CN101525647A - 一种利用麦秆生产细菌纤维素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用麦秆生产细菌纤维素的方法，包括：(1)麦秆磨碎至40－80目，再用稀硫酸或盐酸在反应器中以1∶6－1∶30的麦秆与稀酸液的固/液比浸泡，在温度100℃～121℃下反应，接着通过抽滤将麦秆残渣和酸水解液分开，收集水解液冷藏备用；(2)水解液的脱毒；(3)取上述的脱毒水解液作为培养基碳源，加0.1－1％的酵母浸膏和0.1－0.5％胰蛋白胨，配成培养基，以6％－10％的接种量接入醋酸杆菌或葡萄糖氧化杆菌细菌在26－30℃，160－250转/分钟摇床中培养或在26－30℃培养箱内静止培养，得到细菌纤维素。该方法制备的培养基碳源质量好，价格低，可用于工业生产。
Description
技术领域
本发明属细菌纤维素的制备领域，特别是涉及一种利用麦秆生产细菌纤维素的方法。
背景技术
细菌纤维素(Bacterial Cellulose，简称BC)又称为微生物纤维素(Microbial Cellulose)，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，该纤维素材料在人工皮肤和血管、医用敷料、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基成本高，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。针对细菌纤维素生产成本高的问题，特别是培养基碳源成本较高的问题，本发明公开了一种利用农业加工废弃物——麦秆制备培养基碳源的方法。
农作物秸秆等生物质是地球上一种数量巨大的可再生资源。我国生物质资源丰富，每年产生的生物质总量有50多亿吨(干重)，因此，生物质的能源化和资源化利用是一项系统工程也是目前亟待开发的课题。麦秆主要化学成分由纤维素、半纤维素和木质素组成，但是麦秆结构复杂。纤维素、半纤维素不但被木质素包裹，而且半纤维素部分共价和木质素结合，纤维素则具有高度有序晶体结构，所以麦秆的利用需要预处理。只有经过预处理，才能解除木质素对纤维素的包裹，从而把纤维素暴露出来，利于酸水解或酶水解及后续发酵过程。在水解过程中，虽然有葡萄糖，木糖，阿拉伯糖等混合糖产生，但由于反应条件剧烈，还会生成许多对发酵微生物有毒性作用的抑制物，水解液中的抑制剂主要有：糠醛、羟甲基糖醛、乙酸、酚类化合物、丁香酸、羟基苯甲酸、香草醛及其它有毒化合物。所以在使用上述水解液进行微生物发酵过程中，需要对水解液脱毒，以减少这些有毒化合物对微生物发酵培养的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用麦秆生产细菌纤维素的方法，该方法制备的培养基碳源质量好，价格低，可用于工业生产。
本发明的一种利用麦秆生产细菌纤维素的方法，包括：
(1)麦秆的稀酸水解
麦秆先用植物粉碎机磨碎，再用稀硫酸或盐酸(0.3％～7％，w/v)在反应器中以1∶6-1∶30的麦秆与稀酸液的固/液比浸泡过夜(12-24h)，然后在温度100℃～121℃条件下反应30～80分钟，接着通过抽滤将麦秆残渣和酸水解液分开，收集水解液，4℃-8℃冰箱冷藏备用；
(2)水解液的脱毒
由于水解液中含有一定的有毒物质，在以水解液作为培养基碳源时醋酸杆菌(Acetobacter aceti)或葡萄糖氧化杆菌(Gluconobacter Oxydans)不能生长和合成细菌纤维素，所以水解液必需脱毒；
用NaOH、Ca(OH)2(或石灰)和氨水(NH4OH)等碱对水解液进行脱毒，改变脱毒条件譬如pH值、时间，以及分别结合活性炭或结合10％漆酶(酶活为2.75U/mL)对水解液进行脱毒以提高脱毒效果；
方法1：NaOH将水解液pH值调到4.5-5.5，过滤沉淀，并微调到pH4.5-5.5；
