夏 文,李 政,*,徐銀莉,鞏繼賢,賈士儒,張健飛

(1.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院,先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300387;2.天津科技大學(xué),工業(yè)發(fā)酵微生物教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300457)

發(fā)酵原料對(duì)細(xì)菌纖維素產(chǎn)量的影響研究進(jìn)展

夏 文1,李 政1,*,徐銀莉1,鞏繼賢1,賈士儒2,張健飛1

(1.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院,先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300387;2.天津科技大學(xué),工業(yè)發(fā)酵微生物教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300457)

與天然纖維素相比,細(xì)菌纖維素具有高持水性、高機(jī)械強(qiáng)度、良好生物相容性等獨(dú)特性能。細(xì)菌纖維素屬于多孔納米級(jí)生物材料,在催化劑、分離膜、食品、紡織、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而,產(chǎn)量低、成本高的問題阻礙了其進(jìn)一步應(yīng)用。研究發(fā)酵原料對(duì)細(xì)菌纖維素產(chǎn)量的影響具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。因此,本文闡述了近年來國內(nèi)外關(guān)于細(xì)菌纖維素發(fā)酵原料(主要為碳氮源和添加物)的研究進(jìn)展,并對(duì)未來的發(fā)展進(jìn)行展望。

細(xì)菌纖維素,發(fā)酵原料,碳氮源,添加物

細(xì)菌纖維素(Bacterial Cellulose,簡(jiǎn)稱BC)是具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔納米級(jí)生物高分子聚合物,其纖維直徑和寬度僅為棉纖維的1/100～1/1000[1]。與植物纖維素相比,BC具有高純度、聚合度和結(jié)晶度,良好的持水、透氣性、生物相容性和可降解性等優(yōu)點(diǎn)[2]。在產(chǎn)細(xì)菌纖維素的菌種中,木醋桿菌(G.xylinus或A.xylinus,簡(jiǎn)稱G.X或A.X)以適應(yīng)性強(qiáng)、纖維素產(chǎn)量較高等優(yōu)勢(shì)成為模式菌種。細(xì)菌纖維素產(chǎn)業(yè)化發(fā)展一直面臨著成本高、產(chǎn)量低的問題,因此研究在發(fā)酵過程中菌種代謝及培養(yǎng)原料對(duì)BC產(chǎn)量的影響,是未來細(xì)菌纖維素產(chǎn)業(yè)化發(fā)展必要的研究方向。本文從細(xì)菌纖維素發(fā)酵原料,尤其是碳源、氮源和添加物方面對(duì)細(xì)菌纖維素發(fā)酵制備進(jìn)行綜述,并對(duì)其未來發(fā)展作出展望。

1 碳源

圖1 木醋桿菌合成纖維素的主要途徑Fig.1 The principal pathway of cellulose synthesis in Acetobacter xylinum

二十世紀(jì)五十年代,Hestrin等研究出以葡萄糖為碳源,蛋白胨與酵母膏為氮源,有機(jī)酸與無機(jī)鹽等緩沖溶液組成的HS培養(yǎng)基,用于生產(chǎn)BC[3]。但其生產(chǎn)成本大約為250 $/kg,這樣昂貴的價(jià)格并不適用于工業(yè)化生產(chǎn)。

1.1 合成碳源

糖類和醇類物質(zhì)是BC發(fā)酵原料中最常見的合成碳源。圖1是G.xylinus中纖維素合成的主要代謝過程。

人們大量研究糖類單體的代謝過程,以期了解纖維素合成的關(guān)鍵影響因素。張碩等[4]以七種糖類為碳源生產(chǎn)BC,發(fā)現(xiàn)低濃度下(25 g/L)的糖利用率更高,且D-果糖生產(chǎn)的BC產(chǎn)量最多,達(dá)13.9 g/L。原因可能是該菌中焦磷酸化酶和磷酸葡萄糖異構(gòu)酶活性較高,并且D-果糖可以激發(fā)依賴于磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng),并催化果糖轉(zhuǎn)化成1-磷酸果糖,然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為6-磷酸果糖,再通過異構(gòu)化作用轉(zhuǎn)化成6-磷酸葡萄糖,繼而形成纖維素。

