细菌纤维素的生物合成
木醋杆菌细菌纤维素生物合成途径

木醋杆菌细菌纤维素生物合成途径
木醋杆菌是一种产醋酸的细菌,它具有生物合成纤维素的能力。
纤维素是一种多糖类化合物,通常由葡萄糖分子组成,是植物细胞
壁的重要组成部分。
木醋杆菌细菌合成纤维素的途径涉及多个步骤
和酶的参与。
首先,木醋杆菌细菌通过细胞膜上的酶将葡萄糖转化为葡萄糖-
1-磷酸,这是纤维素合成的起始物质。
接着,葡萄糖-1-磷酸被进一
步转化为UDP葡萄糖,这一步骤需要UDP葡糖化酶参与。
随后,UDP葡萄糖被纤维素合成酶作用下聚合成纤维素链,这
一过程涉及纤维素合成酶的催化作用,使得葡萄糖分子逐渐连接形
成纤维素链。
在纤维素合成过程中,木醋杆菌细菌细胞膜上的纤维素合成酶
起着关键作用,它能够将纤维素链逐渐延长并释放到细胞外。
需要注意的是,木醋杆菌细菌合成纤维素的具体途径可能还涉
及其他辅助酶和调控因子的参与,这些因素对于纤维素的合成和组
装都起着重要的作用。
总的来说,木醋杆菌细菌合成纤维素的生物合成途径是一个复杂的过程,涉及多个酶的协同作用和调控因子的参与。
这些步骤的顺利进行对于纤维素的合成至关重要,也为我们理解细菌细胞壁合成提供了重要的参考。
康普茶细菌纤维素的形成途径及其在高效利用茶叶废弃资源中的应用综述

康普茶细菌纤维素的形成途径及其在高效利用茶叶废弃资源中的应用综述目录1. 内容概括 (3)1.1 研究的背景和意义 (3)1.2 茶叶废弃资源的特点和经济价值 (4)1.3 细菌纤维素的性质和应用 (5)1.4 研究的现状和存在的问题 (7)2. 细菌纤维素的形成途径 (8)2.1 细菌纤维素合成的基因调控 (9)2.2 β-1, 3-葡聚糖合成途径 (10)2.3 分支杆菌纤维素合成途径 (11)2.4 其他微生物纤维素合成途径 (12)2.5 细菌纤维素合成的酶学机理 (14)3. 茶叶废弃资源的特点和组成 (15)3.1 茶叶修剪和栽培过程中的废弃物 (16)3.2 茶叶加工过程中的副产物 (17)3.3 茶叶废弃资源的主要成分和营养价值 (19)4. 细菌纤维素在茶叶废弃资源中的应用 (19)4.1 废水处理 (21)4.1.1 水资源保护的重要性 (22)4.1.2 细菌纤维素的应用实例 (23)4.2 土壤改良 (24)4.2.1 土壤健康的概念和需求 (25)4.2.2 细菌纤维素对土壤的影响 (26)4.3 生物降解塑料和材料 (27)4.3.1 塑料污染的全球问题 (28)4.3.2 细菌纤维素材料的应用价值 (29)4.4 农药和肥料替代品 (30)4.4.1 绿色农业的发展趋势 (32)4.4.2 细菌纤维素作为农业生产添加剂的可能性 (34)5. 实施与技术开发 (35)5.1 微生物菌株的选择和优化 (36)5.2 发酵条件的控制和管理 (38)5.3 产品分离、纯化和后处理 (39)5.4 质量控制和标准化 (40)6. 经济效益分析 (41)6.1 成本效益评估 (42)6.2 潜在市场和需求预测 (43)6.3 政策支持和可持续性发展 (44)7. 环境影响评估 (45)7.1 能源消耗和温室气体排放 (46)7.2 环境友好性评价 (47)7.3 生态平衡和可持续发展战略 (48)8. 示范项目和案例研究 (49)8.1 国内外典型案例分析 (51)8.2 可推广的经验和教训 (52)8.3 未来发展的方向和策略 (53)9. 结论与展望 (54)9.1 研究成果总结 (55)9.2 存在的问题和不足 (57)9.3 技术创新和产业化发展的建议 (58)1. 内容概括本综述聚焦于康普茶(Kombucha),一种发酵茶饮,其发酵过程中的主要副产物是一种由糖醋杆菌属(Gluconacetobacter spp.)等微生物合成的三维多糖,即细菌纤维素。
