木醋杆菌培养细菌纤维素的综述【文献综述】.doc

1、文献综述 木醋杆菌培养细菌纤维素的综述 摘要 ： 细菌纤维素是 在一定的条件下， 某 些 种 类 微生物合成的纤维素的统称 。这些微生物包括 醋酸菌属、土壤杆菌属、根瘤菌属和八叠球菌属等 的细菌，其中最典型的是醋酸杆菌 属的木醋杆菌 ， 它具有最高的纤维素生产能力，被确认为研究纤维素合成、结晶过程和结构性质的模型菌株。 本文就是概括木醋杆菌培养细菌纤维素的 条件和方法、产物的性质 及改性 、用途和发展前景等。 关键词 ： 细菌纤维素 木醋杆菌 细菌培养 纤维素是地球上最丰富的生物 合成高分子材料 ， 每年由植物产生的纤维素达亿万吨 ,是植物生 物量的主要组成部分 ，与人类的生活关系密切，不仅是

2、纺织工业和造纸工业的主要原料，还可以 用来制造新型高性能功能磁疗和高分子复合材料，在许多技术领域发挥重要作用 。 但是 除植物外，某些低等动物可产生动物纤维素，某些细菌能以异养方式产生胞外细菌纤维素 1.1886年 ,A.J.Brown 就首次报告了由木醋杆菌 能够合成一种胞外凝胶状的 半透明 物质 为纤维素 2，但由于无合适的实验手段以及纤维素的产量较低，因此一直未受到足够重视。在 20世纪后期， 细菌纤维素才得到人们的重视 ， 而 深入研究 细菌纤维素 合成是从 Hestrin 等开始的， 他证明了静止和冻干的醋酸细菌细胞在有葡萄糖和氧时能够合成纤维素； Colvin 在含 A.xylin

3、um 细胞抽提物、葡萄糖和 ATP 样品中观察到有纤维素的合成 3。 细菌纤维素（ BC） 属于初级代谢的特殊产物，与植物纤维素 （ PC） 一样，主要也是起到一种保护层的作用。近十几年来，随着人们对纤维素生物合成机理认识的加深，以 其优良性能，在食品、生物医药、造纸、化工、精纺、石油开采以及环保 等方面的成功应用，关于 细菌纤维素 的研究已成为当今新的微生物合成材料研究的热点之一。 一、 细菌纤维素的 合成 自然界中能够产生细菌纤维素的 细菌主要有醋酸菌属、土壤杆菌属、根瘤菌属和八叠球菌属等的细菌 4。其中研究最多、 产量最高的细菌是木醋杆菌。 木醋杆菌以单个、成对或链状存在，菌落呈圆形，不

4、透明，突起，淡棕色，表面粗糙，为好氧型，它已被作为细菌纤维素基础和应用研究的模式微生物 5。 细菌纤维素 的合成是一个很复杂的过程，细菌纤维素合成的前体物为尿苷二磷酸葡萄糖，由葡萄糖合成纤维素的 4个主要酶催化反应步骤分别是：葡萄糖激酶对葡萄糖的磷酸化作用；葡萄糖磷酸异构酶将 6-磷酸葡萄糖通过异构作用转化成 1-磷酸葡萄糖；焦磷酸化酶将 1-磷酸葡萄糖转化成尿苷 二磷酸葡萄糖；以及纤维素合成酶的合成作用 6。木醋杆菌细胞壁侧有一列50-80个轴向排列小孔，在适宜条件下每个细胞每秒钟可将 200000个葡萄糖分子以 -1,4-糖苷键相连成聚葡糖，从小孔中分泌出来，最后形成直径 1.78nm的纤

5、维素微纤丝，并随着分泌量的持续增加平行向前延伸，相邻的几根微纤丝之间由氢键横向相互联接形成直径为 3-4nm的微纤丝束，微纤丝束进一步伸长，相互之间仍由氢键相互联接，最后多条微纤丝束聚合形成一种长度不定，宽度为 30-100nm，厚度 3-8nm的纤维丝带，其直径和宽度仅为棉纤维直径的 1/100 -1/10007。 细菌纤维素的发酵生产细菌纤维素的发酵生产一般是在含葡萄糖的复杂营养介质中进行的 ， Son HJ 等采用 Acetobacter sp.V6、 在如下培养基 1.5%葡萄糖 ,0.2%(NH4)2SO4,0.3%KH2PO4, 0.3%Na2HPO4 H2O,0.08%MgSO4