混合糖似乎可以提高BC的產(chǎn)量。馬霞[5]分別以總量為20 g/L的葡萄糖、果糖、蔗糖以及它們的兩兩混合物(1∶1)為碳源生產(chǎn)BC,發(fā)現(xiàn)葡萄糖、果糖為碳源的BC產(chǎn)量為2.1、1.8 g/L,而以葡萄糖與果糖為混合碳源時(shí)的產(chǎn)量可達(dá)2.55 g/L。類似的,Premjet[6]添加2.45%蔗糖和0.7%果糖到不含2%葡萄糖的HS培養(yǎng)基,其BC產(chǎn)量是HS標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)基的179%。雖然菌種和培養(yǎng)條件的差異會(huì)導(dǎo)致最優(yōu)混合糖種類和含量的不確定性,但是混合糖在BC生產(chǎn)中發(fā)揮的這種協(xié)同作用,可能是由于多種糖代謝使得己糖磷酸更多地通過異構(gòu)化作用進(jìn)入纖維素合成途徑。

醇類作碳源,主要是轉(zhuǎn)換成糖類后進(jìn)行纖維素生產(chǎn)代謝。Mikkelsen等[7]發(fā)現(xiàn),不同碳源在不同發(fā)酵階段生產(chǎn)BC的能力不同,其中甘露醇、甘油、蔗糖培養(yǎng)基在發(fā)酵48 h時(shí)生產(chǎn)的BC分別為2.04、0.82和0.34 g/L,在發(fā)酵終點(diǎn)分別達(dá)3.37、3.75和3.83 g/L。分析醇類代謝途徑,在發(fā)酵前期,甘露醇可快速轉(zhuǎn)化為果糖并穿過菌體細(xì)胞膜后參與纖維素合成,同時(shí)合成的葡萄糖酸鹽較少,pH相對(duì)穩(wěn)定,甘油需要通過草酰乙酸的脫羧作用生成丙酮酸,再經(jīng)過葡萄糖異生作用生成己糖,而蔗糖不易穿過菌體細(xì)胞膜,需在細(xì)胞膜外先轉(zhuǎn)化成葡萄糖和果糖;而在發(fā)酵后期,甘油和蔗糖產(chǎn)生的己糖可大量轉(zhuǎn)化為纖維素。類似的,Mohammadkazemi[8]將棗漿、葡萄糖、甘露醇、蔗糖和食品級(jí)蔗糖五種碳源分別添加到Zhou培養(yǎng)基中培養(yǎng)7 d,最終添加甘露醇的培養(yǎng)基獲得了最大的產(chǎn)量1.8 g/L。

由于菌種和培養(yǎng)條件的差異性,不同碳源培養(yǎng)基發(fā)酵BC的產(chǎn)量具有一定的差異性。綜合考慮糖類、醇類碳源對(duì)BC產(chǎn)量的影響,糖類的果糖、蔗糖和醇類的甘露醇、甘油是大多數(shù)G.xylinus可利用的較好碳源。但是使用這類純度高的碳源價(jià)格相對(duì)昂貴,只適用于實(shí)驗(yàn)室研究和小型發(fā)酵生產(chǎn),并不適用于BC的大量工業(yè)化生產(chǎn)。

1.2 天然碳源

合成碳源生產(chǎn)BC顯然是不經(jīng)濟(jì)的,因此工農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用成為一個(gè)熱點(diǎn),其中主要包括了水果類、糖蜜類、淀粉類和纖維素類碳源的利用。

1.2.1 水果類碳源 工農(nóng)業(yè)水果類廢棄物,如椰子水、菠蘿汁等,營養(yǎng)物質(zhì)豐富,且來源豐富、預(yù)處理方式簡(jiǎn)單,但需注意結(jié)合底物特性來選擇最優(yōu)的生產(chǎn)菌種。Gayathry等[9]首先從蔗糖汁中分離出A.xylinumsju-1菌種,并用標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)菌A.xylinumNCIM 2526作對(duì)比,轉(zhuǎn)接到在HS和改性椰水胚乳MCLE培養(yǎng)基中靜態(tài)培養(yǎng)14 d后,sju-1在HS和MCLE培養(yǎng)基中分別生產(chǎn)出14.10 g/L和15.4 g/L的BC,而NCIM 2526僅生產(chǎn)了11.1 g/L和9.8 g/L的BC。因此,與HS培養(yǎng)基對(duì)比,MCLE培養(yǎng)基中BC的合成產(chǎn)量增加顯著,且BC中含水量和粗纖維量更多。

