细菌纤维素魔芋生产新原料及其载银抗菌膜的研发

摘要

细菌纤维素(BC)作为一种新型纳米生物材料因其独特的优良特性，现已被广泛应用于食品、医用材料、造纸、环境保护、声学材料、化工等各个领域，具有广阔的发展前景。目前细菌纤维素大规模生产应用的主要障碍是其成本高、产率低、生产效益不敌普通纤维素。因此本课题重点在于提高细菌纤维素产量，降低其生产成本。研究采用魔芋作为细菌纤维素生产的替代碳源，在增加细菌纤维素产量的同时，降低生产成本。同时还对细菌纤维素在抗菌敷料方向的应用进行了初步探索。
　　 为使魔芋能被生产细菌纤维素的微生物代谢利用，本次研究通过酸水解魔芋干以及酶水解魔芋精粉的方法降解魔芋葡甘露聚糖生成单糖及部分低聚糖。通过对反应温度、时间、酸浓度及固液比四个因素进行探索，得到酸水解的最适单因素条件。在单因素条件的基础上，通过正交设计法及响应面设计法对酸解条件进行优化，最终得到酸解的最佳工艺条件为:反应温度115℃、时间40min、酸浓度0.5mol/L、固液比为1∶7。该酸解工艺条件下，酸解液的还原糖浓度可达66.8％。对酸水解液进行HPLC分析，得到酸解液的主要成份为葡萄糖。
　　 用甘露聚糖酶、纤维素酶、葡聚糖酶对魔芋精粉进行酶水解，探索最优酶解条件。实验结果显示甘露聚糖酶、纤维素酶、葡聚糖酶的最适反应温度均为60℃，最适加酶量分别为72、34、51U/(g底物)，酶的作用时间分别为4h、6h、6h。甘露聚糖酶、纤维素酶、葡聚糖酶在各自最适反应条件下，还原糖得率分别达到59.91％、57.99％、54.23％。除了单酶酶解，还对魔芋精粉进行多酶复配酶解，酶解结果显示多酶复配并未提高酶解液的还原糖得率，但多酶复配可以通过价格便宜的酶的加入降低成本，因此具有实际意义。对三种酶酶解液成份进行HPLC分析结果显示:甘露聚糖酶酶解液的主要成分为甘露糖;纤维素酶酶解魔芋精粉后主要生成葡萄糖及甘露糖，但仍然有少量低聚糖;葡聚糖酶酶解液主要成分为葡萄糖，但也含有少量的甘露糖和低聚糖。
　　 利用魔芋水解液（魔芋干酸水解液、魔芋精粉酶解液）制备培养基发酵生产细菌纤维素，对生成的细菌纤维素的产量、拉力、红外、结晶度等进行分析，实验结果表明与常规碳源相比，魔芋水解液作为碳源制备的细菌纤维素具有较高的产量及较好的机械性能。
　　 本次研究还初步探索了细菌纤维素作为抗菌敷料的应用潜力。细菌纤维素湿膜独特的纳米结构使其具有较高的机械强度以及显著的物理性质。用BC制备的抗菌敷料在潮湿情况下机械强度高，有良好的通透性，与皮肤相容性好，吸湿性强，此外BC敷料还能够通过吸收伤口热量来减少伤痛，防止伤口的二次感染及机械损伤，通过控制伤口渗出液为伤口修复提供潮湿的环境促进创面的愈合。通过细菌纤维素膜制备载银抗菌膜，并对载银BC膜的抗菌能力进行测试，抑菌圈实验结果显示:载银BC膜在金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌涂布的平板上都有明显的抑菌圈出现，其中金黄色葡萄球菌的抑菌圈最大，抑菌圈直径可达36-38mm;大肠杆菌抑菌圈直径约为20-21mm;枯草芽孢杆菌抑菌圈约为19-20mm。载银抗菌膜作用于金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌，其菌数下降的百分率分别可达99.99995％、99.98％及99.8％左右，证明该抗菌膜对三种致病菌都有显著的抗菌效果。本课题在载银抗菌膜上的初步研究为细菌纤维素在医学材料上的应用积累了重要的实验数据。

