專利名稱：一種利用魔芋作為廉價(jià)碳源生產(chǎn)細(xì)菌纖維素的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬細(xì)菌纖維素或者椰果纖維素的發(fā)酵制備領(lǐng)域，特別涉及一種利用魔芋作 為廉價(jià)碳源生產(chǎn)細(xì)菌纖維素的方法。
背景技術(shù)：
細(xì)菌纖維素(Bacterial Cellulose，簡(jiǎn)稱BC)作為一種天然高分子材料，具有較 好的生物相容性、生物可降解性、較強(qiáng)的持水能力和較高的力學(xué)性能等特性。鑒于細(xì)菌纖維素的優(yōu)良特性，細(xì)菌纖維素具有廣泛而特殊的用途。在醫(yī)用材料領(lǐng) 域，細(xì)菌纖維素可以用于合成人造皮膚、人造血管、外科敷料、緩釋藥物的載體等；在食品工 業(yè)領(lǐng)域，細(xì)菌纖維素本身就可以作為一種食品食用，如俗稱椰果或者椰纖果，另外，BC還可 以作為食品工業(yè)中的增稠劑、成型劑、添加劑等；在造紙工業(yè)方面，細(xì)菌纖維素的添加可以 提高紙張抗張強(qiáng)度和耐破度，降低透氣度，提高撕裂度等；在音響領(lǐng)域可以用作生產(chǎn)超性能 的聲音振動(dòng)膜；在材料領(lǐng)域，BC納米纖維與其他高分子、有機(jī)或無機(jī)分子的復(fù)合摻雜，可獲 得各種新的功能復(fù)合材料。目前大規(guī)模利用細(xì)菌纖維素的主要障礙是其產(chǎn)量低、成本高、價(jià)格不敵普通纖維 素，因此研究的重點(diǎn)集中在找尋新碳源上，尋找廉價(jià)合適的原料，既降低生產(chǎn)成本又能提高
纖維素的產(chǎn)量。魔芋(Konjak)系天南星科(Areaceae)魔芋屬(Amorphophallus Blume)的多 年生草本宿根植物，在我國(guó)分布廣泛，資源豐富且價(jià)格低廉。魔芋葡甘露聚糖(Konjac glucomarman，簡(jiǎn)稱KGM)是魔芋的主要成份，在干魔芋塊莖中的含量高達(dá)55 % 60 %，由 D-葡萄糖(G)和D-甘露糖(M)按1 1.6或1 1.69的摩爾比通過3-1，4糖苷鍵結(jié)合 而成，其分子量從幾十萬到幾百萬不等。通過酸水解魔芋可生成葡萄糖以及甘露糖的混合 溶液。申請(qǐng)人:于2006年申報(bào)的專利“一種用于生產(chǎn)細(xì)菌纖維素的培養(yǎng)基碳源的制備方 法(ZL200610118925. 1) ”是利用了魔芋中提煉的魔芋精粉為原料，經(jīng)酸水解制備細(xì)菌纖維 素的發(fā)酵碳源。該發(fā)明的特點(diǎn)是在與葡萄糖等常規(guī)碳源相同濃度的基礎(chǔ)上，以魔芋精粉水 解液生產(chǎn)獲得的細(xì)菌纖維素得率最高，是純葡萄糖生產(chǎn)的2-3倍。然而由于原料是精加工 得到魔芋精粉，因此原料成本并不低。本發(fā)明直接利用了價(jià)廉的魔芋為原料，不需精加工成 精粉，可以大大降低BC的生產(chǎn)原料成本；此外由于魔芋中還含有少量的蛋白質(zhì)，維生素，礦 物質(zhì)等元素，可以促進(jìn)BC的合成。該魔芋干酸水解液同時(shí)具備了價(jià)格低廉以及適合微生物 生長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，可作為細(xì)菌纖維素生產(chǎn)的碳源，進(jìn)一步降低其生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種利用魔芋作為廉價(jià)碳源生產(chǎn)細(xì)菌纖維素 的方法，該生產(chǎn)工藝具有原料來源廣泛，成本低，可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；且使用脫毒的魔芋干 酸水解液生產(chǎn)的細(xì)菌纖維素產(chǎn)量高于其他碳源生產(chǎn)的細(xì)菌纖維素，在細(xì)菌纖維素的生產(chǎn)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。本發(fā)明的一種利用魔芋作為廉價(jià)碳源生產(chǎn)細(xì)菌纖維素的方法，包括(1)魔芋的稀酸水解將魔芋干磨碎至40-80目，用0. 5-2. 5mol/L的硫酸，魔芋干與酸液的固液比(g/ ml)為 1 1-1 60，在 100-140°C溫度下反應(yīng) 0. 5-2. 5 小時(shí)；(2)酸解液脫毒用堿將魔芋干酸解液pH值調(diào)到9. 5-11，于30°C下溫浴12h，再將酸解液pH值調(diào)回 4. 5-5. 