6、 7H2O,0.0005%FeSO4 7H2O,0.0003%H3BO3,0.00005%烟酰胺和 0.6%乙醇中摇瓶发酵 8天 细菌纤维素 的产量最高达 4.16g/L。而采用 Acetobacter sp.A9、 在如下 培养基 4%葡萄糖， 0.1%酵母膏， 0,7%蛋白胨， 0.8%Na2HPO4.12H2O， PH6.5，温度 30 ，发酵 7天 细菌纤维素 产量达 3.8g/L，如果在上述培养基中加入 1.4%(v/v)的乙醇，摇瓶发酵 8天， 细菌纤维素 产量大幅度提高到 15.2g/L。台湾吴文腾等用 Acetobacter xylinum 以改进的气升式反应器取代传统反应器发

7、酵 72小时， 细菌纤维素 产率提高 3倍，达 0.107g/L/h，产量达 7.72g/L。马霞等采用木醋杆菌静止培养条件下，在基本培养基（ 胰蛋白胨 0.5%，酵母粉 0.5%， 葡萄糖2.0%， Na2HPO40.5%,pH6.0,120 灭菌 20min）中添加醋酸、柠檬酸和乳酸，使细菌纤维素的产量得到提高。其中，添加 0.1%的醋酸，细菌纤维素的产量为 2.75g/L；加入 0.2%的柠檬酸时细菌纤维素产量为 2.15g/L；加入 0.1%的乳酸，细菌纤维素的产量为 2.76g/L。 JosepH Gerard 等发现添加聚内烯酰胺 -丙烯酸也可显著提高木醋杆菌的 细菌纤维素 产率

8、8。 采用不同的培养方法，如静态培养和动态培养，利用醋酸菌可以得到不同高级结构的纤维素。通过调节培养条件，也可得到化学性 质有差异的细菌纤维素。例如，在培养液中加入水溶性高分子如羧甲基纤维素、半纤维素、壳聚糖、荧光染料以及葡聚糖内切酶等可获得不同微结构和聚集行为的纤维，而羧甲基纤维素或羧甲基甲壳素的导入使细菌纤维素具有了吸收和交换金属离子的特性。此外，改变不同葡萄糖衍生物碳源，可控制微纤维的纳米尺寸。 培养基的碳源、氮源、 pH 值、温度、培养时间及培养方式等对纤维素产量和性能都有较明显的影响，或者通过突变育种的方式提高产量和生产高功能的细菌纤维素 9。 二、 细菌纤维素的结构和 性质 细菌纤

9、维素和植物或海藻产生的天然纤维素具有相同 的分子结构单元 ,但相比之下， 细菌纤维素有许多独特的性质 10。 细菌纤维素与植物纤维素相比无木质素、果胶和半纤维素等伴生产物，具有高结晶度（可达 95%，植物纤维素的为 65%）和高的聚合度 (DP 值 2000 8000)； 超精细网状结构。细菌纤维素纤维是由直径 3 4 纳米的微纤组合成 40 60 纳米粗的纤维束，并相互交织形成发达的超精细网络结构； 细菌纤维素的弹性模量为一般植物纤维的数倍至十倍以上，并且抗张强度高； 细菌纤维素有很强的持水能力 (WRV)。未经干燥的细菌纤维素的 WRV 值高达 1000 以 上，冷冻干燥后的持水能力仍超过

10、 600。经 100 干燥后的细菌纤维素在水中的再溶胀能力与棉短绒相当； 细菌纤维素有较高的生物相容性、适应性和良好的生物可降解性； 细菌纤维素生物合成时的可调控性。 1、 细菌纤维素的理化特性 在显微镜下观察到的形态随培养条件的不同而有很大的差异。静止状态下， 细菌纤维素 一般积累在营养肉汤表面或富氧液体的分界面，这种 细菌纤维素 叫 S-BC；在搅拌状态下，形成的叫 A- BC，两者的形态、三维结构、纤维宽度、结晶度均有所不同。近年发现细菌产生的纤维素，其结构和理化特性等皆与植物纤维素 有较大的差异。与植物纤维相比， 细菌纤维素 是由超微纤维组成的超微纤维网，其超微纤维直径仅为植物纤维的

