Bionanocellulose – Properties, Acquisition And Perspectives Of Application In The Food Industry

Celuloza bakteryjna (BC), zwana również bionanocelulozą, to naturalny polimer, który ze względu na swoje wyjątkowe właściwości skupia w ostatnich latach szczególną uwagę naukowców z różnych obszarów wiedzy i techniki, a także coraz częściej zwykłych konsumentów. Szczególne właściwości tego naturalnego nanomateriału wynikają z unikalnej molekularnej budowy, którą stanowi chemicznie ultra czysty β-1,4-glukan. Struktura chemiczna jest czynnikiem determinującym główne cechy tego bionanopolimeru, takie jak wysoka higroskopijność, elastyczność oraz wytrzymałość mechaniczna, które decydują jednocześnie o szerokim komercyjnym zastosowaniu BC [43].

Celuloza bakteryjna jest produkowana przez wiele różnych drobnoustrojów, wśród których dominują bakterie z rodzaju Komagataeibacter (dawniej: Gluconacetobacter), Rhizobium, Agrobacterium oraz Sarcina. BC jest dla wytwarzających ją drobnoustrojów substancją ochronną, stanowiącą jednocześnie element tzw. biofilmu, który tworzy osłonę przed oddziaływaniem niekorzystnych czynników zewnętrznych. BC chroni komórki bakteryjne m.in. przed działaniem antybiotyków oraz przed kontaktem z komórkowymi składnikami systemu odporności przeciwbakteryjnej organizmu, takimi jak fagocyty (neutrofile, monocyty i makrofagi) [3, 66]. Z tego powodu niektóre drobnoustroje wykształciły skomplikowany mechanizm służący produkcji nanobiomateriału celulozowego. Produkcja BC jest realizowana przez kompleks enzymatyczny – syntazę celulozową, która, zależnie od gatunku i warunków hodowli, wytwarza celulozę o odmiennych właściwościach fizykochemicznych [58].

Różne postacie fizyczne BC (wytworzone zarówno w wyniku hodowli powierzchniowej, jak i wgłębnej) ze względu na swoje cenne właściwości znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Opracowano również metody syntezy modyfikowanej BC (np. solami chitozanu), która poprzez nadane cechy bakteriostatyczności ma zdolność hamowania wzrostu niektórych gatunków bakterii. Zrealizowane dotychczas badania nad BC dotyczą zarówno poznania molekularnych mechanizmów jej biosyntezy, jak również optymalizacji tego procesu w skali laboratoryjnej i przemysłowej. Prowadzone są również badania nad wykorzystaniem do masowej produkcji nowych, niestosowanych dotychczas gatunków drobnoustrojów oraz nad opracowaniem najbardziej efektywnych i opłacalnych ekonomicznie technologii produkcji BC. Podejmuje się również intensywne wysiłki nad poszukiwaniem nowych podłoży do produkcji BC, m.in. poprzez wykorzystanie surowców odpadowych.

Celem niniejszej pracy jest przedstawienie aktualnych doniesień na temat właściwości, metod produkcji oraz praktycznego zastosowania BC w różnych gałęziach przemysłu spożywczego.

Pod względem struktury chemicznej BC jest liniowym polimerem glukanowym, w którym poszczególne cząsteczki (opisane wzorem (C₆H₁₀O₅)n) połączone są wiązaniem β-1,4 (β-1 → 4) [77]. Tworzenie BC rozpoczyna się wewnątrz komórki bakteryjnej, gdzie ma miejsce proces łączenia wielu cząsteczek glukozy w łańcuchy zawierające od 1 500 do ponad 20 000 reszt połączonych wiązaniem β-1,4 (β-1→ 4). Powstałe pojedyncze łańcuchy glukozowe są następnie usuwane na zewnątrz komórki poprzez pory obecne w otoczce i ścianie komórkowej. Na zewnątrz komórki, łańcuchy glukozy formowane są w mikrofibryle, czyli zespoły łańcuchów celulozowych, które następnie agregują w większe struktury tworząc tzw. wstążki celulozowe [24]. Z kolei „wstążki” BC budują uporządkowaną strukturę sieciową z pustymi przestrzeniami pomiędzy poszczególnymi wstążkami. Prawidłowo uformowane „wstążki” BC tworzą strukturę w postaci rozległej i wysoce porowatej matrycy [22]. Matryca ta jest dodatkowo stabilizowana poprzez wiązania wodorowe formujące się pomiędzy pojedynczymi łańcuchami glukozowymi [35]. Powstała w ten sposób włóknista sieć BC przyjmuje w końcowym efekcie postać wielowarstwowej cienkiej hydrożelowej powłoki o znacznej powierzchni właściwej i dużej porowatości [22].

