CN104726516B - 一种利用棉籽糖制备细菌纳米纤维素的方法 - Google Patents

一种利用棉籽糖制备细菌纳米纤维素的方法 Download PDF

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本发明涉及一种利用棉籽糖制备细菌纳米纤维素的方法，包括：(1)取棉粕，浸泡于含乙醇的水溶液中，50～80℃下浸泡1～3小时，过滤或者离心得到提取液，重复多次，合并；(2)将提取液或者将提取液脱毒、蒸干得到的棉籽糖溶于水中，加入氮源配制成发酵培养基，pH调至4.0～6.0灭菌；将细菌纳米纤维素生产菌株的种子液接入发酵培养基，在20～30℃下静止培养、动态培养或者搅拌培养，经过3～14天制得细菌纳米纤维素。本发明以棉粕中提取的棉籽糖为原料，可以大大降低细菌纳米纤维素的生产原料成本；该生产工艺具有原料来源广泛，成本低，可操作性强等优点，在细菌纳米纤维素的生产领域具有良好的应用前景。

Description

一种利用棉籽糖制备细菌纳米纤维素的方法
技术领域
本发明属于细菌纳米纤维素领域，特别涉及一种利用棉籽糖制备细菌纳米纤维素的方法。
背景技术
细菌纳米纤维素(Bacterial NanoCellulose,简称BNC)是一种有着广阔应用前景的生物工程材料，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，然而细菌纳米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。
BNC具有许多优异性能，在多个领域有广阔的应用前景：(1)在医用材料上，细菌纳米纤维素用于组织工程支架、人工血管、人工角膜、人工皮肤以及治疗皮肤损伤等方面；(2)在食品工业上，细菌纳米纤维素具有很强的亲水性、持水性、稳定性及完全不被人体消化的特点，可作为食品的增稠剂、成型剂、分散剂和结合剂等，作为一种新型食品基料，也用于饮料、功能食品的制造；(3)在造纸工业上，细菌纳米纤维可提高纸张的性能、开发新型张及特种纸；(4)另外细菌纳米纤维素也用于生产高级音响设备振动膜、超级滤膜、生物传感器表面膜等。
目前工业上生产细菌纳米纤维素的主要原料葡萄糖、甘露糖、蔗糖等均是商品化的试剂，成本较高，制约了细菌纳米纤维素的规模化生产和应用，因此寻找、开发廉价的生产原料、降低生产成本是开发细菌纳米纤维素的关键。
棉籽糖主要是一种从棉籽、甜菜糖蜜、大豆等中提取的三糖，由半乳糖、果糖和葡萄糖聚合而成。葡萄糖等单糖能被木醋杆菌代谢利用，但是由于微生物基因的差异，代谢途径多样，譬如D-木糖仅能被木醋杆菌代谢很少一部分，而D-甘露糖和D-阿拉伯糖极难被利用。寡糖尚未被发现能被木醋杆菌代谢利用。棉籽是棉花生产时的副产物，来源充足、价格低廉。全世界每年的棉籽产量为4000万吨以上，而我国也有1000万吨以上，按棉籽中含棉籽低聚糖5％计算，我国可提取得到50万吨棉籽低聚糖。目前精制棉籽糖仅被用于食品添加剂，应用领域亟待拓宽。如能将其用于细菌纳米纤维素的生产，一方面有利于农民增收，另一方面也有利于降低细菌纳米纤维素的生产成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用棉籽糖制备细菌纳米纤维素的方法，该方法具有原料来源广泛，成本低，可操作性强等优点，在细菌纳米纤维素的生产领域具有良好的应用前景。
本发明的一种利用棉籽糖制备细菌纳米纤维素的方法，包括：
(1)取棉粕，浸泡于含乙醇的水溶液中，50～80℃下浸泡1～3小时，过滤或者离心得到提取液，重复多次，合并；
(2)将提取液或者将提取液脱毒、蒸干得到的棉籽糖溶于水中，加入氮源配制成发酵培养基，pH调至4.0～6.0灭菌；将细菌纳米纤维素生产菌株的种子液接入发酵培养基，在20～30℃下静止培养、动态培养或者搅拌培养，经过3～14天制得细菌纳米纤维素。
所述步骤(1)中的乙醇的体积百分比为70％～80％；棉粕与含乙醇的水溶液的质量比为1:1～4。
所述步骤(2)中的脱毒、蒸干具体方法为：先用活性碳脱色脱毒或用Ca(OH)2脱毒，再用膜过滤或重结晶法去除杂质或不除杂，而后将产物在80℃蒸干或部分蒸干，蒸干后的干物质中棉籽糖含量为40％～90％。
所述蒸干设备为旋转蒸发仪蒸、烘箱、冻干或喷雾干燥器。
所述步骤(2)中的棉籽糖溶于水后直接用于发酵，或者用α-半乳糖苷酶或0.5％～2％稀硫酸水解。
所述步骤(2)中的发酵培养基中，棉籽糖的含量为1～20wt％；氮源为0～0.6wt％的酵母浸膏和0～1.0wt％的胰蛋白胨或者0～2wt％的硫酸铵、玉米浆或麦芽汁。
所述步骤(2)中的细菌纳米纤维素生产菌株为醋酸菌属(Acetobacter sp.)、葡萄糖酸杆菌属(Gluconobacter sp.)、葡糖酸醋杆菌属(Gluconacetobacter sp.)、葡萄糖氧化杆菌(Gluconobacter oxydans)、根瘤菌属(Rhizobium sp.)、八叠球菌属(Sarcinasp.)、假单胞菌属(Pseudomounas sp.)、无色杆菌属(Achromobacter sp.)、产碱菌属(Alcaligenes sp.)、气杆菌属(Aerobacter sp.)、固氮菌属(Azotobacter sp.)、土壤杆菌属(Agrobacterium sp.)、洋葱假单胞菌(Seudomonas cepacia)、空肠弯曲菌(Campylobacter jejuni)或木葡糖酸醋杆菌(Gluconacetobacter xylinus)。
