื่นๆ[ 2 ]แม้ว่าเซลลูโลสจากแบคทีเรียจะได้รับในรูปของเจลที่บวมมาก แต่เนื้อสัมผัสค่อนข้างเป็นเอกลักษณ์และแตกต่างจากเจลทั่วไป เซลลูโลสมีโครงข่ายเส้นใยที่บวมมากอันเนื่องมาจากการมีโครงสร้างรูพรุนและอุโมงค์อยู่ภายในเพลลิเคิลที่ เปียก เซลลูโลสจากพืชมีค่าการกักเก็บน้ำ 60% ในขณะที่เซลลูโลสจากแบคทีเรียมีค่าการกักเก็บน้ำ 1000% [ 33 ] การก่อตัวของฟิล์มเซลลูโลสเกิดขึ้นบนพื้นผิวด้านบนของสารละลายส่วนบนฟิล์ม พื้นที่ผิวขนาดใหญ่มีความสำคัญต่อประสิทธิภาพการผลิตที่ดี การก่อตัวของเซลลูโลสเกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างอากาศกับเพลลิเคิลเซลลูโลส ไม่ใช่ที่ส่วนต่อประสานระหว่างตัวกลางกับเซลลูโลส ดังนั้นออกซิเจนจึงเป็นปัจจัยสำคัญในการผลิตเซลลูโลส[ 1 ]หลังจากช่วงการกระตุ้นและการเติบโตอย่างรวดเร็ว ความหนาจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง เส้นใยดูเหมือนจะไม่จำเป็นต้องเป็นเส้นตรง แต่มี "จุดแยกสามทาง" บางส่วนตามความยาว การแยกสาขาประเภทนี้ถือว่าเกี่ยวข้องกับลักษณะเฉพาะของวัสดุนี้และเกิดขึ้นจากจุดแยกสาขาที่เกิดจากการแบ่งตัว แบบ ไบนารี[ 38 ]
คุณสมบัติและลักษณะเฉพาะ
วัสดุรูปทรงแผ่นที่เตรียมจากเซลลูโลสแบคทีเรียมีคุณสมบัติทางกลที่โดดเด่น ตามที่บราวน์กล่าวไว้เปลือกของเซลลูโลสแบคทีเรียนั้น "มีความเหนียวมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากพยายามฉีกมันข้ามระนาบการเจริญเติบโต" [ 2 ] มีรายงานว่าค่าโมดูลัส ของยังสำหรับเซลลูโลสแบคทีเรียสูงถึง 15 GPa ข้ามระนาบของแผ่น ในขณะที่ค่าสูงสุดที่ได้ในอดีตสำหรับฟิล์มหรือแผ่นพอลิเมอร์นั้นต่ำกว่า 10 GPa อย่างมาก ค่าโมดูลัสของยังที่สูงของแผ่นนี้เกิดจากโครงสร้างซูเปอร์โมเลกุลที่เป็นเอกลักษณ์ ซึ่งเส้นใยที่มีต้นกำเนิดทางชีวภาพได้รับการรักษาไว้และยึดติดกันอย่างแน่นหนาด้วยพันธะไฮโดรเจนค่าโมดูลัสของยังนี้ไม่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิหรือกระบวนการเพาะเลี้ยงที่ใช้ ค่าโมดูลัสของยังที่สูงมากของวัสดุนี้ต้องเกิดจากโครงสร้างซูเปอร์โมเลกุล[ 37 ] [ 38 ]
คุณสมบัตินี้เกิดขึ้นจากโซ่กลูแคนที่เรียงตัวติดกันซึ่งมีส่วนร่วมในการสร้างพันธะไฮโดรเจนระหว่างโซ่และภายใน โซ่ [ 34 ]เส้นใยย่อยของเซลลูโลสจากแบคทีเรียจะตกผลึกเป็นไมโครไฟบริลซึ่งรวมกลุ่มกันเป็นมัด จากนั้นจึงก่อตัวเป็น 'ริบบิ้น' เส้นใยเหล่านี้บางกว่าเส้นใยเซลลูโลสที่ผลิตจากการทำเยื่อไม้ถึงสองลำดับขนาด[ 8 ]ปัจจุบันเป็นที่ทราบกันว่าเพลลิเคิลประกอบด้วยการรวมตัวกันแบบสุ่มของไฟบริล ( กว้าง < 130 