水果原料與工農(nóng)業(yè)廢棄物的結(jié)合,也為BC工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)提供了一個(gè)新的思路。Casarica等[10]研究利用劣質(zhì)梨和甘油為碳源生產(chǎn)BC,通過使用Taguchi優(yōu)化模型對(duì)該培養(yǎng)基進(jìn)行優(yōu)化,并達(dá)到7.1 g/L的最大產(chǎn)量,遠(yuǎn)高于大多數(shù)單純利用水果碳源培養(yǎng)BC的報(bào)道。

水果類碳源的研究,目前正在從已工業(yè)化的利用椰子水生產(chǎn)BC的研究轉(zhuǎn)向更具前景的農(nóng)業(yè)廢棄物菠蘿汁、甘蔗汁等的研究。此外,混合水果為碳源也發(fā)揮出一定的價(jià)格優(yōu)勢(shì),獲得的BC產(chǎn)量也比較可觀。雖然水果原料具有很多優(yōu)勢(shì),但產(chǎn)品的質(zhì)量變化較大,同時(shí)受地域和季節(jié)影響較大。因此,不但需要因地制宜得利用在特定地區(qū)供應(yīng)豐富、價(jià)格低廉的水果為原料進(jìn)行生產(chǎn),還要積極開發(fā)適合于培養(yǎng)基類型的菌種,并結(jié)合菌種代謝特征優(yōu)化培養(yǎng)基方案,得到具有特定應(yīng)用要求的BC產(chǎn)品。

1.2.2 糖蜜類碳源 糖蜜含有大量可發(fā)酵性蔗糖,但是含有膠體、色素等抑制物質(zhì),因此需要經(jīng)過稀釋、酸化和加熱等預(yù)處理,以達(dá)到沉降除灰、將低聚糖轉(zhuǎn)化為單糖以及聚集膠體、降低糖蜜粘度的作用。Bae[11]研究了硫酸熱預(yù)處理糖蜜對(duì)BC生產(chǎn)的影響,當(dāng)硫酸熱處理23 g/L的糖蜜后,糖蜜中的蔗糖被分解成果糖和葡萄糖,使得總糖量為40 g/L,BC產(chǎn)量比未處理糖蜜提高了76%,達(dá)5.3 g/L。這雖沒有總糖濃度為39%的玉米漿/果糖培養(yǎng)基得到的BC多(7.5 g/L),但生產(chǎn)成本大約為后者的百分之一。

除了常用的甘蔗、甜菜糖蜜,Li等[12]以蜜棗糖蜜廢液為唯一碳源生產(chǎn)BC,通過對(duì)200 g/L的棗汁廢液進(jìn)行適當(dāng)稀釋以及硫酸熱預(yù)處理,使得水解液中葡萄糖達(dá)到38 g/L,比未處理廢液提高58%,同時(shí)生產(chǎn)的BC產(chǎn)量提高了50%。

利用糖蜜為碳源的研究,不僅有助于解決生產(chǎn)高附加值細(xì)菌纖維素的成本問題,同時(shí)還能解決加工行業(yè)廣泛存在的環(huán)境污染問題。但是由于其已廣泛應(yīng)用于酒精、氨基酸和有機(jī)酸等的發(fā)酵生產(chǎn),其原料會(huì)存在供應(yīng)穩(wěn)定性的問題,因此在綜合成本因素下,可在一些制糖業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)適當(dāng)發(fā)展。

