CN107880315A - 一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜及其制备方法，方法为：将等电点为3.5～4.0的菌株均匀分散在pH值为4.5～5.0的菌株培养液中得到菌株细胞密度为109～1012个/mL的培养菌液，再将培养菌液置于表面亲水的培养容器内静置培养制得细菌纤维素膜，表面亲水的培养容器表面的静态水接触角≤70°。制得的细菌纤维素膜主要由主干细菌纤维素纤维和分支细菌纤维素纤维构成，其中主干细菌纤维素纤维自身之间相互交联形成三维网孔结构并构成细菌纤维素膜的骨架，分支细菌纤维素纤维在主干细菌纤维素纤维之间成网。本发明方法操作方便，绿色无污染，制得的细菌纤维素膜具有生物相容性好、比表面积高和力学性能好等优点。

Description

一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜及其制备方法
技术领域
本发明属于细菌纤维素膜制备领域，涉及一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜及其制备方法。
背景技术
随着纳米科技的发展，纳米纤维技术已成为纤维科学的前沿和研究热点，并在电子、机械、生物医学、化工和纺织等领域得到广泛的应用，其中由于具有纳米网孔结构的材料有着超高的比表面积和较大的堆积密度，因此其在超精细过滤、传感器、组织工程、纤维增强以及高性能防护等领域具有巨大的应用潜力。
生物纳米纤维是木醋杆菌等微生物通过代谢糖源、体内生物合成和体外层次化自组装制备得到的具有高结晶度和高纯度的纳米纤维材料，也称细菌纤维素(BacterialCellulose，简称BC)。BC纤维具有超纯(100％纤维素)、超细(纳米级)、超强(高杨氏模量)、高吸水保水率(1:50以上)、吸收/给水动态平衡和高化学衍生性等特性。BC纤维因其具有原料天然、合成过程温和高效和最终产物环境友好等特点受到广泛关注，是21世纪最具前景的十大高科技材料，而生物合成法是目前最具工业化前景的制备纳米纤维的方法。
目前的纳米纤维材料主要是通过静电喷网技术(Electro-spinning/netting)制备的。例如专利CN101564914B提供了一种制备纳米网孔的方法，但是该方法受制于高能耗和低产率的技术瓶颈，纳米纤维材料无法实现高效低成本的规模化生产。
静电喷网技术是具体指在静电纺丝过程中泰勒锥在喷出射流的同时还产生微小液滴在电场中飞行，进而受力变形最后分裂形成纤维网，从而得到二维纳米网络结构的纳米蛛网的过程。这一过程涉及物理、化学和电流体力学等诸多方面，结构控制和制备过程复杂，同时采用静电喷网技术只能形成纳米蛛网与纳米纤维的复合结构，纳米蛛网的存在使得纳米纤维及蛛网之间堆积蓬松，纤维的粘连性减弱，从而使得制备得到的纤维的拉伸强度及断裂伸长率减小。
因此，研究一种简单易行适合规模化生产且制得的纤维具有优良的力学性能的蛛网材料的制备方法具有极大的现实意义。
发明内容
本发明的目的为了克服上述现有技术中存在的纳米纤维制备过程复杂且制得的纤维的力学性能较差的问题，提供了一种简单易行适合规模化生产且制得的纤维具有优良的力学性能的细菌纤维素膜的制备方法。本发明制备的纳米蛛网结构细菌纤维素膜具有生物相容性好、力学性能好和比表面积高等特点，在超精细过滤、传感器、组织工程、纤维增强以及高性能防护等领域具有巨大的应用潜力。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，所述具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜主要由主干细菌纤维素纤维和分支细菌纤维素纤维构成；
所述主干细菌纤维素纤维是自身之间相互交联形成三维网孔结构并构成细菌纤维素膜的骨架的细菌纤维素纤维；
所述分支细菌纤维素纤维是在主干细菌纤维素纤维之间成网的细菌纤维素纤维。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，所述主干细菌纤维素纤维与分支细菌纤维素纤维通过β-1,4-糖苷键连接。现有的静电喷网技术往往得到的是纳米蛛网与纳米纤维复合的二维纳米网络结构，纳米蛛网与纳米纤维之间通常为物理堆积，因此与单纯纳米纤维相比力学性能下降。而本发明的纳米蛛网结构是由主干细菌纤维素纤维与分支细菌纤维素纤维构成的三维网孔结构，且主干纤维和分支纤维均为菌株生化合成得到，纤维与纤维之间是由化学键连接而成的整体，从化学组成来看，都是由吡喃型葡萄糖单体通过β-1,4-糖苷键连接而成的聚合物，因此，本发明的纳米蛛网结构细菌纤维素膜具有优良的力学性能。
如上所述的一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，所述主干细菌纤维素纤维的平均直径为30～80nm；所述分支细菌纤维素纤维的平均直径为5～20nm。
如上所述的一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，其特征在于，所述具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的厚度为0.1～9mm，密度为5～8mg/cm3；所述纳米蛛网的网孔孔径为20～300nm。
本发明还提供了一种制备如上所述的具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的方法，将等电点为3.5～4.0的菌株均匀分散在pH值为4.5～5.0的菌株培养液中得到菌株细胞密度为109～1012个/mL的培养菌液，再将培养菌液置于表面亲水的培养容器内静置培养，制得具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜；所述表面亲水的培养容器表面的静态水接触角≤70°。