方法2：NaOH将水解液pH值调到4.5-5.5，加入活性炭吸附，反应后过滤掉活性炭并重新微调pH值到4.5-5.5；
方法3：NaOH将水解液pH值调到9.5-11，加入活性炭吸附，反应后过滤掉活性炭并重新调节pH值到4.5-5.5；
方法4：NaOH将水解液pH值调到9.5-11，于25-60℃温水浴条件下反应过夜，过滤并重新调pH值到4.5-5.5；
方法5：NaOH将水解液pH值调到9.5-11，于25-60℃温水浴条件下反应过夜，过滤并重新调pH值到4.5-5.5，然后加入活性炭吸附，反应后过滤掉活性炭并重新微调pH值到4.5-5.5；
方法6：NaOH将水解液pH值调到4.5-5.5，加10％漆酶(酶活为2.75U/mL)于25-60℃温水浴条件下反应12h-24h，过滤掉沉淀物并重新微调pH值到4.5-5.5；
方法7：Ca(OH)2将水解液pH值调到4.5-5.5，过滤沉淀，并微调到pH4.5-5.5；
方法8：Ca(OH)2将水解液pH值调到4.5-5.5，加入活性炭吸附，反应后过滤掉活性炭并重新微调pH值到4.5-5.5；
方法9：Ca(OH)2将水解液pH值调到9.5-11，加入活性炭吸附，反应后过滤掉活性炭并重新调节pH值到4.5-5.5；
方法10：Ca(OH)2将水解液pH值调到9.5-11，于25-60℃温水浴条件下反应过夜，过滤并重新调pH值到4.5-5.5；
方法11：Ca(OH)2将水解液pH值调到9.5-11，于25-60℃温水浴条件下反应过夜，过滤并重新调pH值到4.5-5.5，然后加入活性炭吸附，反应后过滤掉活性炭并重新微调pH值到4.5-5.5；
方法12：Ca(OH)2将水解液pH值调到4.5-5.5，加10％漆酶(酶活为2.75U/mL)于25-60℃温水浴条件下反应12h-24h，过滤掉沉淀物并重新微调pH值到4.5-5.5；
方法13：25％-30％氨水将水解液pH值调到9.5-11，于25-60℃温水浴条件下反应过夜，过滤并重新调pH值到4.5-5.5，然后加入活性炭吸附，反应后过滤掉活性炭并重新微调pH值到4.5-5.5；
方法14：25％-30％氨水将水解液pH值调到4.5-5.5，加10％漆酶(酶活为2.75U/mL)于25-60℃温水浴条件下反应12h-24h，过滤掉沉淀物并重新微调pH值到4.5-5.5。
(3)细菌纤维素的制备
取上述的脱毒水解液作为培养基碳源，补加0.1-1％的酵母浸膏和0.1-0.5％胰蛋白胨，配成培养基，以6％-10％的接种量接入醋酸杆菌(美国标准生物样品保藏中心ATCC提供：Acetobacter aceti subsp.xylinus(Gluconacetobacter xylinus)ATCC 23770、Acetobacteraceti subsp.xylinus(Gluconacetobacter xylinus)ATCC 53263、Gluconacetobacter xylinusATCC 53264、Gluconacetobacter xylinus ATCC 53524、Gluconacetobacter xylinus ATCC53582、Gluconacetobacter xylinus ATCC 53749、Gluconacetobacter xylinus ATCC 53750、Gluconacetobacter xylinus ATCC 700178 Gluconacetobacter hansenii ATCC 10821、Gluconacetobacter hansenii ATCC 23769)或葡萄糖氧化杆菌(Gluconobacter oxydans ATCC11894)等细菌在26-30℃，160-250转/分钟摇床中培养或在26-30℃培养箱内静止培养，经过一段时间(8-25天)均能够得到较理想的细菌纤维素。