1.2.3 淀粉類碳源 利用魔芋、大米、土豆等淀粉類食品廢物經(jīng)過預(yù)處理后產(chǎn)生的糖化液為碳源,逐漸顯示出一個(gè)更為經(jīng)濟(jì)的選擇。魔芋塊莖的主要成分為魔芋葡甘露聚糖,通過酸水解可得到葡萄糖以及甘露糖的混合液。洪楓[13]通過對(duì)魔芋硫酸水解、活性炭脫毒后,以糖濃度為25.5 g/L的酸解液為碳源,最終制得7.5 g/L的BC,比同樣碳濃度的葡萄糖、蔗糖的發(fā)酵產(chǎn)量提高近50%。這不但省去了精加工的成本,而且魔芋中含有的蛋白質(zhì)、維生素等元素可以促進(jìn)BC的合成,使得水解液同時(shí)兼具了價(jià)格低廉以及適合微生物生長的優(yōu)點(diǎn)。

相對(duì)于成分復(fù)雜的原料而言,稀釋具有很好的促進(jìn)作用。因此,除了對(duì)原料進(jìn)行水解、脫毒預(yù)處理,有些研究者將原料簡(jiǎn)單稀釋后直接使用。Thompson[14]以不經(jīng)過任何水解處理的馬鈴薯稀釋液為原料,培養(yǎng)14 d生產(chǎn)出比HS培養(yǎng)基多21%的產(chǎn)量,達(dá)到2.47 g/L,這可能是因?yàn)轳R鈴薯稀釋液中高溫高壓未殺死的細(xì)菌,不但可以將淀粉轉(zhuǎn)化成葡萄糖,而且能將葡萄糖酸鹽轉(zhuǎn)化成有機(jī)酸,為纖維素的合成提供能源及生產(chǎn)基質(zhì)。這類研究省去了淀粉類原料成本消耗較大的預(yù)處理過程,有很好的借鑒作用。

淀粉類原料同樣面臨著與糖蜜原料類似的問題,與生產(chǎn)其他生物類產(chǎn)品會(huì)發(fā)生爭(zhēng)奪原料的問題,因此利用淀粉類原料發(fā)酵生產(chǎn)細(xì)菌纖維素時(shí),應(yīng)主要集中在非糧食作物、食品加工業(yè)廢棄物等的研究。

1.2.4 纖維素類碳源 植物纖維素是地球上儲(chǔ)量最豐富的可再生聚糖類資源,但由于植物纖維素分子間及分子內(nèi)具有極強(qiáng)的氫鍵作用,因此生產(chǎn)細(xì)菌纖維素前需要進(jìn)行水解,并對(duì)水解液進(jìn)行解毒。Guo[15]對(duì)含有20 g/L葡萄糖的云杉水解液通過不同解毒方法進(jìn)行處理發(fā)現(xiàn),經(jīng)過活性炭解毒后的云杉水解液培養(yǎng)得到的BC產(chǎn)量最高,可達(dá)到8.2 g/L。

大量廢棄纖維素織物的利用,也是一個(gè)重要的研究方向。Hong[16]采用離子溶液1-烯丙基-3-甲基咪唑氯化物([AMIM]CI)來水解棉織物,培養(yǎng)獲得的BC達(dá)到10.8 g/L,其比葡萄糖為碳源的培養(yǎng)基產(chǎn)量高出83%,并且抗張強(qiáng)度也高出了79%,這使得用[AMIM]CI預(yù)處理后的廢棄棉織物成為一種生產(chǎn)高品質(zhì)BC很有潛力的原料。但纖維素類原料生產(chǎn)BC還存在著預(yù)處理過程復(fù)雜、水解液中成分不確定等問題。

因此,利用成分復(fù)雜的農(nóng)林廢棄物混合碳源生產(chǎn)BC,不僅可以降低生產(chǎn)成本、將產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為高附加值材料,同時(shí)可以解決廢棄物的環(huán)境污染問題。

2 氮源

氮源主要用于構(gòu)成菌體細(xì)胞物質(zhì)如蛋白質(zhì)、核酸等以及合成含氮代謝物,主要分為無機(jī)氮源和有機(jī)氮源。

2.1 無機(jī)氮源

無機(jī)氮源,如磷酸銨、硫酸銨等通常對(duì)調(diào)節(jié)發(fā)酵過程的pH有積極作用,并對(duì)BC的產(chǎn)量可以起到一定的促進(jìn)作用。但針對(duì)成分復(fù)雜的工農(nóng)業(yè)廢棄物培養(yǎng)基中,其添加應(yīng)避免與培養(yǎng)基成分生成阻礙G.xylinus生長及BC生成的抑制物。