5，加1-6% (質(zhì)量百分比)活性炭吸附脫毒得到脫毒酸解液；(3)細(xì)菌纖維素的制備取上述脫毒酸解液作為培養(yǎng)基碳源，加0.的酵母浸膏和0. 1-0. 5wt% 胰蛋白胨，配成培養(yǎng)基，將細(xì)菌纖維素生產(chǎn)菌株的種子液的接種量接入發(fā)酵培養(yǎng)基，在 20-30°C溫度下靜止培養(yǎng)或者在50-500rpm轉(zhuǎn)速下動(dòng)態(tài)培養(yǎng)，經(jīng)過6_23天制得細(xì)菌纖維素。所述步驟(1)中的硫酸濃度0.5-lmol/L，魔芋干與酸液的固液比(g/ml)為 1 3-7，反應(yīng)溫度 110-115°C，反應(yīng)時(shí)間 20-40min ；優(yōu)選硫酸濃度l.Omol/L，魔芋干與酸液的固液比(g/ml)為1 7，反應(yīng)溫度 115°C，反應(yīng)時(shí)間30min(根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)所得)；或優(yōu)選硫酸濃度0. 5mol/L，魔芋干與酸液的固液比(g/ml)為1 7，反應(yīng)溫度 115°C，反應(yīng)時(shí)間40min (根據(jù)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)所得)；所述步驟⑵中的堿為Ca (OH) 2 (或石灰)、NaOH、NH40H (或氨水)；所述步驟(3)中的細(xì)菌纖維素生產(chǎn)菌株為醋酸菌屬、葡萄糖酸桿菌屬、葡糖酸醋 桿菌屬、根瘤菌屬、八疊球菌屬、假單胞菌屬、無色桿菌屬、產(chǎn)堿菌屬、氣桿菌屬、固氮菌屬、 土壤桿菌屬、洋蔥假單胞菌、空腸彎曲菌或紅茶菌；其中，除紅茶菌以外的菌種按2 3接種 環(huán)的接種量接入液體種子培養(yǎng)基制備種子液，然后按3vol% 15vol% (相對(duì)發(fā)酵培養(yǎng)基) 的接種量轉(zhuǎn)接到發(fā)酵培養(yǎng)基；紅茶菌按接入1 3片直徑1cm圓片菌膜的接種量接入液體 種子培養(yǎng)基，以及按1 3片直徑1cm圓片菌膜的接種量轉(zhuǎn)接到發(fā)酵培養(yǎng)基；優(yōu)選的菌株為木醋桿菌(Acetobacter xylinum)或紅茶菌。本發(fā)明利用魔芋干這一在我國(guó)資源豐富，種植廣泛，存儲(chǔ)方便且價(jià)格低廉的原料 進(jìn)行酸水解，并結(jié)合正交設(shè)計(jì)及響應(yīng)面設(shè)計(jì)等多因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，綜合考慮各因素相互間 的交互作用，優(yōu)化出酸解的最佳工藝條件。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在同等條件下，使用脫毒的魔芋 干酸水解液生產(chǎn)的細(xì)菌纖維素產(chǎn)量高于其他碳源生產(chǎn)的細(xì)菌纖維素，如蔗糖，純葡萄糖，純 甘露糖或葡萄糖與甘露糖按其在魔芋塊莖中的摩爾比混合的碳源。因此證實(shí)本發(fā)明所生產(chǎn) 的廉價(jià)碳源是一種培養(yǎng)細(xì)菌纖維素的優(yōu)質(zhì)碳源。有益效果本發(fā)明的生產(chǎn)工藝具有原料來源廣泛，成本低，可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；且使用脫毒的 魔芋干酸水解液生產(chǎn)的細(xì)菌纖維素產(chǎn)量高于其他碳源生產(chǎn)的細(xì)菌纖維素，在細(xì)菌纖維素的 生產(chǎn)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。


圖1為魔芋干不同酸解時(shí)間(0. 5-2. 5h)對(duì)還原糖得率的影響；
圖2為不同H2S04摩爾濃度(0. 5-2. 5mol/L)對(duì)還原糖得率的影響；圖3為不同固液比(1 1-1 60)對(duì)還原糖得率的影響；圖4為不同反應(yīng)溫度(100-140°C )對(duì)還原糖得率的影響；圖5為粒度對(duì)還原糖得率的影響；圖6為實(shí)施例3不同碳源與脫毒酸解液生產(chǎn)細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量比較；圖7為實(shí)施例4不同碳源與脫毒酸解液生產(chǎn)細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量比較；圖8為實(shí)施例5不同碳源與脫毒酸解液生產(chǎn)細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量比較；圖9為實(shí)施例6不同碳源與脫毒酸解液生產(chǎn)細(xì)菌纖維素的產(chǎn)量比較。