以腐爛水果為營(yíng)養(yǎng)源高效制備細(xì)菌纖維素

楊 光， 王彩霞

（1. 東華大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；2. 東華大學(xué) 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院，上海 201620）

以腐爛水果為營(yíng)養(yǎng)源高效制備細(xì)菌纖維素

楊 光1,2， 王彩霞1

（1. 東華大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；2. 東華大學(xué) 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院，上海 201620）

細(xì)菌纖維素（Bacterial Cellulose，簡(jiǎn)稱BC）是一種由微生物合成的天然纖維素材料。本文選取腐爛水果，如蘋(píng)果、西瓜、桃子、梨為廉價(jià)營(yíng)養(yǎng)源高效制備細(xì)菌纖維素。研究了培養(yǎng)基滅菌方法以及添加氮源等因素對(duì)糖轉(zhuǎn)化率、BC干重以及產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，單獨(dú)以腐爛水果汁為營(yíng)養(yǎng)源所得BC產(chǎn)量高于目前普遍使用的葡萄糖培養(yǎng)基。另外，過(guò)濾滅菌和添加氮源有助于獲得較高的BC產(chǎn)量。

細(xì)菌纖維素（BC）；腐爛水果；發(fā)酵；碳源

細(xì)菌纖維素（Bacterial Cellulose，簡(jiǎn)稱BC）是一種經(jīng)微生物發(fā)酵產(chǎn)生的天然纖維素材料。它的化學(xué)組成與植物纖維素相同，但具有獨(dú)特的微納米結(jié)構(gòu)，其微纖維直徑約4～8 nm，并保持了立體三維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)良的物理和機(jī)械性能[1]，例如高純度和結(jié)晶度、高持水性以及高抗張強(qiáng)度和彈性模量等，被廣泛應(yīng)用于高性能復(fù)合材料、醫(yī)用材料、高級(jí)紙品等多個(gè)領(lǐng)域[2-5]，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注的一種新型生物納米材料。然而，到目前為止，細(xì)菌纖維素的大規(guī)模生產(chǎn)仍然存在一些問(wèn)題，如培養(yǎng)基原料成本高、產(chǎn)量低等。當(dāng)前細(xì)菌纖維素的發(fā)酵合成主要是以葡萄糖、果糖等糖類物質(zhì)配合酵母膏、蛋白胨等氮源物質(zhì)為原料，其成本較高、而產(chǎn)量較低。對(duì)此，尋找廉價(jià)原料為培養(yǎng)基發(fā)酵制備細(xì)菌纖維素是降低其生產(chǎn)成本的一條有效途徑。目前，有研究者采用農(nóng)林廢棄物或副產(chǎn)物發(fā)酵制備細(xì)菌纖維素，如葡萄皮提取物和干酪乳清[6]、甜菜糖蜜[7]、甘蔗糖蜜和玉米漿[8]等。

眾所周知，水果成分中含有大量的糖類、維生素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。我國(guó)水果資源豐富，產(chǎn)量高，但大多數(shù)水果的貯存周期較短。每年由于各種原因而產(chǎn)生的腐爛水果數(shù)量極大。水果在腐爛過(guò)程中，有乙醇物質(zhì)生成，有文獻(xiàn)報(bào)道，在培養(yǎng)基中加入乙醇，可以提高細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量。對(duì)此，本研究中，嘗試以腐爛水果，如蘋(píng)果、西瓜、桃子、梨為廉價(jià)營(yíng)養(yǎng)源制備細(xì)菌纖維素。重點(diǎn)研究了培養(yǎng)基滅菌方法以及添加氮源等因素對(duì)糖轉(zhuǎn)化率、細(xì)菌纖維素干重以及產(chǎn)量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1材料

實(shí)驗(yàn)菌種為本實(shí)驗(yàn)室保藏的木葡糖酸醋桿菌（Gluconacetobacter xy linus）[5]；斜面培養(yǎng)基組成為甘露醇25 g/L，蛋白胨3 g/L，酵母浸膏5 g/L，瓊脂18 g/L，pH 5.0。腐爛水果均來(lái)源于上海本地水果市場(chǎng)。

1.2細(xì)菌纖維素的發(fā)酵制備

將腐爛的水果經(jīng)壓榨后，收集汁液。用純水配制成總糖含量為25 g/L的果汁液。采用高壓蒸汽或過(guò)濾法（濾膜孔徑為0.22 μm）對(duì)果汁液進(jìn)行滅菌或除菌處理，配制配方1和配方2兩種培養(yǎng)基，然后接入木醋桿菌，在30℃條件下靜置培養(yǎng)7天，得細(xì)菌纖維素膜。配方1：僅含總糖含量為25 g/L果汁液，pH5.0，不添加任何氮源等其它營(yíng)養(yǎng)物；配方2：總糖含量為25 g/L的果汁液、5 g/L胰蛋白胨、3 g/L酵母膏。