在BC的生化合成过程中，菌株细胞作为生物合成反应器，将葡萄糖小分子在酶催化作用下生成纤维素微纤丝(Cellulose microfibrils)，直径为1.78nm，并由细胞壁侧的小孔挤出。由于每个菌株细胞壁上存在多个这样的小孔，因此相邻的纤维素微纤丝在氢键的作用下形成微纤丝束(Bundle)，直径为3～4nm。这些微纤丝束进一步链接就形成直径为30～100nm的纤维丝带(Ribbon)。菌株细胞携带着微纤丝束或纤维丝带在培养液中无规运动，微纤丝束或纤维丝带互相交织形成不规则网状或絮状结构。在本发明中所用菌株培养液pH值为4.5～5.0，菌株等电点为3.5～4.0，因此菌株细胞在培养菌液中带负电荷，同时，由于所用的培养容器表面接枝带负电荷的亲水基团，在相同电荷作用下，菌株细胞在培养菌液中的运动速率加快，菌株细胞携带着微纤丝束或纤维丝带在菌株培养菌液中快速无规运动，菌株细胞所携带的微纤丝束或纤维丝带相互缠结并在氢键作用下结合，同时带相同电荷菌株细胞相互排斥，最终在氢键引力和电荷斥力的共同作用下形成类似于蜘蛛网结构的网状纤维材料。这种网状结构由主干细菌纤维素纤维(纤维丝带)与分支细菌纤维素纤维(少量微纤丝束由氢键结合)构成。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种制备具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的方法，具体包括以下步骤：
1)配制发酵培养液：按质量百分数计，单位为wt％，发酵培养液中各组分及其含量如下：
2)活化：将冷藏的等电点为3.5～4.0的菌株在室温解冻，并置于100～250mL发酵培养液中进行摇床培养，摇床培养的转速为50～150r/min，温度为28～32℃，时间为6～24h；
3)扩增：将活化完毕的菌液与发酵培养液以1:2～20的体积比混合后，在28～32℃下静置培养5～9天；
4)离心：菌株细胞经过活化和扩增后细胞数目成几何倍增长，在离心力作用下菌株细胞成形沉淀，将扩增后的菌液离心去除上清液，获得菌株细胞沉淀与少量培养液混合的浓缩菌液；
5)配制菌株培养液：在发酵培养液中加入氢氧化钠调节pH为4.5～5.0，得到菌株培养液；
6)培养：在浓缩菌液中加入菌株培养液，并均匀分散，得到菌株细胞密度为109～1012个/mL的培养菌液；然后将培养菌液置于表面亲水的培养容器内，在28～32℃下静置培养3～9天，得到具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜。本发明的培养菌液为高密度菌液，所述高密度菌液是指菌株细胞均匀分散在菌株培养液中所得到的混合物，其中菌株细胞密度为109～1012个/ml，随着菌株细胞密度的增加，菌株细胞所携带的微纤丝束或纤维丝带相互缠结几率提高，有利于形成纳米网孔孔径较小的蛛网结构。
如上所述的一种制备具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的方法，所述等电点为3.5～4.0的菌株选自葡糖醋杆菌、产醋杆菌、醋化杆菌、巴氏醋杆菌、葡萄糖杆菌、农杆菌、根瘤菌、八叠球菌、洋葱假单胞菌、椰毒假单胞菌或空肠弯曲菌中的一种以上。本发明中的菌株包括但不限于此，等电点为3.5～4且能够生物合成细菌纤维膜的微生物均可作为本发明的菌株，这里仅列举一些常见的微生物。
如上所述的一种制备具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的方法，所述离心的离心转速为2000～8000r/min，离心时间为3～10min；所述均匀分散是指采用漩涡混匀器，在500～2000rpm下连续振动10～30s。离心力过小则不容易形成沉淀，离心力过大将对菌株细胞造成损伤，因此在离心处理时需控制转速和时间在合理范围。
如上所述的一种制备具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的方法，所述表面亲水的培养容器的材质为经表面亲水处理的聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酯、高硼硅玻璃或石英玻璃，所述表面亲水处理是指将带负电荷的亲水基团接枝在材质表面。
发明机理：
本发明中所用菌株培养液pH值为4.5～5.0，菌株等电点为3.5～4.0，菌株培养液pH值大于菌株等电点，因而菌株细胞在培养菌液中带负电荷，同时，由于所用的培养容器表面接枝带负电荷的亲水基团，在相同电荷作用下，菌株细胞在培养菌液中的运动速率加快，菌株细胞携带着微纤丝束或纤维丝带在菌株培养菌液中快速无规运动，菌株细胞所携带的微纤丝束或纤维丝带相互缠结并在氢键作用下结合，同时带相同电荷菌株细胞相互排斥，最终在氢键引力和电荷斥力的共同作用下形成类似于蜘蛛网结构的网状纤维材料。
有益效果：
(1)本发明的一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的制备方法，简单易行，操作方便，绿色无污染，有极好的推广价值；
(2)本发明的一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，具有生物相容性好、力学性能好和比表面积高等特点，在超精细过滤、传感器、组织工程、纤维增强以及高性能防护等领域具有巨大的应用潜力。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的细菌纤维素膜扫描电镜示意图；
图2是本发明实施例2制备的细菌纤维素膜扫描电镜示意图；
图3是本发明实施例3制备的细菌纤维素膜扫描电镜示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，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
一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的制备方法，步骤如下：
(1)配制发酵培养液：按质量百分数计，单位为wt％，发酵培养液中各组分及其含量如下：
(2)活化：将冷藏的等电点为3.5～4.0的葡糖醋杆菌在室温解冻，并置于100mL发酵培养液中进行摇床培养，摇床培养的转速为50/min，温度为28℃，时间为6h；