Wykazano, że poszczególne włókienka budujące BC są około 100 razy cieńsze niż włókienka celulozy roślinnej, produkowanej przez rośliny wyższe [24]. Ponadto, w przeciwieństwie do nieprzetworzonej celulozy roślinnej, BC pod względem chemicznym jest ultraczystym materiałem, który nie posiada powiązań z ligniną czy hemicelulozami [98]. Kolejną cechą BC jest jej wysoki stopień krystaliczności (wynoszący ponad 60%) oraz odmienny, zawierający się w szerszym zakresie, stopień polimeryzacji łańcuchowej. Dla BC wynosi on od 16 000 do 20 000 cząsteczek, podczas gdy przeciętny stopień polimeryzacji celulozy roślinnej waha się od 13 000 do 14 000 cząsteczek glukozy w jednostce polimeru [7].

Potwierdzono również, że stopień polimeryzacji BC jest w dużym stopniu zależny od odczynu środowiska hodowlanego, w jakim następuje namnażanie drobnoustrojów i jej synteza. Wykazano, że bakterie podczas hodowli przy pH 4 produkują BC o stopniu polimeryzacji w zakresie od 14 000 do 16 000, natomiast przy pH 5 następuje produkcja BC zawierającej od 11 000 do 16 800 jednostek glukozy na cząsteczkę polimeru [77, 80]. Powyższa obserwacja ma istotne znaczenie dla procesu wytwarzania BC o określonych właściwościach wytrzymałościowych. Potwierdzono, że wytrzymałość mechaniczna powłoki BC wzrasta wraz z obniżeniem odczynu (wytworzona w środowisku o pH 4 jest istotnie wyższa aniżeli BC wytworzona w środowisku o pH 5) [91]. Większa wytrzymałość mechaniczna wytworzonej przez bakterie BC związana jest z obniżoną aktywnością w zakresie pH 4–4,5 bakteryjnych enzymów hydrolitycznych (takich jak celulazy), które zmniejszają stopień polimeryzacji BC poprzez jej rozkład na celobiozę (dimer glukozy) i celotriozę (3-glukozową celulodekstrynę), a następnie na pojedyncze cząsteczki glukozy [91].

Do syntezy celulozy przez drobnoustroje dochodzi przy udziale złożonego kompleksu enzymatycznego w postaci syntazy celulozy i polega na łączeniu ze sobą cząsteczek glukozy w jeden długi łańcuch [59, 77]. Zintegrowana z błoną komórek bakteryjnych syntaza celulozy to kompleks enzymatyczny dwóch wewnątrzkomórkowych białek – BcsA i BcsB, oraz białka BcsC, które stanowi zewnętrzny składnik błonowy. Białko BcsA wraz z peryplazmatyczną, zakotwiczoną w błonie podjednostką BcsB tworzą kompleks, który jest odpowiedzialny za bezpośredni proces syntezy BC. Natomiast BcsC, jako białko błony zewnętrznej, odpowiada bezpośrednio za proces translokacji nowo wytworzonej cząsteczki BC. Dowiedziono, że białko BcsA wytwarza w pobliżu miejsca syntezy aktywny kanał transportu w błonie komórkowej, umożliwiając w ten sposób translokację nowopowstałej BC przez białko BcsC na zewnątrz komórki [65, 67, 79].

Sugeruje się, że C-końcowa część BcsC tworzy kanał, przez który następuje translokacja BC przez błonę zewnętrzną. Natomiast pozostała pozostała cześć kompleksu enzymatycznego oddziałuje prawdopodobnie z cytoplazmatycznymi czynnikami aktywującymi syntezę celulozy, takimi jak cykliczny diguanozyno-5’-monofosforan (c-di-GMP) czy jony Mg²⁺ [21, 59, 65]. Powstała BC jest transportowana na zewnątrz komórki bakteryjnej poprzez pory powstające w zewnętrznej otoczce i ścianie komórkowej [66, 80].

Unikalny wśród bakterii proces syntezy i formowania BC spełnia u tych drobnoustrojów dwie zasadnicze funkcje – chroni przed wpływem niektórych czynników środowiskowych, takich jak oddziaływanie niekorzystnych temperatur czy promieniowania UV, a także chroni komórki bakteryjne przed nadmierną utratą wody. Ponadto BC spełnia rolę swoistego pływaka (maty), który utrzymuje wytwarzające ją drobnoustroje na granicy faz powietrze–woda i tym samym ułatwia komórkom drobnoustrojów pobieranie tlenu z powietrza atmosferycznego [13]

Najdokładniej opisanymi drobnoustrojami wytwarzającymi celulozę to szeroko rozpowszechnione w przyrodzie bakterie z rodzaju Komagataeibacter (określanym dawniej terminem Gluconacetobacter lub Acetobacter). Bakterie z rodzaju Komagataeibacter są powszechnie izolowane z kwiatów, owoców oraz liści licznych gatunków uprawnych i dziko rosnących roślin. Z tego powodu, że do swojego rozwoju preferują podłoża zawierające określone stężenia alkoholu etylowego, bakterie Komagataeibacter naturalnie występują w alkoholowych napojach fermentowanych, takich jak piwo, wino czy też cydr [61].