基于细菌纤维素的高强生物质长丝纤维的制备与表征

基于细菌纤维素的高强生物质长丝纤维的制备与表征作者:吴焕岭, 郭庆, 赵杰, 孙万超, 谢周良, 赵言收, 康正芳来源:《丝绸》2022年第10期摘要:为获得一种兼具高机械性能和优良生物相容性的长丝纤维材料,文章基于细菌纤维素(BC)的结构特征,探索细菌纤维素的溶解程度与再生细菌纤维素(RBC)纤维断裂强力性能之间的关系,成功制备了RBC高强长丝纤维。
通过对RBC形貌、机械性能、吸湿性、细胞相容性进行测试,并对BC再生前后的性质变化进行表征分析,结果表明:RBC长丝纤维直径约50 μm,形貌规整,表面具有均匀的沟槽结构,但失去了BC原有的3D纳米原纤结构;干态纤维的断裂强度可达6.50 cN/dtex,具有较高的机械性能;红外光谱分析表明,BC再生前后没有发生化学结构的变化;细胞黏附增殖实验表明,正常细胞能够在RBC纤维上黏附增殖,该纤维具有较好的细胞相容性。
关键词:细菌纤维素;材料再生;长丝纤维;高机械性能;流变性能;细胞相容性中图分类号: TS102.5; TB332文献标志码: A文章编号: 10017003(2022)10003407引用页码: 101105DOI: 10.3969/j.issn.1001-7003.2022.10.005纤维材料几乎涉及生活中的各个领域,起到不可或缺的作用,比如在医用材料领域常将纤维制备成敷料、绷带[1]或编织成手术缝合线[2]等。
细菌纤维素(Bacterial cellulose,BC)由微生物生成,其分子鏈在合成过程中具有独特的自组装机制,能够形成天然3D纳米纤维交织结构[3]。
并且,它没有半纤维素、果胶和灰分等伴生物,具有高结晶度、高机械强度和良好的生物相容性等特性[4],是一种可持续利用的生物质资源。
以细菌纤维素为基材的研究颇多,大多仅聚焦于对其原生膜材料的改性研究[5-6]。
鉴于细菌纤维素良好的环境和生物相容性,可结合材料加工和纺织技术进一步拓展细菌纤维素在生物医用材料领域的应用。
细菌纤维素

应用前景
作为缓释剂,应用于西药、中药、中成药 作为增强材料,提高ZnO、金磁微粒等在细 ZnO 菌、传感器的作用 作为载体与生物芯片结合,拓展其在肿瘤、 癌症诸多方面的检测、诊断和治疗作用
发酵的调控
在纤维素的合成中,尿苷葡萄糖为合成细菌纤 维素的直接前体,而6-磷酸葡萄糖作为分支点,既 可进一步合成纤维素,又可进入磷酸戊碳循环或经 柠檬酸循环继续氧化分解,经过戊糖循环和葡萄糖 异生途径,也可通过生成6-磷酸葡萄糖,进一步转 化为纤维素,因此,在细菌纤维素的发酵生产中, 可采用适当方法来抑制或阻断戊糖的形成,使碳源 转向纤维素的合成,从而提高原料的利用率和转化 率,达到提高细菌纤维素产量的目的。
细菌纤维素的生产菌株
产纤维素细菌 杆菌属、根瘤菌属、八叠球菌属、假单胞菌 属、固氮菌属、气杆菌属和产碱菌属。其中 木醋杆菌是最早发现也是研究较为透彻的纤 维素产生菌株,可以利用多种底物生长,是 目前已知合成纤维素能力最强的微生物菌株。
培养基及培养条件
木醋杆菌C544的发酵条件和培养基成分 产纤维素适宜温度范围为25℃ ̄31℃,30℃时纤维素产量最 高; 适宜的初始pH值范围为5.5 ̄7.0,在pH6.0时纤维素产量最高。 优化出的培养基配方为:葡萄糖5.0%(w/v)、大豆蛋白胨 0.9%(w/v)、Na2HPO4·12H2O0.8%(w/v)及柠檬酸0.5%(w/v) 在最佳发酵条件下纤维素最大产量可达7.79g/L,是优化前产 量的3.52倍。 当基础培养基中加入10%(w/v)甘露醇作为碳源时,发酵终点 的pH值为4.50,对纤维素的合成有利,纤维素产量达到9.33g/L, 是优化前产量的4.22倍。
培养基及培养条件
