细菌纤维素复合材料的发酵制备研究

作者简介 ：李 朋 （９ ４ ，男 ，山东聊城人 ，生物化工专业硕士研究生；主要从事细菌纤维素 的制备及应 １８￣）
用 的研究 。
通讯作 者：洪 枫 ，教授 ，博 士生导师 。ｆ ｎ＠ｄｕ ｄ ． ｈ ｇ ｈ． ｕ ｎ ｏ ｅ ｃ
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纤 维 素 科 学 与 技 术
第 １ 卷 ９
的新 型功 能 复合 材料 提供 了一种 可行 途 径 。 本文 通过 在培 养基 中添加 琼脂 、 溶性 淀粉 、明胶 和壳聚 糖 等水 溶性 高 分子物 质 静态 发 可 酵 制 备 改性 细 菌纤 维 素 ，并 采用 扫 描 电镜 （ Ｅ ） Ｓ Ｍ 、热 重 分析 （ Ｇ 、万 能材 料测 试 机 等 Ｔ Ａ）
组成 为甘 露醇 ２ 门 ，蛋 白胨 ３ｇ Ｌ ５ｇ Ｌ 门 ，酵 母 浸 膏 ５ｇ Ｌ 门 ，琼 脂 １ 门 ，ｐ ５０ ８ｇＬ Ｈ ．；液体 种 子和 发
酵 培 养基 为甘 露 醇培 养 基 ：甘露 醇 ２ ／ ，蛋 白胨 ３ｇＬ ５ Ｌ ｇ ／ ，酵母 浸 膏 ５ｇＬ Ｈ ．。 门，ｐ ５０ １ 细 菌 纤维 素 的发 酵制 备 【 ． ２ ６ Ｊ
２３ 细 菌纤维 素 复合 材料 的热重 分析 ． 热 重法 （ 简称 １ ℃）是在 程序 控温 下 测 定物 质 的质 量 与温度 的 关系 ， 可在 较 短 的时 间 内观 察物 质 在 很 宽温 度 范 围 的质 量变 化
情 况 。该方 法可 精确 测定 物 质质量 变 化 ， 所
ｌ。 。
，
一 添 加可 溶性 淀粉 的为 ３２７ ，添加 ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ４ ．℃ ，添加 壳 聚糖 的为 ３ ４２ 。测 试 结果 ４ ．℃ ７ ４ ．℃ 、 Ｉ ６ 玎 ３ Ｂ 明胶 的为 ３ ６ ３ ３ ４ ４ ３ ３ ２ ４ ３ ４ ６
得 到 的热 失重温 度 与 Ｇｅｒｅ等 人【报 道 的经 Ｎａ 处理 的细 菌 纤维 素分解 温 度 为 ３ ０ ５ ｏｇ ７ ］ ＯＨ ５ ． ℃ ９
行 改性 和 表面 修饰 ，使其 更好 地满 足 实 际应 用 的需求 。根据 细 菌纤 维素 独特 的合 成途径 ，研
究 表 明 ，改变 发酵 培养 条件 可 实现对 Ｂ 结构 调控 的 目的 。例 如 ，通 过改变 葡 萄糖衍 生 物碳 Ｃ 源 控制 微 纤维 的纳 米尺 寸 ，并运 用 不 同的模 型合 成 了多种 形状 的功 能材 料 ［ｏＣ ａ 【 艮 ３ ｈｏ等 ４ 道 】
ｌ Ｏ
明胶 一８ ． ％ １４ ３ 壳聚糖 －８ ．８ ０ ％ ０
ｌＯ ５ ２ ０ ５ ３ ０ ５ ４ ０ ５
５ Ｏ
ｔ ￣ ／ Ｃ
图 ３ 改性后细菌 纤维 素的 Ｔ Ｄ Ｇ 曲线 Ｇ． Ｔ
所 示 。从 Ｔ 曲线和 ＤＴ 曲线可 以看 出，当温 度在 Ｏ １０ Ｇ Ｇ ～ ｏ ℃范 围时 ，各种 细菌 纤维 素复 合 材 料 的质量 均有 少 许下 降 ，这 主要 是 由于细 菌纤 维素 失去 自身含有 的水造 成 的 。自 ２ ０ ４ ℃左 右起 ，纤维 素质 量迅 速 降低 ，达 到 １％／ ｉ，最 大 失重速 率 温度 为 ３ ０ ５ ｍｎ ５ ℃左 右 ，但 是每 一种 复 合材 料 的最 大失 重速 率温 度有 差异 ，未 添 加高 分子 的为 ３ ６４ ，添 加 琼脂 的 为 ３ ３ ℃， ３ ．℃ ４． ２