Do syntezy BC zdolne są również bakterie z rodzaju Agrobacterium (np. Agrobacterium tumefaciens), czyli wolno żyjące, fitopatogeniczne bakterie glebowe, które są przyczyną powszechnych zakażeń roślin (m.in. powstawania tzw. tumorowatych narośli na szyjce korzeniowej) [57]. Wytwarzane przez A. tumefaciens fibryle BC ułatwiają zasiedlanie powierzchni roślin poprzez bezpośredni kontakt bakterii z komórkami epidermy gospodarza. Wykazano, że włókienka bionanocelulozy biorą udział w formowaniu skupisk bakterii A. tumefaciens, umożliwiając w ten sposób znacznej liczbie komórek bakteryjnych na bezpośrednie oddziaływanie z tkankami organizmu gospodarza [26]. Z tego względu BC przypisuje się istotną rolę w formowaniu interakcji pomiędzy bakteriami patogennymi a komórkami gospodarza.

Przykładem podobnej interakcji z udziałem BC jest symbiotyczne oddziaływanie niepatogenicznych gatunków bakterii brodawkowych z rodzaju Agrobacterium (np. Rhizobium rhizogenes zaliczany do rodziny Rhizobiaceae) z roślinami motylkowatymi [88, 96]. Potwierdzono, że zdolność bakterii z rodzaju Rhizobium do biosyntezy BC odgrywa kluczową rolę w tworzeniu matrycy polisacharydowej biofilmu, która umożliwia trwałą adhezję bakterii do ścian komórek epidermy korzeni roślin motylkowatych [75]. Zdolność do syntezy BC przez bakterie z rodzaju Rhizobium, umożliwia wytworzenie odpowiednich warunków do przebiegu takich procesów, jak wiązanie azotu cząsteczkowego z powietrza, nitryfikacja i denitryfikacja [74]. W oparciu o opisany model oddziaływania, BC można uznać zatem za element pośredniczący w obiegu pierwiastków w przyrodzie [1, 26, 75].

Kolejną grupą drobnoustrojów produkujących BC są bakterie z rodzaju Enterobacter (zwanych również Aerobacter). Większość z tych drobnoustrojów to wszechobecne w przyrodzie (np. w naturalnych zbiornikach wodnych), Gram-ujemne niechorobotwórcze bakterie, które występują w dużych ilościach m.in. w jelicie grubym oraz rzadziej na skórze i w ustnej części gardła człowieka. Wiele szczepów Enterobacter to bakterie oportunistyczne, zakażające organizmy z obniżonym funkcjonowaniem układu immunologicznego [33, 38, 40]. Wykazano, że bakterie z rodzaju Enterobacter (np. Enterobacter sp. FY-07), w przeciwieństwie do bakterii z rodzaju Komagataeibacter, są zdolne do syntezy BC zarówno w warunkach tlenowych i beztlenowych. Jednakże do syntezy BC w warunkach beztlenowych wykorzystywana jest tylko niewielka ilość glukozy obecnej w podłożu, natomiast jej znaczna część jest metabolizowana poprzez szlak glikolityczny i metabolizm pirogronianu. Prowadzi to w konsekwencji do wytwarzania kwasu mrówkowego, octowego oraz acetoiny i tym samym niekorzystnego zakwaszenia środowiska hodowlanego [38, 56].

Do drobnoustrojów, u których również potwierdzono zdolność produkcji BC, należą niektóre szczepy bakterii z rodzaju Achromobacter (np. Achromobacter xylosoxidans, inaczej określany jako Alcaligenes xylosoxidans). Achromobacter to tlenowe, Gram-ujemne, oksydazo- i katalazo-dodatnie pałeczki, które zwykle zasiedlają wilgotne miejsca na ciele człowieka, takie jak fałdy pachowe, pachwiny, jama nosowa, przewody nosowe oraz zatoki przynosowe. Bakterie te mogą powodować u człowieka miejscowe i ogólnoustrojowe infekcje, szczególnie u osób z niedoborem odporności. Ponieważ bakterie Achromobacter opatrzone są pertrykularną wicią, wykazują zdolność do aktywnego poruszania się w płynnym lub półpłynnym środowisku hodowlanym [68]. Występowanie bakterii Achromobacter potwierdzono w zbiornikach wód śródlądowych i morskich oraz w glebie. Liczne gatunki z rodzaju Achromobacter powszechnie izoluje się z powierzchni owoców i warzyw, jak również od zwierząt (np. owadów, gryzoni i ptaków) [23]. Określone gatunki bakterii należące do rodzaju Achromobacter (np. Achromobacter sp. M15) są również izolowane z gleby, gdzie wraz z innymi drobnoustrojami stanowią ważny element edafonu [23].