นาโนเมตร) ซึ่งประกอบด้วยมัดของไมโครไฟบริลที่ละเอียดกว่ามาก ( เส้นผ่านศูนย์กลาง 2 ถึง 4 นาโนเมตร) นอกจากนี้ยังเป็นที่ทราบกันว่าเพลลิเคิลจะกลายเป็นฟิล์มหรือแผ่นเมื่อแห้งหากการหดตัวตามระนาบถูกจำกัด[ 38 ] ริบบิ้นที่ละเอียดมากของเซลลูโลสจากจุลินทรีย์ก่อตัวเป็นโครงสร้างตาข่ายที่หนาแน่น ซึ่งมีความเสถียรโดยพันธะไฮโดรเจนที่กว้างขวาง เซลลูโลสจากแบคทีเรียยังแตกต่างจากเซลลูโลสจากพืชโดยมีดัชนีความเป็นผลึกสูง (สูงกว่า 60%) เซลลูโลสมีรูปแบบผลึกทั่วไปสองแบบ คือแบบ I และแบบ II ซึ่งสามารถแยกแยะได้ด้วยรังสีเอกซ์ , นิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์ (NMR), สเปกโทรสโกปีรามานและการวิเคราะห์อินฟราเรด[ 8 ] เซลลูโลสจากแบคทีเรียจัดอยู่ในกลุ่มเซลลูโลส I ตามหลักผลึกศาสตร์ ซึ่งพบได้ทั่วไปในเซลลูโลสธรรมชาติที่มาจากพืช โดยที่หน่วยเซลลูโลสสองหน่วยเรียงตัวขนานกันในเซลล์หน่วย[ 2 ] [ 40 ] คำว่าเซลลูโลส I ใช้สำหรับการเรียงตัวแบบขนานนี้ ในขณะที่เส้นใยผลึกที่มี โซ่โพ ลีกลูแคน แบบขนานกัน จะเกิดขึ้นเป็นเซลลูโลส II ที่มีเสถียรภาพทางอุณหพลศาสตร์[ 34 ]การจัดเรียงโมเลกุลในแผ่น ซึ่งได้รับการยืนยันโดยการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์มีลักษณะที่แกนโซ่โมเลกุลวางตัวตั้งฉากกับความหนาแบบสุ่ม โดยที่ระนาบ (1 1 0) จะวางตัวขนานกับพื้นผิว[ 38 ]
แม้ว่าเซลลูโลสจะก่อตัวเป็นโครงสร้างผลึกที่ชัดเจน แต่เส้นใยเซลลูโลสในธรรมชาติไม่ได้เป็นผลึกบริสุทธิ์ นอกจากบริเวณที่เป็นผลึกและอสัณฐานแล้วเส้นใยเซลลูโลสยังมีความไม่สม่ำเสมอหลายประเภท เช่น การบิดงอหรือการบิดตัวของไมโครไฟบริล หรือช่องว่าง เช่น รูพรุนขนาดเล็กบนพื้นผิว หลุมขนาดใหญ่ และเส้นเลือดฝอยดังนั้น พื้นที่ผิวทั้งหมดของเส้นใยเซลลูโลสจึงมากกว่าพื้นที่ผิวของเส้นใยที่เรียบเนียนอย่างสมบูรณ์แบบที่มีขนาดเท่ากัน ผลสุทธิของความไม่สม่ำเสมอ ของโครงสร้าง ภายในเส้นใยคือ เส้นใยจะถูกน้ำดูดซับอย่างน้อยบางส่วนเมื่อแช่ในตัวกลางที่เป็นน้ำ และรูพรุนขนาดเล็กและเส้นเลือดฝอยบางส่วนมีพื้นที่กว้างขวางเพียงพอที่จะยอมให้น้ำซึมผ่านได้[ 37 ]
การสแกนด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของขอบที่แตกหักเผยให้เห็นชั้นบางๆ จำนวนมาก สันนิษฐานว่าเส้นใยเหล่านี้เรียงตัวเป็นชั้นๆ โดยยึดติดกันด้วยพันธะไฮโดรเจนระหว่างเส้นใย เช่นเดียวกับในเยื่อกระดาษ แต่ความหนาแน่นของพันธะไฮโดรเจนระหว่างเส้นใยจะต้องสูงกว่ามาก เนื่องจากเส้นใยมีขนาดเล็กกว่า ดังนั้นพื้นที่สัมผัสจึงมีขนาดใหญ่กว่า[ 38 ]
แอปพลิเคชัน