ｍｉ ｎ。
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纤 维 素 科 学 与 技 术
第 １ 卷 ９
由图 ２可 以看 出，培养 基 中添加 琼脂 粉 、可溶 性 淀粉 和 明胶 合成 的细 菌纤 维素 膜 的强 力 与对 照组 相 比具有 明显 的差异 。当淀粉 添加 量 为 ００ ％的 时候 ，所 得纤 维素 膜 的强力 为 ．５
细 菌纤维 素复合材 料 的发 酵制备研 究
李 朋 ， 唐水佳 ， 杨 光 ， 杨 雪 霞 ， 洪 枫 ， 水
（ ．东华大学 化学化工与生物 工程学院 微 生物工程与工业 生物技术研究组 ； １ ２ ．东华大学 生态纺织教育部 重点实验室 ，上海 ２ １２ ） ０ ６ ０
取 一环 活化 好 的斜 面菌种 接 入到 １ ０ｍＬ经 １ １ ０ ２ ℃灭菌 ２ ｎ的液体 种 子培 养基 中，于 ０ｍｉ
３ ℃和 １０ ／ ｎ条件 下振 荡 培养 １ 。将 培养 好 的种 子液 以 １％ （ ０ ３ ｍｉ ｒ ２ ｈ ０ 体积 分数 ）的接种 量 接 入 ５ ０ｍＬ发 酵培 养 基 （ ５ Ｌ锥 形瓶 ）中 ，３ ℃静 止培 养 ７天 ，在培 养 基和 空气 的交 界 面 ２ ０ｍ ０ 得到 凝 胶状 细 菌纤 维素 。 制 备 改性 细菌 纤维 素 时 ，在 发酵 培养 基 中分 别加 入一 定量 的琼脂 、可 溶性 淀粉 、明胶 、 壳聚 糖 ，发酵 条件 同上 。考 虑到 高分 子物 质 的添 加量太 大 会 导致发 酵 液 的粘 度 比较 大 ，因此
括 高 结 晶度 、高持 水性 、超 细纳 米 纤维 网络 、高抗 张强度 和 弹性 模量 等 ， 目前 已被广 泛应 用
于食 品 、纺织 、造纸 、医药材 料 、高 级音 响振 动膜 等多个 领 域 ，是 国 内外 备受 关注 的一种 新 型材料 ｎ 。 然 而 ， 同的应用 领域 往往 对 纤维材 料 的性 能有 不 同的要 求 ，因此需 要对 细菌 纤维 素进 不
向培养 基 中添 加琼 脂和 黄原 胶等 水溶 性 多糖可 以显 著提 高 纤维素 产量 ， 而且 添 加 的多糖物 质
在 气升 式 发酵 罐培 养过 程 中进入 到 了细菌 纤维 素 中 ， 使合 成 的复合 物 既有细 菌 纤维素 的性能 又 兼有 各类 多糖 物 质 的性 能 ， 种方 法拓 宽 了细菌 纤维 素 的应用 范 围，为制 备 更多性 能优 异 这
构有 一定的影响 ，而壳聚糖 由于本身具有抑菌作用 ，它 的添加抑制 了细菌的生长 ，
基本 上不能合成 纤维 素 。通过 Ｔ键 词：细菌纤维素 ；复合材料 ；改性；发酵 ；物理 性能 中图分类号 ：Ｑ８ ９ Ｑ３２ １ ；Ｔ ５ 文献标识码 ：Ａ
对 照组 的纤 维素 膜 。琼 脂在 添加 量 为 ００ ％时膜 的 强度 略小 于对 照膜 ，但 是 当琼脂 添加 量 ． ５ 为 ０１ ． ％和 ０２ ． ％时 ，纤维 素膜 的强 力 明显上 升 ，分别 达 到 了 １１ 和 １１ ． Ｎ ０ ．８Ｎ，分别 为对 照
组 的 １６ ．０倍和 １ １ 。 ． 倍 ７
溶 液 中 ，８℃ 处理 １０ｍ ｎ 以除去残 存 的菌 体和 培养 基 。用 去离 子水 反 复冲洗 纤 维素 膜至 ０ ２ ｉ， 中性 （Ｈ试 纸 测定 ） ｐ ，此 时所 得 纤维 素膜 呈 乳 白色 半透 明状 ，将其 放入 无菌 的去 离子水 中，
