细菌纤维素在文献保护中的应用

2018-11-19张铭

自然与文化遗产研究 2018年10期

张铭

（国家图书馆，北京 100034）

1 细菌纤维素的介绍与研究背景

我国是四大文明古国之一，传世的纸质文献卷帙浩繁、弥足珍贵，然而随着时间的推移，很多文献出现了发黄、变脆、破损、虫蛀等损毁现象。传统手工纸是古籍等纸质文献的主要载体，它以麻类、树皮、竹子等植物为原料，经过泡料、煮料、洗料、晒白等生产工序去除果胶、木素、半纤维素等杂质，再经抄造而成，其主要成分为纤维素，是由大量β-葡萄糖分子脱水聚合形成的直链状高分子化合物。

传统纤维素主要来自于植物，与此不同，细菌纤维素是一种由木醋杆菌等细菌发酵产生的纤维素，生产周期短、产量大，可利用广泛的原材料进行培养。细菌纤维素在分子结构上和植物纤维素一样，都是由β-葡萄糖通过β-1，4-葡萄糖苷键结合成的直链，但从性能来看，细菌纤维素具有更加优异的性质：①细菌纤维素具有高化学纯度，纤维素含量达到95%以上，而植物中棉花纤维素含量为90%左右；②细菌纤维素具有高聚合度，木醋杆菌纤维素的聚合度为16 000，而优质棉纤维聚合度在13 000～14 000之间；③细菌纤维素具有高结晶度，结晶度可达95%以上，高于天然植物纤维；④细菌纤维素具有高抗张强度和弹性模量，其聚合度可通过生物合成时进行调控，有可能实现根据实际需求生产不同聚合度的纤维素[1]。

自然界中，能够产生细菌纤维素的菌属有很多，比如醋酸菌属、土壤杆菌属、假单细胞杆菌属、葡萄糖杆菌属等，其中醋酸菌属中的木醋杆菌是最早发现能够产生细菌纤维素，同时也是目前研究最多的菌种[2]。

木醋杆菌培养过程较为简单，使用含有葡萄糖、蛋白胨、酵母粉、Na2HPO4等营养成分和pH值调节材料的培养基即可。细菌纤维素的合成是在微生物体内进行的生物合成过程，需要在葡萄糖激酶、受异构酶、寡聚纤维素合成酶、纤维素合成酶等多种酶的操作下将培养基中葡萄糖分子转化为β-1，4-D葡聚糖链，再穿过细胞外膜分泌到胞外，形成大量宽度仅为1.5 nm的亚小纤维，通过氢键结合成直径为3～6 nm的微纤维，再经过微纤维排列和交织，形成具有长分子链和结晶度的纤维丝带，纤维丝带进一步交织生成超分子空间网络结构，如图1所示[2-3]。目前，细菌纤维素的培养方法主要有两种：静态培养和动态培养。在培养过程中，通过改变培养方法或调节培养条件，即可得到性质差异的细菌纤维素。静态培养时，纤维丝带交织成网状多孔结构，在培养基的表面形成一层白色凝胶状菌膜；动态培养时，由于培养基摇晃，纤维丝带在剪切力的作用下形成的是规格不一的白色片状物[3]。

图1 细菌纤维素扫描电镜图[3]

与传统植物纤维素相比，细菌纤维素是一种性能优异的新型材料，其纤维素纯度高、聚合度可调控，适用空间大；生产周期短、产量大、生产成本低，经济前景较好；使用细菌纤维素代替植物纤维素后，可减少对于树木等植物的砍伐，有利于保护绿水青山，推动生态文明建设和可持续发展。

近年来，国内外对细菌纤维素的研究越来越多，主要集中在食品和造纸等领域。由于细菌纤维素具有很强的亲水性、黏稠性和稳定性，可作为增稠剂应用于食品。造纸行业中因存在造纸原料不足、环境污染和破坏等问题，而细菌纤维素具有优异的机械性能和可抄造性能，既可作为主要原料制成特种功能纸，也可用作添加材料改善纸张的性能[4]，但在文献保护领域中研究人员对其的关注相对较少。

2 细菌纤维素在文献保护领域的研究现状

由于细菌纤维素具有优异的机械强度和光学性能，可用于对破损纸张进行加固处理。Sara M. Santos等人对细菌纤维素进行了系统表征，并探索了其在纸张修复中的应用。他们认为细菌纤维素薄膜应用于文献保护有2种方式："原位保护，即在待修复的纸张表面直接合成细菌纤维素；#异位合成细菌纤维素，再将其应用于纸张表面，从而达到保护目的。为比较2种方式的效果，采用2种不同的方法进行细菌纤维素的培养和纯化：前者采用不含乙醇的培养基并使用热处理进行纯化；后者采用含有1%乙醇的培养基并使用碱处理进行纯化。通过老化处理，研究细菌纤维素薄膜在撕裂指数、耐破指数、光学特性、SEM、X射线衍射、FTIR、聚合度、静态和动态接触角和压汞试验等方面的变化，他们发现：细菌纤维素薄膜具有较好的结晶度、机械性能和稳定性以及较低的内孔隙率，特别是经过碱处理提纯后的上述性能更为优异，如图2所示[5]。

图2 细菌纤维素薄膜表面的扫描电镜图[5]

Nuria GÓmez等人对比使用细菌纤维素与日本和纸进行托裱后打印纸张视觉外观的变化。他们发现：使用日本和纸托裱后，打印纸张的印刷密度和CIELAB值变化较明显；细菌纤维素会降低打印纸张的颜色强度，纸张光泽度波动变大。对上述样品老化处理后，细菌纤维素托裱的纸张色差变大[6]。

Sara M. Santos等人也做了类似研究，他们发现：使用细菌纤维素膜做衬纸的样品具有更高的光泽度和B值（CIE LAB坐标中的黄蓝轴），而润湿性则明显下降[7]。他们在另一项研究中进一步将细菌纤维素用于已破损图书的修复，他们发现：细菌纤维素形成的衬纸可以达到日本和纸同样的力学性能，而且细菌纤维素衬纸可以提供更好的光学性能，对书中的文字不会形成明显遮盖，如图3所示[8]。

图3 图书的显微照片[8]

木材的主要成分也是纤维素，细菌纤维素在木质文物的保护研究对纸张文物保护有一定的参考价值。周松峦、卫扬波等人尝试使用细菌纤维素对木质文物进行修复。将待修复的木质文物置于Acetobacter sp. PDA醋杆菌培养基中，通过扫描电镜发现，随着培养时间的延长，醋杆菌产生的细菌纤维素最初呈粉粒状覆盖在木块表面，之后覆盖量变大，同时木质文物的纤维间隙变小，这表明细菌纤维素对木质文物具有一定的修复效果[9-10]。

张志惠使用细菌纤维素对档案纸张进行修复的研究，将细菌纤维素浆液均匀的刷涂在档案纸张表面，通过调节浆液浓度、打浆转数、涂布量、温度等因素，优化修复质量。他发现：涂覆细菌纤维素后纸张的撕裂度、抗张力、耐折度等机械指标均有所提升，充分证实了细菌纤维素用于文献保护的可行性[11]。

段大程进行了细菌纤维素对纸质文物加固处理的研究：将经过活化处理的细菌纤维素溶解在Licl-DMAc溶液中，然后喷涂到宣纸样品上，再经过DMAc水溶液对样品进行再生处理，在一定温度下干燥后即可完成加固过程。他发现：当细菌纤维素的浓度为1.0%时，即可明显提高纸张的拉力强度。此外，他还通过甘油对加固后纸张进行塑化处理，进一步改善了纸张的柔软性[12]。