CN108728503A - 一种多孔细菌纤维素膜的制备方法 - Google Patents

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胡江婷
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Abstract

本发明公开了一种制备多孔细菌纤维素膜的方法。所述方法通过在木醋杆菌发酵过程中，利用碳酸钙作为致孔剂进行结构调控，并加入增稠剂羧甲基纤维素钠，提高发酵体系粘度，使得碳酸钙不易沉降，在发酵结束后，利用醋酸除去细菌纤维素膜中的碳酸钙，得到完全不含碳酸钙的、多孔的细菌纤维素膜。本发明方法简单易行，通过控制碳酸钙和羧甲基纤维素钠的量，能够对细菌纤维素膜的孔隙进行有效原位调控，在保证纤维素原有晶型的同时，制得的细菌纤维素膜的透气性显著提高，进一步拓宽细菌纤维素的应用领域。

Description

一种多孔细菌纤维素膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种多孔细菌纤维素膜的制备方法，属于生物材料技术领域。
背景技术
细菌纤维素(Bacterial Cellulose，简称BC)是以木醋杆菌(Acetobacterxylinum)为代表的少数微生物合成分泌的胞外多糖，具有超细三维结构，纤维的宽度约为70-80nm。对细菌纤维素进行结构改性，能够进一步拓宽细菌纤维素的应用领域。
近年来，对于细菌纤维素的改性应用层出不穷，大多数方法取得了一定的成果，但同时存在着操作过程复杂、对环境不友好、成本居高不下等问题。文献1(罗成成，纤维素的改性及应用研究进展.2015:767-773)总结了三大类对纤维素进行改性的方法，即物理改性、化学改性和生物改性，但所述方法均为先获得纤维素成品，再对其进行后期改性，容易造成纤维素晶体形貌的改变，使其丧失纤维素原有的高结晶度、高强度等优良特性。文献2(Keshk S,etc..Influence of lignosulfonate on crystal structure andproductivity of bacterial cellulose in a static culture,2006,40(1):4-8)利用向发酵液中添加木素磺酸盐的方法对细菌纤维素进行改性，该方法在提高纤维素纤维之间结合力的同时会产生结团现象，使最终的改性产物质地不够均匀。文献3(赵艳锋.纤维素的改性技术及进展.2006,20(2):11-14)利用纤维素酶处理细菌纤维素，可以提高纤维素间的结合力，但是纤维素酶会降解纤维素链。
综上所述，改性条件以及改性方法的选取对于纤维素的改性效果起到至关重要的作用，利用合理的改性方法在不破坏原有纤维的同时进行相关改性，对于纤维素的后期应用范围的拓宽具有深远意义。
发明内容
本发明提供了一种多孔细菌纤维素膜的制备方法，所述方法通过在木醋杆菌发酵过程中，加入碳酸钙作为致孔剂进行结构调控，得到多孔细菌纤维素膜，该改性方法可以在保证纤维素原有晶型的同时，能够对纤维素的孔隙进行调控。
本发明的技术方案如下：
一种制备多孔细菌纤维素膜的方法，通过在木醋杆菌发酵过程中，加入碳酸钙作为致孔剂，并加入增稠剂羧甲基纤维素钠，发酵结束后，在细菌纤维素膜中加入醋酸溶液，除去细菌纤维素膜中的碳酸钙，具体步骤如下：
按碳酸钙与羧甲基纤维素钠的质量比为1:40～65，在发酵液中加入碳酸钙粉末和羧甲基纤维素钠，其中碳酸钙粉末的浓度为1～5mg/100mL，将对数生长期的木醋杆菌接种到发酵液中进行发酵，发酵结束后，取出细菌纤维素膜，冲洗干净，加入醋酸溶液，除去碳酸钙，漂洗，纯化，得到多孔细菌纤维素膜。