其中方法11，Ca(OH)2结合活性炭的方法制备细菌纤维素的效果最好，可以在11天左右的时间生成较为理想的细菌纤维素膜，且细菌纤维素产量最高，可达15.4mg/mL。当该脱毒的水解液与其它常规碳源比较时，在相同碳源浓度和培养条件下，该脱毒水解液制备的细菌纤维素产量仍高于常规碳源制备的，要比以纯甘露醇、蔗糖或葡萄糖为碳源时的纤维素产量分别高出50.3％、65.0％和69.9％。
此外，使用不同碱液调节水解液pH至9.5-11反应后再结合活性炭的方法(方法5，方法11，方法13)要比用不同碱液调节水解液pH至4.5-5.5再结合漆酶的方法(方法6，方法12，方法14)对麦秆水解液脱毒效果好，其中脱毒效果最好的是用Ca(OH)2调节水解液pH值，其次是NaOH和氨水。
有益效果
本发明利用麦秆中这一价廉的原料，进行稀酸水解和脱毒，生产出一种可以用于培养细菌制备纤维素的培养基碳源，为工业化大规模生产细菌纤维素这一新兴生物材料提供新的思路和途径。麦秆来源广泛，价格低廉，因此生产细菌纤维素的培养基碳源的制备及其脱毒方法有着很高的实际应用价值，优势明显。经测试，本发明所生产的培养基碳源也可以用于其它工业微生物的培养，是一种价廉质优的碳源。
附图说明
图1不同方法制备的麦秆水解液碳源生产的细菌纤维素的结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
麦秆先用植物粉碎机磨碎，再用稀硫酸(3％，w/v)在反应器中以1∶6的麦秆与稀酸液的固/液比浸泡过夜(12-24h)，然后在温度121℃反应60分钟，接着将麦秆残渣和酸液抽滤分开，收集水解液，4℃冰箱冷藏备用。
加入NaOH将水解清液pH值调到10左右，用滤纸过滤掉沉淀得到处理后水解液，再微调pH值到10.0。然后用膜封口，置于30℃水浴中反应过夜，最后用稀酸将水解液pH值调到5.0。然后加入2％(质量百分比)活性炭，搅拌(室温条件下5-10min)后用滤纸过滤掉活性炭，得到脱毒水解清液，再用稀硫酸微调pH值到5.5。脱毒后的水解液经测糖，作为培养基碳源，再在其中补加0.1％-1％的酵母浸膏和0.1％-0.5％胰蛋白胨配成麦秆水解液培养基用于微生物的培养。
实施例2
麦秆先用植物粉碎机磨碎，再用稀盐酸(1％，w/v)在反应器中以1∶10的麦秆与稀酸液的固/液比浸泡过夜(12-24h)，然后在温度121℃反应75分钟，接着将麦秆残渣和酸液抽滤分开，收集水解液，4℃冰箱冷藏备用。
加入Ca(OH)2将水解清液pH值调到10左右，用滤纸过滤掉沉淀得到处理后水解液，再微调pH值到10.0。然后用膜封口，置于40℃水浴中反应过夜，最后用稀酸将水解液pH值调到5.0。然后加入2％(质量百分比)活性炭，搅拌(室温条件下5-10min)后用滤纸过滤掉活性炭，得到脱毒水解清液，再用稀硫酸微调pH值到5.5。脱毒后的水解液经测糖，作为培养基碳源，再在其中补加0.1％-1％的酵母浸膏和0.1％-0.5％胰蛋白胨配成麦秆水解液培养基用于微生物的培养。
实施例3
麦秆先用植物粉碎机磨碎，再用稀硫酸(2％，w/v)在反应器中以1∶15的麦秆与稀酸液的固/液比浸泡过夜(12-24h)，然后在温度100℃反应80分钟，接着将麦秆残渣和酸液抽滤分开，收集水解液，4℃冰箱冷藏备用。
加入25％氨水将水解清液pH值调到10，用滤纸过滤掉沉淀得到处理后水解液，再微调pH值到10。然后用膜封口，置于25℃水浴中反应过夜，最后用稀酸将水解液pH值调到5.0。然后加入2％(质量百分比)活性炭，搅拌(室温条件下5-10min)后用滤纸过滤掉活性炭，得到脱毒水解清液，再用稀硫酸微调pH值到5.5。脱毒后的水解液经测糖，作为培养基碳源，再在其中补加0.1％-1％的酵母浸膏和0.1％-0.5％胰蛋白胨配成麦秆水解液培养基用于微生物的培养。
实施例4
