CN102321702B - 一种动态发酵制备生物纤维素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种动态发酵制备生物纤维素的方法。本发明方法包括在动态发酵前的液体发酵培养基中加入惰性固体颗粒的步骤。其中的惰性固体颗粒可以为聚乙烯颗粒、聚丙烯颗粒、沸石颗粒和活性炭颗粒，也可以是将惰性固体原料与能给微生物生长提供能量的原料混合后，再经过成型制成的混合惰性固体颗粒。本方法中使用的惰性固体颗粒可以悬浮在液体培养基中，使微生物吸附其上进行发酵，能够提高生物纤维素的产量。此外，惰性固体颗粒还给生物纤维素提供了良好的载体，能够使生物纤维素结构更加致密，提高其机械性能，从而提高生物纤维素的质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物纤维素的制备方法，特别涉及一种动态发酵制备生物纤维素的方法。
背景技术
生物纤维素（Biocellulose）是指在不同条件下，由醋酸菌属（Acetobacter）、土壤杆菌属（Agrobacterium）、根瘤菌属（Rhizobium）和八叠球菌属（Sarcina）等中的某种微生物合成的纤维素的统称，又称为细菌纤维素；其通过微生物的生物合成作用，可以形成独特的超精细网状结构。具有很多与众不同的特性，如生物纤维素的弹性模量为一般植物纤维的数倍至十倍以上，并且抗张强度高；生物纤维素有很强的持水能力。生物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，也是非常好的膳食纤维来源。已经在食品、医药、化妆品等多个领域有广泛的应用。
生物纤维素的制备方法大体而言可以分为静态发酵法和动态发酵法。静态发酵法是在培养基中接种微生物后静置发酵，微生物代谢产生的生物纤维素会以膜的形式生长在培养基液面与空气的分界面上；而动态发酵则是将培养基置于搅拌或震荡的环境中进行发酵。但是采用静态发酵时，生物纤维素是从液面开始往下生长，随着生物纤维素产量的增加，微生物生长所需要的氧气将得不到有效供应，因此当生物纤维素膜增加到一定厚度时，其就不会继续产生了，这使得采用静态发酵时，生物纤维素的产量十分有限；而采用动态发酵法得到的生物纤维素在培养基液体的作用下会呈小球状，虽然其能够不断地通过搅拌或震荡引用氧气，但是得到的生物纤维素的结构却较松散，结晶度不够，机械性能较差，大大影响产品的质量。
发明内容
针对上述缺陷，本发明提供了一种动态发酵制备生物纤维素的方法，其既能够提高生物纤维素的产量，同时也能够获得结晶度更高、机械性能更好的生物纤维素产品。
本发明提供一种动态发酵制备生物纤维素的方法，其包括在动态发酵前的发酵培养基中加入惰性固体颗粒的步骤。
上述方法中使用的惰性固体颗粒可以是有机材料制成的也可以是无机材料制成的。优选是有机惰性固体颗粒如聚乙烯颗粒和聚丙烯颗粒等。优选的无机惰性固体颗粒有沸石颗粒和活性炭颗粒等。这些材料的密度与液体培养基的密度相近，在搅拌或摇床发酵过程中能够悬浮在液体培养基中。为了进一步促进微生物的生长，还可以将惰性固体原料与能给微生物生长提供能量的原料混合后，再经过挤出成型制成混合惰性固体颗粒，例如可以将聚丙烯树脂加热到165℃使其融化，加入大豆粉、酵母提取物，牛肉膏中的一种或多种后，挤出制成混合惰性固体颗粒。其配方可以为：聚丙烯50-60份，大豆粉10-20份，酵母提取物10-20份，牛肉膏10-20份；优选聚丙烯50份，大豆粉20份，酵母提取物20份，牛肉膏10份。
上述方法中使用的惰性固体颗粒的形状和大小可以是多种多样的，优选粒径在5-20mm的球形颗粒，或边长为5-20mm的立方体颗粒，或长度在10-100mm的圆柱体形或长方体形棒状颗粒。惰性固体颗粒在培养基中的加入量为每升培养基加入50-500g，因为所起的作用主要是载体和增加比表面积作用，则加入量基本是越多越好，但也不能过多；更优选是每升培养基加入80-150g。
上述方法中，生物纤维素的发酵菌种优选为木醋杆菌或木葡糖酸醋杆菌。发酵培养基中含有供菌株生长的足量的碳源和氮源，碳源优选为葡萄糖、果糖、蔗糖和/或椰子水。