醋杆菌C2的最适碳源为蔗糖,D-甘露糖醇, 最适氮源为蛋白胨,酵母粉,无机盐为MgSO4·7H2O 和柠檬酸三钠; 发酵最佳工艺为 :p H5.0 ,2 0℃ 发酵时间 5~ 7d 使用优化后的培养基配方,醋杆菌C2的纤维素产量 可达9.5g/L 产酶最佳培养基配方为:蔗糖7%,酵母膏0.7%,蛋白 胨1.1%,MgSO4·7H2O 0.2%,柠檬酸三钠0.1%。)
细菌纤维素的介绍

1. 细菌纤维素的简介细菌纤维素(Bacterial cellulose, 简称BC)是由微生物合成的一种新型生物材料。
是一种超微超纯的纤维素,与自然界中植物或海藻产生的天然纤维素具有相同的分子结构单元,但细菌纤维素纤维却有许多独特的性质。
细菌纤维素与植物纤维素相比无木质素、果胶和半纤维素等伴生产物,具有超高的纯度,而且具有高结晶度(一般80%以上,最高可达95%,植物纤维素的为65%)和高的聚合度(DP值2000~8000)。
衍射强度(cps)衍射角(°)细菌纤维素纤维是由直径3~4纳米的微纤组合成40~60纳米粗的纤维束,并相互交织形成发达的超精细网络结构,要远小于一般植物纤维的直径。
图:细菌纤维素放大图数张放大5000和50000倍的细菌纤维素细菌纤维素的弹性模量为一般植物纤维的数倍至十倍以上,抗张强度高。
细菌纤维素有很强的持水能力。
可以吸收上百倍于自身重量的水。
细菌纤维素有较高的生物相容性、适应性和良好的生物可降解性。
细菌纤维素生物合成时的可调控性。
通过采用不同的培养方法、调节培养条件,也可得到化学性质有所差异的细菌纤维素,以满足不同应用范围的要求。
因此,细菌纤维素被公认为是性能最好、实用价值也较好的纤维素,近年来关于细菌纤维素的研究和开发应用成为当今新的微生物合成材料的研究热点之一,在食品、医学、造纸、纺织、环保、能有等各方面具有广泛的应用价值,并已在国内外得到了一定的实际应用。
2. 细菌纤维素的一些应用目前,国内细菌纤维素的规模化生产主要在食品行业中得到应用。
在食品生产中应用的细菌纤维素俗称“椰纤果”、“椰果”、“纳塔(NATA)”。
是以椰子水或椰子汁等为主要原料,发酵培养形成的凝胶状物质,外观似嫩椰子肉,具有独特的凝胶状半透明质地,以其爽滑脆嫩细腻有弹性的独特口感倍受消费者的青睐,主要应用于果冻、饮料、珍珠奶茶、罐头等食品工业。
此外,细菌纤维素富含膳食纤维,不易为人体所消化吸收,食后可增加饱腹感,可作为减肥食品,同时它可促进肠道蠕动,降低食物的滞肠时间,促进排便,并可减少肠道对致癌物质的吸收,另外可促进粪便中胆酸的排放,因而它具有一定的美容防癌等保健功能,在国际市场上一直旺销不衰。
细菌纤维素的制备和应用研究进展

细菌纤维素的制备和应用研究进展陈竞;冯蕾;杨新平【摘要】细菌纤维素(Bacterial cellulose,简称BC)又称微生物纤维素,具有独特超细网状纤维结构、不含木质素和其他细胞壁成份,吸水性强、高生物兼容性、可降解性等优良特点,日益成为人们关注的焦点.综述了近年来国内外在细菌纤维素的菌种筛选、碳源优化、发酵工艺方面的研究成果,以及细菌纤维素在肾透析膜、血管支架、皮肤代用品、化妆品膜、减肥代餐食品等方面的应用.【期刊名称】《纤维素科学与技术》【年(卷),期】2014(022)002【总页数】6页(P58-63)【关键词】细菌纤维素;醋酸杆菌;BC膜【作者】陈竞;冯蕾;杨新平【作者单位】新疆农业科学院微生物应用研究所,新疆乌鲁木齐830091;新疆农业科学院微生物应用研究所,新疆乌鲁木齐830091;新疆农业科学院微生物应用研究所,新疆乌鲁木齐830091【正文语种】中文【中图分类】Q815;TQ352细菌纤维素(Bacterial cellulose,简称BC)主要是由细菌在细胞外合成的一类高分子碳水化合物,与天然植物纤维素化学组成非常相似,都是由葡萄糖以β-1,4-糖苷键连接而成。
