微生物纤维素及其氧化衍生物的合成与性能研究

论文摘要

本论文研究内容属于国家863项目“生物法制备的纳米材料及在纳米中药中的应用”（2002AA302212）的组成部分。论文从三方面围绕合成和开发微生物纤维素生物材料的主题开展研究。通过系统研究椰子水培养体系木醋杆菌合成微生物纤维素凝胶及其性能,找到了优化的种子培养基和合成培养基,实现了低成本高产量合成微生物纤维素；分离选育出变异的产纳米短纤维的木醋杆菌菌株,控制合成实现了生物法制备纳米微生物纤维素材料,实现了木醋杆菌控制合成制备期望性能的纤维素材料,对其分离工艺和性能进行了研究；制备出了微生物纤维素二醛衍生物医用吸附功能材料,为多方面开发微生物纤维素作为生物材料的应用做了深入的基础研究。首先,利用海南椰子水资源为原料,采用自主选育培养的木醋杆菌（A. xylinum）,从培养基椰子水的营养组分、种子培养基的组成优化、合成培养基的优化、合成过程的条件优化、静态合成动力学、以至采用糖蜜废水部分替代椰子水培养基等多方面对大分子微生物纤维素凝胶的合成及其性能进行了系统研究。椰子水富含碳水化合物、氨基酸、无机盐、维生素等营养物质,发酵后产生的有机酸与其盐形成了一个天然的缓冲体系,能够保证木醋杆菌生长环境的稳定,也可被木醋杆菌用作碳源,所以发酵后的椰子水更有利于木醋杆菌合成纤维素。这是本研究首次明确指出的。为了制备优良的木醋杆菌试管斜面种,对种子培养基的组成进行优化研究,结果表明：硫酸铵0.2%,硫酸镁0.05%,琼脂2%,以发酵2天的椰子水加至足量,pH值5.0,作为木醋杆菌斜面培养基制备的试管种斜面种活力强、不易退化。对以椰子水为主要培养基质的合成体系对合成微生物纤维素的影响进行优化研究,结果表明,影响纤维素凝胶产量的因素依次为：椰子水用量>醋酸钠（增效因子）>硫酸铵>蔗糖>磷酸二氢钾。影响凝胶中纤维素含量的因素依次为：椰子水>醋酸钠>蔗糖>磷酸二氢钾、硫酸铵。优化的培养基组成为：发酵椰子水50%,蔗糖4%,硫酸铵0.5%,醋酸钠0.2%,磷酸二氢钾0.05%,最适pH值为4.2,最佳培养温度30℃,宜采用种龄3天的菌种,接种量5%,发酵培养7天。优化条件下的木醋杆菌合成微生物纤维素产量可达737g/L湿重、4.5g/L干重。这无论从成本和限定时间内的产量都比其它培养体系有优越性。对木醋杆菌静态合成动力学研究建立了菌株的生长动力学、产物生成动力学、基质消耗动力学模型。此为发酵过程中菌体浓度、基质浓度、pH值等最佳工艺参数的确定提供了理论基础。采用糖蜜酒精废水部分代替椰子水合成了微生物纤维素,糖蜜废水用量为30%仍然合成得到较佳的产量。IR结够测试证明了微生物纤维素凝胶的β-吡喃糖结构。X—射线衍射分析计算了微生物纤维素的晶胞参数,表明了合成微生物纤维素晶型主要为I型结晶。第二,选育自然变异的产纳米短纤维的木醋杆菌高产菌株,实现了生物法制备纳米纤维素材料。通过自然变异选育出的高产纳米短纤维微生物纤维素的菌株,由中国科学院微生物所鉴定,命名为HN001号。对HN001菌株的形态特征、主要生理生化特性,功能基因数量等进行了研究,HN001的GC碱基对的数量明显多于退化菌株,说明了某些功能基因数量较多,产纤维素能力较强。以椰子水为培养基,通过木醋杆菌HN001静态培养生物合成了水溶性低分子质量纳米微生物纤维素（NMC）。对于高产NMC的适宜条件是：培养时间72h,培养温度33℃C,培养基初始pH值4,NMC产率达1.2g/L。根据发酵培养液中NMC与杂质的物理和化学性能的差异,采用物理分离和化学分离相结合的方法,研究了分离纯化工艺,制备出纯净NMC。凝胶渗透色谱仪（GFC）测定其分子量及其分布表明,培养液初始pH值从3.5到5.5,木醋杆菌合成NMC的相对分子量的影响不显著,体系初始pH值对产物的分子量分布基本无影响,且相对分子质量分布指数几乎相同为1.3,相对分子质量非常均一。