Cechą charakterystyczną bakterii z rodzaju Achromobacter jest zdolność do produkcji BC w szerokim spektrum temperaturowym hodowli, wynoszącym od 25 do 45°C. Zaobserwowano, że BC wytworzona przez szczep bakterii Achromobacter sp. M15 na melasowym podłożu hodowanym charakteryzuje się wysokim stopniem krystaliczności polimeru (> 70%) oraz dużą wytrzymałością mechaniczną. Cechy te są efektem silnej adhezji pomiędzy poszczególnymi włóknami BC, co przyczynia się do powstawania struktury nanokrystalicznych agregatów celulozy. Ponadto, dokonano obserwacji, że BC wytwarzana przez szczep Acromobacter sp. M15 charakteryzuje się dużą jednorodnością i wysoką czystością, podobną do tej uzyskiwanej z hodowli K. xylinus [23].

Wśród drobnoustrojów mających zdolność syntezy BC są również bakterie z rodzaju Sarcina. Te, należące do rodziny Clostridiaceae, Gram-dodatnie bakterie występują naturalnie na powierzchni ziaren zbóż, w glebie, a także w żołądku niektórych ssaków, jak królik, kawia domowa oraz człowiek [17, 72]. Zaobserwowano, że BC wytwarzana przez bakterie z rodzaju Sarcina (np. Sarcina ventriculi) jest gromadzona na zewnątrz komórki i jednocześnie pozostaje ściśle związana z jej ścianą komórkową. Tym samym BC spełnia u bakterii z tego rodzaju szczególną rolę związaną z tworzeniem ścisłych i trwałych egzopolisacharydowych powiązań pomiędzy komórkami formującymi pakiety. Formowanie pakietów przez Sarcina z wykorzystaniem BC jest prawdopodobnie związane z ochroną tych bakterii przed takimi substancjami, jak antybiotyki czy dezynfektanty [63].

Spośród bakterii mogących syntetyzować BC wskazuje się również rodzaj Salmonella (np. Salmonella enterica). Salmonella to bakterie pochodzące z rodziny Enterobacteriaceae, obejmujące Gram-ujemne, względnie beztlenowe pałeczki. Bakterie z gatunku S. enterica mają zdolność do wnikania i namnażania się we wnętrzu ludzkich komórek, co stanowi główny powód trudności w leczeniu schorzeń wywołanych tymi drobnoustrojami (np. bakteriemia, dur brzuszny i zapalenie jelit) [103].

Inwazja bakterii Salmonella (np. serotyp Typhimurium) do komórek nabłonka jelitowego jest możliwa dzięki syntezie przez te bakterie czynnika wirulencji – specyficznego białka TTSS-1. Wykazano, że główną funkcją TTSS-1 jest translokacja białek efektorowych z komórek bakterii Salmonella do cytozolu komórki gospodarza [46]. Badania również sugerują, że produkcja BC oraz innych egzopolisacharydów, jak kwas kolanowy (czyli polianionowy heteropolisacharyd, zawierający powtarzające się jednostki cukrowe: D-glukozy, kwasu D-glukuronowego, D-galaktozy oraz L-fukozy) przez S. typhimurium może być istotnym elementem wspomagającym mechanizm inwazji przez te bakterie. Prawdopodobnie oba te zjawiska są kluczowym elementem niezbędnym do wytworzenia relacji symbiotycznych S. enterica z roślinami wyższymi [16]. W przypadku S. typhimurium produkcja BC może stanowić dla tych bakterii istotny czynnik biotyczny, które warunkuje odpowiednie współdziałanie pomiędzy organizmami tworzącymi układy symbiotyczne i zapewnia przeżycie lub większą ekspansję w środowisku. W przypadku bakterii z rodzaju Salmonella, istnieją przesłanki sugerujące, że BC determinuje bezpośrednią fizyczną interakcję z niektórymi pleśniami (np. Aspergillus niger), będącymi powszechnym kolonizatorem gleby i znajdujących się w niej roślin. Dzięki egzopolisacharydom, bakterie z rodzaju Salmonella tworzą wielogatunkowe konsorcja z innymi drobnoustrojami, w których każdy gatunek pełni odrębną, ale jednocześnie istotną rolę w funkcjonowaniu ekosystemów mikrobiologicznych [9, 69].

