利用大豆糖蜜制備細(xì)菌纖維素

呂鴻皓，黃　莉，黨苗苗，費(fèi)　楠，曹　亮，吳　磊，夏秀芳，*（.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱50030；.黑龍江省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，黑龍江哈爾濱50030）

利用大豆糖蜜制備細(xì)菌纖維素

呂鴻皓1，黃莉1，黨苗苗1，費(fèi)楠1，曹亮1，吳磊2，夏秀芳1，*
（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030；2.黑龍江省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，黑龍江哈爾濱150030）

摘要：選用大豆糖蜜為發(fā)酵基質(zhì)，利用木醋桿菌發(fā)酵制備細(xì)菌纖維素。研究糖蜜濃度、酵母浸粉添加量、發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵溫度、接種量以及初始pH對(duì)細(xì)菌纖維素合成量、持水性和復(fù)水率的影響，結(jié)果表明：大豆糖蜜營(yíng)養(yǎng)豐富，在大豆糖蜜濃度為15%時(shí)，在其中添加1.5%酵母浸粉、接種量為6%、初始pH4.5、30℃恒溫靜止發(fā)酵6 d后細(xì)菌纖維素合成量為1.17 g/100 mL，持水性為98.16%，復(fù)水率為292%，并利用傅里葉紅外分析表明產(chǎn)物為細(xì)菌纖維素。

關(guān)鍵詞：大豆糖蜜；細(xì)菌纖維素；持水性；復(fù)水率

大豆糖蜜為生產(chǎn)大豆?jié)饪s蛋白過(guò)程中形成的醇溶性產(chǎn)品，因顏色和流動(dòng)性類(lèi)似于蜂蜜，所以命名為糖蜜。因?yàn)樘敲鄄灰滋幚?，所以多?shù)被廢棄，不僅造成了環(huán)境的污染，而且也造成了能源的浪費(fèi)[1]。以大豆糖蜜為發(fā)酵劑生產(chǎn)細(xì)菌纖維素不僅提高了糖蜜經(jīng)濟(jì)價(jià)值，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時(shí)解決了大豆糖蜜對(duì)環(huán)境造成的污染。目前對(duì)大豆糖蜜的研究主要集中于功能性物質(zhì)的提取和生物發(fā)酵劑的利用。國(guó)內(nèi)主要利用大豆糖蜜提取大豆低聚糖、大豆異黃酮等功能性物質(zhì)，如許浮萍[2]在其專(zhuān)利中采用醇沉法從大豆糖蜜中去除大豆低聚糖，再用離心法精制大豆異黃酮，產(chǎn)品純度達(dá)到90%以上。因?yàn)榇蠖固敲鄢煞謴?fù)雜，含有微生物生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)和水溶性礦物質(zhì)元素，因此是優(yōu)異的微生物發(fā)酵劑，同時(shí)大豆糖蜜價(jià)格低廉，從而降低了生產(chǎn)成本，因此大豆糖蜜作為微生物發(fā)酵劑的應(yīng)用前景廣闊[3]。如Qureshin[4]以大豆糖蜜為原料，用Clostridium beijerinckiiBA101菌種發(fā)酵生產(chǎn)丁醇，開(kāi)辟了生產(chǎn)丁醇的新途徑；Solaiman[5]采用Candida bombicola為菌種，以大豆糖蜜和油酸作為發(fā)酵原料生產(chǎn)槐糖脂。

細(xì)菌纖維素（bacterial cellulose，BC）是由Brown首次報(bào)道的，他發(fā)現(xiàn)木醋桿菌在靜止培養(yǎng)時(shí)在培養(yǎng)基表面會(huì)形成一層白色透明的膜，經(jīng)分析鑒定此類(lèi)物質(zhì)為纖維素[6]。細(xì)菌纖維素與植物纖維素化學(xué)性質(zhì)相同，但細(xì)菌纖維素卻有許多獨(dú)特的性質(zhì)：高純度、高彈性模量以及良好的生物適應(yīng)性和生物可降解性[7]。因此，細(xì)菌纖維素成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。

本試驗(yàn)以大豆糖蜜為微生物發(fā)酵的基礎(chǔ)原料，利用木醋桿菌生產(chǎn)細(xì)菌纖維素，研究發(fā)酵條件對(duì)纖維素合成量、持水性、復(fù)水率的影響。

1　材料與方法

1.1材料與菌種

大豆糖蜜：山東古谷神生物科技集團(tuán)有限公司提供；酵母浸粉：北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；葡萄糖：天津市天力試劑有限公司；氯化鈉：天津市光伏科技發(fā)展有限公司；氫氧化鈉：天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司。

