CN106906263A - 一种利用笋头作为碳源制备细菌纤维素的方法 - Google Patents

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王木根
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Abstract

本发明公开了一种利用笋头作为碳源制备细菌纤维素的方法，包括：（1）利用笋头制备发酵液：制备笋头浆液，添加无机盐、调节pH制备发酵培养液；（2）笋头糖化液的制备：利用纤维素降解菌对笋头发酵液进行糖化水解，得笋头糖化液；（3）发酵培养基的制备：糖化液中添加适量氮源，配制成发酵培养基；（4）接入3‑15%vol细菌纤维素生产菌株的种子液，经发酵得细菌纤维素。本发明利用废弃的笋头作为细菌纤维素发酵培养基的碳氮源，可有效降低细菌纤维素的生产原料成本，能够有效促进细菌纤维素的规模化生产。

Description

一种利用笋头作为碳源制备细菌纤维素的方法
技术领域
本发明属于细菌纤维素制备领域，具体涉及一种利用笋头作为碳源制备细菌纤维素的方法。
背景技术
细菌纤维素（Bacterial Cellulose，简称BC），又称作微生物纤维素，是一种天然高分子材料，具有较好的生物相容性、生物可降解性、较强的持水能力和较高的力学性能等特性。
鉴于细菌纤维素的优良特性，细菌纤维素具有广泛而特殊的用途：在医用材料领域，细菌纤维素可以用于合成人造皮肤、人造血管、外科敷料、缓释药物的载体等；在食品工程领域，细菌纤维素本身就可以作为一种食品食用，如俗称椰果或者椰纤果；另外，BC还可以作为食品工业中的增稠剂、成型剂、添加剂等；在造纸工业方面，细菌纤维素的添加可以提高纸张抗张强度和耐破度，降低透气度，提高撕裂度等；在音响领域可作为生产超性能的声音振动膜；在材料领域，BC纳米纤维与其它高分子、有机或者无机分子的掺杂复合，可获得各种新的功能复合材料。
目前大规模利用细菌纤维素的障碍主要是其产量低，成本高，价格不敌普通纤维素，因此研究的重点集中在寻找新碳源上，寻找廉价合适的碳源既能降低生产成本又能提高纤维素的产量。
竹笋是我国的传统佳肴，被誉为“寒土三珍”。目前，我国竹笋产量居世界首位。由于出笋时间短、集中，60%以上的竹笋用作加工原料生产罐头笋和笋干。笋美味，但笋加工留下的笋头、笋壳在发酵腐烂中产生污水臭气引发的环境问题却令人触目惊心。笋头约占鲜笋总重的31%左右，大部分未得到开发和利用，而是当做废物处理。笋头含有丰富且易消化的碳水化合物、氨基酸、黄酮类化合物等生物活性物质等；此外还富含纤维素和半纤维素等多聚糖，是一种可再生能源。因此如有一种技术能充分利用这些现有废弃资源，将其中的多糖转化为可溶性糖，以其为碳源制备细菌纤维素，提升其附加价值，不仅为细菌纤维素的生产提供新途径，而且可以提高笋头的经济利用价值。
发明内容
为解决上述细菌纤维素生产成本高、笋头利用率低的问题，本发明提供一种利用笋头作为碳源制备细菌纤维素的方法，该方法具有原料来源广泛、工艺简单、能耗低、反应迅速等优点；且制备的培养基碳源质量好，价格低，适合于工业生产；在细菌纤维素的应用领域有着良好的应用前景。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用笋头作为碳源制备细菌纤维素的方法，其包括如下具体步骤：
（1）利用笋头制备发酵液：将笋头清洗后按照固液比1:10与水混合榨汁，高速打碎得笋头浆液，添加无机盐，调节pH为4.0-6.0，获得以笋头浆为主成分的发酵培养基，装入三角瓶中，121 ℃灭菌20-30 min，冷却到20-30 ℃备用；
（2）笋头糖化液的制备：在步骤（1）制备的笋头发酵培养基中接种纤维素降解菌，进行纤维素糖化水解，得到笋头糖化液；其具体工艺为：将经两级放大培养的纤维素降解菌接入步骤（1）所述三角瓶中进行糖化水解。
（3）发酵培养基的制备：将上述笋头糖化液作为培养基碳源，补加氮源，调节pH为4.0-6.0，配制成发酵培养基，置于三角瓶中，灭菌备用；
（4）发酵制备细菌纤维素：接入细菌纤维素生产菌株的种子液，经过3-25天发酵制得细菌纤维素。
其中，所述步骤（1）中的笋头为竹笋加工生产过程中废弃的笋头。
