醋酸桿菌發(fā)酵細(xì)菌纖維素及其改性研究

張 雯，趙秋紅，李彥軍

(陜西科技大學(xué)，陜西西安710021)

細(xì)菌纖維素(Bacterial cellulose，簡(jiǎn)稱BC)是葡萄糖以β－1，4－糖苷鍵聚合成的高分子化合物，與自然界廣泛存在的植物纖維素相比，在純度、持水性、透氣性、物理和機(jī)械性能、生物相容性及生物可降解性等方面均具有獨(dú)特的優(yōu)良性能。在食品、醫(yī)藥、輕工等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值［1－4］。然而，BC 干燥后即成堅(jiān)硬致密的半透明干膜，不易被液體滲透，吸水量相對(duì)較少，難以恢復(fù)到最初的溶脹狀態(tài)，使其優(yōu)良特性被破壞，從而限制了其應(yīng)用［5］。為改善BC的再溶脹能力，提高其材料性能，本研究通過(guò)兩種途徑對(duì)BC進(jìn)行了改性:一是在發(fā)酵培養(yǎng)基中分別添加水溶性多糖—羧甲基纖維素、羧甲基淀粉鈉、海藻酸鈉發(fā)酵生產(chǎn)BC;二是將普通培養(yǎng)基中發(fā)酵生產(chǎn)的BC凝膠膜或干膜分別浸漬于多羥基化合物－1，3－丁二醇、N，N－二甲基甲酰胺、甘油中進(jìn)行改性。從而改善了BC材料性能，促進(jìn)了其開發(fā)應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

醋酸桿菌(Acetobacter xylinum)本實(shí)驗(yàn)室提供;固體培養(yǎng)基［6］蔗糖 5%，牛肉膏 1.5%，Na2HPO40.44%，檸檬酸0.08%，乙醇1.0%，pH5.0;種子培養(yǎng)基 蔗糖5%，牛肉膏1.5%，Na2HPO40.44%，檸檬酸0.08%，乙醇1.0%，pH 5.0;基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基 蔗糖5%，牛肉膏1.5%，Na2HPO40.44%，檸檬酸0.08%，瓊脂1.8%，乙醇1.0%，pH 5.0;改性培養(yǎng)基1 基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基添加羧甲基纖維素鈉(CMCNa);改性培養(yǎng)基2 基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基添加羧甲基淀粉鈉(CMSCNa);改性培養(yǎng)基3 基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基添加海藻酸鈉(AS)。

電熱恒溫培養(yǎng)箱(MG250B)、恒溫振蕩器(HYG－1A)上海新瑞儀器有限公司;光學(xué)顯微鏡(XPS－8CA)上海光學(xué)儀器有限公司;精密電子天平(BS110S)北京賽多利斯天平有限公司;全自動(dòng)X－射線衍射儀 日本Rigalcu;傅立葉變換紅外光譜儀 德國(guó)Brucher公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 BC的發(fā)酵改性 分別配制基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基及改性培養(yǎng)基1、改性培養(yǎng)基2、改性培養(yǎng)基3，接種醋酸桿菌(接種量10%，發(fā)酵液裝量200mL/500mL燒杯)，30℃靜態(tài)培養(yǎng)4d進(jìn)行BC的發(fā)酵生產(chǎn)，發(fā)酵結(jié)束后測(cè)定產(chǎn)物持水率、孔隙率、透濕性及IR、XRD檢測(cè)。改性培養(yǎng)基中多糖添加量均為6個(gè)梯度:0、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%，每個(gè)樣品平行3份。所得改性后樣品記為樣品1#～樣品15#，對(duì)照組記為樣品0#。