TEM测试水溶液中的NMC形貌为近似球形,大小在20nm左右,表明实现了对NMC颗粒尺度的合成控制；TEM测试NMC干燥粉状颗粒形状近似球形；样品粒度D50为85.6nm,分布范围在40-500nm之间,可能是在干燥过程中颗粒之间有所团聚。IR光谱证明了该产品为p-1,4-结合键的葡聚糖。纳米微生物纤维素与微晶纤维素具有相近的总失重比率,总失重率分别为89.6%和84.6%；失重率最大温度分别为336.93℃C和358.12℃；热解产物基本为二氧化碳和水。NMC的X—射线衍射结果与微生物纤维素凝胶所测得晶型一致；NMC比微晶纤维素有更好的结晶,在2θ角14-17度范围内晶相略有不同。此研究还实现了控制合成特定性能的微生物纤维素。纳米微生物纤维素材料的合成跨越生物、化学和材料等多个学科领域,是继物理和化学法以后的一种新的生物法制备纳米纤维素材料。第三,为了进一步拓展微生物纤维素在生物材料领域的应用范围,对其进行选择性氧化合成开发医用吸附材料二醛纤维素,详细研究其氧化过程及其产物性能。本研究首次采用微生物纤维素这种优良原料,氧化合成了二醛纤维素,克服了普通纤维素中因含有半纤维素或木质素等带来的氧化产物性能受影响的缺点,以制备性能优良的医用吸附材料。氧化影响因素研究说明,酸性条件有利于醛基的生成,而温度、氧化剂浓度、时间和氧化剂用量则存在一个最佳值。适宜的氧化条件为：温度为35℃,pH值为2,时间为20h,氧化剂浓度为0.2mol/L,氧化剂用量为1：1。IR结构表征证明,高碘酸钠非均相氧化微生物纤维素产生了醛基基团。由微生物纤维素、微晶纤维素、二醛基纤维素的吸附性能表明,三者的最大吸水量分别为12.Og/g,6.6g/g,3.6g/g；三者对于铁离子的最大吸附量为11mg/g,8.3mg/g,6.8mg/g。醛基含量3.4mmol/g的二醛纤维素对铁离子的吸附量降为4.9mg/g；二醛基纤维素对己二胺的最大吸附量为686mg/g,对对苯二胺的吸附量最大为460mg/g。基本达到了期望的二醛纤维素材料对水和铁离子吸附低,而对氨基化合物吸附量大的性能。红外光谱测试证明了二醛基纤维素吸附己二胺的吸附为物理吸附,而对于对苯二胺的吸附既有物理吸附又有化学吸附。二醛纤维素（DAC）的氧化度从低到0.75mmol/g,其结晶度从原料MC的66%下降到56%,醛基的引入使得糖环残基开环,降低了分子的有序结晶排列和堆积程度,从而使得结晶程度下降；其热解温度,从MC的230℃降低到180℃,而最大失重率温度从340℃下降到290℃,说明随着醛基含量的增加,二醛纤维素的更易于热解,热失重率也降低了。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 绪言
• 1. 微生物纤维素研究进展
• 1.1 微生物纤维素发展简史
• 1.2 合成微生物纤维素的菌种
• 1.2.1 木醋杆菌（Acetobacter xylinum）
• 1.2.2 土壤杆菌属（Agrobacterium）
• 1.2.3 根瘤菌属（Rhizabium）
• 1.2.4 八叠球菌属（Sarcina）
• 1.3 合成微生物纤维素的木醋杆菌选育研究
• 1.4 木醋杆菌合成微生物纤维素的合成组装过程
• 1.4.1 合成过程
• 1.4.2 装配过程
• 1.4.3 合成过程调控
• 1.4.3.1 培养方式的影响
• 1.4.3.2 培养条件的影响
• 1.5 微生物纤维素的结构性能特点
• 1.5.1 微生物纤维素化学组成及结构
• 1.5.2 微生物纤维素的物理结构
• 1.5.3 微生物纤维素的性质
