细菌纤维素的发酵生产及其物理化学性质初探

摘要

细菌纤维素(BacterialCellulose，简称BC)又称为微生物纤维素(MicrobialCellulose)，它是一种由细菌产生的生物高聚物。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。但从物理、化学、机械性能来看，它具有自己独特的性质，例如高的结晶度、高的持水性、超细纳米纤维网络、高抗张强度和弹性模量等，是一种新型纳米生物材料，已应用于食品、造纸、医学材料、声音振动膜等各个领域，现己成为国际的研究热点。 细菌纤维素是一种次生代谢产物，所以营养成分对BC的形成有很大影响。本课题首先以木醋杆菌为生产菌，分别研究了在静态、动态培养条件下，不同碳源、初始pH值、乙醇及有机酸、金属离子、糖浓度对细菌产纤维素的影响，通过检测发酵过程中pH值的变化、残糖的变化以及纤维素产量的变化等因素来研究纤维素代谢过程，为大规模工业化生产细菌纤维素提供实验数据。 静态培养条件下，不同碳源对细菌纤维素的合成有很大影响，在甘露醇、蔗糖、葡萄糖和麦芽糖四种碳源中，以甘露醇为碳源时BC产量最高。研究发现，以甘露醇为碳源，细菌在pH值4—6的范围内生长较好，而以pH值为4.5时纤维素的产量最高；添加乙醇、醋酸和乳酸对提高纤维素的产量没有作用，反而有不同程度的抑制作用；在添加Fe2+、Mg2+、Ca2+三种金属离子中，浓度不同对纤维素产量的影响也不同，其中，0.1mmol/Lol/LFe2+、7mmol/Lol/LMg2+、5mmoI/LCa2+对纤维素产量影响最大，产量分别提高了34.6％、32.2％和10.6％。 动态培养条件下，在甘露醇、蔗糖、葡萄糖三种碳源中，以甘露醇的产量最高。研究发现，以蔗糖为碳源时，细菌在pH值4-7的范围内生长较好，而以pH值为5.0时纤维素的产量最高；添加Fe2+、Mg2+、Ca2+三种金属离子中，对动态发酵纤维素都有很大程度的影响。其中3mmol/LFe2+、5mmol/LMg2+、5mmol/LCa2+对纤维素产量影响最大，产量分别提高78.2％、132.1％和169.8％；添加乳酸、乙醇、醋酸、草酸和柠檬酸对提高纤维素的产量有很大的促进作用，当乳酸为100mmol/L，乙醇500mmol/L，醋酸200mmol/L，草酸1mmol/L，柠檬酸30mmol/L时，产量分别被提高427.8％、357.7％、234.7％、63.2％、17.7％；蔗糖浓度也是影响纤维素产量的一个重要因素，在浓度为40g/L时细菌纤维素的产量最高。 通过动态发酵的单因素分析，设计正交实验。从正交实验分析来看，最佳组合为蔗糖浓度25g/L，初始pH值4.5，乙醇添加量为400mmol/Lol/L，在此条件下，纤维素产量为1.342g/L，为最初产量的16.4倍。 课题对纤维素的物理化学性质(细菌纤维素宏观状态、纤维网络结构、直径分布范围、红外光谱特征、热重分析、含水率和吸水率以及溶解性能)做了初步研究，为细菌纤维素在生物医学材料上的应用积累了重要的实验数据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1前言

1.2细菌纤维素国内外研究进展

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细菌纤维素的结构和特性

1.3.1细菌纤维素的结构

1.3.2细菌纤维素的特性

1.4细菌纤维素的生物合成及调控

1.4.1细菌纤维素生物合成的生化途径

1.4.2细菌纤维素分泌、组装和结晶

1.4.2细菌纤维素合成酶系统

1.4.3细菌纤维素合成的调控体系

1.5细菌纤维素在医学材料上的应用

1.5.1 BC在组织工程支架中的应用

1.5.2 BC在人工血管上的应用

1.5.3 BC在人工皮肤以及皮肤损伤治疗上的应用

1.6细菌纤维素在其它行业的应用

1.6.1 BC在食品工业中的应用

1.6.2 BC在造纸工业中的应用

1.6.3在高级音响设备振动膜上的应用

1.6.4其它用途

1.7本课题的立题背景和主要研究内容

第二章细菌纤维素的静态发酵

2.1实验材料及试剂

2.1.1菌种来源

2.1.2实验试剂

2.1.3实验仪器

2.1.4基本培养基

2.1.5常用试剂配制

2.2实验方法

2.2.1种子复壮

2.2.2不同碳源细菌纤维素的培养

2.2.3不同初始pH值细菌纤维素的培养

2.2.4不同金属离子细菌纤维素的培养

2.2.5乙醇及不同有机酸细菌纤维素的培养

2.2.6细菌纤维素提取方法及处理方法

2.2.7 pH值和细菌纤维素重量的测定

2.2.8发酵液残糖量的测定

2.3结果与讨论

2.3.1不同碳源对细菌产纤维素的影响

2.3.2不同初始pH值对细菌产纤维素的影响

2.3.3乙醇及有机酸对细菌纤维素产量的影响

2.3.4金属离子对细菌纤维素产量的影响

2.4本章小结

第三章细菌纤维素的动态发酵

3.1实验材料及试剂

3.1.1菌种来源

3.1.2实验试剂

3.1.3实验仪器

3.1.4基本培养基

3.2实验方法

3.2.1种子复壮

2.2.2不同碳源对细菌产纤维素的影响

3.2.3不同初始pH值对细菌产纤维素的影响

3.2.4不同金属离子对细菌产纤维素的影响

3.2.5乙醇及有机酸对细菌产纤维素的影响

3.2.6不同蔗糖浓度对细菌产纤维素的影响

3.2.7细菌纤维素提取方法及处理方法

3.2.8参数测定方法

3.2.9正交实验方法

3.3结果与讨论

3.3.1碳源对细菌纤维素产量的影响

3.3.2发酵液初始pH值对细菌纤维素产量的影响

3.3.3金属离子对细菌纤维素产量的影响

3.3.4乙醇及有机酸对细菌纤维素产量的影响

3.3.5蔗糖浓度对细菌纤维素产量的影响

3.3.6正交实验分析

3.4本章小结

第四章细菌纤维素的物理化学性质研究

4.1材料与方法

4.1.1菌种来源

4.1.2实验试剂

4.1.3实验仪器

4.2实验内容及方法

4.2.1细菌纤维素样品的处理

4.2.2木醋杆菌形态及细菌纤维素的观察

4.2.3细菌纤维素膜性质检测方法

4.2.4细菌纤维素的溶解性

4.3结果与分析

4.3.1木醋杆菌形态及细菌纤维素的观察

4.3.2细菌纤维素膜性质的测定

4.3.3细菌纤维素的溶解性

4.4本章小结

第五章结论

5.1静态发酵

5.2动态发酵

5.3细菌纤维素物理化学性质研究

5.4本课题创新点

5.5展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