(3)扩增：将活化完毕的菌液与发酵培养液以1:2的体积比混合后，在28℃下静置培养5天；
(4)离心：将扩增后的菌液离心去除上清液，获得浓缩菌液，离心转速为2000r/min，离心时间为3min；
(5)配制菌株培养液：在发酵培养液中加入氢氧化钠调节pH为4.5，得到菌株培养液；
(6)培养：在浓缩菌液中加入菌株培养液，并采用漩涡混匀器，在500rpm下连续振动10s，得到菌株细胞密度为109个/mL的培养菌液；然后将培养菌液置于静态水接触角为69°的表面亲水的培养容器内，在28℃下静置培养3天，得到具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，其中表面亲水的培养容器的材质为经表面亲水处理的聚苯乙烯，表面亲水处理是指将带负电荷的亲水基团接枝在聚苯乙烯表面。
制备的具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜如图1所示，主要由平均直径为30nm的主干细菌纤维素纤维和平均直径为5nm的分支细菌纤维素纤维构成，主干细菌纤维素纤维是自身之间相互交联形成三维网孔结构并构成细菌纤维素膜的骨架的细菌纤维素纤维；分支细菌纤维素纤维是在主干细菌纤维素纤维之间成网的细菌纤维素纤维。主干细菌纤维素纤维与分支细菌纤维素纤维通过β-1,4-糖苷键连接。具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的厚度为0.1mm，密度为5mg/cm3，纳米蛛网的网孔孔径为160～300nm。
实施例2
一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的制备方法，步骤如下：
(1)配制发酵培养液：按质量百分数计，单位为wt％，发酵培养液中各组分及其含量如下：
(2)活化：将冷藏的等电点为3.5～4.0的醋化杆菌在室温解冻，并置于200mL发酵培养液中进行摇床培养，摇床培养的转速为80r/min，温度为29℃，时间为10h；
(3)扩增：将活化完毕的菌液与发酵培养液以1:10的体积比混合后，在29℃下静置培养6天；
(4)离心：将扩增后的菌液离心去除上清液，获得浓缩菌液，离心转速为3000r/min，离心时间为4min；
(5)配制菌株培养液：在发酵培养液中加入氢氧化钠调节pH为4.8，得到菌株培养液；
(6)培养：在浓缩菌液中加入菌株培养液，并采用漩涡混匀器，在800rpm下连续振动15s，得到菌株细胞密度为1011个/mL的培养菌液；然后将培养菌液置于静态水接触角为67°的表面亲水的培养容器内，在30℃下静置培养8天，得到具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，其中表面亲水的培养容器的材质为经表面亲水处理的聚氯乙烯，表面亲水处理是指将带负电荷的亲水基团接枝在聚氯乙烯表面。
制备的具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜如图2所示，主要由平均直径为72nm主干细菌纤维素纤维和平均直径为18nm的分支细菌纤维素纤维构成，主干细菌纤维素纤维是自身之间相互交联形成三维网孔结构并构成细菌纤维素膜的骨架的细菌纤维素纤维；分支细菌纤维素纤维是在主干细菌纤维素纤维之间成网的细菌纤维素纤维。主干细菌纤维素纤维与分支细菌纤维素纤维通过β-1,4-糖苷键连接。具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的厚度为8mm，密度为7.5mg/cm3，纳米蛛网的网孔孔径为50～70nm。
实施例3
一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的制备方法，步骤如下：
(1)配制发酵培养液：按质量百分数计，单位为wt％，发酵培养液中各组分及其含量如下：
(2)活化：将冷藏的等电点为3.5～4.0的葡萄糖杆菌在室温解冻，并置于200mL发酵培养液中进行摇床培养，摇床培养的转速为120r/min，温度为31℃，时间为12h；
(3)扩增：将活化完毕的菌液与发酵培养液以1:15的体积比混合后，在30℃下静置培养5～9天；
(4)离心：将扩增后的菌液离心去除上清液，获得浓缩菌液，离心转速为2000r/min，离心时间为10min；
(5)配制菌株培养液：在发酵培养液中加入氢氧化钠调节pH为4.6，得到菌株培养液；
(6)培养：在浓缩菌液中加入菌株培养液，并采用漩涡混匀器，在1000rpm下连续振动10s，得到菌株细胞密度为1011个/mL的培养菌液；然后将培养菌液置于静态水接触角为62°的表面亲水的培养容器内，在29℃下静置培养4天，得到具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，其中表面亲水的培养容器的材质为经表面亲水处理的聚丙烯，表面亲水处理是指将带负电荷的亲水基团接枝在聚丙烯表面。
制备的具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜如图3所示，主要由平均直径为50nm的主干细菌纤维素纤维和平均直径为12nm的分支细菌纤维素纤维构成，主干细菌纤维素纤维是自身之间相互交联形成三维网孔结构并构成细菌纤维素膜的骨架的细菌纤维素纤维；分支细菌纤维素纤维是在主干细菌纤维素纤维之间成网的细菌纤维素纤维。主干细菌纤维素纤维与分支细菌纤维素纤维通过β-1,4-糖苷键连接。具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的厚度为3mm，密度为6mg/cm3，纳米蛛网的网孔孔径为150～300nm。
实施例4
一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的制备方法，步骤如下：
(1)配制发酵培养液：
(2)活化：将冷藏的等电点为3.5～4.0的产醋杆菌在室温解冻，并置于250mL发酵培养液中进行摇床培养，摇床培养的转速为150r/min，温度为32℃，时间为24h；
(3)扩增：将活化完毕的菌液与发酵培养液以1:20的体积比混合后，在32℃下静置培养9天；