优选地，碳酸钙与羧甲基纤维素钠的质量比为1:50。
优选地，，所述的醋酸溶液的浓度为5～25g/L。
本发明利用碳酸钙作为致孔剂进行结构调控，并加入增稠剂羧甲基纤维素钠，提高发酵体系粘度，使得碳酸钙不易沉降，在发酵结束后，利用碳酸钙溶于弱酸的特点，利用醋酸除去细菌纤维素膜中的碳酸钙，得到完全不含碳酸钙的、多孔的细菌纤维素膜。本发明方法简单易行，通过控制碳酸钙和羧甲基纤维素钠的量，能够对细菌纤维素膜的孔隙进行有效调控，在保证纤维素原有晶型的同时，制得的细菌纤维素膜的透气性显著提高。
附图说明
图1是实施例1发酵过程中，添加碳酸钙进行发酵过程干扰后得到的产物(a，b)和未添加致孔剂发酵获得产物(c，d)的SEM图。
图2是实施例2发酵过程中，添加碳酸钙进行发酵过程干扰后得到的产物和未添加致孔剂发酵获得产物的XRD图。
图3是实施例3发酵过程中，添加碳酸钙进行发酵过程干扰后得到的产物和未添加致孔剂发酵获得产物的红外谱图。
图4是实施例4中，添加碳酸钙进行发酵过程干扰后得到的产物和未添加致孔剂发酵获得产物的水蒸气透过率结果图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
本发明实施例中种子液的制备以及参数监测可参考现有方法，其中种子液可通过以下步骤制得：
将4℃低温保藏的菌种于30℃条件下静置20min，用接种环挑取一环菌种划线于固体平板培养基中，将平板培养基于30℃培养箱中静置培养36h。固体培养基组成(g/100mL)：葡萄糖2.0，蔗糖1.0，硫酸镁0.04，柠檬酸0.11，磷酸二氢钠0.25，蛋白胨1.0，琼脂1.8，酵母浸粉0.1。pH＝6.0，121℃灭菌30min；
将已活化种子接种到装有1/5种子液的500mL锥形瓶中，然后放入摇床中以120-160rpm往复摇晃培养48h。种子液组成(g/100mL)：葡萄糖2.0，硫酸铵0.6，磷酸二氢钾0.1，硫酸镁0.04，蛋白胨0.3，酵母浸粉0.225，羧甲基纤维素钠0.04。121℃灭菌30min。
本发明实施例中的发酵过程，按照10％的接种量，将木醋杆菌种子液接种到含有碳酸钙和羧甲基纤维素钠的发酵液中进行浅盘静态发酵培养。发酵液的基本组成(g/100mL)：葡萄糖2.25，蔗糖2.75，硫酸铵0.1，磷酸二氢钾0.5，硫酸镁0.07，乳酸钙0.02，蛋白胨1.0，酵母浸粉0.75，醋酸0.15，柠檬酸0.06。pH＝6.0。发酵液中，致孔剂碳酸钙1～5mg/100mL，碳酸钙与羧甲基纤维素钠的质量比为1:40～65。发酵结束后，醋酸洗涤纤维素膜，除去碳酸钙后，进行常规的漂洗纯化。
微观结构形态的表征：对发酵得到的原位修饰的、多孔的细菌纤维素膜进行扫描电镜(JEOL JSM-6380LV)观察。将样品进行冷冻干燥，剪取一块5mm×5mm的样品，用导电胶将其固定于样品台，在真空的条件下对其进行喷金操作处理，进行微观结构的观察。
结晶状态表征：X射线衍射采用Bruker AXS D8Advance X射线衍射仪进行记录，X射线源为CuKα线，扫描范围在10°～50°。
红外光谱表征：采用美国Thermo Scientific Nicolet IR200对样品进行红外检测。
实施例1
在发酵液中加入1mg/100mL的碳酸钙和40mg/100mL的羧甲基纤维素钠，按照10％的接种量，将对数生长期的木醋杆菌种子液接种到发酵液中进行发酵。发酵结束后，用5g/L醋酸洗涤纤维素膜，除去碳酸钙，进行常规的漂洗纯化，得到多孔细菌纤维素膜。
