通过厌氧合成利用茶渣制备的细菌纤维素/茶多酚薄膜：一种用于食品活性保鲜的可持续材料

《Food Packaging and Shelf Life》：Bacterial cellulose/tea polyphenol films from tea waste via anaerobic synthesis: A sustainable material for active food preservation

本研究利用茶渣（TW）提取的茶多酚和葡萄糖对Kosakonia oryzendophytica FY-07进行厌氧发酵制备细菌纤维素（BC），成功开发出具有持续抗菌释放特性的TW-BC材料。该材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表现出强抑制活性，同时具备优异的阻氧、阻湿和紫外线阻隔性能，且溶血率极低。通过"从食物到食物"的循环策略，实现了茶渣高值化利用，为开发可持续食品包装材料提供新途径。

　　

高歌|郑浩龙|牛少芳|王毅|赵学青|史玉成|孙丽媛|李明昌|李国强|马婷

中国天津南开大学生命科学学院，教育部分子微生物学与技术重点实验室

摘要

细菌纤维素（BC）是一种安全的生物聚合物，非常适合用于食品包装，但缺乏活性包装所需的抗菌性能。茶叶废弃物是茶多酚（TPs）的丰富来源，而茶多酚具有强大的抗菌作用。然而，茶多酚的氧化依赖性活性对产生BC的好氧微生物具有毒性，这阻碍了其直接的原位合成。在这项研究中，我们处理了茶叶废弃物，以获得茶多酚提取物和葡萄糖，用于BC的原位改性。利用Kosakonia oryzendophytica FY-07在厌氧条件下产生BC的能力，我们在厌氧条件下进行了原位改性，从而绕过了茶多酚的抑制作用，成功制备出了改性的TW-BC。性能评估表明，TW-BC表现出持续的茶多酚释放，能够有效抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生长。此外，它还具有优异的水蒸气、氧气和紫外线阻隔性能，极低的溶血率，以及良好的保鲜和生物降解性能。这项研究验证了根据菌株特性调整生产策略以开发高附加值产品的创新可行性。此外，这种方法还可以扩展到其他微生物产品的生产和优化，为可持续功能材料的发展提供了宝贵的见解。

引言

细菌纤维素（BC）具有高纯度、高结晶度、高持水能力、三维网络结构、优异的机械强度、生物相容性和生物降解性（Ammar等人，2022年；Wang等人，2025年）。因此，它在食品、化妆品、造纸和生物医学等领域有广泛的应用。然而，BC固有的缺乏抗菌活性限制了其在食品包装中的使用（Gao等人，2023年）。此外，高昂的生产成本仍然是BC大规模工业化的主要障碍，而利用低成本碳源已成为降低生产成本的有效策略（Amorim等人，2023年）。

茶叶是全球消费量最大的三种饮料之一，预计到2025年的消费量将达到750万吨（Y?lmaz等人，2022年；Talib Hamzah等人，2022年）。在茶叶饮料的工业生产过程中，通常使用热水或蒸汽来提取茶叶精华，留下大约90%的固体废弃物（Khayum等人，2018年）。同样，家庭泡茶也会产生大量的固体废弃物（Hussain等人，2018年）。处理这些茶叶废弃物需要大量资源，并对环境构成日益严重的挑战。特别是中国，作为茶叶的发源地和世界上最大的生产和消费国，迫切需要有效的和可持续的茶叶废弃物（TW）管理策略（Negi等人，2022年）。值得注意的是，茶叶废弃物中含有大量的营养成分和功能性成分（Guo等人，2021年），通过适当的处理，可以从其中提取出有价值的活性化合物，包括茶多酚（TPs）和富含碳的物质，如葡萄糖。

不同的应用场景需要针对BC的特性进行定制化的增强。例如，如果BC用于食品包装或伤口敷料，抗菌活性将是必不可少的。然而，由于其天然特性，原始BC缺乏这种功能（Zhao等人，2024a；Zhao等人，2024b）。原位改性是一种广泛使用的策略，用于改善BC或引入新的性能。然而，许多抗菌改性剂对产生BC的菌株具有细胞毒性，显著抑制了BC的生物合成（Gao等人，2023年）。为了解决这一挑战，Liu等人（2022年）开发了一种光激活BC，仅在光照条件下才表现出抗菌活性。这种方法突显了基于改性剂抑菌机制设计活性切换系统的潜力。