所述步骤（1）中的无机盐为KH2PO4、K2HPO4、NaCl、MgSO4、ZnSO4、FeCl3中的一种或几种。
所述步骤（2）中的纤维素降解菌为噬纤维菌属（Cytophaga）、芽孢杆菌属（Bacillus）、热酸菌属（Acidothermus）、热杆菌属（Caldibacillus）、纤维弧菌属（Cellvlbrio）、假单胞菌属（Pseudomonas）和欧文菌属（Erwinia）中一种或几种。
所述步骤（2）中的糖化水解条件为30-45 ℃，120-180 rpm，糖化水解36-120 h。
所述步骤（3）中的笋头糖化液首先补加适量氮源，调节pH，置于三角瓶中，121 ℃灭菌20-30 min，冷却至室温后，接入细菌纤维素生产菌株的种子液，采用先在120-240 rpm转速下动态振荡培养1~3天，再静置培养3~20天的动静结合发酵形式制得细菌纤维素。
所述步骤（3）中的氮源为0.1-1.0 wt%的酵母浸膏和0.1-0.5 wt%的胰蛋白胨；或者为0.1-2.0 wt%的硫酸铵或玉米浆或麦芽汁。
所述步骤（4）中发酵条件20-30 ℃，静置培养或者在50-500 rpm转速下动态振荡培养。
所述步骤（4）中的细菌纤维素生产菌株为醋酸菌属、葡萄糖酸杆菌属、葡糖酸醋杆菌属、葡萄糖氧化杆菌、根瘤菌属、八叠球菌属、假单胞菌属、无色杆菌属、产碱菌属、气杆菌属、固氮菌属、土壤杆菌属、洋葱假单胞菌属、空肠弯曲菌、木葡糖酸醋杆菌中的一种或几种。
所述步骤（4）中细菌纤维素生产菌株的接种量为3-15%vol。
本发明的显著优点在于：
（1）本发明以笋头为原料，具有价格低廉、来源广泛，预处理水解工艺具有简单、能耗低、反应迅速，水解液含糖量高等优点。笋头中还含有少量的蛋白质、维生素、矿物质等元素，可以促进BC的合成。
（2）笋头是一种可再生能源，用于发酵制备细菌纤维素不仅为其资源化利用提供一条有效的路径，而且为细菌纤维素的工业化提供了廉价的新原料。
（3）本发明经处理的笋头水解液生产的细菌纤维素的原料成本大幅度降低，在细菌纤维素的生产领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1 本发明实施例1对应的细菌纤维素的SEM扫描形貌；
图2 本发明实施例1对应的细菌纤维素的XRD图谱；
图3 本发明实施例1对应的细菌纤维素的FTIR图谱。
具体实施方式
本发明提供一种利用笋头作为碳源制备细菌纤维素的方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，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
1.利用笋头制备发酵液：
首先选取笋头和水按固液质量比1:10置于榨汁机中，将其高速打碎并搅拌均匀，得到笋头浆液，添加微量元素，使其终浓度为： KH2PO4 0.6 g/L、NaCl 1 g/L、MgSO4 0.1 g/L、ZnSO4 0.25 mg/L、FeCl3 0.01 g/L，调节pH至4.0，获得以笋头汁为主成分的发酵培养基，装入三角瓶中，在121 ℃灭菌20 min，冷却到室温备用。
2.笋头糖化液的制备：
将噬纤维菌属（Cytophaga）、芽孢杆菌属（Bacillus）、纤维弧菌属（Cellvlbrio）作为纤维素降解菌，将经两级放大培养的纤维素降解菌接入配好料并已灭菌并冷却的三角瓶中，于温度35 ℃，搅拌速度120 rpm的发酵条件下糖化水解96 h，制得笋头糖化液。
3.发酵培养基的制备：
将上述笋头糖化液作为培养基碳源，补加0.5 wt%的酵母浸膏和0.3 wt%的胰蛋白胨作为氮源；调节pH至5.0，配制成发酵培养基，置于三角瓶中，121 ℃灭菌20 min，冷却至室温后备用。
4．发酵制备细菌纤维素：
将木葡糖酸醋杆菌、土壤杆菌属、醋酸菌属接入液体种子培养基制备细菌纤维素生产菌株的种子液，然后按体积百分比3%的接种量转移到发酵培养基，于20 ℃以180 rpm转速下动态振荡培养2天，再静置培养3天发酵制得细菌纤维素。
实施例2
1.利用笋头制备发酵液
首先选取笋头和水按固液质量比1：10置于榨汁机中，将其高速打碎并搅拌均匀，得到笋头浆液，添加微量元素，使其终浓度为：0.4 g/L KH2PO4、0.8 g/L NaCl、0.2 g/L MgSO4，调节pH至4.5，获得以笋头汁为主成分的发酵培养基，装入三角瓶中，在121 ℃灭菌23 min，待其灭菌完成后停止加热，使其自然冷却到室温。
