摘 要

细菌纤维素是一种天然高分子材料，由于其代谢过程污染小、产物纯度高、易降解等优点，细菌纤维素被广泛应用于医药、食品、声响振动膜、纸品等领域，在别的领域也显现出了非常大的潜在价值。本论文采用葡糖酸醋杆菌Gluconacetobacter sp. XQ-1作为细菌纤维素生产菌株，研究了发酵培养基中添加聚氨基酸对BC产量、结构和微观形态的影响。

结果表明聚谷氨酸具有增加BC产量的效果，在最优添加量均为1g/L时，300 kDa 分子量的聚谷氨酸使得BC干重达到1.98±0.22 g/L，较对照提高了75.89%，2000 kDa分子量的聚谷氨酸使得BC干重达到2.25±0.05 g/L，较对照提高了95.6 %。高分子量的聚谷氨酸具有更好的增产效果。聚赖氨酸对BC生产菌株有一定的抑制作用，发酵液中并未形成明显的纤维素膜。

红外光谱分析表明，添加了聚谷氨酸的BC膜含有氨基酸的特征吸收峰，表明成功获得了聚谷氨酸修饰的BC膜。考察了改性BC膜的微观形态，扫描电镜显示聚谷氨酸修饰的BC表面仍呈现纤维状，且表面多缠绕为较大的团块，形成类似雪花状的单元，不同分子量的聚谷氨酸对BC微观形态影响不大。而添加了聚赖氨酸的BC形态没有典型的纤维状结构，呈现颗粒状，结构较为疏松。

关键词：细菌纤维素 聚谷氨酸 聚赖氨酸 红外光谱 扫描电镜

Preparation and Properties of Modified Bacterial Cellulose Fermentation

ABSTRACT

Bacterial cellulose is a kind of natural polymer material. Due to its small metabolic process, high purity and easy degradation, bacterial cellulose is widely used in medicine, food, acoustic diaphragm, paper products, etc. The field also shows great potential value. In this paper, Acetobacter Gluconacetobacter sp. XQ-1 was used as a bacterial cellulose producing strain to study the effect of adding polyamino acid to fermentation medium on BC yield, structure and micro-morphology.

When the optimum addition was 1 g/L, polyglutamic acid (molecular weight: 300 kDa) produced the dry weight of BC reached 1.98 0.22 g/L, which was 75.89% higher than that of the control. While the 2000 kDa molecular weight of polyglutamic acid produced the dry weight of BC reached 2.25 0.05 g/L, which was 95.6% higher than that of the control. The PGA with 2000 kDa molecular weight has better effect on BC yield. Polylysine inhibited BC-producing strain and no cellulose membrane was formed in the fermentation broth.

Infrared spectrum analysis showed that the BC membrane with polyglutamic acid contained characteristic absorption peaks of amino acids, which indicated that the BC membrane modified with polyglutamic acid was successfully obtained. The morphology of modified BC membrane was investigated. SEM showed that the surface of polyglutamic acid modified BC was still fibrous, and the surface was mostly wound into larger aggregates, forming snow flower-like units. However, BC added with polylysine has no typical fibrous structure, which is granular and looser. 