麦秆先用植物粉碎机磨碎，再用稀硫酸(3％，w/v)在反应器中以1∶15的麦秆与稀酸液的固/液比浸泡过夜(12-24h)，然后在温度110℃反应60分钟，接着将麦秆残渣和酸液抽滤分开，收集水解液，6℃冰箱冷藏备用。
加入NaOH将水解清液pH值调到5.0，加入10％酶活为2.75U/mL的漆酶，于50℃水浴中反应12h，过滤掉活性炭并重新微调pH值到5.5。脱毒后的水解液经测糖，作为培养基碳源，再在其中补加0.1％-1％的酵母浸膏和0.1％-0.5％胰蛋白胨配成麦秆水解液培养基用于微生物的培养。
实施例5
麦秆先用植物粉碎机磨碎，再用稀硫酸(3％，w/v)在反应器中以1∶30的麦秆与稀酸液的固/液比浸泡过夜(12-24h)，然后在温度110℃反应60分钟，接着将麦秆残渣和酸液抽滤分开，收集水解液，6℃冰箱冷藏备用。
加入Ca(OH)2将水解清液pH值调到5.0，加入10％酶活为2.75U/mL的漆酶，于50℃水浴中反应12h，过滤掉活性炭并重新微调pH值到5.5。脱毒后的水解液经测糖，作为培养基碳源，再在其中补加0.1％-1％的酵母浸膏和0.1％-0.5％胰蛋白胨配成麦秆水解液培养基用于微生物的培养。
实施例6
麦秆先用植物粉碎机磨碎，再用稀盐酸(3％，w/v)在反应器中以1∶30的麦秆与稀酸液的固/液比浸泡过夜(12-24h)，然后在温度121℃反应60分钟，接着将麦秆残渣和酸液抽滤分开，收集水解液，4℃冰箱冷藏备用。
加入25％氨水将水解清液pH值调到5.0，加入10％酶活为2.75U/mL的漆酶，于40℃水浴中反应12h，过滤掉活性炭并重新微调pH值到5.5。脱毒后的水解液经测糖，作为培养基碳源，再在其中补加0.1％-1％的酵母浸膏和0.1％-0.5％胰蛋白胨配成麦秆水解液培养基用于微生物的培养。
实施例7
麦秆先用植物粉碎机磨碎，再用稀硫酸(1％，w/v)在反应器中以1∶12的麦秆与稀酸液的固/液比浸泡过夜(12-24h)，然后在温度121℃反应30分钟，接着将麦秆残渣和酸液抽滤分开，收集水解液，4℃冰箱冷藏备用。
加入Ca(OH)2将水解清液pH值调到10左右，用滤纸过滤掉沉淀得到处理后水解液，再微调pH值到10.0。然后用膜封口，置于40℃水浴中反应过夜，最后用稀酸将水解液pH值调到5.0。然后加入2％(质量百分比)活性炭，搅拌(室温条件下5-10min)后用滤纸过滤掉活性炭，得到脱毒水解清液，再用稀硫酸微调pH值到5.5。脱毒后的水解液经测糖，作为培养基碳源，再在其中补加0.1％-1％的酵母浸膏和0.1％-0.5％胰蛋白胨配成麦秆水解液培养基用于微生物的培养。
实施例8
使用上述各种方法对麦秆水解液脱毒，并调节水解液糖浓度为25g/L，同时分别配制同样浓度的葡萄糖、甘露醇、蔗糖，再在其中补加0.1％-1％的酵母浸膏和0.1％-0.5％胰蛋白胨分别配成50mL麦秆水解液培养基、葡萄糖培养基、甘露醇培养基、蔗糖培养基。将醋酸杆菌或葡萄糖氧化杆菌以6-10％的接种量接入麦秆水解液培养基在30℃培养箱内静止培养8-15天，可得到较理想的细菌纤维素产品或较丰厚的细菌纤维素膜，实验结果见图1。
在细菌纤维素产量上，使用Ca(OH)2结合活性炭的脱毒方法(方法11)要优于那些使用NaOH结合活性炭和氨水结合活性炭的脱毒方法。经Ca(OH)2结合活性炭的脱毒方法制备的碳源，在8-15天左右的时间可以生成较理想的细菌纤维素膜，而经NaOH结合活性炭和氨水结合活性炭的脱毒方法的碳源，虽然也能形成细菌纤维素膜，但产量没有Ca(OH)2结合活性炭的脱毒方法高。
由图1可见，Ca(OH)2结合活性炭的脱毒方法(方法11)的细菌纤维素产量是最高的，当Ca(OH)2结合活性炭与其他常规碳源，譬如蔗糖，葡萄糖和甘露醇比较时，Ca(OH)2结合活性炭脱毒的水解液制备的细菌纤维素产量高于常规碳源的培养基。所以在同等条件下，使用脱毒麦秆水解液配制的培养基生产的细菌纤维素产量略高于以甘露醇、蔗糖或葡萄糖为碳源的培养基，由于原料麦秆来源广泛，价格低廉，因此该生产细菌纤维素的培养基碳源的制备及其脱毒方法有着很高的实际应用价值，优势明显。