Innym gatunkiem bakterii z rodziny Enterobacteriaceae zdolnym do wytwarzania BC jest Escherichia coli, dla której czynnik ten stanowi istotny składnik macierzy powierzchniowej (pozakomórkowej). Dla tego gatunku bakterii synteza BC jest elementem, który umożliwia skuteczną kolonizację zasiedlanego środowiska (np. ustroju) [64]. Wykazano, że dla probiotycznego szczepu E. coli o nazwie Nissle 1917 wytwarzanie BC jest niezbędne do adhezji do komórek nabłonka żołądkowo-jelitowego, czego efektem jest zmniejszona produkcja cytokin odpowiadających za rozwój stanów zapalnych [64].

Przytoczone przykłady wskazują, że biosynteza BC jest procesem umożliwiającym bakteriom zarówno zasiedlanie konkretnego środowiska, jak i efektywną adaptację podczas oddziaływań symbiotycznych lub pasożytniczych. Dlatego proces biosyntezy BC odgrywa istotną rolę zarówno w przypadku symbiontów wiążących azot (np. Rhizobium leguminosarum), bakterii glebowych (np. Burkholderia spp. i Pseudomonas putida), jak również bakteryjnych patogenów roślin (np. Dickeya dadantii, Erwinia chrysanthemi i Agrobacterium tumefaciens) [36, 78].

Proces syntezy BC wydaje się również kluczowy w rozwoju zjadliwości (wirulencji) ważnych patogenów ludzkich, jak niektóre szczepy E. coli i S. enterica, dla których celuloza i jej pochodne stanowią istotny składnik macierzy zewnątrzkomórkowej oraz tzw. biofilmu [32, 87, 97].

Początkowo do uzyskania BC jako produktu biosyntezy przeprowadzanej przez K. xylinus wykorzystywano specjalnie opracowane dla tego typu drobnoustrojów płynne podłoże Hestrin-Schramm’a (podłoże H-S), zawierające takie składniki, jak glukoza, pepton, ekstrakt drożdżowy, di-sodu wodorofosforan oraz kwas cytrynowy. Obecne w podłożu H-S glukoza i kwas cytrynowy stanowią główne źródła węgla zarówno do wzrostu komórek Komagataeibacter, jak i tworzenia BC [62]. W celu ograniczenia wykorzystania kosztownego w przygotowaniu podłoża H-S, od wielu lat poszukuje się rozwiązań mających na celu obniżenie kosztów związanych z produkcją BC.

Wydajność i opłacalność produkcji oraz właściwości BC uzależnione są nie tylko od rodzaju bakterii i typu zastosowanego podłoża, ale również od metody hodowli drobnoustrojów. Warunki hodowli drobnoustrojów mają również wpływ na postać morfologiczną oraz właściwości fizyczne powstającej BC, jak np. wytrzymałość na rozciąganie czy zdolność do absorpcji wody.

Celuloza bakteryjna jest naturalnym materiałem, który ze względu na unikatowe właściwości oraz możliwość otrzymywania przy wykorzystaniu nieskomplikowanych technik syntezy mikrobiologicznej, znajduje coraz szersze zastosowanie w wielu sektorach przemysłu spożywczego. Początek zastosowania BC w przemyśle spożywczym jest związany z pojawieniem się na początku lat 90. (początkowo na rynku japońskim i filipińskim) produktów żywnościowych z dodatkiem nata de coco, czyli tzw. „galaretki kokosowej” lub „żelu kokosowego”. W pierwszym okresie istnienia na rynku, żywność z dodatkiem nata de coco była oferowana konsumentom w postaci napojów i deserów, które pełniły rolę produktów dietetycznych, stanowiących źródło błonnika pokarmowego. Dodatkowym elementem żywności z rodzaju nata de coco, który zadecydował o jej atrakcyjności wizualnej, jest charakterystyczna dla produktów wysokobłonnikowych żelowa konsystencja tworząca się po kontakcie błonnika nierozpuszczalnego z wodą [19].

