低成本培养基碳源的开发及细菌纤维素的高效制备

摘要

细菌纤维素(Bacterial Cellulose，简称BC)是一种有着广阔应用前景的生物材料，与自然界中其它高等植物纤维素相比，它具有许多独特的性质，包括高纯度、高结晶度、高聚合度、高持水性，高抗张强度，强生物适应性等。因此，该材料在人工皮肤和血管、粘合剂、音响设备振动膜、造纸、纺织、复合膜等领域具有巨大的应用前景。然而细菌纤维素培养成本高，纤维素产量和产率低等问题却是其工业化生产和推广应用的瓶颈。本研究针对细菌纤维素生产成本高，特别是培养基碳源成本较高和菌株产纤维素能力不高的问题，拟开发几种低成本的培养基碳源，并对菌株进行诱变筛选。
　　 利用稀硫酸对麦秆、稻秆进行高温水解，对其水解条件(稀酸浓度、固液比和反应时间)进行优化。麦秆在1％的硫酸，1：12的水解固液比，水解30min的条件下，麦秆水解条件最佳;稻秆在5％的硫酸，1:12的水解固液比，水解30min的条件下，稻秆水解条件最佳。
　　 由于水解液中含有抑制微生物生长的物质，需对水解液进行脱毒。分别采用氢氧化钙、氢氧化钠和氨水调节水解液的初始pH值以及结合活性炭和漆酶等多种方法对麦秆、稻秆和云杉水解液进行脱毒，最后得到几种水解液作为碳源制备BC。通过几种脱毒方法比较，发现用氢氧化钙结合活性炭对麦秆和稻秆水解液的脱毒方法好于氢氧化钠结合活性炭的脱毒方法。用氢氧化钙结合活性炭脱毒的麦秆水解液作为碳源制备BC，产量可达15.42mg/mL，与常规碳源甘露醇、蔗糖和葡萄糖比较，分别提高了50.28％、65.04％、69.88％;用氢氧化钙结合活性炭脱毒的稻秆水解液制备BC，其产量可达16.28mg/mL，与常规碳源甘露醇、蔗糖和葡萄糖比较，分别提高了49.94％、79.22％、94.03％。而云杉水解液是氢氧化钠结合活性炭脱毒效果优于氢氧化钙结合活性炭，用其制备细菌纤维素，产量可达11.91mg/mL，与常规碳源甘露醇、蔗糖和葡萄糖比较，分别提高了20.73％、53.88％和56.43％。此外，钙离子和钠离子对细菌纤维素合成产量有较大影响，在一定浓度范围内，Ca2+和Na+均对BC合成有促进作用。
　　 本研究同时针对木醋杆菌野生型菌株产细菌纤维素量较低的问题，对其进行诱变筛选得到一株高产细菌纤维素菌株，为了进一步提高细菌纤维素的产量，采用亚硝酸和氯化锂对该菌株进行诱变，筛选到一株新的高产纤维素的菌株，BC的产量提高了30％左右。此外，还考察了不同培养基及其初始pH对合成BC的影响。

目录

文摘

英文文摘

第一章 前言

1.1 细菌纤维素概况

1.1.1 细菌纤维素结构特征

1.1.2 细菌纤维索的理化特性

1.1.3 细菌纤维素的生物合成

1.1.4 细菌纤维素的应用

1.2 研究现状

1.2.1 细菌纤维素国外研究进展

1.2.2 细菌纤维素国内研究进展

1.3 影响细菌纤维素生物合成的因素

1.3.1 培养基成分

1.3.2 高产菌株的诱变筛选

1.3.3 发酵方式和条件

1.3.4 发酵设备

1.4 木质纤维素的水解

1.4.1 稀酸水解

1.4.2 浓酸水解

1.4.3 生物水解

1.5 木质纤维素水解液的脱毒方法

1.5.1 碱法脱毒

1.5.2 负乐蒸发脱毒

1.5.3 阴离子交换树脂脱毒

1.5.4 微生物降解或酶法脱毒

1.5.5 活性炭脱毒

1.5.6 综合脱毒

1.6 本课题的研究内容及其创新点

第二章 秸秆水解液制备及其水解条件优化

2.1 实验材料和仪器

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 麦秆和稻秆稀硫酸水解的正交实验

2.2.2 DNS试剂配制

2.2.3 葡萄糖标准曲线测定

2.3 结果与讨论

2.3.1 麦秆酸水解正交的实验

2.3.2 稻秆酸水解正交的实验

2.4 小结

第三章 木质纤维素水解液脱毒以制备细菌纤维素培养基碳源

3.1 实验材料和仪器

3.1.1 实验材料

3.1.2 培养基

3.1.3 实验试剂

3.1.4 实验仪器

3.2 实验方法

3.2.1 木质纤维素水解液的制备

3.2.2 木质纤维素水解液浓缩预处理

3.2.3 木质纤维素水解液的脱毒方法

3.2.4 不同pH值对活性炭吸附云杉水解液中还原糖的影响

3.2.5 木质纤维素水解液的元素分析

3.2.6 种子液的制备

3.2.7 糖浓度的测定

3.2.8 细菌纤维素的静态培养

3.2.9 细菌纤维素的收集及称量

3.2.10 钠离子和钙离子对细菌纤维素产最的影响

3.3 结果与讨论

3.3.1 不同pH值对活性炭吸附云杉水解液中还原糖的影响

3.3.2 云杉水解液脱毒及细菌纤维素制备

3.3.3 麦秆水解液脱毒及细菌纤维素制备

3.3.4 稻秆水解液脱毒及细菌纤维素制备

3.3.5 水解液的元素分析

3.3.6 钙离子和钠离子对细菌纤维素产量的影响

3.4 小结

第四章 高产细菌纤维素菌种的诱变筛选

4.1 实验材料和仪器

4.1.1 实验材料

4.1.2 培养基

4.1.3 实验试剂

4.1.4 试剂配制

4.1.5 实验仪器

4.2 实验方法

4.2.1 菌种活化

4.2.2 菌株诱变和筛选

4.2.3 培养基初始pH值对细菌纤维素合成的影响

4.2.4 细菌纤维素的收集和称量

4.2.5 甘露醇标准曲线测定

4.3 结果与讨论

4.3.1 诱变菌株筛选和不同培养基对其合成细菌纤维素的影响

4.3.2 初始pH对BC产景的影响

4.4 小结

第五章 结论

5.1 秸秆水解液制备及其水解条件优化

5.2 木质纤维素水解液脱毒以制备细菌纤维素培养基碳源

5.3 高产细菌纤维素菌种的诱变筛选

5.4 展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果目录

致谢