CN106676139A - 一种水溶性碳点的制备方法及其在微生物发酵中的应用 - Google Patents

一种水溶性碳点的制备方法及其在微生物发酵中的应用 Download PDF

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Abstract

一种水溶性碳点的制备方法及其在微生物发酵中的应用，属于新能源与新材料技术领域。本发明原料为河蟹壳废物，通过简单的热裂解工艺，获得碳点荧光量子产率可达35％。所制备水溶性荧光碳点具有生物亲和性，对于肺炎克雷伯氏杆菌的发酵具有明显促进作用，1,3‑丙二醇产量提高30％。此外，将水溶性荧光碳点应用于木醋杆菌静置发酵，产物细菌纤维素产量可提高75％。本发明首次将水溶性荧光碳点用于微生物发酵，并获得明显的促进效果，为微生物发酵提供了新的生长因子。

Description

一种水溶性碳点的制备方法及其在微生物发酵中的应用
技术领域
本发明属于新能源与新材料技术领域，涉及到一种水溶性碳点的制备方法及其在微生物发酵中的应用。
背景技术
碳点是一维尺度小于10nm具有荧光性的碳纳米颗粒。自2004年Scrivens等在纯化碳纳米管时发现碳点以来，因其生物相容性好、制备方法简单易得、发光范围可调、发光性质稳定等特点而受到广泛的关注。碳点的性质优异，原料廉价和制备方法简单，是一种新型的生态环境材料。在过去的几年里，科研人员在碳点的合成、机理研究和应用等方面做了大量而深入的研究。另外，碳点在生物给药、生物成像、荧光探针等方面具有较高的应用价值。
目前，碳点的合成方法一般可以分为自上而下法和自下而上法，这两种方法详见文献：Ray SC,et al.Journal Of Physical Chemistry C,2009。自上而下法，包括电弧放电、激光分解、化学消融和燃烧/热处理等。此类方法具有反应条件苛刻、工艺复杂、荧光量子点产量低和成本高的缺点，难以实现批量生产。热解或碳化小分子，然后逐步聚合形成纳米级的碳点，包括模板法、水热/溶剂热法、微波法等。其中模板法需要高分子聚合物作为模板，反应过程中需高温加热，结束需要碱洗，制备过程耗能且污染环境。微波法能够大大缩短反应时间、降低能耗，但荧光量子点产率通常不高。水热和溶剂热法是一种能量效率高、环境友好和无毒的合成碳点的方法，也是最可能实现批量生产的方法，但碳点的分离纯化存在一定困难。
荧光碳点在细胞标记、生物传感器和生物成像中应用很多，但将碳点应用于微生物发酵以实现目标产物产量的提高鲜有报道。本发明以自然界中广泛存在且廉价的壳聚糖、甲壳素为起始原料，在温和条件下，合成水溶性荧光量子碳点。之后将合成的水溶性碳点用于促进微生物发酵生产生物基化学品如1，3-丙二醇、2,3-丁二醇和细菌纤维素等，为生物质转化为环境协调性材料及其利用提供了一条绿色可行的新方法。
发明内容
本发明提出一种水溶性碳点的制备，实现了水产品加工废弃物的综合利用。该方法以废弃的河蟹蟹壳为原料，通过热裂解的方法制备具有生物亲和性的高荧光碳点，并将其添加在微生物(木醋杆菌或克雷伯氏杆菌)菌种的发酵培养基中，提高发酵效率和产物产量。
本发明采用的技术方案如下：
一种水溶性碳点的制备方法，包括以下步骤：
第一步，将洗净晾干的蟹壳粉碎、过筛，获得初始原料并干燥。然后称取蟹粉，在惰性气体保护下热裂解，取出裂解产物置于去离子水中，超声清洗30min，过滤后的滤液经冷冻干燥后，获得荧光碳点晶体；
第二步，将荧光碳点晶体配制成纯碳点溶液，然后添加到微生物发酵培养基中，发酵培养后测定产物产量。
根据上述方法制备的水溶性碳点在微生物发酵中的应用，包括以下步骤：
步骤1，将废弃的河蟹蟹壳洗净除杂，粉碎后的蟹壳粉末尺寸小于0.22μm。将蟹壳粉末置于管式炉中，通入氮气排除空气15min后，以5～10℃/s升温至350～550℃，热裂解1～5h后，收集热裂解产物。将热裂解产物在超声作用下洗涤30～120min，在9000～12000rpm离心30min后收集棕黄色溶液。溶液经透析除去小分子杂质，获得水溶性荧光碳点，冷冻干燥获得荧光碳点晶体。
步骤2，将步骤1荧光碳点晶体溶于去离子水中，配制质量浓度0.3～0.6％的荧光碳点水溶液，然后将碳点水溶液灭菌后加入到微生物发酵培养基中。所述微生物为木醋杆菌或克雷伯氏杆菌，碳点水溶液与发酵培养基体积比为1:4～9。木醋杆菌静置发酵时间为7～10天，克雷伯氏杆菌发酵时间为24～36h。
本发明制备水溶性荧光碳点的原料属于废弃生物质，通过该工艺可变废为宝。水溶性荧光碳点的制备工艺简单、高效，碳点荧光量子产率可达35％。所制备水溶性荧光碳点具有生物亲和性，对于肺炎克雷伯氏杆菌的发酵具有促进作用，可提高1,3-丙二醇产量达30％；此外，将水溶性荧光碳点应用于木醋杆菌静置发酵，细菌纤维素产量可提高75％。本发明首次将水溶性荧光碳点用于微生物发酵，并获得明显的促进效果，为微生物发酵提供了新的生长因子。
附图说明
附图1是碳点在不同激发波长下的荧光光谱。
具体实施方式
以下结合具体技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例1
将废弃的河蟹蟹壳洗净、除杂、烘干并粉碎，收集尺寸小于0.22μm蟹壳粉末。将蟹壳粉末置于管式炉中，通入氮气排除空气15min后，以5℃/s升温至550℃，热裂解1h后，收集热裂解产物。将热裂解产物在超声作用下洗涤30min，在12000rpm离心30min后收集棕黄色溶液。溶液经透析除去小分子杂质，获得水溶性荧光碳点，冷冻干燥获得荧光碳点晶体，碳点荧光量子产率为35％。将荧光碳点晶体溶于去离子水中，配制质量浓度0.3％的荧光碳点水溶液。
将碳点水溶液灭菌后加入到克雷伯氏杆菌发酵培养基中，碳点水溶液与发酵培养基体积比为1:4。发酵培养36h，甘油转化率98％，1,3-丙二醇浓度22.4g/L，与未添加碳点溶液的发酵实验相比，1,3-丙二醇浓度提高28％。
实施例2
将蟹壳粉末置于管式炉中，通入氮气排除空气15min后，以10℃/s升温至350℃，热裂解5h后，收集热裂解产物。将热裂解产物在超声作用下洗涤60min，在9000rpm离心30min后收集棕黄色溶液。溶液经透析除去小分子杂质，获得水溶性荧光碳点，冷冻干燥获得荧光碳点晶体，碳点荧光量子产率为29％。将荧光碳点晶体溶于去离子水中，配制质量浓度0.6％的荧光碳点水溶液。
将碳点水溶液灭菌后加入到克雷伯氏杆菌发酵培养基中，碳点水溶液与发酵培养基体积比为1:9。发酵培养24h，甘油转化率95％，1,3-丙二醇浓度21.8g/L，与未添加碳点溶液的发酵实验相比，1,3-丙二醇浓度提高15％。
实施例3
将蟹壳粉末置于管式炉中，通入氮气排除空气15min后，以7℃/s升温至400℃，热裂解2h后，收集热裂解产物。将热裂解产物在超声作用下洗涤30min，在12000rpm离心30min后收集棕黄色溶液。溶液经透析除去小分子杂质，获得水溶性荧光碳点，冷冻干燥获得荧光碳点晶体，碳点荧光量子产率为32％。将荧光碳点晶体溶于去离子水中，配制质量浓度0.3％的荧光碳点水溶液。
将碳点水溶液灭菌后加入到木醋杆菌发酵培养基中，碳点水溶液与发酵培养基体积比为1:4。静置发酵10天，细菌纤维素产量为5.5g/L，与未添加碳点溶液的发酵实验相比，提高75％。
实施例4
将蟹壳粉末置于管式炉中，通入氮气排除空气15min后，以7℃/s升温至400℃，热裂解1h后，收集热裂解产物。将热裂解产物在超声作用下洗涤30min，在12000rpm离心30min后收集棕黄色溶液。溶液经透析除去小分子杂质，获得水溶性荧光碳点，冷冻干燥获得荧光碳点晶体，碳点荧光量子产率为30％。将荧光碳点晶体溶于去离子水中，配制质量浓度0.3％的荧光碳点水溶液。
将碳点水溶液灭菌后加入到木醋杆菌发酵培养基中，碳点水溶液与发酵培养基体积比为1:9。静置发酵7天，细菌纤维素产量为4.8g/L，与未添加碳点溶液的发酵实验相比，提高50％。