分別采用糖轉(zhuǎn)化率、BC干重及發(fā)酵產(chǎn)率三個(gè)參數(shù)評(píng)價(jià)該發(fā)酵過(guò)程。具體計(jì)算方法如式（1）～（3）所示。

1.3糖含量的測(cè)定

分別采用DNS法和苯酚―硫酸法測(cè)定果汁液的還原糖量和總糖含量。以D-葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)物。

2 結(jié)果與討論

本研究選取多種腐爛水果為營(yíng)養(yǎng)源發(fā)酵制備細(xì)菌纖維素膜。表1為不同腐爛果汁的總糖含量及pH值。由結(jié)果可知，盡管考察的水果有不同程度的腐爛，但仍然具有較高的總糖含量和還原糖含量，并且pH范圍保持在4.0～4.5。根據(jù)之前的研究結(jié)果，所有果汁液的總糖量調(diào)節(jié)至 25 g/L，pH值調(diào)至5.0。

表1 腐爛果汁液的糖含量及pH值

為了獲得較高的BC發(fā)酵產(chǎn)率，本文分別研究了果汁液除菌方法以及培養(yǎng)基組成對(duì)糖轉(zhuǎn)化率、BC干重以及BC產(chǎn)率的影響，結(jié)果分別如圖1、圖2和圖3所示。由圖1可見(jiàn)，當(dāng)以葡萄糖為碳源、不添加氮源營(yíng)養(yǎng)物時(shí)，糖轉(zhuǎn)化率為零；添加氮源時(shí)，糖轉(zhuǎn)化率為83.6%。對(duì)腐爛果汁液而言，不添加氮源時(shí)糖轉(zhuǎn)化率高達(dá)50%以上。另外發(fā)現(xiàn)，采用過(guò)濾除菌的方法以及添加氮源后所得糖轉(zhuǎn)化率相對(duì)較高。

圖2為各種腐爛果汁液在不同除菌方式及不同培養(yǎng)基組成情況下所得BC干重情況。由圖可知，以單一葡萄糖為營(yíng)養(yǎng)源，不添加氮源時(shí)，無(wú)BC發(fā)酵產(chǎn)物生成。而以腐爛果汁液為單一營(yíng)養(yǎng)物時(shí)，有明顯的BC膜產(chǎn)物生成，其干重達(dá)到0.53～2.23 g/L。其中，以腐爛梨汁為營(yíng)養(yǎng)物可以得到最高的BC干重。因此腐爛果汁液中富含除糖以外的多種營(yíng)養(yǎng)物，如維生素、氨基酸、蛋白及微量元素等有助于微生物的生長(zhǎng)。有文獻(xiàn)報(bào)道，糖的種類也會(huì)影響B(tài)C產(chǎn)量[9]。而果汁液中除葡萄糖外，還含有多種糖組分，這可能也會(huì)提高BC的發(fā)酵產(chǎn)量。另外，盡管本實(shí)驗(yàn)中所用水果均有不同程度的腐爛，但從結(jié)果上看，果汁液中并不存在影響木醋桿菌生長(zhǎng)的抑制劑，因此，不需要對(duì)腐爛果汁液做額外脫毒處理，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)過(guò)程。對(duì)除菌方式而言，過(guò)濾法所得BC干重較高。這主要是由于過(guò)濾法操作條件溫和，能夠較好地保留果汁液中的營(yíng)養(yǎng)成分。此外，氮源的添加有助于獲得較高產(chǎn)量的BC產(chǎn)物，這與其它文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果一致[10]。本文中以腐爛梨汁液為營(yíng)養(yǎng)物，采用過(guò)濾除菌并添加氮源的條件下，BC干重達(dá)3.67 g/L。Kurosumi等[10]報(bào)道了以新鮮果汁，如桔子、蘋(píng)果、葡萄等為營(yíng)養(yǎng)物發(fā)酵培養(yǎng)BC，所得干重量為0.3～1.8 g/L。

圖1 腐爛果汁液對(duì)糖轉(zhuǎn)化率的影響

圖2 腐爛果汁液對(duì)BC干重的影響

圖3 腐爛果汁液對(duì)BC產(chǎn)率的影響

圖3為以腐爛果汁液為營(yíng)養(yǎng)物所得BC產(chǎn)率的情況。由結(jié)果可知，所有果汁液在不同條件下所得BC產(chǎn)率均高于葡萄糖。同時(shí)，過(guò)濾除菌和添加氮源所得BC產(chǎn)率更高。其中，在上述條件下，以腐爛梨汁為營(yíng)養(yǎng)物，BC產(chǎn)率最高，達(dá)到17.47%。