备用。 ・
１ 细 菌纤 维 素样 品测 试 ． ４
１４ １ Ｓ Ｍ 测 试 ．． Ｅ
将 碱 处 理后 的细 菌纤 维 素进 行 冷 冻干 燥 ，干 燥 后 的样 品经 离子 镀 金仪 喷 金镀 膜 并 利用 Ｈ一０ 扫 描 电子显 微镜 观 察其 形貌 和 结构 。 ８０型 １ ． 力学性 能 测试 ．２ ４
将上 述所 得 细菌 纤维 素样 品切 成 ４ｃ ｃ 的条 状 ，每 个 样 品切 四条做 平行 实验 。样 ｍＸ ｌ ｍ
对 照组 的 １ ２倍 ，说 明少 量 的淀 粉 添加 有利 于提 高 纤维 素复 合物 的强 力 ，而 当淀粉 添加 量 ． ９ 为 ０１ ．％和 Ｏ ％时 ，测 得纤 维素 膜 的力 学数据 与对 照 组有 少许 差别 ，认 为与对 照 组强力 基 ． ２ 本相 当 。当 明胶 的添 加量 为 ００％、０１ ． ５ ．％和 ０２ ．％，膜 强力 从 Ｏ６ 高 至 １１ ． Ｎ提 ９ ． Ｎ，均高 于 ４
第 １ 第 ４期 ９卷
纤 维 素 科 学 与 技 术
Ｊ ｕ ｎａ ｆＣｅ ｌｌ ｅ Ｓ ｉｎｃ ｎｄ Ｔ ｃ ｎｏｏ ｙ ｏ ｒ ｌｏ ｌｕｏｓ ｃ ｅ ｅ ａ ｅ ｈ ｌｇ
Ｖｏ ． ９ ＮＯ ４ １１ ． Ｄｅ ． Ｏｌ ｃ２ １
２１年 １ ０１ ２月
文 章 编 号 ： １ ０ —４ ５２ １）４０ ０ —５ ０ ４８ ０ （０ ０ —０ １０ １
７ 。
一
失重率
对照 一８ ．３ ８５ ％
…
官 。
一 － … ～
琼脂 一８ ．６ ０８ ％ 淀 粉 一８１ ２ ． ％ ８
以它也 是一 种 定量 分析 方法 。 其实 验 得到 的 曲线称 为热 失重 曲线 （ Ｇ 曲线 ） 它表 示过 Ｔ ， 程 的 失重 累积量 。 实验 对冷 冻干 燥 的细菌 本 纤 维 素 膜 进 行 热 重 分 析 ，考 察 其 在 ０ ～ ５０ ０ ℃范 围 内的质量 变 化 ，实验 结 果如 图 ３
摘
要 ：通过在发酵培养 基中添加琼脂 、可溶性淀粉 、明胶 、壳聚 糖等水溶性高分
子物质制备改性细菌纤维素 ，并采用扫 描电镜 （ Ｅ 、热重分析 （ ＧＡ） Ｓ Ｍ） Ｔ 、万能材 料 测试机等检测手段对 改性细菌纤维素 的结构 、形态特征及物理性 能进行研 究 。结 果发现 ：琼脂 、可溶性淀粉 、明胶均在一定程度上对合成 的细菌 纤维素的强力和结
经过 考 察选 择 上述 高分 子 物质 的添 加 量分 别 为 ００ ％，０１ ．５ ．％，Ｏ ％ （ 量 分数 ） ． ２ 质 。 ｌ 细菌 纤维 素 的 提取 和处 理 方法 ＿ ３ 静 止培 养 ７天 后 ，取 出细菌 纤 维素膜 ，蒸馏 水 多次冲 洗后 ，浸入 Ｏ１ｍｏ／ ． ｌ Ｌ的 Ｎａ ＯＨ水
品在 万 能材料 测试 机上 测 试强 力 。两个 夹头 之 间 的测 定 距离 为 ３ｃ ｍ，速度 为 １０ｍｍ／ ｎ ０ ｍｉ，
材 料 测试 机 的最 大测 试 强度 为 １ ＯＮ。
１ － Ｔ ． ３ ＧＡ 测 试 ４
准确 称取 冻干 后 的细 菌纤 维素 样 品 ３ ５ ，装入 样 品槽 中压 紧 ，放入 Ｔ ～ ｍｇ ＧＡ测 试 机 中 ， 试 验 参数 设定 为 ：升 温速 率 ２ ／ ｉ，起 始温 度 为 ０ ，热解 终止 温度 ５ ０ ０Ｋ ｍｎ ℃ ０ ℃，保 留时 间 １ ０