Najczęstszym substratem hodowlanym do mikrobiologicznej produkcji BC, wykorzystywanej w produktach nata de coco, jest woda kokosowa pozyskiwana z niedojrzałych orzechów kokosowych [2]. Woda kokosowa to mało stężony płyn, który pozyskuje się z młodych, jeszcze zielonych, nie w pełni dojrzałych owoców palmy kokosowej (Cocos nucifera L.) [2]. Istotną cechą wody kokosowej jest duża zmienność jej składu chemicznego i wartości odżywczych, które uzależnione są od stopnia dojrzałości owocu kokosa. Dlatego, aby zoptymalizować efekty produkcji BC z wykorzystaniem wody kokosowej, bierze się pod uwagę jej potencjalne różnice w zawartości składników mineralnych oraz substancji organicznych będących źródłem węgla. Obecność w wodzie kokosowej glukozy, która stanowi źródło węgla dla bakterii (np. K. xylinus) oraz sodu, wpływa na właściwą osmolarność podłoża wykorzystywanego do produkcji BC [37]. Szczególnie istotną ze względów technologicznych właściwością wody kokosowej jest jej naturalna czystość mikrobiologiczna. Wysoka sterylność wody kokosowej jest efektem jej przepływu przez system długich i rozbudowanych kapilar przewodzących wodę, który w pniu palmy kokosowej w komórkach ksylemu osiąga od 30 do 40 m długości [49]. Potwierdzono, że podczas przemieszczania wody od korzeni po koronę palmy kokosowej, podlega ona wielokrotnej filtracji i oczyszczaniu, dzięki czemu staje się sterylnie czysta, co ma szczególne znaczenie ze względu na konieczność zapewnienia bezpieczeństwa produkowanej na bazie wody kokosowej żywności. Tym samym przezroczysty płyn wypełniający wnętrze niedojrzałych owoców kokosa (woda kokosowa) może być wykorzystany jako pożywka hodowlana niewymagająca stosowania wysokotemperaturowej sterylizacji. Natomiast obecna w wodzie kokosowej glukoza w ilości nie przekraczającej 1–2% powoduje, że stanowi ona pożywkę mikrobiologiczną o optymalnych właściwościach biochemicznych dla rozwoju drobnoustrojów produkujących BC [20].

Proces syntezy BC z wykorzystaniem wody kokosowej (nazywany również systemem hodowli nata de coco) ma charakter tlenowy i przejawia się w formowaniu na powierzchni podłoża w trakcie 3-dniowej hodowli białawego, galaretowatego kożucha. Po oddzieleniu od płynu hodowlanego, uzyskaną błonę nanocelulozową poddaje się dokładnemu płukaniu przy użyciu wody destylowanej lub 0,9% roztworu NaCl [85]. Następnie wypłukana z resztek składników płynu hodowlanego BC poddawana jest (w celu unieszkodliwieniu drobnoustrojów) krótkotrwałej obróbce cieplnej, najczęściej wysokotemperaturowej pasteryzacji. W celu nadania odpowiedniej postaci konsumpcyjnej, skład produktów nata de coco jest uzupełniany odpowiednim rodzajem cukru, najczęściej sacharozą lub fruktozą. Przygotowane w powyższy sposób deserowe produkty spożywcze, jak np. puddingi, są dodatkowo wzbogacane kawałkami owoców (np. mango, liczi, pomarańczy, truskawki, melona i in.) lub ekstraktami owocowymi [10, 39].

Celulozę bakteryjną w postaci dodatku do żywności (kostek nata de coco) coraz częściej wykorzystuje się jako czynnik stabilizujący i poprawiający właściwości półpłynnych produktów żywnościowych. Wykazano, że BC wiąże we wnętrzu swojej struktury wodę i tym samym tworzy galaretowaty, lepki i żelowy materiał, który jest łatwy do dzielenia, np. w trakcie formowania kęsów. Dlatego BC o odpowiednio przygotowanej galaretowato włóknistej konsystencji może być surowcem wykorzystywanym do przygotowywania niskokalorycznych, atrakcyjnych sensorycznie produktów spożywczych, jak sałatki oraz desery [22].

Jednym z wielu zastosowań BC w tym obszarze jest stabilizacja układów heterogenicznych żywności, jakimi są emulsje typu olej w wodzie. Wykazano, że BC może być wykorzystywana jako stabilizator wytwarzając tzw. emulsję Pickeringa. Udowodniono, że BC dodana do żywności, obniża napięcie międzyfazowe między niemieszającymi się fazami układu dwufazowego (ciecz niepolarna – ciecz polarna). Jest to możliwe dzięki tzw. oleożelom (organożelom), czyli strukturom powstałym w wyniku ustabilizowania oleju w sieci wytworzonej przez medium żelujące, które charakteryzuje się lepką i sprężystą konsystencją [107]. Wykazano, że do powstania emulsji olejowo-wodnych w środowisku hydrofilowym konieczna jest obecność substancji żelujących, jak np. etyloceluloza czy też hydroksypropylometyloceluloza [18]. Najprawdopodobniej podobną funkcję spełnia również BC, która poprzez proces włączania cząsteczek oleju do wodnej zawiesiny celulozowego polisacharydu prowadzi do powstania emulsji typu olej w wodzie. Na tej podstawie istnieją możliwości wykorzystania BC jako preparatu stabilizującego emulsje wodno-olejowe w strukturze żywności [56]. Dzięki tej właściwości BC dodawana do produktów może pełnić rolę naturalnych i bezpiecznych dla konsumentów emulgatorów. W przypadku takich produktów jak surimi (czyli żywności powstałej na bazie rozdrobnionego i zmielonego mięsa ryb), obecność BC staje się elementem stabilizującym mieszaninę oleju, octu i nawodnionego proszku jajecznego [52].