3 結(jié)論

本研究探討了以腐爛水果為營(yíng)養(yǎng)物發(fā)酵合成BC的可行性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1）以腐爛果汁液為單一營(yíng)養(yǎng)物，其BC產(chǎn)率高于以葡萄糖為碳源，同時(shí)添加氮源發(fā)酵條件下；2）過(guò)濾除菌方式和添加氮源有助于獲得較高的BC產(chǎn)率；3）以腐爛梨汁為營(yíng)養(yǎng)物，采用過(guò)濾除菌和添加氮源可獲得較高的BC產(chǎn)率和干重，分別為17.47%和3.67 g/L。

[1] Czaja W K, Young D J, Kawecki M, et a l. The future prospects of microbial cellulose in biomedical applications[J]. Biomacromolecules, 2007, 8(1): 1-12.

[2] Nakagaito A N, Iwamoto S, Yano H. Bacterial cellulose: The ultimate nano-scalar cellulose morphology for the production of high-strength composites[J]. Applied Physics A, 2005, 80(1): 93-97.

[3] Zaborowska M, Bodin A, B?kdahl H, et al. Microporous bacterial cellulose as a potential scaffold for bone regeneration[J].Acta Biomaterialia, 2010, 6(7): 2540-2547.

[4] Czaja W, Krystynowicz A, Bielecki S, et al. Microbial cellulose—the natural power to heal wounds[J]. Biomaterials, 2006, 27(2): 145-151.

[5] Shah J, Brown R M. Towards electronic paper displays made from microbial cellulose[J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2005, 66(4): 352-355.

[6] Carreira P, Mendes J A S, Trovatti E, et al. Utilization of residues from agro-forest industries in the production of high value bacterial cellulose. Bioresour[J]. Technol, 2011, 102(15): 7354-7360.

[7] Keshk S M A S, Razek T M A, Sameshima K. Bacterial cellulose production from beet molasses[J]. Afr J Biotechnol, 2006, 5(17): 1519-1523.

[8] El-Saied H, El-Diwany A I, Basta A H, et al. Production and characterization of economical bacterial cellulose[J]. Bioresources, 2008, 3(4): 1196-1217.

[9] Mikkelsen D, Flanagan B M, Dykes G A, et al. Influence of different carbon sources on bacterial cellulose production by Gluconacetobacter xylinus strain ATCC 53524[J]. J Appl Microbiol, 2009, 107(2): 576-583.

[10] Kurosumi A, Sasaki C, Yamashita Y, et al. Utilization of various fruit juices as carbon source for production of bacterial cellulose by Acetobacter xylinum NBRC 13693[J]. Carbohydr Polym, 2009, 76(2): 333-335.

Cost-efficient Production of Bacterial Cellulose by Gluconacetobacter xylinus using Rotten Fruits
as the Culture Medium

YANG Guang1,2, WANG Cai-xia1

（1. Key Laboratory of Science & Technology of Eco-Textile, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China; 2. College of Chemistry, Chemical Engineering and Biotechnology, Donghua University, Shanghai 201620, China）

Bacterial cellulose (BC) is a kind of natural cellulose synthesized by microbial fermentation. In this work, some rotten fruits, e.g. apple, watermelon, peach and pear, were utilized as the fermentation nutrient sources for cost-efficient and mass production of BC. Different sterilization processes of the rotten fruit juices including filtration and autoclaving, and two kinds of culture medium, i.e. with or without supplement of nitrogen sources were tried, and their effects on sugar conversion ratio, BC dry weight and BC production yield were investigated, using glucose for comparison. It was found that the BC production yields from the sole rotten fruit juices were higher than that by glucose with nitrogen sources. Additionally filter-sterilization of the juices and supplement of nitrogen sources was helpful to obtain a high production yield, with the rotten peach showing the highest value of 17.47% among all test fruits under these conditions.

bacterial cellulose (BC); rotten fruits; fermentation; culture medium

Q819；TQ352

A

1004-8405(2015)04-0067-04

10.16561/j.cnki.xws.2015.04.10

2015-09-28

上海市自然科學(xué)基金（15ZR1401000）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（21004008）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金。

楊 光（1981~），女，講師，博士；研究方向：生物材料、生物質(zhì)資源開(kāi)發(fā)利用。gyang@dhu.edu.cn