เซลลูโลสจากแบคทีเรียมีการใช้งานในปัจจุบันและในอนาคตที่หลากหลาย เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะตัวหลายประการ จึงถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร การแพทย์ ผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรม และด้านเทคนิคอื่นๆ เซลลูโลสจากแบคทีเรียเป็นวัสดุโครงสร้างอเนกประสงค์ ทำให้สามารถขึ้นรูปได้หลากหลายวิธีเพื่อรองรับการใช้งานที่แตกต่างกันมีการออกสิทธิบัตร จำนวนมากสำหรับกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับวัสดุนี้ [ 41 ]มีการเสนอให้ใช้แผ่นเซลลูโลสจากแบคทีเรียเป็นวัสดุทดแทนผิวหนังชั่วคราวในกรณีที่มนุษย์ถูกไฟไหม้และได้รับบาดเจ็บที่ผิวหนังอื่นๆ[ 42 ]
อาหาร
การใช้เซลลูโลสจากแบคทีเรียที่เก่าแก่ที่สุดเท่าที่ทราบคือการใช้เป็นวัตถุดิบของนาตาเดปิญาซึ่งเป็นขนมหวานแบบดั้งเดิมของฟิลิปปินส์มีการเติมสีธรรมชาติหลายชนิด (ออกซีแคโรทีนอยด์ แอนโทไซยานิน และสารต้านอนุมูลอิสระและสารกำจัดอนุมูลอิสระที่เกี่ยวข้อง) ลงในเซลลูโลสจากแบคทีเรียเป็นก้อนเพื่อให้ขนมหวานดูน่ารับประทานยิ่งขึ้น[ 43 ]เซลลูโลสจากแบคทีเรียยังถูกใช้เป็นสารเพิ่มความข้นเพื่อรักษาความหนืดในอาหารและเป็นสารทำให้คงตัว เนื่องจากมีเนื้อสัมผัสและปริมาณเส้นใย จึงถูกเติมลงในผลิตภัณฑ์อาหารหลายชนิดในฐานะใยอาหารสามารถใช้เป็นสารเพิ่มปริมาณเพื่อเพิ่มความข้นและลดแคลอรี่ได้[ 44 ]เซลลูโลสจากจุลินทรีย์ยังถูกใช้เป็นสารเติมแต่งในเครื่องดื่มลดน้ำหนักในญี่ปุ่นตั้งแต่ปี 1992 โดยเฉพาะอย่างยิ่งคอมบูชาซึ่งเป็นเครื่องดื่มชาหมัก[ 9 ]
ผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์
เซลลูโลสจากแบคทีเรียยังมีการใช้งานที่หลากหลายในอุตสาหกรรมเชิงพาณิชย์ ในการผลิตกระดาษ เซลลูโลสจากแบคทีเรียถูกใช้เป็นกระดาษที่มีความแข็งแรงสูงเป็นพิเศษ และเป็นโครงข่ายเส้นใยละเอียดที่มีคุณสมบัติในการเคลือบ การยึดเกาะ การทำให้ข้น และการแขวนลอย[ 35 ]เนื่องจากมีความเร็วเสียง สูง และการสูญเสียไดนามิกต่ำ เซลลูโลสจากแบคทีเรียจึงถูกใช้เป็นเยื่ออะคูสติกหรือเยื่อกรองในลำโพงและหูฟังไฮไฟที่วางจำหน่ายโดยบริษัทโซนี่[ 2 ]เซลลูโลสจากแบคทีเรียยังถูกใช้เป็นสารเติมแต่งใน อุตสาหกรรม เครื่องสำอางนอกจากนี้ยังอยู่ระหว่างการทดสอบในอุตสาหกรรมสิ่งทอ โดยมีความเป็นไปได้ที่จะผลิตเสื้อผ้าที่ทำจากเซลลูโลส[ 35 ]
ทางการแพทย์