Ciekawym rozwiązaniem, wykorzystywanym przez producentów wyrobów spożywczych, jest stosowanie w produkcji żywności deserowej i dietetycznej preparatów zawierających sproszkowaną BC. Tego rodzaju preparaty wykorzystywane są jako środek wypełniający, zagęszczający, teksturujący oraz redukujący ilość kalorii w żywności [60].

Celuloza bakteryjna może być również wykorzystywana w przemyśle spożywczym w charakterze substancji przedłużającej trwałość żywności. Substancją wykorzystywaną w tym celu jest pochodna celulozy w postaci karboksymetylocelulozy lub soli sodowej karboksymetylocelulozy. Karboksymetyloceluloza otrzymywana z nata de coco, określana jako karboksymetylo-nata, najczęściej jest przygotowywana w procesie eteryfikacji kwasem monochlorooctowym oraz późniejszej merceryzacji ługiem sodowym. Jedną z praktyk mającą na celu przedłużenie trwałości owoców po ich zbiorze jest pokrywanie ich powierzchni warstwą karboksymetylocelulozy. Badania wykazały, że powlekanie owoców papryki warstwą karboksymetylocelulozy, pozwala skutecznie ograniczyć utratę jędrności oraz wody z wnętrza tych owoców, nawet w sytuacji, gdy są one przechowywane w temperaturze 25°C przez 30 dni. Wyniki badań wskazują również, że powłoki z karboksymetylocelulozy pomagają zmniejszać szybkość dojrzewania owoców, np. papryki. Tym samym stosowanie tego polimeru może być skuteczną metodą opóźniania dojrzewania owoców. To działanie ma szczególne znaczenie w zachowaniu jakości surowców roślinnych podczas działań transportowych [81]. Podobny eksperyment z wykorzystaniem metylocelulozy potwierdził, że niejonowe etery BC zwiększają trwałość i świeżość kurzych jaj. Wykazano, że kurze jaja tuż po zbiorze, które były pokryte warstwą metylocelulozy i przechowywane w temperaturze poniżej 18°C, dłużej zachowywały świeżość aniżeli jaja kontrolne (niepokryte warstwą metylocelulozy). Zastosowana warstwa metylocelulozy pozwoliła zachować kurzym jajom świeżość powyżej 28 dni po zniesieniu [89].

Pochodne chemiczne BC mogą poprawiać właściwości reologiczne produktów żywnościowych. Pozyskana z BC hydroksypropylometyloceluloza (zwana również hypromelozą) może być stosowana do sporządzania mieszanek piekarniczych. Dzięki tej substancji (oznaczanej symbolem E 464), wypiekane pieczywo nie kruszy się i zachowuje wymaganą wilgotność. Dodatek hydroksypropylometylocelulozy do mąki bezglutenowej pozwala uzyskać w procesie wypieku pieczywo, które charakteryzuje się odpowiednią spoistością i elastycznością, których to brak jest dużą uciążliwością w procesie produkcji wypieków pozbawionych glutenu. Ze względu na opisane właściwości hydroksypropylometyloceluloza jest często stosowana również przy produkcji sosów, zup instant, deserów mlecznych oraz jogurtów. Wykorzystuje się ją również przy produkcji suplementów diety jako zamiennik żelatyny podczas wytwarzania zarówno twardych jak i miękkich kapsułek dla takich substancji, jak witaminy czy sole mineralne [105].

Ponadto zaobserwowano, że produkty spożywcze wzbogacone o inną pochodną BC – karboksymetylocelulozę, charakteryzują się korzystniejszymi właściwościami reologicznymi i teksturalnymi względem tradycyjnych produktów spożywczych. Karboksymetyloceluloza otrzymywana jest w wyniku katalizowanej alkalicznie reakcji oczyszczonej BC z kwasem monochlorooctowym. Obecnie w przemyśle spożywczym najpowszechniej stosowana jest sól sodowa karboksymetylocelulozy, którą otrzymuje się poprzez działanie chlorooctanu sodu na BC. Dzięki dodatkowi karboksymetylocelulozy niektóre produkty, jak np. wyroby cukiernicze i ciastkarskie, charakteryzują się sprężystą teksturą przypominającą teksturę niektórych owoców, jak np. winogron [14].

