论文部分内容阅读
细菌纤维素(Bacterial Cellulose,简称BC)是某些细菌合成的胞外多糖,由葡萄糖单体分子以β-1,4-糖苷键聚合而成的高分子生物聚合物。与植物纤维相比,BC不含木质素、果胶及半纤维素等杂质;除了具有优良的生物相容性和生物可降解性外;还具有纳米网状结构,高纯度、高抗张强度以及高持水性等独特性质。基于这些独特的性质,BC已广泛应用于生物医学、造纸、化妆品、环境污染治理以及食品制造等领域。目前,国内对BC的研究仍处于初级阶段,主要技术障碍是菌种种类和数量较少,发酵产量低和成本花费高,纤维素材料官能团单一而导致改性困难等问题。本研究成功的从腐败葡萄中获得一种具有合成BC能力的菌群HJ2-2。通过16S rRNA基因组高通量测序,结果表明HJ2-2主要包括Komagataeibacter、Lactobacillus及Acetobacter等菌属,所占比例分别为60.93%,25.65%和12.16%。从该菌群中进一步分离鉴定出三株单克隆菌,分别是Komagataeibacter xylinus XJL-06-4、Lactobacill us plantarum XJL-2和Acetobacter sp.D3。三株菌的共培养实验表明Komagataeibac ter xylinus XJL-06-4能够在Lactobacillus plantarum XJL-2或Acetobacter sp.D3的协助下合成纤维素,最大湿重为5.5 g/L。此外,Komagataeibacter xylinus XJL-06-4的细菌基因组测序结果表明,其含有纤维素合成酶四个亚基片段,分别是BcsQ、Bcs A、BcsZ和BcsC。基于以上数据,菌群HJ2-2通过菌株间的相互协同作用和有机酸的代谢调节等方式导致BC的合成。为了进一步调查菌群HJ2-2作为BC生产菌的可能性,本研究优化了菌群HJ2-2的培养条件并鉴定其产物的结构。培养条件优化结果表明,菌群HJ2-2以浓度为3%的葡萄糖作为最佳碳源,在pH为7.0,温度为30℃的条件下能生产0.77 g/L的膜状物。利用傅立叶红外光谱、扫描电镜和固体核磁共振光谱进行表征分析,结果表明该膜状物是具有典型的纤维素化学官能团和碳谱峰的纳米网状BC。为了改良BC表面官能团单一、相容性不好的问题,本研究采用生物原位改性的方式,在MS发酵培养基中分别添加羧甲基纤维素钠(CMC)和海藻酸钠(SA)两种水溶性多糖,以探究两种添加物对BC产量和性质的影响。实验结果表明,其添加浓度分别在2%(CMC)和0.5%(SA)时,与未添加多糖的产量(0.77 g/L)相比,BC的产量分别增加至1.59 g/L和1.30 g/L。红外光谱和扫描电镜分析结果显示,CM C和SA中的羧基成功取代BC中的羟基合成了纤维直径更小的BC/CMC和BC/SA。X-射线衍射和热重分析结果表明,改性材料(BC/CMC和BC/SA)的结晶度分别是72%和78%,热分解温度分别是344℃和350℃;对比BC的结晶度(80%)和热分解温度(355℃),改性材料的结晶度和热分解温度有所降低,可能是由于多糖取代了BC中的部分羟基导致。机械性质测试的结果显示,改性材料(BC/CMC和BC/SA)的含水率分别是98.47%和98.33%,拉伸强度分别是3.54 MPa和2.36 MPa,杨氏模量47.95 MPa和33.21 MPa;对比BC的含水率(98.33%)、拉伸强度(1.27 MPa)和杨氏模量(25.08 MPa),改性材料除含水率未发生明显变化外,其拉伸强度和杨氏模量均得到显著增强。总而言之,本研究不仅丰富了BC合成菌的种类和数量,而且为BC的规模生产以及其材料的合成特性研究提供了一条可靠的方法和途径,也为扩展BC的商业应用提供了重要的参考价值。