• 1.5.3.1 微晶结构
• 1.5.3.2 高结晶度和高化学纯度
• 1.5.3.3 高抗张强度和弹性模量
• 1.5.3.4 很强的水结合能力
• 1.5.3.5 良好的生物相容性
• 1.5.3.6 形状可塑性
• 1.5.3.7 生物合成的可调控性
• 1.5.4 MC性能研究测试技术
• 1.6 微生物纤维素的应用
• 1.6.1 食品工业
• 1.6.2 造纸与无纺织物
• 1.6.3 高级音响设备振动膜
• 1.6.4 医用材料
• 1.6.5 其它用途
• 1.7 纤维素的氧化衍生物及其应用
• 1.8 论文立题背景和构思
• 2. 木醋杆菌合成微生物纤维素凝胶的研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.1.1 菌种
• 2.1.1.2 材料和试剂
• 2.1.2 主要仪器
• 2.1.3 培养基
• 2.1.4 培养方法
• 2.1.4.1 木醋杆菌的培养
• 2.1.4.2 斜面菌种的活化
• 2.1.4.3 种子培养
• 2.1.4.4 发酵培养
• 2.1.5 观察与测定方法
• 2.1.6 木醋杆菌合成微生物纤维素凝胶动力学实验
• 2.1.7 糖蜜废水中营养物质的含量的测定
• 2.1.8 糖蜜废水培养液配方
• 2.1.9 微生物纤维素含量的测定
• 2.1.10 微生物纤维素结构与性能
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 椰子水的主要成分研究
• 2.2.1.1 新鲜椰子水的成分研究
• 2.2.1.2 椰子水自然发酵过程中组分的变化
• 2.2.2 以椰子水为主要基质的木醋杆菌斜面种培养基研究
• 2.2.2.1 椰子水自然发酵时间对木醋杆菌的影响
• 2.2.2.2 磷酸盐对制备斜面种的影响
• 2.2.2.3 斜面培养基的优化
• 2.2.3 木醋杆菌合成微生物纤维素凝胶的椰子水基质合成培养基研究
• 2.2.3.1 椰子水用量对合成纤维素凝胶的影响
• 2.2.3.2 碳源对合成纤维素凝胶的影响
• 2.2.3.3 氮源对合成纤维素凝胶的影响
• 2.2.3.4 增效因子对合成纤维素凝胶的影响
• 2.2.3.5 培养体系初始pH值对合成纤维素凝胶的影响
• 2.2.3.6 培养基成分的优化
• 2.2.4 木醋杆菌合成微生物纤维素凝胶过程中的其它影响因素及其合成动力学
• 2.2.4.1 微生物纤维素合成过程中的影响因素研究
• 2.2.4.2 微生物纤维素合成过程中条件的优化
• 2.2.4.3 合成动力学
• 2.2.4.4 小结
• 2.2.5 用糖蜜酒精废水合成微生物纤维素
• 2.2.5.1 糖蜜废水的成分分析及其合成微生物纤维素初探
• 2.2.5.2 培养基中废水含量对纤维素产量的影响
• 2.2.5.3 培养基中糖含量对纤维素合成的影响
• 2.2.5.4 糖蜜废水培养基中添加碳酸钙对纤维素合成的影响
• 2.2.5.5 糖蜜废水培养基pH值对纤维素合成的影响
• 2.2.5.6 液体种培养基种糖蜜废水对纤维素合成的影响
• 2.2.5.7 温度对纤维素合成的影响
• 2.2.6 微生物纤维素结构性能研究
• 2.2.6.1 微生物纤维素的干重含量
• 2.2.6.2 纤维素凝胶直接干燥物纯度测定
• 2.2.6.3 纤维素凝胶直接干燥物中蛋白质含量测定
• 2.2.6.4 结构测试
• 2.2.6.5 X-射线衍射分析
• 2.3 本章结论
• 3. 纳米微生物纤维素的生物合成
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 主要材料、试剂和仪器