(4)离心：将扩增后的菌液离心去除上清液，获得浓缩菌液，离心转速为8000r/min，离心时间为10min；
(5)配制菌株培养液：在发酵培养液中加入氢氧化钠调节pH为5.0，得到菌株培养液；
(6)培养：在浓缩菌液中加入菌株培养液，并采用漩涡混匀器，在2000rpm下连续振动30s，得到菌株细胞密度为1012个/mL的培养菌液；然后将培养菌液置于静态水接触角为60°的表面亲水的培养容器内，在32℃下静置培养9天，得到具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，其中表面亲水的培养容器的材质为经表面亲水处理的PET，表面亲水处理是指将带负电荷的亲水基团接枝在PET表面。
制备的具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜主要由平均直径为80nm主干细菌纤维素纤维和平均直径为20nm的分支细菌纤维素纤维构成，主干细菌纤维素纤维是自身之间相互交联形成三维网孔结构并构成细菌纤维素膜的骨架的细菌纤维素纤维；分支细菌纤维素纤维是在主干细菌纤维素纤维之间成网的细菌纤维素纤维。主干细菌纤维素纤维与分支细菌纤维素纤维通过β-1,4-糖苷键连接。具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的厚度为9mm，密度为8mg/cm3，纳米蛛网的网孔孔径为20～60nm。
实施例5
一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的制备方法，步骤如下：
(1)配制发酵培养液：按质量百分数计，单位为wt％，发酵培养液中各组分及其含量如下：
(2)活化：将冷藏的等电点为3.5～4.0的巴氏醋杆菌在室温解冻，并置于150mL发酵培养液中进行摇床培养，摇床培养的转速为120r/min，温度为28℃，时间为12h；
(3)扩增：将活化完毕的菌液与发酵培养液以1:15的体积比混合后，在29℃下静置培养7天；
(4)离心：将扩增后的菌液离心去除上清液，获得浓缩菌液，离心转速为5000r/min，离心时间为6min；
(5)配制菌株培养液：在发酵培养液中加入氢氧化钠调节pH为4.9，得到菌株培养液；
(6)培养：在浓缩菌液中加入菌株培养液，并采用漩涡混匀器，在1200rpm下连续振动30s，得到菌株细胞密度为1012个/mL的培养菌液；然后将培养菌液置于静态水接触角为67°的表面亲水的培养容器内，在31℃下静置培养6天，得到具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，其中表面亲水的培养容器的材质为经表面亲水处理的高硼硅玻璃，表面亲水处理是指将带负电荷的亲水基团接枝在高硼硅玻璃表面。
制备的具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜主要由平均直径为65nm主干细菌纤维素纤维和平均直径为16nm的分支细菌纤维素纤维构成，主干细菌纤维素纤维是自身之间相互交联形成三维网孔结构并构成细菌纤维素膜的骨架的细菌纤维素纤维；分支细菌纤维素纤维是在主干细菌纤维素纤维之间成网的细菌纤维素纤维。主干细菌纤维素纤维与分支细菌纤维素纤维通过β-1,4-糖苷键连接。具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的厚度为7mm，密度为7.2mg/cm3，纳米蛛网的网孔孔径为60～90nm。
实施例6
一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的制备方法，步骤如下：
(1)配制发酵培养液：按质量百分数计，单位为wt％，发酵培养液中各组分及其含量如下：
(2)活化：将冷藏的等电点为3.5～4.0的农杆菌在室温解冻，并置于250mL发酵培养液中进行摇床培养，摇床培养的转速为50r/min，温度为32℃，时间为6h；
(3)扩增：将活化完毕的菌液与发酵培养液以1:15的体积比混合后，在31℃下静置培养7天；
(4)离心：将扩增后的菌液离心去除上清液，获得浓缩菌液，离心转速为6000r/min，离心时间为9min；
(5)配制菌株培养液：在发酵培养液中加入氢氧化钠调节pH为4.7，得到菌株培养液；
(6)培养：在浓缩菌液中加入菌株培养液，并采用漩涡混匀器，在1500rpm下连续振动18s，得到菌株细胞密度为1012个/mL的培养菌液；然后将培养菌液置于静态水接触角为50°的表面亲水的培养容器内，在28℃下静置培养3天，得到具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，其中表面亲水的培养容器的材质为经表面亲水处理的石英玻璃，表面亲水处理是指将带负电荷的亲水基团接枝在石英玻璃表面。
制备的具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜主要由平均直径为40nm主干细菌纤维素纤维和平均直径为10nm的分支细菌纤维素纤维构成，主干细菌纤维素纤维是自身之间相互交联形成三维网孔结构并构成细菌纤维素膜的骨架的细菌纤维素纤维；分支细菌纤维素纤维是在主干细菌纤维素纤维之间成网的细菌纤维素纤维。主干细菌纤维素纤维与分支细菌纤维素纤维通过β-1,4-糖苷键连接。具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的厚度为2mm，密度为5.5mg/cm3，纳米蛛网的网孔孔径为120～185nm。
实施例7
一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的制备方法，步骤如下：
(1)配制发酵培养液：按质量百分数计，单位为wt％，发酵培养液中各组分及其含量如下：
(2)活化：将冷藏的等电点为3.5～4.0的根瘤菌在室温解冻，并置于180mL发酵培养液中进行摇床培养，摇床培养的转速为110r/min，温度为29℃，时间为18h；
(3)扩增：将活化完毕的菌液与发酵培养液以1:12的体积比混合后，在28℃下静置培养8天；