由于其独特的合成方式,使得细菌纤维素具有超细网状纤维结构,质地纯,结晶度高,有很强的吸水性,是一种天然的纳米材料的“海绵”,并具有良好的生物安全性和可降解性,合成过程温和同时具有强大的成膜特性,BC膜被形象的比喻成“是以无数的细菌为梭子织就的一块无纺布”。
以上优势预示着细菌纤维素在许多需要使用精细纤维素的领域有着不可替代的应用前景,因此细菌纤维素已成为近年来的一个研究热点。
本文综述了近年来国内外在细菌纤维素的菌种筛选、碳源优化、发酵工艺方面的研究成果,以及细菌纤维素在肾透析膜、血管支架、皮肤代用品、化妆品膜、减肥代餐食品等方面的应用,为我国在这一领域研究和应用做铺垫。
1 细菌纤维素的制备1.1 BC生产菌的分离筛选目前,已知能够生产纤维素的细菌有许多种,常见的有醋杆菌属(Acetobacter)、根瘤菌属(Rhizobium)、芽孢杆菌属(Bacillus)、八叠球菌属(Sarcina)、假单胞菌属(Pseudomonas)、土壤杆菌属(Agrobacterium)、气杆菌属(Aerobacter)、无色杆菌属(Achromobacter)、固氮菌属(Azotobacter)和产碱菌属(Alcaligenes)等。
细菌纤维素

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纺织工业
• 在纺织工业中,细菌纤维素的结构特点和功能 特性,使之能代替或不各种常用的树脂用于无 纺布中作粘合剂,改善无纺布的强度、透气性、 亲水性及最终产品的手感等,所适用的纤维包 括当前广泛使用于无纺布的各类纤维,如尼龙、 聚酯、木材纤维、碳纤维及玱璃纤维等。
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细菌纤维制成的衣服
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造纸工业
•
日本在造纸工业中,将醋酸菌纤维素加入纸浆,可提高纸 张强度和耐用性,同时解决了废纸回收再利用后,纸纤维强 度大为下降的问题。加细菌纤维于普通纸浆可造出高品质特 殊用纸。Ajinomoto公司不三菱公司合作开发用于流通货币 制造的特级纸,印制的美元质量好、抗水、强度高。用细菌 纤维改性的高级书写纸吸墨均匀性、附着性好。由于纳米级 超细纤维对物体极强的缠绕结合能力和拉力强度,使细菌纤 维机械匀浆后不各种相互丌亲和的有机、无机纤维材料混合 制造丌同形状用途的膜片、无纺布和纸张产品十分牢固。在 制造过滤吸附有毒气体的碳纤维板时,加入醋酸菌纤维素, 可提高碳纤维板的吸附容量,减少纸中填料的泄漏。
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细菌纤维素结构分析
图 4 细菌纤维素 的 X-射线衍射图
图 5 细菌纤维素的 CP/MAS 13C-NMR 谱
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细菌纤维素的常用培养方式
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细菌纤维素高产菌株的培育筛选
细菌纤维素的特性
• 可调控性。利用细菌纤维素生物合成时,可根据需要合成 各种功能材料。 • 高结晶度。细菌纤维素提纯过程简便,提纯出来的纤维素 极纯,无果胶、木质素和半纤维素等伴生物的产生。 • 高持水性。“孔道”结构使细菌纤维素具有极强的吸水性, 可吸收60~700倍于其干重的水分,因而利用细菌纤维素 的空间三维结构制备出来的医用敷料丌仅能保持伤口的干 燥,而且能吸收伤口渗出物,从而避免伤口感染。 • 高弹性模量和抗张强度。细菌纤维素由于纤维直径达到纳 米级别(10~lOOnm),其杨氏模量可高达10MP,抗拉强度 高。 • 高抗撕性。细菌纤维素膜具有极佳的形状维持能力,其抗 撕性比聚氯乙烯膜和聚乙烯醇膜和要强5倍以上。 • 可降解性。细菌纤维素可在自然界中直接降解,环保无污 染。对环境起到很好的保护作用。