在碳源濃度為47、11.5 g/L的粗甘油(crude glycerol residue,簡(jiǎn)稱Cgly)和葡萄果皮(Grape skins,簡(jiǎn)稱GS)培養(yǎng)基中,Carreira[17]研究額外添加有機(jī)或無機(jī)氮源對(duì)BC產(chǎn)量的影響,當(dāng)在Cgly中添加4 g/L酵母膏或4 g/L酵母膏+2 g/L KH2PO4時(shí),BC產(chǎn)量均能提高近200%到0.5 g/L,而添加3.3 g/L的(NH4)2SO4后觀察不到BC的產(chǎn)生,這可能是因?yàn)?NH4)2SO4與Cgly中的成分生成了不利于G.xylinus生長或BC合成的抑制物;而在GS中添加3.3 g/L(NH4)2SO4+2 g/L KH2PO4后的BC產(chǎn)量最高,可提高85%到1 g/L,說明GS中缺少氮、磷元素,氮源的加入可以顯著的提高BC的產(chǎn)量。類似的,Vazque[18]將(NH4)2HPO4添加到生物甘油培養(yǎng)基中時(shí),也觀察不到纖維素的形成。

2.2 有機(jī)氮源

有機(jī)氮源,主要包括生物試劑酵母膏、蛋白胨以及工農(nóng)業(yè)廢棄物玉米漿、酒糟水等。生物試劑有機(jī)氮源營養(yǎng)物質(zhì)豐富,而工農(nóng)業(yè)廢棄物氮源成分復(fù)雜,通常需要經(jīng)過合適的預(yù)處理過程降低副作用,優(yōu)化培養(yǎng)基成分來最大限度的發(fā)揮其廉價(jià)、環(huán)境友善的特點(diǎn)。

玉米漿(CSL)是一種營養(yǎng)豐富的有機(jī)氮源。Rani[19-20]以咖啡櫻桃皮(coffee cherry husk,簡(jiǎn)稱CCH)為碳源,靜態(tài)培養(yǎng)14 d,考察CSL對(duì)CCH產(chǎn)BC的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),用CSL為氮源的BC產(chǎn)量是HS培養(yǎng)基產(chǎn)量的三倍,達(dá)到5.6 g/L,原因可能是CSL中含有的乳酸氧化成丙酮酸產(chǎn)生能量,促進(jìn)TCA循環(huán)從而刺激細(xì)胞生長,導(dǎo)致纖維素產(chǎn)量提高;除了刺激細(xì)胞生長外,高濃度CSL還可抵消pH變化的副作用,使得pH保持相對(duì)穩(wěn)定,適合G.xylinus的生長并產(chǎn)生更多的BC。

酒糟水(thin stillage,簡(jiǎn)稱TS)是來自米酒酒廠的富含氨基酸和有機(jī)酸的廢水。Wu[21]用TS代替蒸餾水配制HS培養(yǎng)基后,BC產(chǎn)量增加了2.5倍達(dá)到10.38 g/L;此外,他將TS和HS以1∶1混合生產(chǎn)BC,培養(yǎng)7 d后,BC產(chǎn)量比HS培養(yǎng)基提高了50%,達(dá)到6.26 g/L,同時(shí)生產(chǎn)成本降低了67%[22]。啤酒廢酵母(waste beer yeast,簡(jiǎn)稱WBY)也是一種營養(yǎng)豐富的啤酒廠廢棄物,Lin等[23]用WBY含量為15%的培養(yǎng)基作為唯一營養(yǎng)源來生產(chǎn)BC,首先經(jīng)過超聲波處理40 min,其次在pH為2,121 ℃下,水解20 min,獲得的還原糖產(chǎn)率達(dá)29.19%,還原糖濃度達(dá)4.38%。同時(shí),為了確定該培養(yǎng)基生產(chǎn)BC的最適還原糖濃度,發(fā)現(xiàn)還原糖量為3%的WBY培養(yǎng)基發(fā)酵的BC產(chǎn)量是未預(yù)處理WBY培養(yǎng)基的6倍,達(dá)到7.02 g/L。