(4)离心：将扩增后的菌液离心去除上清液，获得浓缩菌液，离心转速为6000r/min，离心时间为8min；
(5)配制菌株培养液：在发酵培养液中加入氢氧化钠调节pH为4.9，得到菌株培养液；
(6)培养：在浓缩菌液中加入菌株培养液，并采用漩涡混匀器，在800rpm下连续振动18s，得到菌株细胞密度为1012个/mL的培养菌液；然后将培养菌液置于静态水接触角为58°的表面亲水的培养容器内，在30℃下静置培养4天，得到具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，其中表面亲水的培养容器的材质为经表面亲水处理的聚苯乙烯，表面亲水处理是指将带负电荷的亲水基团接枝在聚苯乙烯表面。
制备的具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜主要由平均直径为55nm主干细菌纤维素纤维和平均直径为12nm的分支细菌纤维素纤维构成，主干细菌纤维素纤维是自身之间相互交联形成三维网孔结构并构成细菌纤维素膜的骨架的细菌纤维素纤维；分支细菌纤维素纤维是在主干细菌纤维素纤维之间成网的细菌纤维素纤维。主干细菌纤维素纤维与分支细菌纤维素纤维通过β-1,4-糖苷键连接。具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的厚度为4mm，密度为6.5mg/cm3，纳米蛛网的网孔孔径为150～200nm。
实施例8
一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的制备方法，步骤如下：
(1)配制发酵培养液：按质量百分数计，单位为wt％，发酵培养液中各组分及其含量如下：
(2)活化：将冷藏的等电点为3.5～4.0的八叠球菌在室温解冻，并置于150mL发酵培养液中进行摇床培养，摇床培养的转速为140r/min，温度为31℃，时间为18h；
(3)扩增：将活化完毕的菌液与发酵培养液以1:18的体积比混合后，在30℃下静置培养6天；
(4)离心：将扩增后的菌液离心去除上清液，获得浓缩菌液，离心转速为6000r/min，离心时间为6min；
(5)配制菌株培养液：在发酵培养液中加入氢氧化钠调节pH为4.9，得到菌株培养液；
(6)培养：在浓缩菌液中加入菌株培养液，并采用漩涡混匀器，在600rpm下连续振动18s，得到菌株细胞密度为1012个/mL的培养菌液；然后将培养菌液置于静态水接触角为59°的表面亲水的培养容器内，在32℃下静置培养3天，得到具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，其中表面亲水的培养容器的材质为经表面亲水处理的聚氯乙烯，表面亲水处理是指将带负电荷的亲水基团接枝在聚氯乙烯表面。
制备的具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜主要由平均直径为40nm主干细菌纤维素纤维和平均直径为8nm的分支细菌纤维素纤维构成，主干细菌纤维素纤维是自身之间相互交联形成三维网孔结构并构成细菌纤维素膜的骨架的细菌纤维素纤维；分支细菌纤维素纤维是在主干细菌纤维素纤维之间成网的细菌纤维素纤维。主干细菌纤维素纤维与分支细菌纤维素纤维通过β-1,4-糖苷键连接。具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的厚度为1.8mm，密度为5.5mg/cm3，纳米蛛网的网孔孔径为150～200nm。
实施例9
一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的制备方法，步骤如下：
(1)配制发酵培养液：按质量百分数计，单位为wt％，发酵培养液中各组分及其含量如下：
(2)活化：将冷藏的等电点为3.5～4.0的洋葱假单胞菌在室温解冻，并置于180mL发酵培养液中进行摇床培养，摇床培养的转速为100r/min，温度为29℃，时间为20h；
(3)扩增：将活化完毕的菌液与发酵培养液以1:8的体积比混合后，在28℃下静置培养9天；
(4)离心：将扩增后的菌液离心去除上清液，获得浓缩菌液，离心转速为5000r/min，离心时间为4min；
(5)配制菌株培养液：在发酵培养液中加入氢氧化钠调节pH为4.7，得到菌株培养液；
(6)培养：在浓缩菌液中加入菌株培养液，并采用漩涡混匀器，在800rpm下连续振动25s，得到菌株细胞密度为109个/mL的培养菌液；然后将培养菌液置于静态水接触角为45°的表面亲水的培养容器内，在28℃下静置培养5天，得到具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，其中表面亲水的培养容器的材质为经表面亲水处理的PET，表面亲水处理是指将带负电荷的亲水基团接枝在PET表面。
制备的具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜主要由平均直径为45nm主干细菌纤维素纤维和平均直径为10nm的分支细菌纤维素纤维构成，主干细菌纤维素纤维是自身之间相互交联形成三维网孔结构并构成细菌纤维素膜的骨架的细菌纤维素纤维；分支细菌纤维素纤维是在主干细菌纤维素纤维之间成网的细菌纤维素纤维。主干细菌纤维素纤维与分支细菌纤维素纤维通过β-1,4-糖苷键连接。具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的厚度为3.5mm，密度为6mg/cm3，纳米蛛网的网孔孔径为190～230nm。
实施例10
一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的制备方法，步骤如下：
(1)配制发酵培养液：按质量百分数计，单位为wt％，发酵培养液中各组分及其含量如下：
(2)活化：将冷藏的等电点为3.5～4.0的椰毒假单胞菌在室温解冻，并置于160mL发酵培养液中进行摇床培养，摇床培养的转速为80r/min，温度为29℃，时间为9h；
(3)扩增：将活化完毕的菌液与发酵培养液以1:12的体积比混合后，在31℃下静置培养7天；