2.笋头糖化液的制备：
将热酸菌属（Acidothermus）、假单胞菌属（Pseudomonas）和欧文菌属（Erwinia）作为纤维素降解菌，将经两级放大培养的纤维素降解菌接入配好料并已灭菌并冷却的三角瓶中，于温度35 ℃，摇床转速180 rpm的发酵条件下糖化水解72 h，制得笋头糖化液。
3.发酵培养基的制备：
将上述笋头糖化液作为培养基碳源，补加1.0 wt%的硫酸铵作为氮源；调节pH至4.5，配制成发酵培养基，置于三角瓶中，121 ℃灭菌25 min，冷却至室温后备用。
4.发酵制备细菌纤维素：
将醋酸菌属、葡萄糖酸杆菌属、葡糖酸醋杆菌属接入液体种子培养基制备细菌纤维素生产菌株的种子液，然后按体积百分比6%的接种量转移到发酵培养基，于30 ℃以150 rpm振荡培养2天，再静置培养15天发酵制得细菌纤维素。
实施例3
1.利用笋头制备发酵液
首先选取笋头和水按固液质量比1：10置于榨汁机中，将其高速打碎并搅拌均匀，得到笋头浆液，添加微量元素，使其终浓度为：0.9 g/L KH2PO4、1.2 g/L NaCl、0.02g/L FeCl3调节pH至5.0，获得以笋头汁为主成分的发酵培养基，装入三角瓶中，在121 ℃灭菌20min，冷却到室温备用。
2. 笋头糖化液的制备：
将纤维弧菌属（Cellvlbrio）、假单胞菌属（Pseudomonas）和欧文菌属（Erwinia）作为纤维素降解菌，将经两级放大培养的纤维素降解菌接入配好料并已灭菌并冷却的三角瓶中，于温度37 ℃，摇床转速150 rpm的发酵条件下糖化水解72h，制得笋头糖化液。
3. 发酵培养基的制备：
将上述笋头糖化液作为培养基碳源，补加0.8 wt%的酵母浸膏和0.5 wt%的胰蛋白胨作为氮源；调节pH至5.0，配制成发酵培养基，置于三角瓶中，121 ℃灭菌25 min，冷却至室温后备用；将葡萄糖氧化杆菌、根瘤菌属、八叠球菌属接入液体种子培养基制备细菌纤维素生产菌株的种子液，然后按体积百分比5%的接种量转移到发酵培养基，于25 ℃以240 rpm转速下动态振荡培养1天，再静置培养8天发酵制得细菌纤维素。
实施例4
1.利用笋头制备发酵液：
首先选取笋头和水按固液质量比1：10置于榨汁机中，将其高速打碎并搅拌均匀，得到笋头浆液，添加微量元素，使其终浓度为：0.2 g/L KH2PO4、0.6 g/L NaCl、0.3 g/L MgSO4、0.4 mg/L ZnSO4、0.03 g/L FeCl3调节pH至5.5，获得以笋头汁为主成分的发酵培养基，装入三角瓶中，在121 ℃灭菌27 min，待其灭菌完成后停止加热，使其自然冷却到室温。
2. 笋头糖化液的制备：
将芽孢杆菌属（Bacillus）、热杆菌属（Caldibacillus）、纤维弧菌属（Cellvlbrio）作为纤维素降解菌，将经两级放大培养的纤维素降解菌接入配好料并已灭菌并冷却的三角瓶中，于温度40 ℃，摇床转速150 rpm的发酵条件下糖化水解48 h，制得笋头糖化液。
3. 发酵培养基的制备：
将上述笋头糖化液作为培养基碳源，补加20 wt%的玉米浆作为氮源；调节pH至5.5，配制成发酵培养基，置于三角瓶中，121 ℃灭菌30 min，冷却至室温后备用。
4.发酵制备细菌纤维素：
将醋酸菌属、木葡糖酸醋杆菌接入液体种子培养基制备细菌纤维素生产菌株的种子液，然后按体积百分比12%的接种量转移到发酵培养基，于22 ℃以180 rpm转速下动态振荡培养3天，再静置培养15天发酵制得细菌纤维素。
实施例5
1.利用笋头制备发酵液：
首先选取笋头和水按固液质量比1：10置于榨汁机中，将其高速打碎并搅拌均匀，得到笋头浆液，添加微量元素，使其终浓度为：0.9 g/L KH2PO4、1.2 g/L NaCl、0.6 mg/L ZnSO4、0.05 g/L FeCl3，调节pH至6.0，获得以笋头汁为主成分的发酵培养基，装入三角瓶中，在121 ℃灭菌30 min，待其灭菌完成后停止加热，使其自然冷却到室温。
2.笋头糖化液的制备：