ในการประยุกต์ใช้ที่ทันสมัยมากขึ้น เซลลูโลสจากจุลินทรีย์มีความสำคัญใน วงการ แพทย์มีการทดสอบและใช้งานได้ผลดีในการใช้เป็นวัสดุปิด แผล โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีแผลไฟไหม้ การศึกษาแสดงให้เห็นว่าแผลไฟไหม้ที่รักษาด้วยเซลลูโลสจากจุลินทรีย์หายเร็วกว่าการรักษาแบบดั้งเดิมและมีรอยแผลเป็นน้อยกว่า การใช้เซลลูโลสจากจุลินทรีย์แบบทาภายนอกมีประสิทธิภาพเนื่องจากเซลลูโลสมีคุณสมบัติในการกักเก็บน้ำและยอมให้ไอน้ำผ่านได้ ความสามารถในการกักเก็บน้ำสูงช่วยสร้างบรรยากาศที่ชุ่มชื้นบริเวณที่ได้รับบาดเจ็บ ซึ่งมีความสำคัญต่อการรักษา ในขณะที่ความสามารถในการดูดซับช่วยให้ของเหลวที่ซึมออกมาจากแผลถูกกำจัดออกไป นอกจากนี้ เซลลูโลสจากจุลินทรีย์ยังสามารถปรับรูปทรงให้เข้ากับพื้นผิวของผิวหนัง ได้ดีมาก ให้การปกปิดที่แนบสนิทแม้ในบริเวณที่ยากต่อการปิดแผล เช่น บริเวณใบหน้า เทคนิคนี้ประสบความสำเร็จอย่างมากจนมีการพัฒนาผลิตภัณฑ์เซลลูโลสจากจุลินทรีย์ในเชิงพาณิชย์ เช่น Biofill® [ 1 ]ผลิตภัณฑ์บำบัดเชิงพาณิชย์เซลลูโลสจุลินทรีย์อีกชนิดหนึ่งคือ XCell ที่ผลิตโดยบริษัท Xylos ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในการรักษาบาดแผลจากแผลเรื้อรัง จากหลอดเลือด ดำ[ 45 ]นอกจากนี้ยังมีการศึกษาวิจัยเกี่ยวกับ การบำบัดผ้า ก๊อซ แบบดั้งเดิม ด้วยไบโอพอลิเมอร์เซลลูโลสจุลินทรีย์เพื่อเพิ่มคุณสมบัติของผ้าก๊อซ นอกเหนือจากการเพิ่มเวลาในการแห้งและความสามารถในการกักเก็บน้ำแล้ว ยาเหลวยังสามารถถูกดูดซึมโดยผ้าก๊อซที่เคลือบด้วยเซลลูโลสจุลินทรีย์ ทำให้ยาออกฤทธิ์ที่บริเวณบาดแผลได้[ 46 ]
เซลลูโลสจากจุลินทรีย์ยังถูกนำมาใช้ในการรักษาภายใน เช่นการปลูกถ่ายกระดูกและการสร้างและฟื้นฟูเนื้อเยื่อ อื่นๆ คุณสมบัติที่สำคัญของเซลลูโลสจากจุลินทรีย์สำหรับการใช้งานทางการแพทย์คือ สามารถขึ้นรูปเป็นรูปทรงต่างๆ ได้ง่าย ในขณะที่ยังคงคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์ทั้งหมดไว้ การขึ้นรูปเซลลูโลสจากจุลินทรีย์ให้เป็นท่อกลวงยาว สามารถใช้เป็นโครงสร้างทดแทนในหลายๆ บริเวณ เช่นระบบหัวใจและหลอดเลือดระบบทางเดินอาหารระบบทางเดินปัสสาวะหรือหลอดลม การประยุกต์ ใช้เซลลูโลสจากจุลินทรีย์ในปัจจุบันคือการใช้เป็นหลอดเลือด เทียม และสเตนต์เซลลูโลสยังสามารถขึ้นรูปเป็นเยื่อตาข่ายที่สามารถใช้เป็นโครงสร้างทดแทนภายใน เช่น เยื่อหุ้มสมองชั้นนอก หรือเยื่อดูรามาเตอร์ นอกจากการทดแทนแล้ว โครงสร้างเหล่านี้ยังถูกใช้เป็นวัสดุปลูกถ่ายเพื่อโต้ตอบกับวัสดุชีวภาพภายในที่มีอยู่ เซลลูโลสจากจุลินทรีย์ยังถูกนำมาใช้ใน การฟื้นฟูเนื้อเยื่อแบบมีทิศทางอีกด้วย[ 45 ] Bioprocess® และ Gengiflex® เป็นผลิตภัณฑ์เซลลูโลสจุลินทรีย์ที่มีเครื่องหมายการค้าทั่วไปบางส่วนซึ่งปัจจุบันมีการใช้งานอย่างกว้างขวางในการผ่าตัดและการปลูกถ่ายฟัน ตัวอย่างหนึ่งเกี่ยวข้องกับการฟื้นฟูเนื้อเยื่อปริทันต์โดยการแยกเซลล์เยื่อบุผิวช่องปากและเนื้อเยื่อเกี่ยวพันเหงือกออกจากพื้นผิวรากที่ได้รับการรักษา[ 1 ]