细菌纤维素的制备及结构与性能研究

细菌纤维素的微纤维直径较小,又可以无限制的生长合成,因而其表面积可 以达到植物纤维素的300倍;纤维素分子内存在大量的亲水性基团,因此具有很强 的吸水和持水能力,能吸收60"--70倍于其干重的水分【10】,经特殊处理会更高,并 具有高的湿强度;同时由于细菌纤维素内部有很多“孔道",因而有良好的透水 和透气性。
sodium hydroxide/urea sodium、hydroxide/thiourea and lithium hydroxide/urea. Bacterial cellulose dissolved in NMMO is treated on PET fabric,the hydrophile
本人如违反上述声明,愿意承担由此引发的一切责任和后果。
弓、事目 论文作者签名:
日期:a蝎年/月6 R
学位论文知识产权权属声明
本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品,知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离 校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时,署名单位仍 然为青岛大学。
青岛大学 硕士学位论文 细菌纤维素的制备及结构与性能研究 姓名:李静 申请学位级别:硕士 专业:纺织化学与染整工程 指导教师:朱平
20080608
摘要
选择木醋杆菌为实验菌种,研究各种发酵培养条件和培养基成分对其合成细 菌纤维素的影响规律,确定了最佳工艺条件。首次以西瓜汁为培养基合成细菌纤 维素,取得了较为理想的效果。
mental cations ale tested in this paper,the results indicate that the product has excellent water-holding property and strong adsorption to Cu+.Bacterial cellulose can be dissolved in LiCI/DMAC、NMMO·H20 and formic acid,but not in solvents of
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细菌纤维素发酵合成方法
(2)优缺点: • 利用合成或半合成培养基发酵细菌纤维素的国内 外研究结果比较一致, 单一碳源以甘露醇和甘油 发酵效果较好,复合碳源的效果比单一碳源要好。 但这类碳源往往纯度高、价格贵,不适于细菌纤 维素工业化大规模生产。 • 天然培养基目前常用的培养基包括水果类原料、 糖质原料、淀粉类原料和纤维素类原料等几种, 尤其以水果类原料为多。这类原料量大而价廉, 可能是降低细菌纤维素生产成本的有效途径。
⑥cel A编码纤维素合成酶催化亚基的β-1,4-葡糖基
转移酶,该酶催化一个亲核替代反应。
细菌纤维素生物合成技术
(2)在 A.Xylinum(醋杆菌属)细胞中,葡聚糖链 的还原端指向细胞外。葡糖基转移酶催化 域中的酸性氨基酸残基吸引接受分子非还 原端羟基中的氢,所产生接受子的亲核物 质攻击UDP—Glc的异头碳 ,形成新的β1,4-糖苷键。
细菌纤维素生物合成技术
