以菊粉为原料发酵生产细菌纤维素及细菌纤维素粉末制备

摘要

细菌纤维素（BacterialCellulose，简称BC）是由部分细菌产生的一类多糖聚合物。常见的能够产生纤维素的细菌主要有Acetobacter，Rhizobium，Agrobacterium和Sarcina等。其中研究最多、产量最高的细菌是Acetobacterxylinum（木醋杆菌）。从纤维素的分子组成看，BC和植物纤维一样都是由β-D-葡萄糖通过β-1，4-糖苷键结合成的直链，又称为β-1，4-葡聚糖。与植物纤维素相比，细菌纤维素在合成速度、化学纯度、功能特性等方面具有许多独特而卓越的性质，由于它具有优秀的生物亲和性、生物相容性、生物适应性和良好的生物可降解性，被公认为是世界上性能优异的新型生物纳米高技术材料，在食品，造纸，声学器材，医用材料等领域有着广泛的应用前景，因此需要工业化大规模生产来满足各行业的需求。然而目前细菌纤维素生产成本高，特别是其培养基碳源成本较高的因素已成为影响细菌纤维素大规模工业化生产和推广应用的的主要障碍。
　　 本课题用菊粉代替常规碳源进行发酵生产，首先优化了菊粉经硫酸水解形成单糖的过程，影响菊粉酸解效果大小的顺序依次是菊粉浓度＞温度＞硫酸浓度＞酸解时间最终确定其最佳水解条件为菊粉浓度为0.1g/mL，酸解温度为100℃，硫酸浓度为1.5mol/L，酸解时间为1.0h，经实验验证，此条件下菊粉还原糖得率为98.71％。然后以菊粉及菊粉酸解液为碳源静态发酵生产细菌纤维素，称量发酵液中BC膜的绝干重来计算BC的产量，结果表明菊粉发酵细菌纤维素的产量最高，达到16.1g/L，葡萄糖与果糖混合糖、果糖、葡萄糖次之，菊粉酸解液的产量最低，为8.5g/L。对细菌纤维素做了拉伸强度表征，结果显示果糖的拉伸强度最好，葡糖糖的最差，菊粉与果糖葡萄糖混合糖培养的BC绝对拉力比菊粉酸解液培养BC好，但相对拉伸强度两者低于菊粉发酵液。
　　 研究发现木醋杆菌发酵液中存在部分低分子量的水溶性细菌纤维素，本课题采用动态的震荡培养来提高发酵液中可溶性细菌纤维素的产量，并研究了时间、转速、有机酸以及不同多糖对可溶性细菌产纤维素和不溶性细菌纤维素产量的影响，同时研究了加入玻璃珠后对可溶性细菌纤维素产量的影响。结果表明，可溶性细菌纤维素的产量在第5天时达到最大值，不溶性BC则要到第7天达到最大产量;加入柠檬酸能显著提高可溶性BC的产量，醋酸和乳酸则对不溶性BC的合成有促进作用;添加果胶对可溶性BC产量的提高明显，羧甲基纤维素钠对不溶性BC的合成影响较大;加入玻璃珠对BC产量有提高。此外，本实验还研究并优化了利用喷雾干燥法来生产细菌纤维素粉末的工艺。