上述方法中的动态培养可以是摇瓶发酵，转速优选为80-250rpm，也可以采用机械搅拌发酵，转速优选为100-500rpm。
上述方法中的动态发酵是在28-35℃下进行的。
上述方法中还包括收获生物纤维素小球后分离出其中的惰性固体颗粒的步骤。分离方法可以采用任何已知的可以将两者分离的方法，最直接的方法是用刀将生物纤维素剖开，将固体颗粒直接取出。
本发明的方法中使用的惰性固体颗粒能提供较大的比表面积，且具有与培养基较为接近的密度，则在动态发酵过程中可以悬浮在液体培养基中，使微生物吸附其上进行发酵，既能够给微生物提供充足的氧气，同时也能提高液体培养基中微生物的密度，能够提高生物纤维素的产量。此外，惰性固体颗粒还给生物纤维素提供了良好的载体，能够使生物纤维素结构更加致密，提高其机械性能，从而提高生物纤维素的质量。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1：动态发酵法制备生物纤维素
取椰子水1升作为液体发酵培养基，向其中加入平均粒径为10mm的活性炭球形颗粒100g，高温灭菌后，接种经活化的木葡糖酸醋杆菌种子液，接种量10%（体积比），28℃下摇床培养，摇床转速为80rpm，培养至培养基中生物纤维素不再增多后，固液分离得到生物纤维素小球，分离出其中的活性炭球形颗粒即得到生物纤维素产品。
实施例2：动态发酵法制备生物纤维素
往1升水中加入葡萄糖30g、磷酸氢二钠1g、磷酸二氢钠1g、酵母提取物1g、蛋白胨1g制成液体发酵培养基，向其中加入平均粒径为5mm的聚丙烯立方体颗粒80g，高温灭菌后，接种经活化的木葡糖酸醋杆菌种子液，接种量8%，30℃下机械搅拌培养，搅拌器转速为500rpm，培养至培养基中生物纤维素不再增多后，固液分离得到生物纤维素小球，分离出其中的聚丙烯立方体颗粒得到生物纤维素产品。
实施例3：动态发酵法制备生物纤维素
往1升椰子水中加入磷酸氢二钠1g，酵母提取物2g，蛋白胨2g作为液体发酵培养基，向其中加入长度为20mm的聚乙烯圆柱体棒状颗粒120g，高温灭菌后，接种经活化的木葡糖酸醋杆菌种子液，接种量9%，32℃下机械搅拌培养，搅拌器转速为300rpm，培养至培养基中生物纤维素不再增多后，固液分离得到生物纤维素小球，分离出其中的聚乙烯圆柱体棒状颗粒得到生物纤维素产品。
实施例4：动态发酵法制备生物纤维素
往1升水中加入葡萄糖70g、磷酸氢二钠3g、磷酸二氢钾3g、酵母提取物3g制成液体发酵培养基，向其中加入平均粒径为20mm的沸石颗粒150g，高温灭菌后，接种经活化的木葡糖酸醋杆菌种子液，接种量10%，30℃下摇瓶培养，摇瓶转速为250rpm，培养至培养基中生物纤维素不再增多后，固液分离得到生物纤维素小球，分离出其中的沸石颗粒得到生物纤维素产品。
实施例5：动态发酵法制备生物纤维素
取聚丙烯50份，将其加热至165℃使其融化后，加入大豆粉10份，酵母提取物10份，牛肉膏10份，混合均匀后，通过挤出机挤出成型制成长度为100mm的圆柱体棒状混合惰性固体颗粒备用。取惰性固体颗粒90g加入到1升椰子水中，混合均匀，高温灭菌后制成液体发酵培养基，再接种经活化的木葡糖酸醋杆菌种子液，接种量8%，35℃下摇瓶培养，摇瓶转速为150rpm，培养至培养基中生物纤维素不再增多后，固液分离得到生物纤维素小球，分离出其中的圆柱体棒状混合惰性固体颗粒得到生物纤维素产品。
对比实验例1：生物纤维素产量
取椰子水1升作为液体发酵培养基，高温灭菌后，接种经活化的木葡糖酸醋杆菌种子液，接种量10%，28℃下静态培养至生物纤维素不再增加，固液分离，得到生物纤维素膜产品，作为对照1。
取椰子水1升作为液体发酵培养基，高温灭菌后，接种经活化的木葡糖酸醋杆菌种子液，接种量10%，28℃下摇床培养，摇床转速为80rpm，培养至培养基中生物纤维素不再增多后，固液分离得到生物纤维素小球产品，作为对照1’。
将对照1、对照2以及实施例1中得到的生物纤维素产品先用碱液浸泡去除残留的微生物，再用去离子水反复洗涤至中性后，于同样的条件下低温减压干燥至恒重，称量产品的的重量。结果见表1。
