摘要: 细菌纤维素(Bacterial Cellulose，BC)又称为微生物纤维素(Microbial Cellulose)，它是一种由细菌合成的胞外生物聚合物。从纤维素的分子组成看，BC和植物纤维素一样都是由D-葡萄糖通过β-1，4-糖苷键结合而成的直链。但从物理、化学、机械性能来看，它... 展开 细菌纤维素(Bacterial Cellulose，BC)又称为微生物纤维素(Microbial Cellulose)，它是一种由细菌合成的胞外生物聚合物。从纤维素的分子组成看，BC和植物纤维素一样都是由D-葡萄糖通过β-1，4-糖苷键结合而成的直链。但从物理、化学、机械性能来看，它具有自己独特的性质，例如高结晶度、高持水性、超细纳米纤维网络、高抗张强度和弹性模量等，是一种新型的纳米生物材料，已应用于食品、造纸、医学材料、声音振动膜等各个领域，现已成为国际的研究热点。但是，由于细菌纤维素产量较低，生产成本较高，所以其应用受到了较大的限制，因此，提高细菌纤维素产量，降低生产成本是细菌纤维素研究的重点。 为了解决细菌纤维素发酵底物上的各种问题尤其是培养基成本问题，本课题以实验室保藏的一株细菌纤维素高产木醋杆菌（Gluconacetobacter xylinus CH001）为主要研究对象，研究其利用各类原料（木质纤维素水解液、水果提取物、发酵有机废水等）进行细菌纤维素发酵（以静态发酵模式为主）的效果，探讨其作为产业化发酵底物的可行性。研究结果表明玉米芯稀酸水解液、象草稀酸水解液、荔枝汁和丁醇废水均可作为木醋杆菌静态发酵产细菌纤维素的底物。 两种典型的木质纤维素原料包括玉米芯与象草经过稀酸水解，脱毒等步骤后可用于木醋杆菌的细菌纤维素发酵。木醋杆菌在脱毒后的玉米芯稀酸水解液中静态发酵14天后，细菌纤维素的最大产量为4.1 g/L，总糖的转化率为37.7％;同样条件下，象草稀酸水解液中静态发酵所得细菌纤维素的最高产量为6.4 g/L，总糖的转化率为60.4％。扫描电镜观察得玉米芯和象草稀酸水解液发酵所得细菌纤维素均为超微细三维网状结构，且微纤维直径为纳米级尺寸。利用傅里叶红外光谱测出所得细菌纤维素产物中均存在以下可能的有机官能团:-OH，-CH2，-CH，C-O等，这与标准纤维素的结构相一致。X-射线衍射分析表明细菌纤维素的晶体结构均属于纤维素Ⅰ型，且具有较高的结晶度和结晶指数。 为了比较木醋杆菌在木质纤维素水解液与其它传统细菌纤维素发酵培养基（水果提取物，发酵有机废水等）的异同，本课题进一步在荔枝汁与丁醇发酵废水培养基中进行木醋杆菌静态发酵。在不添加任何额外成分的荔枝汁、丁醇发酵废水培养基中，可分别得到细菌纤维素干重最高为2.5 g/L和1.34 g/L;对丁醇废水中COD的去除率为14.7％，总氮的转化率为13.2％。在荔枝汁与丁醇发酵废水中木醋杆菌所产的细菌纤维素结构与在传统HS培养基中所得的细菌纤维素结构相似。 木醋杆菌在荔枝汁与丁醇发酵废水中所产的细菌纤维素得率低于在木质纤维素水解液中所得的产量，且荔枝汁成本较高，丁醇发酵废水不利于底物收集，象草仅适合热带、亚热带地区种植，相对而言，玉米的种植范围广，且产量较高，因此玉米芯更适合细菌纤维素的产业化生产。因此，我们进一步系统研究了以玉米芯水解液为基础培养基的培养基组成与培养条件对木醋杆菌产细菌纤维素的影响。在玉米芯水解液中添加额外的阿拉伯糖、果糖、葡萄糖、甘露醇、蔗糖，细菌纤维素的产量均没有明显的提高;添加额外的氮源及有机酸对细菌纤维素的产量有不同程度的影响。添加酵母粉、蛋白胨、牛肉膏、乙酸铵、氯化铵、硫酸铵六种氮源中，以牛肉膏为外加氮源时，细菌纤维素的产量最高，最适的添加量为2 g/L;在添加甲酸、乙酸、丁酸、乙酰丙酸四种有机酸中，乙酰丙酸的促进作用最明显，且最适浓度为2 g/L。采用单因素实验的方法得出适宜Gluconacetobacterxylinus CH001生长的玉米芯水解液最佳培养条件为发酵液初始pH值为6.5，接种量为10％，培养液体积为70 mL，种龄为48 h，静置发酵14天。 此外，本课题通过静态-原位或动态-非原位合成的方法对膨润土无机凝胶与细菌纤维素复合材料的制备进行了初步探索。利用静态-原位合成的方法分别在HS培养基和玉米芯水解液中成功制备出了细菌纤维素/膨润土无机凝胶改性复合膜材料。在HS培养基中添加2g/L的膨润土无机凝胶，所得细菌纤维素复合膜的持水量比未添加组提高了47.02％。在稀释两倍的玉米芯水解液中，通过静态-原位合成和动态-非原位合成的方法所得细菌纤维素改性材料的持水量均低于纯的细菌纤维素;静态-原位合成的方法要优于动态-非原位合成;静态-原位合成的细菌纤维素改性材料的保水性能要优于纯的细菌纤维素。通过对比分别在HS培养基，稀释两倍、稀释三倍的玉米芯水解液中，原位合成改性细菌纤维素材料的参数分析表明，不同的培养基成分对其持水性能、糖的转化率及细菌纤维素产量等具有重要的影响。 收起