木醋桿菌（Acetobacter Xylinum）：購(gòu)買(mǎi)于中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心；斜面培養(yǎng)基：葡萄糖4.0%、酵母浸粉1.5%、瓊脂1.5%、pH5.5，121℃高壓滅菌15 min；種子培養(yǎng)基：葡萄糖4.0%、酵母浸粉1.5%、pH5.5，121℃高壓滅菌15 min；斜面菌種的活化：從冰箱中將冷凍保存的木醋桿菌接種到新的斜面固體培養(yǎng)基上，在30℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h后，斜面上會(huì)長(zhǎng)出新的菌落；種子培養(yǎng)：用接種環(huán)挑取一環(huán)活化好的斜面菌苔接種于裝有100 mL種子培養(yǎng)基的250 mL三角瓶中，30℃靜止培養(yǎng)24 h。

1.2儀器與設(shè)備

SHENAN滅菌鍋：天津市科器高新技術(shù)公司；DH3600電熱恒溫培養(yǎng)箱：天津市泰斯特儀器有限公司；ZHJH-1109無(wú)菌操作臺(tái)：淳美科技有限公司；pHS-25型pH計(jì)：上海精科雷磁儀器廠(chǎng)；AL-104型精密電子天平：上海梅特勒-托利多儀器設(shè)備有限公司；PG-108手持糖度計(jì)：杭州陸恒生物科技有限公司；PerKin Elmer Spectrum 100傅里葉紅外：美國(guó)鉑金埃爾默公司。

1.3方法

1.3.1大豆糖蜜的預(yù)處理

處理方法：4 500 r/min離心15 min，取上清備用。

1.3.2大豆糖蜜成分的測(cè)定

總糖的測(cè)定利用手持糖量計(jì)測(cè)定；蛋白質(zhì)的測(cè)定利用雙縮脲法測(cè)定；水分的測(cè)定利用恒溫干燥法測(cè)定。

1.3.3細(xì)菌纖維素合成量

參照崔思穎[8]纖維素干質(zhì)量的測(cè)定方法，并作適當(dāng)?shù)男薷?，用蒸餾水沖洗細(xì)菌纖維素以除去膜表面培養(yǎng)基及雜質(zhì)，用1%的NaOH溶液80℃水浴30 min，并持續(xù)用NaOH溶液浸泡至纖維素膜呈透明白色，采用醋酸中和至pH為中性，再用蒸餾水沖洗，60℃烘干至恒重并進(jìn)行稱(chēng)量。

1.3.4持水性的測(cè)定

參照毋銳琴[9]的方法，具體如下：常溫測(cè)定纖維素的持水性，平行稱(chēng)取三個(gè)樣品，記為濕重W1，在60℃烘箱中干燥至恒重為干重W2，計(jì)算細(xì)菌纖維素膜的持水性：

1.3.4復(fù)水率的測(cè)定

將干燥好的膜放入蒸餾水中靜止24 h，取出稱(chēng)纖維素膜的重量為W3，計(jì)算纖維素的復(fù)水率：

1.3.5細(xì)菌纖維素組分分析

使用傅里葉紅外光譜儀進(jìn)行紅外光譜測(cè)試。采用溴化鉀壓片法分析細(xì)菌纖維素的紅外光譜。干燥的溴化鉀粉末與細(xì)菌纖維素粉末的用量比約為80∶1，在瑪瑙研缽中研細(xì)均勻后放入專(zhuān)用壓片器中以2 kg的壓力加壓制成透明的薄片。然后將此薄片放入儀器光束中進(jìn)行測(cè)定（量程400 cm-1～4 000 cm-1）。

2　結(jié)果與分析

2.1大豆糖蜜成分測(cè)定結(jié)果

大豆糖蜜成分測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　大豆糖蜜主要成分組成Table 1　Main ingredients of soy molasses

2.2糖蜜濃度的影響

在培養(yǎng)溫度25℃，發(fā)酵時(shí)間5 d，pH5.5，接種量為4%，酵母浸粉添加量1.0%的條件下，考察大豆糖蜜含量為5%、10%、15%、20%、25%對(duì)細(xì)菌纖維素合成量、持水性和復(fù)水率的影響，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，隨著大豆糖蜜濃度的增加，細(xì)菌纖維的合成量、持水性和復(fù)水率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，且當(dāng)糖蜜濃度為15%時(shí)均達(dá)到最大值，細(xì)菌纖維素的合成量為0.18 g/100 mL，細(xì)菌纖維素的持水性和復(fù)水率分別為97.72%和419%。說(shuō)明大豆糖蜜營(yíng)養(yǎng)成分豐富，能夠作為木醋桿菌的發(fā)酵基質(zhì)，并且所得的細(xì)菌纖維素具有較好的持水性和復(fù)水率。