• 3.1.2 实验方法
• 3.1.2.1 木醋杆菌菌株的培养分离
• 3.1.2.2 观察与测定
• 3.1.2.3 发酵培养及其测定方法
• 3.1.2.4 NMC的分离纯化工艺
• 3.1.2.5 纳米微生物纤维素的测定
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 产纳米微生物纤维素菌株的选育和培养
• 3.2.2 纳米微生物纤维素的生物合成方法及其过程研究
• 3.2.2.1 NMC的静态培养过程研究
• 3.2.2.2 动态培养法
• 3.2.2.3 小结
• 3.2.3 纳米微生物纤维素分离方法与工艺研究
• 3.2.3.1 蛋白质脱除
• 3.2.3.2 无机盐的脱除
• 3.2.3.3 杂多糖的分离
• 3.2.3.4 NMC分离纯化工艺的确定
• 3.2.4 纳米微生物纤维素性能研究
• 3.2.4.1 NMC鉴定结果
• 3.2.4.2 GFC分析结果及培养基初始pH值对NMC相对分子质量的影响
• 3.2.4.3 纯度测试
• 3.2.4.4 结构分析
• 3.2.4.5 形貌测试
• 3.2.4.6 粒度测试
• 3.2.4.7 热分析
• 3.2.4.8 结晶性能
• 3.2.4.9 其它性能
• 3.3 本章结论
• 4. 微生物纤维素非均相氧化合成二醛纤维素
• 4.1. 实验部分
• 4.1.1 主要试剂
• 4.1.2 主要仪器
• 4.1.3 实验步骤
• 4.1.4 醛基含量测定方法
• 4.1.5 性能测试
• 4.1.5.1 吸水性能与持水性能的测试方法
• 4.1.5.2 二醛纤维素对铁离子吸附测试的实验方法
• 4.1.5.3 吸附氨基化合物的实验方法
• 4.1.5.4 二醛纤维素对尿素氮的吸附性能测试
• 4.1.5.5 产物结构测试
• 4.1.5.6 X-射线衍射测试
• 4.1.5.7 热分析及热红联用测试
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 氧化反应因素对产物醛基含量的影响
• 4.2.1.1 温度对氧化产物醛基含量的影响
• 4.2.1.2 反应时间对产物醛基含量的影响
• 4.2.1.3 pH值对产物醛基含量的影响
• 4.2.1.4 氧化剂浓度对产物醛基含量的影响
• 4.2.1.5 氧化剂用量对产物醛基含量的影响
• 4.2.1.6 结构分析和反应机理讨论
• 4.2.2 二醛微生物纤维素吸附性能研究
• 4.2.2.1 二醛纤维素、微生物纤维素和微晶纤维素对水的吸附
• 4.2.2.2 二醛纤维素、微生物纤维素和微晶纤维素对铁离子的吸附
• 4.2.2.3 二醛基纤维素对氨基化合物的吸附的影响因素
• 4.2.3 二醛纤维素的性能
• 4.2.3.1 结晶度测试
• 4.2.3.2 DAC热失重分析
• 4.2.3.3 固体核磁测试
• 4.3 本章结论
• 5. 总结与展望
• 5.1 结论
• 5.1.1 木醋杆菌合成微生物纤维素凝胶与性能
• 5.1.2 纳米微生物纤维素的合成与性能
• 5.1.3 微生物纤维素氧化合成二醛纤维素与性能
• 5.2 本研究的创新之处
• 5.3 进一步工作展望
• 5.3.1 生物合成纳米材料新领域
• 5.3.2 研究提高微生物纤维素产量的各种技术或手段
• 5.3.3 寻找廉价的果汁替代品培养基
• 5.3.4 降解制备定域分子量微生物纤维素
• 5.3.5 合成微生物纤维素的其它方法研究
• 5.3.6 控制合成不同分子结构或不同结晶性能的微生物纤维素
• 5.3.7 生物材料等多个领域的应用开发研究
• 致谢
• 参考文献
• 附录A:攻读学位期间发表与博士论文相关的论文