(4)离心：将扩增后的菌液离心去除上清液，获得浓缩菌液，离心转速为2000r/min，离心时间为6min；
(5)配制菌株培养液：在发酵培养液中加入氢氧化钠调节pH为4.7，得到菌株培养液；
(6)培养：在浓缩菌液中加入菌株培养液，并采用漩涡混匀器，在1200rpm下连续振动25s，得到菌株细胞密度为1012个/mL的培养菌液；然后将培养菌液置于静态水接触角为38°的表面亲水的培养容器内，在32℃下静置培养4天，得到具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，其中表面亲水的培养容器的材质为经表面亲水处理的高硼硅玻璃，表面亲水处理是指将带负电荷的亲水基团接枝在高硼硅玻璃表面。
制备的具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜主要由平均直径为55nm主干细菌纤维素纤维和平均直径为13nm的分支细菌纤维素纤维构成，主干细菌纤维素纤维是自身之间相互交联形成三维网孔结构并构成细菌纤维素膜的骨架的细菌纤维素纤维；分支细菌纤维素纤维是在主干细菌纤维素纤维之间成网的细菌纤维素纤维。主干细菌纤维素纤维与分支细菌纤维素纤维通过β-1,4-糖苷键连接。具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的厚度为4mm，密度为6.5mg/cm3，纳米蛛网的网孔孔径为120～160nm。
实施例11
一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的制备方法，步骤如下：
(1)配制发酵培养液：按质量百分数计，单位为wt％，发酵培养液中各组分及其含量如下：
(2)活化：将冷藏的等电点为3.5～4.0的空肠弯曲菌在室温解冻，并置于230mL发酵培养液中进行摇床培养，摇床培养的转速为120r/min，温度为29℃，时间为21h；
(3)扩增：将活化完毕的菌液与发酵培养液以1:18的体积比混合后，在28℃下静置培养5天；
(4)离心：将扩增后的菌液离心去除上清液，获得浓缩菌液，离心转速为8000r/min，离心时间为3min；
(5)配制菌株培养液：在发酵培养液中加入氢氧化钠调节pH为4.9，得到菌株培养液；
(6)培养：在浓缩菌液中加入菌株培养液，并采用漩涡混匀器，在500rpm下连续振动10s，得到菌株细胞密度为1011个/mL的培养菌液；然后将培养菌液置于静态水接触角为45°的表面亲水的培养容器内，在32℃下静置培养7天，得到具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，其中表面亲水的培养容器的材质为经表面亲水处理的聚氯乙烯，表面亲水处理是指将带负电荷的亲水基团接枝在聚氯乙烯表面。
制备的具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜主要由平均直径为65nm主干细菌纤维素纤维和平均直径为17nm的分支细菌纤维素纤维构成，主干细菌纤维素纤维是自身之间相互交联形成三维网孔结构并构成细菌纤维素膜的骨架的细菌纤维素纤维；分支细菌纤维素纤维是在主干细菌纤维素纤维之间成网的细菌纤维素纤维。主干细菌纤维素纤维与分支细菌纤维素纤维通过β-1,4-糖苷键连接。具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的厚度为7.5mm，密度为7.2mg/cm3，纳米蛛网的网孔孔径为50～90nm。
实施例12
一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的制备方法，步骤如下：
(1)配制发酵培养液：按质量百分数计，单位为wt％，发酵培养液中各组分及其含量如下：
(2)活化：将冷藏的等电点为3.5～4.0的椰毒假单胞菌和空肠弯曲菌(质量比为2:3)在室温解冻，并置于230mL发酵培养液中进行摇床培养，摇床培养的转速为120r/min，温度为29℃，时间为21h；
(3)扩增：将活化完毕的菌液与发酵培养液以1:18的体积比混合后，在28℃下静置培养5天；
(4)离心：将扩增后的菌液离心去除上清液，获得浓缩菌液，离心转速为8000r/min，离心时间为3min；
(5)配制菌株培养液：在发酵培养液中加入氢氧化钠调节pH为4.9，得到菌株培养液；
(6)培养：在浓缩菌液中加入菌株培养液，并采用漩涡混匀器，在500rpm下连续振动30s，得到菌株细胞密度为1012个/mL的培养菌液；然后将培养菌液置于静态水接触角为45°的表面亲水的培养容器内，在32℃下静置培养5天，得到具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，其中表面亲水的培养容器的材质为经表面亲水处理的聚丙烯，表面亲水处理是指将带负电荷的亲水基团接枝在聚丙烯表面。
制备的具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜主要由平均直径为60nm主干细菌纤维素纤维和平均直径为15nm的分支细菌纤维素纤维构成，主干细菌纤维素纤维是自身之间相互交联形成三维网孔结构并构成细菌纤维素膜的骨架的细菌纤维素纤维；分支细菌纤维素纤维是在主干细菌纤维素纤维之间成网的细菌纤维素纤维。主干细菌纤维素纤维与分支细菌纤维素纤维通过β-1,4-糖苷键连接。具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的厚度为5.5mm，密度为7mg/cm3，纳米蛛网的网孔孔径为90～130nm。
实施例13
一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的制备方法，步骤如下：
(1)配制发酵培养液：按质量百分数计，单位为wt％，发酵培养液中各组分及其含量如下：
(2)活化：将冷藏的等电点为3.5～4.0的葡糖醋杆菌、产醋杆菌和醋化杆菌(质量比为2:1:2)在室温解冻，并置于230mL发酵培养液中进行摇床培养，摇床培养的转速为120r/min，温度为29℃，时间为21h；