3 添加物

為了大規(guī)模、低成本地生產(chǎn)BC,除了需要碳、氮源提供菌體發(fā)酵生產(chǎn)所需的營養(yǎng)物質(zhì)外,還需要額外的添加物來穩(wěn)定培養(yǎng)基條件,使得發(fā)酵過程持續(xù)高效進(jìn)行。這些添加物主要包括,低聚糖、醇類、有機(jī)酸、維生素等。它們穩(wěn)定培養(yǎng)條件的機(jī)理是,通過增加培養(yǎng)基粘度從而減少剪切力的作用,或者改變細(xì)胞類型,或者抑制葡萄糖酸的形成[24]。

3.1 低聚糖

在發(fā)酵過程中剪切力和溶氧是影響菌體發(fā)酵效果的重要因素,剪切力小且溶氧大是BC生產(chǎn)菌的較佳發(fā)酵環(huán)境,而水溶性低聚糖SSGO、Acetan、瓊脂等可通過增加發(fā)酵液粘度,防止細(xì)胞與BC聚合,增加氧傳遞系數(shù)來提高纖維素的合成產(chǎn)量。

Ha[25]將以α鍵連接而成的低聚糖SSGO添加到以A.xylinum為菌種的培養(yǎng)基中,15 d靜置培養(yǎng)后產(chǎn)量提升了89.3%。Ishida[26]以一株因缺失aceA基因而不能合成水溶性多糖Acetan的突變株EP1來生產(chǎn)BC,結(jié)果發(fā)現(xiàn)得到的BC產(chǎn)量比正常株要低,而當(dāng)添加Acetan到培養(yǎng)基后BC產(chǎn)量又恢復(fù)到了正常菌株生產(chǎn)的產(chǎn)量,同時(shí)添加后的培養(yǎng)基黏性變大,細(xì)胞數(shù)量更多,能夠防止細(xì)胞和BC聚合;Song[27]在氣升式泡罩塔生物反應(yīng)器中,使用糖化食品廢棄物作為生產(chǎn)BC的底物,當(dāng)添加0.4%的瓊脂進(jìn)去,BC的產(chǎn)量提高了10%,在10 L的反應(yīng)器中培養(yǎng)3 d可以生產(chǎn)出5.6 g/L的BC。

3.2 醇類、有機(jī)酸

醇類除了可用作碳源,較低濃度的乙醇還會(huì)減少細(xì)胞突變成不產(chǎn)纖維素細(xì)胞的概率,并最終提高BC產(chǎn)量[28]。Lu[29]調(diào)查了六種不同濃度醇類對(duì)BC的刺激,結(jié)果正丁醇在少于1.5%濃度下才能提高BC的產(chǎn)量,然而甘露醇幾乎可以在任何濃度下刺激BC的生產(chǎn),且醇類物質(zhì)作用主要發(fā)揮在發(fā)酵的后期。

有機(jī)酸通常不作為生產(chǎn)BC的碳源,而是作為產(chǎn)生ATP的能源物質(zhì)。馬霞[30]在靜置培養(yǎng)條件下添加了不同濃度的醋酸、檸檬酸發(fā)現(xiàn),低濃度的醋酸可彌補(bǔ)葡萄糖降解生成高能化合物的那部分能量,使得葡萄糖轉(zhuǎn)化為纖維素的量增加,但隨濃度升高,由于pH降低抑制了細(xì)胞生長,產(chǎn)率下降;檸檬酸也可作為能源物質(zhì)參與TCA循環(huán),在細(xì)胞生長早期可以促進(jìn)代謝流從纖維素合成轉(zhuǎn)向TCA循環(huán),產(chǎn)生能量加速細(xì)胞生長,進(jìn)而提高BC產(chǎn)率。

3.3 其他添加物

維生素C是一種高水溶性化合物,具有低的分子量(176.12)和空間位阻,但與BC纖維之間的親和性較高。Keshk[31]添加0.5%的維生素C到HS培養(yǎng)基中,葡萄糖酸產(chǎn)量下降,BC產(chǎn)量達(dá)到15.7 g/L,且BC結(jié)晶度由HS的86%下降到62%。多酚類物質(zhì)與維生素C似乎有著類似的作用。Keshk[32]在HS培養(yǎng)基中添加1%的木質(zhì)素磺酸鹽,葡萄糖酸的量下降,BC產(chǎn)量提高了近57%,且膜有更高的結(jié)晶度。