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摘要

第一章 前言

1．1 细菌纤维素的特性

1．2 细菌纤维素的生产

1．2．1 合成细菌纤维素的菌种

1．2．2 细菌纤维素的合成与转化

1．2．3 细菌纤维素的分泌、组装和结晶

1．2．4 细菌纤维素的培养方式

1．3 细菌纤维素的应用

1．3．1 细菌纤维素在食品工业上的应用

1．3．2 造纸工业

1．3．3 声学器材

1．3．4 作为生物医用材料在组织工程学上的应用

1．3．5 细菌纤维素在抗菌敷料上的应用

1．3．6 细菌纤维素的其它用途

1．4 含银的抗菌敷料

1．4．1 银的抗菌机理

1．4．2 含银敷料中银的应用

1．4．3 载银抗菌敷料

1．5 细菌纤维素生产的碳源

1．6 魔芋

1．6．1 魔芋的加工

1．6．2 魔芋的应用

1．7 本课题的立题背景和主要研究内容

第二章 魔芋酸水解制备细菌纤维素廉价碳源

2．1 实验材料与仪器

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验试剂

2．1．3 实验仪器

2．2 实验方法

2．2．1 魔芋干粉酸水解

2．2．2 还原糖标准曲线测定

2．2．3 还原糖得率测定

2．2．4 正交法优化酸水解条件

2．2．5 响应面分析法

2．2．6 高效液相法分析水解液成分

2．3 结果与讨论

2．3．1 酸水解条件对魔芋还原糖得率的影响

2．3．2 魔芋酸解条件的优化

2．3．3 魔芋酸解液成分的HPLC分析

2．4 本章小节

第三章 魔芋精粉酶水解制备细菌纤维素廉价碳源

3．1 实验材料与仪器

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验仪器

3．1．3 实验仪器

3．2实验方法

3．2．1 酶学性质表征

3．2．2 加酶量对水解得糖率的影响

3．2．3 酶解时间对水解得糖率的影响

3．2．4 酶的复配对水解得糖率的影响

3．2．5 高效液相色谱法分析酶解液成分

3．3 结果与讨论

3．3．1 三种水解酶的酶学性质表征

3．3．2 加酶量对水解得糖率的影响

3．3．3 还原糖得率随酶解时间的变化

3．3．4 酶的复配

3．3．5 魔芋精粉酶解液成分的HPLC分析

3．4 本章小节

第四章 魔芋水解液制备的细菌纤维素的性能表征及BC膜在抗菌敷料中的应用

4．1 实验材料与仪器

4．1．1 实验材料

4．1．2 菌种来源

4．1．3 实验药品

4．1．4 实验器材

4．2 实验方法

4．2．1 魔芋酸水解液的制备

4．2．2 魔芋酸水解液的脱毒

4．2．3 酶解液的制备

4．2．4 基本培养基

4．2．5 细菌纤维素的培养

4．2．6 细菌纤维素的称量及提

4．2．7 细菌纤维素的性能表征

4．2．8 抗菌膜的制备

4．2．9 载银细菌纤维素膜抗菌性能的检测

4．3 结果与讨论

4．3．1 魔芋水解液制备细菌纤维素

4．3．2 魔芋水解液作为碳源制备的细菌纤维素的性能表征

4．3．3 载银细菌纤维素膜的抗菌测试

4．4 本章小节

第五章 结论

5．1 魔芋干酸解液的制备及酸解条件的优化

5．2 魔芋精粉酶解液的制备

5．3 魔芋制备细菌纤维素的表征及细菌纤维素作为抗菌敷料的应用

5．4 展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果目录

致谢

附录