多酚是茶叶的主要生物活性成分，具有广泛的生物活性。其中，儿茶素是主要亚组，表现出强大的抗菌效果；然而，它们的抗菌效果依赖于氧气（Wang等人，2020年；Akagawa等人，2003年；Li等人，2022年）。基于这种依赖氧气的机制，可以设计一种在厌氧条件下合成BC的原位改性策略，以避免发酵过程中儿茶素的抗菌作用。这种方法为TW的可持续和增值利用提供了可能。

Kosakonia oryzendophytica FY-07（以前称为Enterobacter sp. FY-07，以下简称FY-07）在好氧条件下可以合成BC，从而挑战了长期以来认为氧气对BC生产不可或缺的观点（Gao等人，2021年；Gao等人，2022年；Ma等人，2012年）。值得注意的是，FY-07是目前唯一已知能够在厌氧条件下合成BC的菌株。它能够在缺氧条件下进行浸没发酵，这一独特能力为原位改性提供了显著优势。因此，FY-07是用于规避儿茶素对产生BC的菌株的抗菌作用的理想候选菌株。

本研究旨在利用丰富的茶叶废弃物作为碳和茶多酚的来源，对BC进行原位改性。我们假设使用产生BC的FY-07进行厌氧发酵可以规避儿茶素的抑菌作用，从而合成具有天然抗菌性能的BC。性能评估表明，所得的TW-BC（茶叶废弃物-细菌纤维素）对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表现出强烈的抑制作用，茶多酚持续释放，有效阻挡紫外线和氧气，并具有优异的生物相容性。TW-BC薄膜能够保鲜新鲜草莓，并且其可生物降解性得到了证实，进一步证明了其作为抗菌食品包装材料的潜力。这项研究提出了一种“一石三鸟”的新策略，同时解决了茶叶废弃物管理的挑战，促进了高价值BC的生产，并实现了其用于食品包装的功能化——实现了“从食品到食品”的循环解决方案。这项工作为利用天然抗菌剂、推进基于BC的材料发展以及开发可持续食品包装技术提供了有希望的启示。

材料

Kosakonia oryzendophytica FY-07（Enterobacter sp. FY-07，CGMCC编号6103）（Gao等人，2022年）被用于生产BC，而Komagataeibacter sucrofermentans DSM 15973被用作对照菌株。金黄色葡萄球菌 ATCC 29213、大肠杆菌 K-12 MG1655和铜绿假单胞菌 PAO1被用于抗菌活性测试。这些菌株在含有10克/升蛋白胨、5克/升酵母提取物和10克/升NaCl（pH 7.0）的Luria-Bertani（LB）培养基中培养。

EGCG对K. sucrofermentans和FY-07产生BC的影响

茶多酚是茶叶废弃物中的主要生物活性成分，具有显著的抗菌和抗氧化性能，使其成为BC原位改性的有希望的候选物质。然而，它们的抗菌活性可能会抑制产生BC的菌株的生长和纤维素生产能力。为了评估这一潜在影响，我们比较了添加EGCG和未添加EGCG的K. sucrofermentans和FY-07在好氧和厌氧条件下的BC产生情况

结论

在这项研究中，我们从茶叶废弃物中提取了茶多酚和葡萄糖，分别作为改性和碳源，用于BC的原位改性。利用FY-07在厌氧条件下产生BC的能力，采用厌氧原位改性策略，避免了茶多酚对产生BC的菌株的抑制作用，从而得到了改性产品TW-BC。性能评估表明，TW-BC在多个方面与未改性的BC有所不同

作者贡献声明

高歌：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，项目管理，方法学，研究，资金获取，正式分析，概念化。 郑浩龙：撰写 – 审稿与编辑，可视化，验证，方法学，研究，正式分析。 牛少芳：可视化，验证，方法学，研究，正式分析。 王毅：可视化，正式分析。 赵学青：撰写 – 审稿与编辑，验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金 [32300098]、天津合成生物技术创新能力提升项目 [TSBICIP-KJGG-015-04]、中国博士后科学基金 [2023M731808]、天津市自然科学基金 [编号21JCZDJC00210] 和 广西创新驱动发展专项基金 [ Guike编号AA22117003] 的支持。作者感谢Scientific Compass（www.shiyanjia.com）在SEM分析方面的协助，以及SCI-GO（//www.sci-go.com）在数据支持方面的帮助。