Obecnie podejmowane są również próby wytwarzania z BC opakowań dla produktów żywnościowych. Opakowania powstałe na bazie surowców biologicznych, jakim jest BC, stają się ogromną nadzieją dla przemysłu opakowaniowego ze względu na niskie koszty wytworzenia oraz ich niewielkie oddziaływanie na środowisko przyrodnicze. Z tego względu, że opakowania z BC są w pełni biodegradowalne, rozwiązania te stwarzają szansę na ich upowszechnienie i masowe wykorzystanie w przemyśle i gospodarstwie domowym [3, 85, 86]. Wykazano, że z kolei proces oksydacji (w którym następuje utlenienie grup hydroksylowych celulozy do grup aldehydowych, ketonowych lub karboksylowych) powoduje, że BC uzyskuje właściwości przeciwdrobnoustrojowe. Z tego powodu oksydowana BC może być potencjalnym składnikiem opakowań, które mają na celu przedłużenie trwałości mikrobiologicznej opakowywanego produktu spożywczego [90] (Tab. II).

Możliwości zastosowania na szeroką skalę BC w przemyśle spożywczym są silnie uzależnione od skuteczności metod wytwarzania czystego i sterylnego materiału o odpowiednich właściwościach reologicznych. Właściwości te są z kolei silnie uzależnione od metody zastosowanej do produkcji BC. Hodowle wstrząsane prowadzone w inkubatorach wytrząsarkowych umożliwiają syntezę silnie rozgałęzionej, trójwymiarowej BC, o siatkowej strukturze, podczas gdy hodowle statyczne umożliwiają wytwarzanie płaskiej błony celulozowej o znacząco mniejszej ilości wewnętrznych rozgałęzień [48, 51]. Z kolei zastosowanie do produkcji BC bioreaktora (fermentora) i tym samym odpowiednich warunków tlenowych umożliwia osiągnięcie dużej szybkości i wydajności produkcji. Zastosowanie do produkcji bioreaktora umożliwia ponadto wytworzenie przez K. xylinus polimeru celulozowego, który zbudowany jest z komponentów włóknistych o różnorodnej średnicy i strukturze przestrzennej [48]. Pożądane właściwości fizykochemiczne BC można uzyskać poprzez zmianę cech zastosowanych bioreaktorów, takich jak kształt naczynia bioreaktorowego (naczynia hodowlanego) i mieszadła wirnikowego. Zaletą bioreaktorów zbiornikowych wyposażonych w system mieszadeł mechanicznych jest możliwość uzyskania podłoża hodowlanego o wysokim stopniu jednorodności. Jednym z głównych ograniczeń w przemysłowym zastosowaniu bioreaktorów do produkcji BC jest wysoki koszt instalacji oraz trudności w usuwaniu z nich produktów ubocznych metabolizmu komórkowego K. xylinus [48, 51].

Celuloza bakteryjna (bionanoceluloza) to unikalny materiał o szczególnych właściwościach, które sprawiają, że surowiec ten znajduje coraz więcej praktycznych zastosowań w różnych gałęziach przemysłu, w tym w przemyśle spożywczym. Niektóre rodzaje drobnoustrojów, jak np. bakterie kwasu octowego, mogą stanowić (w odniesieniu do roślin wyższych) alternatywne źródło celulozy, która wytwarzana jest w procesie tlenowej biosyntezy prowadzonej w warunkach statycznych, wstrząsanych, jak i bioreaktorowych. Zastosowanie tradycyjnych podłoży mikrobiologicznych (np. Hestrin-Schramm’a), ze względu na ich wysokie koszty i niską wydajność dla produkcji, stanowi silne ograniczenie ich komercyjnego wykorzystania na skalę przemysłową. Dlatego współcześnie prowadzone badania skupiają się na wykorzystaniu organicznych i nieorganicznych odpadów przemysłowych, które mogą być nowym, opłacalnych źródłem węgla dla drobnoustrojów produkujących BC. Dzięki temu mikrobiologiczna produkcja BC może stać się elementem niwelowania negatywnego wpływu przedsiębiorstw produkcyjnych na środowisko naturalne. Być może z tego powodu w przyszłości produkcja BC będzie ściśle powiązana z systemami produkcji innych materiałów, którym towarzyszy proces powstawania uciążliwych odpadów i zanieczyszczeń.