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。實(shí)施例11.魔芋干片的粉碎利用微型植物試樣粉碎機(jī)將魔芋干片粉成粉末，該粉末的粒度從細(xì)粉到顆粒不 等，將不經(jīng)篩網(wǎng)分離的混合粒度以及經(jīng)篩網(wǎng)按40、60和80目粒度分級(jí)的魔芋干粉用于酸 解，酸解反應(yīng)結(jié)束后通過抽濾將魔芋干殘?jiān)退峤庖悍珠_，收集酸解液，通過3，5- 二硝基 水楊酸法(DNS法)測(cè)還原糖濃度，計(jì)算并比較還原糖得率，得到魔芋干酸解最優(yōu)單因素反 應(yīng)條件，還原糖得率按下列公式計(jì)算
、r_辦還原糖濃度x水解液體積1Ano/
還原糖得率=-曲廿丫軌讓丫壬-xl00%
魔芋干粉絕干重2.單因素實(shí)驗(yàn)選擇反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、固液比、硫酸濃度、粒度五個(gè)影響酸解效果的因素進(jìn)行 單因素實(shí)驗(yàn)，通過比較還原糖得率確定各個(gè)最優(yōu)單因素條件。(1)最適反應(yīng)時(shí)間在固液比為1 40，硫酸濃度為2mol/L，反應(yīng)溫度在100°C，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為混合粒度 魔芋粉的條件下，魔芋干不同酸解時(shí)間(0.5-2.5h)對(duì)還原糖得率的影響見圖1，實(shí)驗(yàn)表明 隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，酸解反應(yīng)的還原糖得率隨之減少，魔芋干粉酸解的最適反應(yīng)時(shí)間為 0. 5h。(2)最適硫酸濃度固液比為1 40，酸解溫度為100°C，反應(yīng)0. 5h，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為混合粒度魔芋粉的 條件下，不同!^04摩爾濃度(0. 5-2. 5mol/L)對(duì)還原糖得率的影響見圖2，實(shí)驗(yàn)表明在 0. 5-2. 5mol/L的酸濃范圍內(nèi)，隨著H2S04摩爾濃度的提高，魔芋干粉水解的還原糖得率先上 升后下降，最適的硫酸濃為lmol/L。(3)最適固液比在溫度100°C，反應(yīng)時(shí)間0. 5h，酸濃為lmol/L，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為混合粒度魔芋粉的反應(yīng)
5條件下，不同固液比(1 1-1 60)對(duì)還原糖得率的影響見圖3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨固液比的 增加，還原糖得率增加，而糖濃下降，最適固液比范圍為1 2-1 5。綜合考慮還原糖得 率、糖濃以及固體浸沒情況三種因素，選擇魔芋干與硫酸的最適固液比為1 5。(4)最適反應(yīng)溫度在1 5的固液比，反應(yīng)0.5h，硫酸濃度為lmol/L，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為混合粒度魔芋 粉的反應(yīng)條件下，不同反應(yīng)溫度(100-140°C)對(duì)還原糖得率的影響見圖4，實(shí)驗(yàn)表明在 100-140°C溫度范圍內(nèi)，魔芋干粉酸解的還原糖得率隨溫度先上升后下降，魔芋干酸解的最 適反應(yīng)溫度為110°C。(5)最適魔芋粒度在酸濃為lmol/L，反應(yīng)0. 5h，反應(yīng)溫度為110°C，固液比為1 5的反應(yīng)條件下，粒 度(40-80目)對(duì)還原糖得率的影響見圖5，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明粒度越小，還原糖得率越少，未經(jīng) 篩網(wǎng)分級(jí)的混合粒度酸解的還原糖得率最高，混合粒度為魔芋干酸解的最適粒度。通過單因素實(shí)驗(yàn)，我們得到酸解的最佳反應(yīng)條件為溫度110°C，反應(yīng)時(shí)間0. 5h，酸 濃lmol/L，固液比1 5，實(shí)驗(yàn)原料選用混合粒度的魔芋干粉，即魔芋干粉碎后不必過篩。3.多因素實(shí)驗(yàn)取反應(yīng)溫度、時(shí)間、固液比、硫酸濃度四個(gè)單因素條件，通過軟件(如正交設(shè)計(jì)助 手等)設(shè)計(jì)四因素三水平的L9(34)正交實(shí)驗(yàn)如下表 權(quán)利要求