1.2.2 BC的浸漬改性 配制基礎(chǔ)培養(yǎng)基發(fā)酵生產(chǎn)BC，發(fā)酵結(jié)束后將BC凝膠膜按1.2.3所述方法進(jìn)行處理，分別浸漬在蒸餾水及多羥基化合物－丁二醇、二甲基甲酰胺、甘油中24h進(jìn)行改性。浸漬結(jié)束后取出BC膜用蒸餾水充分水洗，所得改性后樣品記為樣品16#～樣品18#。測(cè)定改性后的BC持水率、孔隙率、透濕性及IR、XRD檢測(cè)。

1.2.3 測(cè)定分析方法

1.2.3.1 BC膜處理 將BC膜浸泡于0.1mol/L NaOH溶液中，80℃浸泡30min，繼續(xù)加熱煮沸約2h，再用蒸餾水反復(fù)沖洗，直到pH為7.2［6］。

1.2.3.2 BC膜持水率、復(fù)水率及產(chǎn)量測(cè)定 稱重法［7－8］。

1.2.3.3 BC膜孔隙率 用介質(zhì)飽和法測(cè)定［7－8］。

1.2.3.4 BC膜透濕性 用水蒸汽透過(guò)率評(píng)價(jià)［7－8］。

1.2.3.5 BC鑒定及基團(tuán)分析 紅外光譜(樣品處理:將BC膜烘干后研成粉末，與溴化鉀以1∶100比例混合充分研細(xì)，然后用壓片機(jī)壓片，再放入紅外光譜儀中進(jìn)行測(cè)定)［9］。

1.2.3.6 BC膜結(jié)晶度 X－射線衍射光譜(樣品處理:將BC膜烘干后研成粉末，平鋪在涂有凡士林的玻璃平板上，然后將樣品放入X－衍射儀中，設(shè)定參數(shù)角為 20～40°)［9］。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

所有數(shù)據(jù)均用三次平行實(shí)驗(yàn)的平均值表示，用SPSS(PASW Statistics18)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，方差分析及多重比較中p＜0.05為顯著差異，記為*。

2 結(jié)果與分析

通過(guò)發(fā)酵培養(yǎng)基中添加CMCNa、CMSCNa、AS制備了 CMCNa－BC、CMSCNa－BC、AS－BC 3 種改性 BC膜，同時(shí)利用多羥基化合物—丁二醇、甘油和二甲基甲酰胺浸漬BC得到了三種浸漬改性膜，改性前后BC膜的持水性、復(fù)水性、孔隙率、水蒸氣透過(guò)率及IR、XRD檢測(cè)結(jié)果如圖1～圖9所示。

2.1 改性對(duì)BC膜持水性及復(fù)水性的影響

由數(shù)據(jù)分析及圖1、圖2可知，通過(guò)向發(fā)酵培養(yǎng)基中添加水溶性多糖對(duì)BC進(jìn)行改性后，BC的復(fù)水率顯著提高，其中培養(yǎng)基中加入0.5%AS的改性BC膜(樣品11#)復(fù)水率可達(dá)96.58%，比改性前提高了30.3%;N，N－二甲基甲酰胺浸漬改性后BC膜(樣品18#)改性產(chǎn)物再次溶脹后的復(fù)水率可達(dá)97.40%，比未改性BC膜增加31.4%。同時(shí)，改性后的BC膜持水率也有所上升，其中培養(yǎng)基中加入1.5%AS(樣品13#)生產(chǎn)的BC膜持水率最高達(dá)98.53%，比改性前提高了2%。其原因主要在于，BC可以與水溶性多糖以糖苷鍵的形式結(jié)合從而改變其特殊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改性BC膜通過(guò)干燥后的硬度會(huì)有所降低，因此可提高干膜再溶脹后的復(fù)水性。而多羥基化合物作為一種“膨脹劑”，可部分取代凝膠膜中持有的水分，這些“膨脹劑”在BC膜干燥時(shí)不會(huì)隨水分蒸發(fā)出去，阻止了除去水分對(duì)膜微結(jié)構(gòu)的破壞，使之形成一種柔韌的膜，從而使BC干膜復(fù)水時(shí)在較短時(shí)間內(nèi)可以恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。而其中甘油浸漬后BC膜的持水率及復(fù)水率均明顯降低主要是因?yàn)槎嗔u基化合物可以部分或全部地取代凝膠膜中持有的水分，這些“膨脹劑”在BC膜干燥時(shí)不會(huì)隨水分蒸發(fā)出去。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，培養(yǎng)基中添加2.5%AS對(duì)BC膜合成有抑制作用，不能產(chǎn)生BC，其原因可能是因?yàn)榘l(fā)酵培養(yǎng)基中AS濃度過(guò)高，滲透壓過(guò)大，影響了細(xì)胞代謝生產(chǎn)BC。