Claims (2)

1.一种水溶性碳点的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，将洗净晾干的蟹壳粉碎、过筛，获得初始原料并干燥；然后称取蟹粉，在惰性气体保护下热裂解，取出裂解产物置于去离子水中，超声清洗30min，过滤后的滤液经冷冻干燥后，获得荧光碳点晶体；
第二步，将荧光碳点晶体配制成纯碳点溶液，然后添加到微生物发酵培养基中，发酵培养后测定产物产量。
2.权利要求1所述的制备方法制备的水溶性碳点在微生物发酵中的应用，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，将废弃的河蟹蟹壳洗净除杂，粉碎后的蟹壳粉末尺寸小于0.22μm；将蟹壳粉末置于管式炉中，通入氮气排除空气15min后，以5～10℃/s升温至350～550℃，热裂解1～5h后，收集热裂解产物；将热裂解产物在超声作用下洗涤30～120min，在9000～12000rpm离心30min后收集棕黄色溶液；溶液经透析除去小分子杂质，获得水溶性荧光碳点，冷冻干燥获得荧光碳点晶体；
步骤2，将步骤1荧光碳点晶体溶于去离子水中，配制质量浓度0.3～0.6％的荧光碳点水溶液，然后将碳点水溶液灭菌后加入到微生物发酵培养基中；所述微生物为木醋杆菌或克雷伯氏杆菌，碳点水溶液与发酵培养基体积比为1:4～9；木醋杆菌静置发酵时间为7～10天，克雷伯氏杆菌发酵时间为24～36h。
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