圖1　糖蜜濃度對(duì)纖維素合成量、持水性和復(fù)水率的影響Fig.1　Effect of soy molasses concentration on production，water holding capacity，rehydration of bacterial cellulose

2.3酵母浸粉添加量的影響

在培養(yǎng)溫度25℃，發(fā)酵時(shí)間5 d，初始pH5.5，接種量為4%的條件下，在培養(yǎng)基中添加0%、0.5%、1.0%、1.5%、2%的酵母浸粉進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn)，考察不同添加量的酵母浸粉對(duì)細(xì)菌纖維素合成量、持水性和復(fù)水率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2　酵母浸粉添加量對(duì)細(xì)菌纖維素合成量、持水性和復(fù)水率的影響Fig.2　Effect of the amount of yeast extract on production，water holding capacity，rehydration of bacterial cellulose

由圖2可以看出，隨著酵母浸粉添加量的增加，細(xì)菌纖維素的合成量、持水性和復(fù)水率表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì)，且當(dāng)酵母浸粉的添加量為1.5%時(shí)菌達(dá)到最大值，細(xì)菌纖維素的合成量為0.23 g/100 mL，細(xì)菌纖維素的持水性和復(fù)水率分別為97.72%和363%；與崔思穎[8]的研究基本一致，其研究酵母浸粉添加量為1.4%時(shí)，細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量達(dá)到最大。

2.4初始pH的影響

在酵母浸粉添加量1.5%，糖蜜濃度15%，培養(yǎng)溫度25℃，培養(yǎng)時(shí)間5 d，接種量4%的條件下，pH為4.0、4.5、5.0、5.5、6.0對(duì)細(xì)菌纖維素合成量、持水性和復(fù)水率的影響，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著pH的增加，細(xì)菌纖維素的合成量、持水性和復(fù)水率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，當(dāng)pH4.5時(shí)，細(xì)菌纖維素的合成量為0.34 g/100 mL，細(xì)菌纖維素的持水性和復(fù)水率分別為98.14%和293%，且量均為最高，趙克勤[10]等研究利用大豆酶解液制備細(xì)菌纖維素的最適pH范圍為3.5～4.0，其初始pH較低可能是因?yàn)槟敬讞U菌在發(fā)酵過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生醋酸，較適應(yīng)于酸性條件。

2.5培養(yǎng)時(shí)間的影響

在培養(yǎng)溫度25℃，酵母浸粉添加量1.5%，糖蜜濃度15%，pH4.5，接種量為4%的條件下，考察4、5、6、7、8 d對(duì)細(xì)菌纖維素合成量、持水性和復(fù)水率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖3　初始pH對(duì)細(xì)菌纖維素合成量、持水性和復(fù)水率的影響Fig.3　Effect of the initial pH on production，water holding capacity，rehydration of bacterial cellulose

圖4　發(fā)酵時(shí)間對(duì)細(xì)菌纖維素合成量、持水性和復(fù)水率的影響Fig.4　Effect of fermention time on production，water holding capacity，rehydration of bacterial cellulose

由圖4可知，隨著發(fā)酵時(shí)間的進(jìn)行，前6 d細(xì)菌纖維素合成量、持水性和復(fù)水率上升較快，在發(fā)酵6 d時(shí)，細(xì)菌纖維素的合成量為0.42 g/100 mL，持水性和復(fù)水率分別為97.89%和314%，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)菌纖維素的合成量、持水性和復(fù)水率增長(zhǎng)緩慢，所以確定發(fā)酵周期為6 d。湯衛(wèi)華[11]等利用木葡糖酸醋桿菌的突變株研究合成細(xì)菌纖維素的最佳發(fā)酵時(shí)間同樣為6 d。

2.6接種量的影響

在酵母浸粉添加量1.5%，糖蜜濃度15%，培養(yǎng)溫度25℃，pH4.5、培養(yǎng)時(shí)間6 d的條件下，考察接種量為2%、4%、6%、8%、10%對(duì)細(xì)菌纖維素合成量、持水性和復(fù)水率的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5　接種量對(duì)細(xì)菌纖維素合成量、持水性和復(fù)水率的影響Fig.5　Effect of inoculum size on production，water holdingcapacity，rehydration of bacterial cellulose

從圖5可知，接種量2%～6%時(shí)，隨著接種量的增加，細(xì)菌纖維素的合成量、持水性和復(fù)水率顯著增加，接種量6%時(shí)，細(xì)菌纖維素的合成量為1.13 g/100 mL，細(xì)菌纖維素的持水性和復(fù)水率分別為97.38%和318%，當(dāng)接種量超過(guò)6%時(shí)，纖維素的合成量、持水性和復(fù)水率降低。與趙克勤[12]利用谷氨酸提取液生產(chǎn)細(xì)菌纖維素使用3%～4%的接種量較為接近。