งานวิจัยปัจจุบัน/การประยุกต์ใช้ในอนาคต
หนึ่งในสาขาการวิจัยที่กำลังได้รับความสนใจอย่างมากเกี่ยวกับเซลลูโลสจากจุลินทรีย์คือด้านกระดาษอิเล็กทรอนิกส์ปัจจุบัน เซลลูโลสจากพืชถูกนำมาใช้ในการผลิตกระดาษแบบดั้งเดิมเป็นส่วนใหญ่ แต่เนื่องจากความบริสุทธิ์ต่ำ จึงต้องผสมกับสารอื่นๆ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเซลลูโลสจากจุลินทรีย์มีความบริสุทธิ์สูงกว่าและมีโครงสร้างไมโครไฟเบอร์ จึงอาจเป็นวัสดุที่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับใช้เป็นพื้นผิวของกระดาษอิเล็กทรอนิกส์ เซลลูโลสจากจุลินทรีย์สามารถขึ้นรูปเป็นแผ่นที่มีความหนาประมาณ 100 ไมโครเมตร ซึ่งมีความหนาใกล้เคียงกับกระดาษทั่วไป โดยกระบวนการสังเคราะห์แบบเปียก เซลลูโลสจากจุลินทรีย์จะสร้างพื้นผิวที่แข็งแรงพร้อมโครงสร้างไมโครไฟเบอร์ที่ช่วยให้สามารถฝังสารเจือปนลง ไป ได้ โดยการใช้สารละลายกับกระดาษเซลลูโลสจากจุลินทรีย์ สารเจือปนนำไฟฟ้าและสีย้อม อิเล็ก โทรโครมิก สามารถถูกฝังลงในโครงสร้างไมโครไฟเบอร์ได้ สีย้อมแบบสองสถานะจะเปลี่ยนจากใสเป็นมืดเมื่อใช้แรงดันไฟฟ้า ที่เหมาะสม ซึ่งเมื่อนำไปจัดเรียงในโครงสร้างพิกเซล จะทำให้สามารถสร้างภาพได้ เทคโนโลยีนี้ยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัยและยังไม่ได้ขยายขนาดไปสู่ระดับการผลิตเชิงพาณิชย์ มีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อนำเซลลูโลสจากแบคทีเรียมาใช้เป็นสารตั้งต้นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีศักยภาพในการใช้งานเป็นแท็บเล็ตอีบุ๊ก หนังสือพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์ วอลเปเปอร์แบบไดนามิก แผนที่ที่เขียนซ้ำได้ และเครื่องมือการเรียนรู้[ 47 ]ตัวอย่างที่เป็นไปได้อีกประการหนึ่งของการใช้เซลลูโลสจากแบคทีเรียในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ ได้แก่ การผลิตไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์ (OLED) [ 35 ]
ความท้าทาย/ข้อจำกัด
เนื่องจากกระบวนการผลิตที่ไม่มีประสิทธิภาพ ราคาปัจจุบันของเซลลูโลสจากแบคทีเรียจึงยังคงสูงเกินไปจนทำให้ไม่น่าสนใจในเชิงพาณิชย์และไม่สามารถดำเนินการได้ในวงกว้าง[ 35 ]วิธีการผลิตแบบดั้งเดิมไม่สามารถผลิตเซลลูโลสจากจุลินทรีย์ในปริมาณเชิงพาณิชย์ได้ ดังนั้นจึงต้องมีการพัฒนาเพิ่มเติมในการผลิตโดยใช้เครื่องปฏิกรณ์เพื่อให้สามารถวางจำหน่ายผลิตภัณฑ์เซลลูโลสจากจุลินทรีย์ได้หลากหลายชนิด[ 29 ]