Claims (3)
1.一种利用麦秆生产细菌纤维素的方法，包括：
(1)麦秆先用植物粉碎机磨碎至40-80目，再用0.3％～7％w/v的稀硫酸或盐酸在反应器中以1∶6-1∶30的麦秆与稀酸液的固/液比浸泡12-24h，然后在100℃～121℃反应30～80分钟，接着通过抽滤将麦秆残渣和酸水解液分开，收集水解液，4℃-8℃冰箱冷藏备用；
(2)水解液的脱毒
方法1：NaOH将水解液pH值调到4.5-5.5，过滤沉淀，并微调到pH4.5-5.5；
方法2：NaOH将水解液pH值调到4.5-5.5，加入活性炭吸附，反应后过滤掉活性炭并重新微调pH值到4.5-5.5；
方法3：NaOH将水解液pH值调到9.5-11，加入活性炭吸附，反应后过滤掉活性炭并重新调节pH值到4.5-5.5；
方法4：NaOH将水解液pH值调到9.5-11，于25-60℃温水浴条件下反应12h-24h，过滤并重新调pH值到4.5-5.5；
方法5：NaOH将水解液pH值调到9.5-11，于25-60℃温水浴条件下反应12h-24h，过滤并重新调pH值到4.5-5.5，然后加入活性炭吸附，反应后过滤掉活性炭并重新微调pH值到4.5-5.5；
方法6：NaOH将水解液pH值调到4.5-5.5，加10％的酶活为2.75U/mL的漆酶于25-60℃温水浴条件下反应12h-24h，过滤掉沉淀物并重新微调pH值到4.5-5.5；
方法7：Ca(OH)2将水解液pH值调到4.5-5.5，过滤沉淀，并微调到pH4.5-5.5；
方法8：Ca(OH)2将水解液pH值调到4.5-5.5，加入活性炭吸附，反应后过滤掉活性炭并重新微调pH值到4.5-5.5；
方法9：Ca(OH)2将水解液pH值调到9.5-11，加入活性炭吸附，反应后过滤掉活性炭并重新调节pH值到4.5-5.5；
方法10：Ca(OH)2将水解液pH值调到9.5-11，于25-60℃温水浴条件下反应12h-24h，过滤并重新调pH值到4.5-5.5；
方法11：Ca(OH)2将水解液pH值调到9.5-11，于25-60℃温水浴条件下反应12h-24h，过滤并重新调pH值到4.5-5.5，然后加入活性炭吸附，反应后过滤掉活性炭并重新微调pH值到4.5-5.5；
方法12：Ca(OH)2将水解液pH值调到4.5-5.5，加10％的酶活为2.75U/mL的漆酶于25-60℃温水浴条件下反应12h-24h，过滤掉沉淀物并重新微调pH值到4.5-5.5；
方法13：25％-30％氨水将水解液pH值调到9.5-11，于25-60℃温水浴条件下反应12h-24h，过滤并重新调pH值到4.5-5.5，然后加入活性炭吸附，反应后过滤掉活性炭并重新微调pH值到4.5-5.5；
方法14：25％-30％氨水将水解液pH值调到4.5-5.5，加10％的酶活为2.75U/mL的漆酶于25-60℃温水浴条件下反应12h-24h，过滤掉沉淀物并重新微调pH值到4.5-5.5；
(3)取上述的脱毒水解液作为培养基碳源，加0.1-1％的酵母浸膏和0.1-0.5％胰蛋白胨，配成培养基，以6％-10％的接种量接入醋酸杆菌或葡萄糖氧化杆菌，在26-30℃，160-250转/分钟摇床中培养或在26-30℃培养箱内静止培养，经过8-25天得到细菌纤维素。
2.根据权利要求1所述的一种利用麦秆生产细菌纤维素的方法，其特征在于：所述步骤(2)活性炭是1质量％-6质量％的活性炭于室温下搅拌5-10min。
3.根据权利要求1所述的一种利用麦秆生产细菌纤维素的方法，其特征在于：所述步骤(3)用于培养细菌的碳源是经脱毒制备的麦秆水解液。
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