圖1 發(fā)酵改性前后細(xì)菌纖維素的持水率Fig.1 Water holdup rate of bacterial cellulose before and after being modified

圖2 發(fā)酵改性前后細(xì)菌纖維素的復(fù)水率Fig.2 Rehydration rate of bacterial cellulose before and after being modified

2.2 改性對(duì)BC膜孔隙率及透濕性的影響

由數(shù)據(jù)分析及圖3、圖4可知，培養(yǎng)基中加入1.5%CMCNa發(fā)酵改性的BC膜孔隙率為0.9177%，比未改性的BC膜孔隙率增加了5倍。同時(shí)，發(fā)酵改性后BC膜的水蒸氣透過(guò)率均得到了不同程度的提高，培養(yǎng)基中加入1.0%CMSCNa發(fā)酵改性后BC膜水蒸氣透過(guò)率可達(dá)8967.2g/m2×d，比未改性的BC膜水蒸氣透過(guò)率增加了1倍。

圖3 發(fā)酵改性前后細(xì)菌纖維素的孔隙率Fig.3 Hole rate of bacterial cellulose before and after being modified

圖4 發(fā)酵改性前后細(xì)菌纖維素的水蒸氣透過(guò)率Fig.4 Water vapour transmission rate of bacterial cellulose before and after being modified

2.3 改性BC膜紅外光譜檢測(cè)

改性前后的BC膜紅外光譜圖如圖5～圖8所示，1059cm－1左右處的吸收峰是由碳氧鍵的伸縮振動(dòng)引起的，是纖維素分子的特征峰。在3450cm－1左右處的吸收峰，反映了分子間氫鍵引起的O－H基的伸縮振動(dòng)。在1500cm－1和2000cm－1之間的吸收峰是由纖維素4’端的半縮醛基引起的。在1645cm－1左右處的吸收峰是由C－H鍵伸縮振動(dòng)引起的，強(qiáng)度與纖維素結(jié)晶度有關(guān)。而在2920cm－1左右處的吸收峰則是由CH2－CH伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的，在這個(gè)區(qū)域的吸收峰是糖類的特征吸收峰。在約900cm－1的吸收峰是糖苷鍵的特征峰。通過(guò)紅外光譜圖的對(duì)比，改性后多糖的確存在于細(xì)菌纖維素中。3450cm－1處O－H、C－H吸收峰的明顯增強(qiáng)較好地說(shuō)明了羧甲基已經(jīng)結(jié)合到了 BC 中。1606、1414、1645cm－1處的吸收峰，分別表明了羧甲基纖維素鈉、羧甲基淀粉鈉和海藻酸鈉成分的存在。

2.4 改性對(duì)BC膜結(jié)晶性的影響

圖5 改性前細(xì)菌纖維素的紅外光譜圖Fig.5 IR of the bacterial cellulose before being modified

圖6 N，N－二甲基甲酰胺改性后細(xì)菌纖維素的紅外光譜圖Fig.6 IR of the bacterial cellulose after being modified by N，N－dimethylformamide

圖7 培養(yǎng)基添加0.5%AS改性細(xì)菌纖維素的紅外光譜圖Fig.7 IR of the bacterial cellulose after being modified by 0.5%AS