(3)扩增：将活化完毕的菌液与发酵培养液以1:18的体积比混合后，在28℃下静置培养5天；
(4)离心：将扩增后的菌液离心去除上清液，获得浓缩菌液，离心转速为8000r/min，离心时间为3min；
(5)配制菌株培养液：在发酵培养液中加入氢氧化钠调节pH为4.9，得到菌株培养液；
(6)培养：在浓缩菌液中加入菌株培养液，并采用漩涡混匀器，在1500rpm下连续振动18s，得到菌株细胞密度为1010个/mL的培养菌液；然后将培养菌液置于静态水接触角为45°的表面亲水的培养容器内，在28℃下静置培养6天，得到具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，其中表面亲水的培养容器的材质为经表面亲水处理的石英玻璃，表面亲水处理是指将带负电荷的亲水基团接枝在石英玻璃表面。
制备的具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜主要由平均直径为61nm主干细菌纤维素纤维和平均直径为16nm的分支细菌纤维素纤维构成，主干细菌纤维素纤维是自身之间相互交联形成三维网孔结构并构成细菌纤维素膜的骨架的细菌纤维素纤维；分支细菌纤维素纤维是在主干细菌纤维素纤维之间成网的细菌纤维素纤维。主干细菌纤维素纤维与分支细菌纤维素纤维通过β-1,4-糖苷键连接。具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的厚度为6mm，密度为6.8mg/cm3，纳米蛛网的网孔孔径为120～160nm。
实施例14
一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的制备方法，步骤如下：
(1)配制发酵培养液：按质量百分数计，单位为wt％，发酵培养液中各组分及其含量如下：
(2)活化：将冷藏的等电点为3.5～4.0的醋化杆菌和八叠球菌(质量比为2:1)在室温解冻，并置于180mL发酵培养液中进行摇床培养，摇床培养的转速为90r/min，温度为30℃，时间为16h；
(3)扩增：将活化完毕的菌液与发酵培养液以1:3的体积比混合后，在28℃下静置培养9天；
(4)离心：将扩增后的菌液离心去除上清液，获得浓缩菌液，离心转速为7000r/min，离心时间为8min；
(5)配制菌株培养液：在发酵培养液中加入氢氧化钠调节pH为5.0，得到菌株培养液；
(6)培养：在浓缩菌液中加入菌株培养液，并采用漩涡混匀器，在2000rpm下连续振动25s，得到菌株细胞密度为109个/mL的培养菌液；然后将培养菌液置于静态水接触角为70°的表面亲水的培养容器内，在28℃下静置培养6天，得到具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，其中表面亲水的培养容器的材质为经表面亲水处理的聚苯乙烯，表面亲水处理是指将带负电荷的亲水基团接枝在聚苯乙烯表面。
制备的具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜主要由平均直径为40nm主干细菌纤维素纤维和平均直径为20nm的分支细菌纤维素纤维构成，主干细菌纤维素纤维是自身之间相互交联形成三维网孔结构并构成细菌纤维素膜的骨架的细菌纤维素纤维；分支细菌纤维素纤维是在主干细菌纤维素纤维之间成网的细菌纤维素纤维。主干细菌纤维素纤维与分支细菌纤维素纤维通过β-1,4-糖苷键连接。具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的厚度为9mm，密度为6mg/cm3，纳米蛛网的网孔孔径为250～300nm。
实施例15
一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的制备方法，步骤如下：
(1)配制发酵培养液：按质量百分数计，单位为wt％，发酵培养液中各组分及其含量如下：
(2)活化：将冷藏的等电点为3.5～4.0的葡萄糖杆菌和农杆菌(质量比为1:1)在室温解冻，并置于150mL发酵培养液中进行摇床培养，摇床培养的转速为90r/min，温度为32℃，时间为6h；
(3)扩增：将活化完毕的菌液与发酵培养液以1:7的体积比混合后，在28℃下静置培养9天；
(4)离心：将扩增后的菌液离心去除上清液，获得浓缩菌液，离心转速为8000r/min，离心时间为3min；
(5)配制菌株培养液：在发酵培养液中加入氢氧化钠调节pH为5.0，得到菌株培养液；
(6)培养：在浓缩菌液中加入菌株培养液，并采用漩涡混匀器，在1500rpm下连续振动15s，得到菌株细胞密度为1012个/mL的培养菌液；然后将培养菌液置于静态水接触角为68°的表面亲水的培养容器内，在32℃下静置培养4天，得到具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，其中表面亲水的培养容器的材质为经表面亲水处理的聚丙烯，表面亲水处理是指将带负电荷的亲水基团接枝在聚丙烯表面。
制备的具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜主要由平均直径为40nm主干细菌纤维素纤维和平均直径为5nm的分支细菌纤维素纤维构成，主干细菌纤维素纤维是自身之间相互交联形成三维网孔结构并构成细菌纤维素膜的骨架的细菌纤维素纤维；分支细菌纤维素纤维是在主干细菌纤维素纤维之间成网的细菌纤维素纤维。主干细菌纤维素纤维与分支细菌纤维素纤维通过β-1,4-糖苷键连接。具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的厚度为5mm，密度为5mg/cm3，纳米蛛网的网孔孔径为20～70nm。
实施例16
一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的制备方法，步骤如下：
(1)配制发酵培养液：按质量百分数计，单位为wt％，发酵培养液中各组分及其含量如下：
(2)活化：将冷藏的等电点为3.5～4.0的葡糖醋杆菌、根瘤菌和椰毒假单胞菌(质量比为2:3:3)在室温解冻，并置于100mL发酵培养液中进行摇床培养，摇床培养的转速为50r/min，温度为28℃，时间为16h；