将芽孢杆菌属（Bacillus）、热酸菌属（Acidothermus）、热杆菌属（Caldibacillus）、假单胞菌属（Pseudomonas）和欧文菌属（Erwinia）作为纤维素降解菌，将经两级放大培养的纤维素降解菌接入配好料并已灭菌并冷却的三角瓶中，于温度45 ℃，摇床转速120 rpm的发酵条件下糖化水解36 h，制得笋头糖化液。
3.发酵培养基的制备：
将上述笋头糖化液作为培养基碳源，补加15 wt%的麦芽汁氮作为氮源；调节pH至6.0，配制成发酵培养基，置于三角瓶中，121℃灭菌30 min，冷却至室温后备用。
4.发酵制备细菌纤维素：
将土壤杆菌属、空肠弯曲菌、木葡糖酸醋杆菌接入液体种子培养基制备细菌纤维素生产菌株的种子液，然后按体积百分比15%的接种量转移到发酵培养基，于28℃以210 rpm转速下动态振荡培养2天，再静置培养7天发酵制得细菌纤维素。

Claims (10)

1.一种利用笋头作为碳源制备细菌纤维素的方法，其特征在于，其包括如下具体步骤：
（1）利用笋头制备发酵液：将笋头清洗后按照固液比1:10与水混合榨汁，高速打碎得笋头浆液，添加无机盐，调节pH为4.0-6.0，获得以笋头浆为主成分的发酵培养基，装入三角瓶中，121 ℃灭菌20-30 min，冷却到20-30 ℃备用；
（2）笋头糖化液的制备：在步骤（1）制备的笋头发酵培养基中接种纤维素降解菌，进行纤维素糖化水解，得到笋头糖化液；其具体工艺为：将经活化培养的纤维素降解菌接入步骤（1）所述三角瓶中进行糖化水解；
（3）发酵培养基的制备：将上述笋头糖化液作为培养基碳源，补加氮源，调节pH为5.0-6.0，配制成发酵培养基，置于三角瓶中，灭菌备用；
（4）发酵制备细菌纤维素：接入细菌纤维素生产菌株的种子液，经过3-25天发酵制得细菌纤维素。
2.根据权利要求1所述的一种利用笋头作为碳源制备细菌纤维素的方法，其特征在于：所述步骤（1）中的笋头为竹笋加工生产过程中废弃的笋头。
3.根据权利要求1所述的一种利用笋头作为碳源制备细菌纤维素的方法，其特征在于：所述步骤（1）中的无机盐为KH2PO4、K2HPO4、NaCl、MgSO4、ZnSO4、FeCl3中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种利用笋头作为碳源制备细菌纤维素的方法，其特征在于：所述步骤（2）中的纤维素降解菌为噬纤维菌属（Cytophaga）、芽孢杆菌属（Bacillus）、热酸菌属（Acidothermus）、热杆菌属（Caldibacillus）、纤维弧菌属（Cellvlbrio）、假单胞菌属（Pseudomonas）和欧文菌属（Erwinia）中一种或几种。
5. 根据权利要求1所述的一种利用笋头作为碳源制备细菌纤维素的方法，其特征在于：所述步骤（2）中的糖化水解条件为35-45 ℃，120~180 rpm，糖化水解36-120 h。
6.根据权利要求1所述的一种利用笋头作为碳源制备细菌纤维素的方法，其特征在于：所述步骤（3）中的笋头糖化液首先补加适量氮源，调节pH，置于三角瓶中，121 ℃灭菌20-30min，冷却至室温后，接入细菌纤维素生产菌株的种子液，采用先在120-240 rpm转速下动态振荡培养1~3天，再静置培养3~20天的动静结合发酵形式制得细菌纤维素。
7.根据权利要求1或6所述的一种利用笋头作为碳源制备细菌纤维素的方法，其特征在于：所述步骤（3）中的氮源为0.1-1.0 wt%的酵母浸膏和0.1-0.5 wt%的胰蛋白胨；或者为0.1-2.0 wt%的硫酸铵或玉米浆或麦芽汁。
8.根据权利要求1所述的一种利用笋头作为碳源制备细菌纤维素的方法，其特征在于：所述步骤（4）中发酵条件20-30 ℃，在120-240rpm转速下振荡培养1-3天，再静置培养3-20天。
9.根据权利要求1所述的一种利用笋头作为碳源制备细菌纤维素的方法，其特征在于：所述步骤（4）中的细菌纤维素生产菌株为醋酸菌属、葡萄糖酸杆菌属、葡糖酸醋杆菌属、葡萄糖氧化杆菌、根瘤菌属、八叠球菌属、假单胞菌属、无色杆菌属、产碱菌属、气杆菌属、固氮菌属、土壤杆菌属、洋葱假单胞菌属、空肠弯曲菌、木葡糖酸醋杆菌中的一种或几种。
10.根据权利要求1所述的一种利用笋头作为碳源制备细菌纤维素的方法，其特征在于：所述步骤（4）中细菌纤维素生产菌株的接种量为3-15%vol。
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