圖8 培養(yǎng)基添加1.5%CMCNa改性細(xì)菌纖維素的紅外光譜圖Fig.8 IR of the bacterial cellulose after being modified by 1.5%CMCNa

改性前后的BC膜XRD光譜圖如圖9所示，除1，3－丁二醇浸漬改性BC膜，改性前及改性后的BC膜均能夠觀察到一個(gè)主峰，其對(duì)應(yīng)的衍射角為22.27左右。在X－衍射中峰的比例反映了BC膜的結(jié)晶程度，由圖可看出，發(fā)酵改性后峰的比例不變，強(qiáng)度小的變動(dòng)伴隨有角的改變，可知發(fā)酵培養(yǎng)基中添加水溶性多糖改性BC對(duì)其纖維素結(jié)晶影響不大。而1，3－丁二醇改性后BC膜XRD圖譜峰的比例減弱至幾乎消失，顯示BC膜結(jié)晶度降低。

圖9 改性前后細(xì)菌纖維素膜X－射線衍射光譜圖Fig.9 XRD of the bacterial cellulose before and after being modified

3 結(jié)論

通過(guò)培養(yǎng)基中添加水溶性多糖發(fā)酵生產(chǎn)BC及利用多羥基化合物浸漬BC能夠?qū)C進(jìn)行改性，所得改性BC膜的持水性、復(fù)水性、孔隙率和透濕性等材料學(xué)特性均比改性前優(yōu)良。培養(yǎng)基中添加1.5%AS所得改性BC膜持水率比改性前提高了2%;培養(yǎng)基中加入0.5%AS所得改性BC膜再溶脹能力比改性前提高了30.3%;N，N－二甲基甲酰胺浸漬改性所得BC膜比改性前提高了31.4%;培養(yǎng)基中加入1.5%CMCNa所得改性BC膜孔隙率比改性前提高了5倍;培養(yǎng)基中加入1.0%CMSCNa所得改性BC膜水蒸氣透過(guò)率比改性前提高了1倍;發(fā)酵改性作用對(duì)細(xì)菌纖維素的結(jié)晶度影響不大。該研究為制備高性能復(fù)合BC材料、拓寬BC的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

［1］盧松華.茶水發(fā)酵法制備細(xì)菌纖維素及其相關(guān)性能研究［J］.臨床醫(yī)學(xué)，2011，31(11):102－104.

［2］朱會(huì)霞.PVA對(duì)生物合成細(xì)菌纖維素膜拉伸性能的影響［J］.高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2011，25(5):822－825.

［3］Shoda M，Sugano Y.Recent advances in bacterial cellulose production［J］.Biotechnol Bioprocess Eng，2005，10(1):1－8.

［4］Putra A，Kakugo A，F(xiàn)urukawa H，et al.Tubular bacterial cellulose gel with oriented fibrils on the curved surface［J］.Polymer，2008，49(7):1885－1891.

［5］賈原媛，湯衛(wèi)華，李飛，等.細(xì)菌纖維素生物醫(yī)學(xué)材料的性能改進(jìn)［J］.天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24(6):17－19.

［6］張?chǎng)R香君.細(xì)菌纖維素生產(chǎn)菌株菌體細(xì)胞收集方法的研究［J］.食品工業(yè)科技，2006，27(9):57－58.

［7］潘穎.細(xì)菌纖維素的制備及改性研究［D］.青島:青島大學(xué)，2007.

［8］Putra A，Kakugo A，F(xiàn)urukawa H，et al.Tubular bacterial cellulose gel with oriented fibrils on the curved surface［J］.Polymer，2008，49:1885－1891.

［9］Chao Y，Ishida Tsugano Y，Shoda M.Bacterial cellulose production by Acetobacter xylinum in a 50－1 internal－loop airlift reactor［J］.Biotechnology Bioeng，2000，68:345－352.