(3)扩增：将活化完毕的菌液与发酵培养液以1:2的体积比混合后，在29℃下静置培养8天；
(4)离心：将扩增后的菌液离心去除上清液，获得浓缩菌液，离心转速为3000r/min，离心时间为10min；
(5)配制菌株培养液：在发酵培养液中加入氢氧化钠调节pH为4.5，得到菌株培养液；
(6)培养：在浓缩菌液中加入菌株培养液，并采用漩涡混匀器，在900rpm下连续振动10s，得到菌株细胞密度为109个/mL的培养菌液；然后将培养菌液置于静态水接触角为70°的表面亲水的培养容器内，在28℃下静置培养5天，得到具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，其中表面亲水的培养容器的材质为经表面亲水处理的聚丙烯，表面亲水处理是指将带负电荷的亲水基团接枝在聚丙烯表面。
制备的具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜主要由平均直径为80nm主干细菌纤维素纤维和平均直径为10nm的分支细菌纤维素纤维构成，主干细菌纤维素纤维是自身之间相互交联形成三维网孔结构并构成细菌纤维素膜的骨架的细菌纤维素纤维；分支细菌纤维素纤维是在主干细菌纤维素纤维之间成网的细菌纤维素纤维。主干细菌纤维素纤维与分支细菌纤维素纤维通过β-1,4-糖苷键连接。具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的厚度为9mm，密度为4mg/cm3，纳米蛛网的网孔孔径为240～300nm。

Claims (9)

1.一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，其特征是：所述具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜主要由主干细菌纤维素纤维和分支细菌纤维素纤维构成；
所述主干细菌纤维素纤维是自身之间相互交联形成三维网孔结构并构成细菌纤维素膜的骨架的细菌纤维素纤维；
所述分支细菌纤维素纤维是在主干细菌纤维素纤维之间成网的细菌纤维素纤维。
2.根据权利要求1所述的一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，其特征在于，所述主干细菌纤维素纤维与分支细菌纤维素纤维通过β-1,4-糖苷键连接。
3.根据权利要求1所述的一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，其特征在于，所述主干细菌纤维素纤维的平均直径为30～80nm；所述分支细菌纤维素纤维的平均直径为5～20nm。
4.根据权利要求1所述的一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜，其特征在于，所述具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的厚度为0.1～9mm，密度为5～8mg/cm3；所述纳米蛛网的网孔孔径为20～300nm。
5.一种制备如权利要求1～4任一项所述的一种具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的方法，其特征是：将等电点为3.5～4.0的菌株均匀分散在pH值为4.5～5.0的菌株培养液中得到菌株细胞密度为109～1012个/mL的培养菌液，再将培养菌液置于表面亲水的培养容器内静置培养，制得具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜；所述表面亲水的培养容器表面的静态水接触角≤70°。
6.根据权利要求5所述的一种制备具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)配制发酵培养液：按质量百分数计，单位为wt％，发酵培养液中各组分及其含量如下：
2)活化：将冷藏的等电点为3.5～4.0的菌株在室温解冻，并置于100～250mL发酵培养液中进行摇床培养，摇床培养的转速为50～150r/min，温度为28～32℃，时间为6～24h；
3)扩增：将活化完毕的菌液与发酵培养液以1:2～20的体积比混合后，在28～32℃下静置培养5～9天；
4)离心：将扩增后的菌液离心去除上清液，获得浓缩菌液；
5)配制菌株培养液：在发酵培养液中加入氢氧化钠调节pH为4.5～5.0，得到菌株培养液；
6)培养：在浓缩菌液中加入菌株培养液，并均匀分散，得到菌株细胞密度为109～1012个/mL的培养菌液；然后将培养菌液置于表面亲水的培养容器内，在28～32℃下静置培养3～9天，得到具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜。
7.根据权利要求6所述的一种制备具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的方法，其特征在于，所述等电点为3.5～4.0的菌株选自葡糖醋杆菌、产醋杆菌、醋化杆菌、巴氏醋杆菌、葡萄糖杆菌、农杆菌、根瘤菌、八叠球菌、洋葱假单胞菌、椰毒假单胞菌或空肠弯曲菌中的一种以上。
8.根据权利要求6所述的一种制备具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的方法，其特征在于，所述离心的离心转速为2000～8000r/min，离心时间为3～10min；所述均匀分散是指采用漩涡混匀器，在500～2000rpm下连续振动10～30s。
9.根据权利要求6所述的一种制备具有纳米蛛网结构的细菌纤维素膜的方法，其特征在于，所述表面亲水的培养容器的材质为经表面亲水处理的聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酯、高硼硅玻璃或石英玻璃，所述表面亲水处理是指将带负电荷的亲水基团接枝在材质表面。
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