所述细菌纳米纤维素生产菌株中除红茶菌以外的菌种按2～3接种环的接种量接入液体种子培养基制备种子液,然后按体积百分比3～15％的接种量转接到发酵培养基；细菌纳米纤维素生产菌株为红茶菌时按接入1～3片直径1cm圆片菌膜的接种量接入液体种子培养基，然后按1～3片直径1cm圆片菌膜的接种量转接到发酵培养基。
所述步骤(2)中的动态培养的转速为5～500rpm；搅拌培养的转速为15～500rpm。
有益效果
本发明以棉粕中提取的棉籽糖为原料，可以大大降低细菌纳米纤维素的生产原料成本；该生产工艺具有原料来源广泛，成本低，可操作性强等优点；利用棉籽糖可促进细菌纳米纤维素合成的特点，在细菌纳米纤维素的生产领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1为不同碳源制备细菌纳米纤维素时发酵终点发酵液pH值；
图2为不同碳源制备细菌纳米纤维素的产量。
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
取500g棉粕，浸泡于含70％乙醇的水溶液1000g，浸泡一小时，取出提取液，重复此操作四次，将提取液合并。先静置沉淀，取上清经活性碳脱色，而后将滤液在80℃蒸干，回收干物质及乙醇。其中，棉籽糖含量用苯酚硫酸总糖法和DNS还原糖法测定。
棉籽糖得率测定：
将干物质以80g/L的量溶于蒸馏水中，用α-半乳糖苷酶水解1h，pH调为5.0，115℃灭菌30min，接二环木葡糖醋杆菌23770，将其在30℃下静置培养2周。将细菌纳米纤维素转移至玻砂漏斗中。在105℃的烘箱里烘至恒重后计算细菌纳米纤维素产量。结果显示棉籽糖发酵生产细菌纳米纤维素的产量可达到13g/L。
实施例2
取500g棉粕，浸泡于含80％乙醇的水溶液1000g，浸泡一小时，取出提取液，重复此操作四次，将提取液合并。先静置沉淀，取上清经活性炭脱色，而后将滤液在80℃蒸干，回收干物质。计算棉籽糖得率。将干物质以60g/L的量溶于蒸馏水中，补加蛋白胨至3g/L、酵母浸膏5g/L，再调pH为5.0，115℃灭菌30min，以6％的量接种木葡糖醋杆菌23770至搅拌罐中，其在30℃下100转的转速下培养6天。将细菌纳米纤维素离心分离。在105℃的烘箱里烘至恒重后计算细菌纳米纤维素产量。结果显示棉籽糖发酵生产细菌纳米纤维素的产量可达到8g/L。
实施例3
取500g棉粕，浸泡于含70％乙醇的水溶液1000g，浸泡一小时，取出提取液，重复此操作四次，将提取液合并。先静置沉淀，取上清经活性碳脱色，而后将滤液在80℃旋蒸至约50mL。取此种溶液200ml,加入硫酸至1％，水解1h,再调pH调为5.0，115℃灭菌30min，接二环木葡糖醋杆菌23767，将其在30℃下静置培养2周。将细菌纳米纤维素转移至玻砂漏斗中。在105℃的烘箱里烘至恒重后计算细菌纳米纤维素产量。结果显示棉籽糖发酵生产细菌纳米纤维素的产量可达到18g/L，见图1，发酵终点pH与果糖和甘露醇等碳源的差不多，见图2。
实施例4
取500g棉粕，浸泡于含70％乙醇的水溶液1000g，浸泡一小时,取出提取液，重复此操作四次，将提取液合并。先静置沉淀，取上清液经Ca(OH)2脱毒，而后将滤液在80℃蒸干。取干物质100g，115℃灭菌30min，接入二环木葡糖醋杆菌23767，将其在30℃下静置培养2周。将细菌纳米纤维素转移至玻砂漏斗中。在105℃的烘箱里烘至恒重后计算细菌纳米纤维素产量。结果显示棉籽糖发酵生产细菌纳米纤维素的产量可达到16g/L。
实施例5
取500g棉粕，浸泡于含80％乙醇的水溶液1000g，浸泡一小时,取出提取液，重复此操作四次，将提取液合并。先静置沉淀，取上清液经活性炭脱色，而后将滤液在80℃蒸干，回收干物质。计算棉籽糖得率。将干物质以60g/L的量溶于蒸馏水中，补加蛋白胨至3g/L、酵母浸膏5g/L，115℃灭菌30min，接入二环木葡糖醋杆菌23767，其在30℃下静置培养2周。将细菌纳米纤维素离心分离。在105℃的烘箱里烘至恒重后计算细菌纳米纤维素产量。结果显示棉籽糖发酵生产细菌纳米纤维素的产量可达到8g/L。

Claims (1)

1.一种利用棉籽糖制备细菌纳米纤维素的方法，包括：
取500g棉粕，浸泡于含70％乙醇的水溶液1000g，浸泡一小时，取出提取液，重复此操作四次，将提取液合并；先静置沉淀，取上清经活性碳脱色，而后将滤液在80℃旋蒸至50mL；取此种旋蒸后的溶液200ml，加入硫酸至1％，水解1h,再调pH值为5.0，115℃灭菌30min，接二环木葡糖醋杆菌23767，将其在30℃下静置培养2周；将细菌纳米纤维素转移至玻砂漏斗中；在105℃的烘箱里烘至恒重后计算细菌纳米纤维素产量；棉籽糖发酵生产细菌纳米纤维素的产量为18g/L。
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