添加碳酸钙和羧甲基纤维素钠进行发酵得到的细菌纤维素膜与未添加碳酸钙和羧甲基纤维素钠进行发酵得到的细菌纤维素膜的扫描电镜图如图1所示，其中图1(a)和图1(b)为添加碳酸钙和羧甲基纤维素钠进行发酵得到的细菌纤维素膜，图1(c)和图1(d)为未添加碳酸钙和羧甲基纤维素钠进行发酵得到的细菌纤维素膜。
木醋杆菌分泌纤维素多糖形成的三维纤维网络能包埋碳酸钙，在发酵完成后，除去碳酸钙，在原有碳酸钙的位置会形成孔隙。碳酸钙的掺入使BC孔的直径增大至4-5μm，且分布均匀，如图1(a)、图1(b)，而未添加羧甲基纤维素钠及碳酸钙获得的BC，则没有明显的孔隙结构，如图1(c)、图1(d)。
实施例2
在发酵液中加入3mg/100mL的碳酸钙和195mg/100mL的羧甲基纤维素钠，按照10％的接种量，将对数生长期的木醋杆菌种子液接种到发酵液中进行发酵。发酵结束后，用15g/L醋酸洗涤纤维素膜，除去碳酸钙，进行常规的漂洗纯化，得到多孔细菌纤维素膜。
添加碳酸钙和羧甲基纤维素钠进行发酵得到的细菌纤维素膜与未添加碳酸钙和羧甲基纤维素钠进行发酵得到的细菌纤维素膜的XRD图如图2所示，a为加入碳酸钙及羧甲基纤维素钠，b为未加入碳酸钙及羧甲基纤维素钠。由图可看出，BC膜在2θ为17.5°和22.5°处有典型强衍射峰。在发酵过程中加入碳酸钙后，两者波形变化不大，说明调控物质基本不影响BC的晶体构型。
实施例3
在发酵液中加入5mg/100mL的碳酸钙和250mg/100mL的羧甲基纤维素钠，按照10％的接种量，将对数生长期的木醋杆菌种子液接种到发酵液中进行发酵。发酵结束后，用25g/L醋酸洗涤纤维素膜，除去碳酸钙，进行常规的漂洗纯化，得到多孔细菌纤维素膜。
添加碳酸钙和羧甲基纤维素钠进行发酵得到的细菌纤维素膜与未添加碳酸钙和羧甲基纤维素钠进行发酵得到的细菌纤维素膜的红外图如图3所示，a为加入碳酸钙及羧甲基纤维素钠，b为未加入碳酸钙及羧甲基纤维素钠。由图3可以看出，调控及未调控的细菌纤维素的红外光谱图大致相同，说明两者在成分组成上基本相同，调控物质基本不影响BC性能。
实施例4
水蒸气透过率测试。
将添加碳酸钙和羧甲基纤维素钠进行发酵得到的细菌纤维素膜与未添加碳酸钙和羧甲基纤维素钠进行发酵得到的细菌纤维素膜分别裁成10cm2圆形膜片，其厚度为1.5mm，根据国标YY/T 0471.2-2004进行测试。温度依据人体温度设定为37℃，相对湿度低于20％，每组5个样，取平均值，按以下公式进行计算：
X＝(W1-W2)*1000*24/T
X—水蒸气透过率(g.m-2.24h-1)；W1—容器、样品和液体的质量(g)；
W2—试验期后容器、样品和液体的质量(g)；T—实验时间(h)。
结果如图4所示，从图4可以看出，经过使用碳酸钙作为致孔剂调控后的细菌纤维素膜的水蒸气透过率高于未加致孔剂的细菌纤维素膜水蒸气透过率。这是因为通过对细菌纤维素膜结构的调控，使细菌纤维素膜的孔隙率提高，进而提高其透气性。

Claims (3)

1.一种制备多孔细菌纤维素膜的方法，其特征在于，具体步骤如下：
按碳酸钙与羧甲基纤维素钠的质量比为1:40～65，在发酵液中加入碳酸钙粉末和羧甲基纤维素钠，其中碳酸钙粉末的浓度为1～5mg/100mL，将对数生长期的木醋杆菌接种到发酵液中进行发酵，发酵结束后，取出细菌纤维素膜，冲洗干净，加入醋酸溶液，除去碳酸钙，漂洗，纯化，得到多孔细菌纤维素膜。
2.根据权利要求1所述的制备多孔细菌纤维素膜的方法，其特征在于，碳酸钙与羧甲基纤维素钠的质量比为1:50。
3.根据权利要求1所述的制备多孔细菌纤维素膜的方法，其特征在于，所述的醋酸溶液的浓度为5～25g/L。
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