11、1/100，其杨氏模量（弹性模量）与铝相当，所以 细菌纤维素 是一种更理想的可生物降解的生物多聚物。采用不同的培养方法，如静态培养和动态培养，利用醋酸菌可以得到不同高级结构的纤维素。并且，通过调节培养条件，也可得到化学性质有差异的 细菌纤维素 11。为了改进 细菌纤维素 的特性使得它更适合医学上的用途 ， Marit Seifert 等在 细菌纤维素 培养基中加入一些多聚体如羧甲基纤维（ CMC）、甲基纤维素（ MC）等，可提高 细菌 纤维素 的含水量。加入 2%的 CMC，发酵结束后离心得到的冻干、肿胀状态的 BC-CMC，其含水量达 96%，而标准状态下得到的 细菌纤维素 含水量只有 73

12、%。 Yam -anaka Shigeru 等通过在培养基中加入某些化学试剂，可以改变 细菌纤维素 的结构，比如在培养基中加入抗生素抑制细胞分裂或蛋白质合成，可使木醋杆菌形成的 细菌纤维素 弹性模量得到提高。 2、 细菌纤维素的化学结构 细菌纤维素 和植物纤维素在基本结构上，都可视为由吡喃葡萄糖单体以 -1,4-糖苷键连接而成的直链多糖，又称为 -1,4-萄聚糖，相邻的吡喃葡萄糖 的 6个碳原子并不在同一平面上，而是呈稳定的椅状立体结构，数个邻近的 -1,4-葡聚糖链由分子链内与链间氢键稳定结构而形成不溶于水的聚合物 12，聚合度一般在 16000单体， 细菌纤维素 与植物纤维素的主要差别在于

13、前者不掺杂有其它多糖，而后者则含有此类物质。天然纤维素可分为 型和 型， 型中又有 和 两种晶形排列方式 木醋杆菌 产生的 细菌纤维素 混合物，其天然、水溶性状态下的结构已经研究得比较透彻，用小角度的 X射线折射和电子显微镜扫描显示，其产生的纤维素属于 型，其中 型约 60%， 型约 40%。无论用黄原胶或者果胶进行发酵，其粗纤维（纤维丝带）或纤维素微纤丝的大小都没有变化，同时包含着一种更小的、由纤维素微丝交联构成矩形半晶体结构，脱水状态下看见的结晶纤维素其晶体会变小、矩形晶体结构的无序性也会增加 13。 细菌纤维素和植物纤维素在化学组成和结构上没有明显区别，都是由很多 -D-吡喃葡萄糖通过

14、-1， 4糖苷键连接而形成的一种大分子直链聚合物，但与植物纤维素相比，细菌纤维素在纯度、吸水性、物理和机械性能等方面具有众多优良性能，人们十分重视它在各个领域的应用研究，尤其是在食品、新型伤口包扎材料、人造 皮肤、声音振动膜、高强度纸等领域已进入实用化阶段，在其他领域也显示出十分广泛的商业化应用潜力 14。 三、 细菌纤维素的测定和后处理 1、 细菌纤维素提取和处理方法 恒温静置培养 6d后生成的细菌纤维素膜浮于液面。膜取出后，用水多次冲洗，除去膜表面培养基及杂质。再将膜浸泡于 0 1mol/L的 NaOH溶液中， 100煮沸 20min 或 80下恒温 2h，去除液膜中的菌体和残留培养基，膜

15、呈乳白色半透明。然后用蒸馏水多次冲洗，用 pH试纸轻压膜测 pH值，约为 7.2， 80干燥至恒重，进行称重。纤维素的产量表示为 g 纤维素 /L培养基 15。 2、菌体量的测定 16：用 0 85的生理盐水配制 pH4 6 4 8的 0 1mol/L的醋酸钾一醋酸缓冲溶液 100mL，取纤维素酶 2 g放人缓冲溶液中活化，置冰箱备用。测定时，每次取活化好的纤维素酶溶液 2 mL在 50。 C、 pH5 0条件下充分水解 2 h，适当稀释后，于 600 nm 波长下测吸光值 OD600值。 3、 残糖浓度的测定 :利用 DNS法测定发酵液的残糖浓度 17。 4、发酵液 pH值的测定：酸度计 1