如上所述，再分别采用与实施例2-5相同的发酵条件，采用传统的静态发酵的作为对照2-5；采用不加入惰性固体颗粒的动态发酵的作为对照2’-5’，将各实施例和各对照例中得到的生物纤维素产品先用碱液浸泡去除残留的微生物，再用去离子水反复洗涤至中性后，于同样的条件下低温减压干燥至恒重，称量产品的的重量。结果见表1：
表1 生物纤维素产品的产量
| 对照例1 | 对照例1’ | 实施例1 | |
| 干燥重量（g） | 1.21 | 2.87 | 5.02 |
| 对照例2 | 对照例2’ | 实施例2 | |
| 干燥重量（g） | 0.96 | 3.12 | 5.33 |
| 对照例3 | 对照例3’ | 实施例3 | |
| 干燥重量（g） | 1.04 | 3.01 | 4.89 |
| 对照例4 | 对照例3’ | 实施例4 | |
| 干燥重量（g） | 1.27 | 3.18 | 5.65 |
| 对照例5 | 对照例5’ | 实施例5 | |
| 干燥重量（g） | 1.34 | 3.07 | 6.86 |
从上述结果可以看出，在完全相同的条件下，在液体培养基中加入了惰性固体颗粒并动态培养与传统静态培养和普通动态培养相比，能够显著提高生物纤维素的产量。
对比实验例2：生物纤维素的机械性能
如上所述，分别采用与实施例1-5相同的发酵条件，采用传统的静态发酵的作为对照a-e；采用不加入惰性固体颗粒的动态发酵的作为对照a’-e’，将各实施例和各对照例中得到的生物纤维素产品先用碱液浸泡去除残留的微生物，再用去离子水反复洗涤至中性后，切割成长30mm、宽10mm、厚5mm的长方体，再在同样的条件下低温减压干燥至恒重，分别进行拉伸实验，测定拉伸杨氏模量和断裂伸长率。结果分别见表2和表3：
表2：生物纤维素产品的拉伸杨氏模量
| 对照例a | 对照例a’ | 实施例1 | |
| 杨氏模量（Mpa） | 2377 | 542 | 2213 |
| 对照例b | 对照例b’ | 实施例2 | |
| 杨氏模量（Mpa） | 2132 | 577 | 2078 |
| 对照例c | 对照例c’ | 实施例3 | |
| 杨氏模量（Mpa） | 2145 | 603 | 2334 |
| 对照例d | 对照例d’ | 实施例4 | |
| 杨氏模量（Mpa） | 2251 | 616 | 2318 |
| 对照例e | 对照例e’ | 实施例5 | |
| 杨氏模量（Mpa） | 2178 | 594 | 2512 |
表3：生物纤维素产品的断裂伸长率
| 对照例a | 对照例a’ | 实施例1 | |
| 断裂伸长率（%） | 1.54 | 0.86 | 1.35 |
| 对照例b | 对照例b’ | 实施例2 | |
| 断裂伸长率（%） | 1.52 | 0.93 | 1.41 |
| 对照例c | 对照例c’ | 实施例3 | |
| 断裂伸长率（%） | 1.43 | 0.82 | 1.39 |
| 对照例d | 对照例d’ | 实施例4 | |
| 断裂伸长率（%） | 1.67 | 0.96 | 1.52 |
| 对照例e | 对照例e’ | 实施例5 | |
| 断裂伸长率（%） | 1.58 | 0.92 | 1.55 |
从上述实验结果可以看出，在相同的条件下，在液体培养基中加入了惰性固体颗粒并动态培养获得的生物纤维素的杨氏模量及断裂伸长率均基本与静态发酵制得的生物纤维素相当，而明显高于传统动态发酵制得的生物纤维素。
Claims (1)
1.一种动态发酵制备生物纤维素的方法，其特征在于：取聚丙烯50份，将其加热至165℃使其融化后，加入大豆粉10份，酵母提取物10份，牛肉膏10份，混合均匀后，通过挤出机挤出成型制成长度为100mm的圆柱体状混合惰性固体颗粒备用，取混合惰性固体颗粒90g加入到1升椰子水中，混合均匀，高温灭菌后制成液体发酵培养基，再接种经活化的木葡糖酸醋杆菌种子液，接种量8%，35℃下摇瓶培养，摇瓶转速为150rpm，培养至培养基中生物纤维素不再增多后，固液分离得到生物纤维素小球，分离出其中的圆柱体状混合惰性固体颗粒得到生物纤维素产品。
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