二、细菌中合成的基因: (1)在木醋杆菌Acetobacter AY201中发现一个纤维素 合成酶 ( Acet obacler cellulose syntheses,acs ) 操纵子,称为 TypeⅠ acs操纵子。TypeⅠ有三个基 因,acsAB、acsC和acsD。 ①acsAB基因编码168KDa的多肽是纤维素合酶。 ②acsAB和acsC基因是细胞内生物合成纤维素必需 的。 ③acsD基因涉及到纤维素的结晶化,并决定细胞膜 上微孔 ( 纤维素合成的位点)的线性排列。
细菌纤维素摘要
(2)什么是细菌纤维素: • 细菌纤维素 (Bacterial Cellulose,简称BC) 又称微生物纤维素 (Microbial Cellulose) 。 • 是一种主要由细菌产生的具有生物可降解 的天然纳米结构高分子材料, 近年来成为 国内外生物材料研究的热点之一。
纤维素结构
总结
国内利用微生物合成纤维素这项 技术还不多见,且多以葡萄糖、蔗糖 等作为碳源基质,生产成本较高。我 们期待开发出廉价的原料基质 ( 如淀 粉)来合成细菌纤维素。 我们相信,通过对纤维素生物合 成技术不断的深入研究,人们将全面 揭示纤维素生物合成途径及方法,合 成出多种廉价的新型纤维素,满足人 们对不同性能纤维素的 大量需求。
细菌纤维素发酵合成方法
(1)细菌纤维素的发酵生产主要采用两类培 养基,一类是合成或半合成培养基, 一类 是天然培养基。 ①合成或半合成培养基使用的碳源主要有甘露
醇、果糖、葡萄糖等单糖或者蔗糖和麦芽糖等二 糖以及它们的混合糖。
Hale Waihona Puke ②天然培养基一般是以工农业生产的剩余 物、 食品加工废弃物以及含糖量较高的果 蔬等农副产品为原料。
细菌纤维素生物合成技术
纤维素合成酶的第二个基因 (acsA Ⅱ+Tpye Ⅱ)也在 同一个菌株内被发现 。
④acsAⅡ编码一个与acsAB编码的多肽在长度和
序列上是相似的175KDa的多肽。
⑤当Acetobacter AYe01细胞内 acsAB基因突后,
acsA Ⅱ表达产生纤维素合成酶。acsAB基因与植物 的cel A基因具同源性 。
(2)结构:
纤维素结构
细菌纤维素和植物纤维素的区别
• 细菌纤维素和植物纤维素在化学组成和结 构上没有明显的区别,是由β-1,4-糖苷键连 接而成的线型高分子化合物。 • 相邻的吡喃葡萄糖的六个碳原子不在一个 平面上, 而是呈稳定的椅式立体结构。细 菌纤维素纤维的直径远小于其它天然和人 工纤维,约为20 ~80nm ,属于天然纳米纤 维材料。
细菌纤维素的生物合成
091060002 钟毅铭
主要内容
一、纤维素和细菌纤维素的摘要 二、纤维素结构 三、细菌纤维素和植物纤维素的区别 四、细菌纤维素特点
五、细菌纤维素生物合成技术
六、细菌纤维素发酵合成方法 七、总结
纤维素摘要
(1)什么是纤维素: ①纤维素是由 D—葡萄糖基通过β-1,4-糖苷键连 接起来的线形高分子化合物,其葡萄糖残基约为 2000~2500个。具有白色纤色纤细状固体形态。 ②植物中的纤维素主要以小微纤丝的形式存在, 一般微纤丝由36根β-1,4-葡糖苷链结晶而成,它 是植物细胞壁的主要成分。自然界每年约 有1800 亿吨的纤维素生成 ,是地球上最丰富的生物大分 子和 重要的可再生资源。
细菌纤维素特点
• 细菌纤维素有着植物纤维素所没有的许多特点: ①高结晶度和高化学纯度; ②高抗张强度和弹性模量; ③很强的水结合性; ④极佳的形状维持能力; ⑤较高的生物相容性和适应性; ⑥生物合成时形状和性能的可调控性,可制备成 膜、管、絮 状、球形或颗粒等形状。
细菌纤维素生物合成技术
一、细菌纤维素生物合成可分为: ①聚 合 ②分泌 ③组装 ④结晶 这四个过程是高度耦合的,并和细胞膜上的 特定位点密切相关 。 (2)细菌纤维素合成的直接前体物为尿苷磷酸葡 萄(UDP—GIc) 。UDP—GIc在纤素合成酶的催 化下合成纤维素。