16、8。 5、细菌纤维素重量的测定：将干燥至恒重的纤维素在电子天平上称量。 6、纤维素含水量测 定 19：将处理过的纤维素凝胶膜以 4000 r/min 离心速度在离心机上离心40 rain，所得膜定义为细菌纤维素湿膜；将膜于 60 一 80干燥至恒重，所得膜定义为细菌纤维素干膜。精密电子天平称量细菌纤维素质量。 细菌纤维素膜含水率 ( )=（湿膜重 -干膜重） /湿膜重 四、 细菌纤维素的应用 1、 在食品工业中的应用 由于细菌纤维素具有很强的亲水性、黏稠性和稳定性，可作为食品成型剂、增稠剂、分散剂、抗溶化剂、改善口感作为肠衣和某些食品的骨架，已成为一种新型重要的食品基料和膳食纤维。如传统发酵工

17、艺中，由醋酸菌纯种培 养或醋酸菌和其他微生物混合培养，可产生含有丰富纤维素的发酵食品 。能制成保健食品，具有防便秘、清肠胃、排毒、降低胆固醇的功效。 椰果源于细菌纤维素的一种产品， 椰果以椰子汁为主要原料，经由醋酸杆菌 (Acetobacter)进行生物培养、发酵而制成的一种具有独特胶质结构的生物纤维 。椰果具有很高的持水力，对阳离子有结合和交换的能力，对有机物有吸附作用，同时，它也是水不溶性膳食纤维，没有热量，具有高持水力、与阳离子的结合和交换能力、对有机物的吸附作用，使椰果具备了一定的功能特性。例如椰果能安全、有效的帮助减肥，同时改 善肠胃功能、延缓衰老。上个世纪九十年代，由椰果生产的各类

18、食品及饮料在日本风行一时 20。 2、 在医用材料中的应用 由于良好的生物相容性、湿态时高的机械强度、良好的液体和气体透过性以及抑制皮肤感染，细菌纤维素可作为人造皮肤用于伤口的临时包扎。 3、 在造纸工业中的应用 日本在造纸工业中，将醋酸菌纤维素加入纸浆，可提高纸张强度和耐用性，同时解决了废纸回收再利用后，纸纤维强度大为下降的问题。加细菌纤维于普通纸浆可造出高品质特殊用纸。 用细菌纤维改性的高级书写纸吸墨均匀性、附着性好。由于纳米级超细纤维对物体极强的缠绕 结合能力和拉力强度，使细菌纤维机械匀浆后与各种相互不亲和的有机、无机纤维材料混合制造不同形状用途的膜片、无纺布和纸张产品十分牢固。在制造过

19、滤吸附有毒气体的碳纤维板时，加入醋酸菌纤维素，可提高碳纤维板的吸附容量，减少纸中填料的泄漏。 4、 高级音响设备振动膜 醋酸菌纤维素的高纯度、高结晶度、高聚合度及分子高度取向的特性，使其具有优良的力学性能。经热压处理后，杨氏模量可达 30吉帕，比有机合成纤维的强度高 4 倍，可满足当今顶级音响设备声音振动膜材料所需的对声音振动传递快、内耗高的特性要求。 醋酸菌纤维素振动膜的这个优 异特性主要来自其极细的高纯度纤维素组成的超密结构，经热压处理制成了具有层状结构的膜，因而形成了更多氢键，使其杨氏模量和机械强度大幅度提高。 五、发展前景 作为一种新型材料，细菌纤维素产业在日、美发达国家已初步形成年产

20、值上亿美元的市场在食品、医药、化工等领域有着广泛的应用，但由于细菌性纤维素工业化的研究时间不长 目前，我国细菌纤维素产量低、成本高，人们对细菌纤维素的开发潜能认识还不够，细菌纤维素在纺织上的应用还远没有得到挖掘，开发细菌纤维素纤维及利用细菌纤维素纤维进一步开发高附加值的下游产品具有重要意义， 前景十分广阔。 我国人口的高增长速度与耕地有限性之间的矛盾将日益突出细菌纤维素作为一种用途十分广泛的生物材料，在缓解上述矛盾、积极利用废弃农产品原料、保持可持续发展方面蕴藏着无限美好的发展前景。预计在不久的将来。细菌纤维素将取代植物纤维素在各行业发挥巨大作用。 参考文献 : 1施庆珊 . 细菌纤维素的研究

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