2.7發(fā)酵溫度的影響

取一環(huán)活化好的斜面種子接入液體培養(yǎng)基，25℃靜止培養(yǎng)24 h，作為種子培養(yǎng)基。以6%的接種量，酵母浸粉添加量1.5%，糖蜜濃度15%，在20、25、30、35、37℃溫度條件下恒溫靜止培養(yǎng)6 d，結(jié)果如圖6所示。

圖6　發(fā)酵溫度對(duì)細(xì)菌纖維素合成量、持水性和復(fù)水率的影響Fig.6　Effect of fermention temperature on production，waterholding capacity，rehydration of bacterial cellulose

由圖6可知，發(fā)酵溫度20℃～37℃時(shí)，隨著溫度的不斷升高，細(xì)菌纖維素的合成量、持水性和復(fù)水率先增加后減少，在溫度為30℃時(shí)，細(xì)菌纖維的合成量、持水性和復(fù)水率達(dá)到最大值，細(xì)菌纖維素的合成量為1.17 g/100 mL，細(xì)菌纖維素的持水性和復(fù)水率分別為98.16%和292%，當(dāng)溫度高于30℃時(shí)，細(xì)菌纖維素的合成量、持水性和復(fù)水率下降；黃丹[13]等研究木醋桿菌QAX993發(fā)酵合成細(xì)菌纖維素的最適溫度同樣為30℃。

2.8細(xì)菌纖維素組分分析

利用傅里葉紅外光譜分析細(xì)菌纖維素的組分，結(jié)果如圖7所示。

圖7　BC膜的紅外光譜圖Fig.7　FT-IR spectrum of BC

在纖維素的紅外光譜中，重要表征纖維素的原子團(tuán)包括有-CH2、-CH、-OH等，在3 430 cm-1處有較強(qiáng)的吸收峰為-OH鍵的伸縮振動(dòng)，2 998 cm-1處為CH2和CH3基團(tuán)的伸縮振動(dòng)峰），在1 637 cm-1處為水中-OH的伸縮振動(dòng)，在1 497 cm-1為-CH2對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰，在1 385 cm-1為-CH伸縮振動(dòng)峰，在670 cm-1和618 cm-1為OH不對(duì)稱(chēng)彎曲。由以上可知，紅外光譜上可能出現(xiàn)的有機(jī)化合物基團(tuán)有-CH2、-CH、-OH等，這些基團(tuán)與纖維素的分子結(jié)構(gòu)式中所包含的有機(jī)化合物基團(tuán)基本吻合。與沈金朋[14]等利用酒糟浸出液制備的細(xì)菌纖維素的紅外光譜圖基本一致。

3　結(jié)論

大豆糖蜜營(yíng)養(yǎng)豐富，適合做木醋桿菌發(fā)酵的基本培養(yǎng)基，同時(shí)所得的細(xì)菌纖維素具有較好的持水性和復(fù)水率，即大豆糖蜜濃度為15%時(shí)，酵母浸粉添加量為1.5%、接種量為6%、初始pH4.5、30℃恒溫靜止發(fā)酵6 d后細(xì)菌纖維素合成量為1.17 g/100 mL，持水性為98.16%，復(fù)水率為292%。

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DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.20.044

收稿日期：2014-09-01

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2015BAD16B00）

作者簡(jiǎn)介：呂鴻皓（1989—），男（漢），碩士，研究方向：水產(chǎn)品加工及貯藏。

*通信作者：夏秀芳（1973—），女，副教授，博士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏。

Fermentation of Soybean Molasses for Bacterial Cellulose Preparation

Lü Hong-hao1，HUANG Li1，DANG Miao-miao1，F(xiàn)EI Nan1，CAO Liang1，WU Lei2，XIA Xiu-fang1，*
（1.College of Food Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，Heilongjiang，China；2.Institute of Scientific and Technical Information of Heilongjiang，Harbin 150030，Heilongjiang，China）

Abstract：Bacterial cellulose（BC）was prepared from soybean molasses fermented by Acetobacter xylinum. The research explored parts of fermentation conditions on bacterial cellulose production，water holding capacity and rehydration rate as well，such as the soy molasses concentration，the amount of yeast extract，fermentation time，fermentation temperature，inoculum size and the initial pH.Results showed that the soybean molasses was rich in nutrients.The yield of BC was 1.17 g/100 mL when 15%soy molasses with the addition of 1.5%yeast extract was conducted to static fermentation at pH 4.5，6%inoculum size and 30℃for 6 days.Water holding capacity of bacterial cellulose was 98.16%，bacterial cellulose rehydration was 292%.The product was bacterial cellulose by Fourier transform infrared analysis.

Key words：soy molasses；bacterial cellulose；water holding capacity；rehydration rate