Key Words: bacterial cellulose；kombucha；polyglutamic acid；polylysine

目录

摘 要 II

ABSTRACT III

目录 IV

第一章 前言 1

1.1 细菌纤维素（BC） 1

1.2细菌纤维素的形成过程 1

1.3细菌纤维素的应用 1

1.3.1细菌纤维素在食品中的应用 1

1.3.2 细菌纤维素在纸张中的应用 1

1.3.3细菌纤维素在医药领域的应用 2

1.4细菌纤维素发酵培养改性的研究进展 2

1.5聚氨基酸 2

1.6 本论文的研究意义 3

第二章 材料以方法 4

2.1菌种与活化 4

2.2 实验仪器与材料 4

2.2.1实验仪器 4

2.2.2实验试剂 4

2.3 培养基与培养条件 5

2.3.1 培养基 6

2.3.2 培养条件 6

2.4 聚氨基酸改性细菌纤维素 7

2.5 检测方法 7

2.5.1 测量湿重 7

2.5.2 测量干重、计算产率、含水量 7

2. 6 红外光谱测试方法 8

2. 7 扫描电镜实验方法 8

第三章 结果与讨论 9

3.1 BC产生菌Gluconacetobacter sp.的平板形态与BC生产情况 9

3.1.1 Gluconacetobacter sp.的平板培养 9

3.1.2 空白对照组的BC生产情况 9

3.1.3添加聚谷氨酸的BC生长情况 9

3.1.4 添加聚赖氨酸的BC生长 10

3.2 添加聚氨基酸类物质的BC干重和产量 10

3.2.1 添加不同浓度的300 kDa分子量的聚谷氨酸的BC发酵情况 11

3.2.2添加不同浓度的2000 kDa分子量的聚谷氨酸的BC发酵情况 12

3.3 改性细菌纤维素红外光谱分析 13

3.3.1空白组细菌纤维素膜的红外光谱图 13

3.3.2 聚谷氨酸改性的细菌纤维素膜的红外图谱 13

3.4 改性细菌纤维素扫描电镜图 14

第四章 结论与展望 15

4.1结论 15

4.2 展望 15

参考文献 16

致 谢 19

第一章 前言

1.1 细菌纤维素（BC）

细菌纤维素 （Bacterial cellulose，简称 BC）是1886 年Brown在发酵的醋表面发现的，并命名其产生的菌株为木醋杆菌（Acetobacter xylinus）^[1]。BC是由葡萄糖通过β-1,4-糖苷键连接形成的直链结构，BC与其他纤维素相比，具有超精细纳米网状结构，高化学纯度、结晶度，高持水能力，良好的生物相容性和生物可降解性，没有任何毒性或过敏副作用^[2-5]。因此，细菌纤维素在声响振动膜、医药、纸品、食物等产品的生产中，已经步入工业化的阶段,同时在其它领域中也体现出了巨大的潜在价值^[6]。目前主要产细菌纤维素的微生物有醋酸菌属、假单胞杆菌属护、土壤杆菌属、根瘤菌属等几种属中的部分菌种。而产量最高的的应为醋酸菌属中的木醋杆菌。目前能实现工业上大批量生产的也就是木醋杆菌^[7]。

1.2 BC的合成

细菌纤维素合成过程一般可分为聚合、分泌、组装与结晶四个步骤，这四个过程是高度耦合的，并且和细胞膜上的特定位点密切相关^[8]。以木醋杆菌为例，其将葡萄糖合成纤维素主要有四个酶促反应步骤^[9]：葡萄糖激酶催化葡萄糖生成6-磷酸-葡萄糖，接着在葡萄糖磷酸异构酶的催化下生成卜磷酸-葡萄糖；然后在焦磷酸化酶的作用下生成尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)；最后纤维素合成酶将UDPG合成为β-l，4-糖苷键链，聚合生成纤维素。

1.3细菌纤维素的应用

1.3.1细菌纤维素在食品中的应用

发酵得到的 BC 膜经过碱解、漂洗、中和等步骤处理后往往呈乳白色半透明状的凝 胶状，组织细腻光滑且具有很好的韧性，此外 BC 膜还具有较强的吸水性和稳定性。这 种良好的组织状态和性质使得 BC 可广泛应用于食品

工业，既可以作为食品直接销售，也可以用于增稠剂、成型剂等^[10-11]。

1.3.2 BC在造纸工业中的应用

将BC磨碎后添加到PC制成的纸浆中，得到的纸张具有高强度、印刷性能好的特点^[14]。将BC以3%的比例加入到麦草制成的纸浆中，得到的纸张与先前的纸张比较，纸张的表面强度、表面效率、平滑度、光泽度等方面都有得到一定程度的提高，纸张的平滑程度更是提高了80%以上^[15]；Iguchi Masatushi^[16] 等将BC与木浆混合均匀后，加入一定量的苯酚树脂，用此方法得到的纸张除了具有高平滑度、光泽度等优点，还具有优良的抗张性能。

1.3.3 BC在医药工业的应用

BC具有良好的生物相容性以及机械强度等优点，并且潮湿的BC膜可以有效地抑制微生物侵入造成的伤口感染使细菌纤维素可以被用作伤口的敷料。目前，细菌纤维素的研究着重于将细菌纤维素加工为理想的生物医疗材料，比如心脏瓣膜，人造血管、皮肤、角膜和软骨等，以及药物载体、激素载体和蛋白质载体等^[17]。BC制成的纱布、创可贴，用来包扎伤口可以吸收伤口渗液，保持透气性，从而加快伤口愈合的时间。

1.4细菌纤维素发酵培养改性的研究进展

在BC的合成过程中，通过改变培养基成分和培养条件，可以改变其微观结构，获得性能多样的改性BC材料，利用这一特点，在培养基中添加不同种类的水溶性化合物可制备性能发生变化的BC^[18]，Keshk S在HS培养基中添加木素磺酸盐,提高了BC产量,同时发现所产生的BC具有更高的力学强度,因而更具有工业化应用的潜力^[22]。Danuta将壳聚糖加入培养基对BC改性后,不仅具有纤维素本身的特性,还具有壳聚糖的特性,在处理烧伤、褥疮、难以愈合的伤口以及需要频繁更换伤口敷料的伤口时具有很好的应用价值^[23]。

1.5聚氨基酸

本实验添加的高分子物质是聚谷氨酸和聚赖氨酸，并探究其是否能接入到细菌纤维素的结构上，是否对产量、性能发生改变。聚谷氨酸（γ－PGA）是一种具有极佳生物降解性的多肽分子。并且，在聚谷氨酸的分子链上有羧基，因此具有很强的保水性，螯合金属离子的能力，以及较好的絮凝性。此外，羧基也可以成为鉴定聚谷氨酸是否接入到细菌纤维素结构中的一个标志。聚谷氨酸的这些性质带来的经济效益、环境效益以及社会效益，受到了越带越多的人们的关注，聚谷氨酸也广泛应用于食品、农业、医药、化妆品、环保等领域。聚赖氨酸（ε-pL）是一种性能优良的生物防腐剂，制备聚赖氨酸改性的BC材料，有望获得具有抗菌性能的BC材料，拓展BC在医药、食品等行业中的应用。

1.6 本论文的研究意义

本文通过研究细菌纤维素（BC）的用途，合成方法等信息，针对其易于改性和表面修饰的特点，通过正交试验优化了其发酵培养基，并在培养基中对照加入聚谷氨酸、聚赖氨酸等物质，观察细菌纤维素的微观结构以及性质的变化，从而筛选出具有更好的抗菌效果的细菌纤维素。

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