此外,Cheng[33-34]添加了1.5%的羧甲基纖維素CMC到培養(yǎng)基中,其獲得的最大BC產(chǎn)量為13 g/L,是不添加組的1.7倍,同時(shí)發(fā)現(xiàn)生成的BC結(jié)晶度和晶粒大小有所下降,因此擁有了更高的持水性和溶解溫度;Hu考察了對(duì)植物起抗衰老作用的1-甲基環(huán)丙烯(1-MCP)對(duì)BC的影響[35],他將0.14 mg的1-MCP、100 mg的葡萄糖分別在不同培養(yǎng)時(shí)間加到培養(yǎng)基中,培養(yǎng)12 d后發(fā)現(xiàn)BC產(chǎn)量最高可提高25.4%,且產(chǎn)物中不含1-MCP,這證實(shí)了1-MCP在BC發(fā)酵過程只起調(diào)節(jié)作用。

4 展望

針對(duì)BC生產(chǎn)成本高、產(chǎn)量低的問題,首先要嘗試用各種誘變方法或基因工程技術(shù)對(duì)菌株進(jìn)行改造,并結(jié)合底物特性、生產(chǎn)方式、應(yīng)用前景等篩選出最優(yōu)菌種;其次,在碳源方面,不但要開發(fā)原料易得且對(duì)環(huán)境友好的糖蜜碳源的利用方向,還應(yīng)重點(diǎn)解決來源廣、成本低的纖維素碳源的預(yù)處理工藝問題;在氮源方面,對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)豐富的酒糟水、玉米漿等預(yù)處理、除雜方式進(jìn)行深入研究;在添加物方面,充分發(fā)揮增效因子的增產(chǎn)作用,最優(yōu)化提高BC產(chǎn)量。

因此,BC培養(yǎng)基原料的合適選擇,是一項(xiàng)長期而深入的研究。低成本、高產(chǎn)量培養(yǎng)基的開發(fā)將會(huì)使工業(yè)化生產(chǎn)BC的原材料選擇范圍更廣,對(duì)于推動(dòng)BC產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)大化進(jìn)程具有非常重要的意義。

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Progress in the influence of the fermentation feedstocks on bacterial cellulose production

XIA Wen1,LI Zheng1,*,XU Yin-li1,GONG Ji-xian1,JIA Shi-ru2,ZHANG Jian-fei1

(1.Key Laboratory of Advanced Textile Composites,School of Textiles,Tianjin Polytechnic University,Ministry of Education,Tianjin 300387,China;2.Key Laboratory of Industrial Fermentation Microbiology,Ministry of Education,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300457,China)

Bacterial cellulose(BC)is a porous,nanoscale and biological polymer,which has special properties of high hydrophilicity,high mechanical strength and good biocompatibility,compared with native cellulose. Therefore,BC has many potential applications including catalyst,separation membrane,food,textile and biomedical science. However,the problems of low yield and high production cost have prevented BC applications. The study of influence of the fermentation feedstocks on bacterial cellulose production has a great practical significance. The recent developments of feedstocks in fermentation,especially in carbon sources,nitrogen sources and additives were summarized in this review. The potential feedstocks and their development in future were also described.

bacterial cellulose;fermentation material;carbon and nitrogen source;addictive

2016-06-17

夏文(1992-)，男，碩士研究生，研究方向：細(xì)菌纖維素構(gòu)效關(guān)系，E-mail：18322726553@163.com。

*通訊作者:李政(1978-)，男，博士，副教授，研究方向：紡織微生物技術(shù)，E-mail：lizheng_nx@163.com。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31200719,51403152,51473122)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計(jì)劃(14JCQNJC14200)；天津市科技支撐項(xiàng)目(09ZCKFSH00800)；天津市科技特派員項(xiàng)目(16JCTPJC44400)；應(yīng)用化學(xué)與生態(tài)染整工程浙江省重中之重學(xué)科開放基金(YR2012014)；國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(201510058032)。

TS201.2

A

1002-0306(2017)02-0358-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.02.061