一種利用魔芋作為廉價(jià)碳源生產(chǎn)細(xì)菌纖維素的方法，包括(1)魔芋的稀酸水解將魔芋干磨碎至40～80目，用0.5～2.5mol/L的硫酸，魔芋干與酸液的固液比(g/ml)為1∶1～1∶60，在100～140℃溫度下反應(yīng)0.5～2.5小時(shí)；(2)酸解液脫毒用堿將魔芋干酸解液pH值調(diào)到9.5～11，于30℃下溫浴12h，再將酸解液pH值調(diào)回4.5～5.5，加1～6wt％活性炭吸附脫毒得到脫毒酸解液；(3)細(xì)菌纖維素的制備取上述脫毒酸解液作為培養(yǎng)基碳源，加0.1～1wt％的酵母浸膏和0.1～0.5wt％胰蛋白胨，配成發(fā)酵培養(yǎng)基，將細(xì)菌纖維素生產(chǎn)菌株的種子液接入發(fā)酵培養(yǎng)基，在20～30℃溫度下靜止培養(yǎng)或者在50～500rpm轉(zhuǎn)速下動(dòng)態(tài)培養(yǎng)，經(jīng)過6～23天制得細(xì)菌纖維素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用魔芋作為廉價(jià)碳源生產(chǎn)細(xì)菌纖維素的方法，其特 征在于所述步驟(1)中的硫酸濃度0.5 1.5mol/L，魔芋干與酸液的固液比(g/ml)為 1 3 7，反應(yīng)溫度110 115°C，反應(yīng)時(shí)間20 40min。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種利用魔芋作為廉價(jià)碳源生產(chǎn)細(xì)菌纖維素的方法，其特征 在于所述的硫酸濃度l.Omol/L，魔芋干與酸液的固液比(g/ml)為1 7，反應(yīng)溫度115°C， 反應(yīng)時(shí)間30min。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種利用魔芋作為廉價(jià)碳源生產(chǎn)細(xì)菌纖維素的方法，其特征 在于所述的硫酸濃度0.5mol/L，魔芋干與酸液的固液比(g/ml)為1 7，反應(yīng)溫度115°C， 反應(yīng)時(shí)間40min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用魔芋作為廉價(jià)碳源生產(chǎn)細(xì)菌纖維素的方法，其特征 在于所述步驟(2)中的堿為Ca (OH)2、NaOH或NH4OH。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用魔芋作為廉價(jià)碳源生產(chǎn)細(xì)菌纖維素的方法，其特征 在于所述步驟(3)中的細(xì)菌纖維素生產(chǎn)菌株為醋酸菌屬、葡萄糖酸桿菌屬、葡糖酸醋桿菌 屬、根瘤菌屬、八疊球菌屬、假單胞菌屬、無色桿菌屬、產(chǎn)堿菌屬、氣桿菌屬、固氮菌屬、土壤 桿菌屬、洋蔥假單胞菌、空腸彎曲菌或紅茶菌；其中，除紅茶菌以外的菌種按2 3接種環(huán)的 接種量接入液體種子培養(yǎng)基制備種子液，然后按3vol% 15vol%的接種量轉(zhuǎn)接到發(fā)酵培 養(yǎng)基；紅茶菌按接入1 3片直徑Icm圓片菌膜的接種量接入液體種子培養(yǎng)基，以及按1 3片直徑Icm圓片菌膜的接種量轉(zhuǎn)接到發(fā)酵培養(yǎng)基。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種利用魔芋作為廉價(jià)碳源生產(chǎn)細(xì)菌纖維素的方法，其特征 在于所述的菌株為木醋桿菌(Acetobacter xylinum)或紅茶菌
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用魔芋作為廉價(jià)碳源生產(chǎn)細(xì)菌纖維素的方法，包括(1)魔芋的稀酸水解將魔芋干磨碎用0.5-2.5mol/L的硫酸于100-140℃溫度下酸解0.5-2.5小時(shí)；(2)酸解液脫毒用堿將魔芋干酸解液pH值調(diào)到9.5-11，于30℃下溫浴12h，再將酸解液pH值調(diào)回4.5-5.5，加活性炭吸附脫毒；(3)細(xì)菌纖維素的制備加0.1-1wt％的酵母浸膏和0.1-0.5wt％胰蛋白胨，然后接入細(xì)菌纖維素生產(chǎn)菌株，培養(yǎng)得細(xì)菌纖維素。本發(fā)明的生產(chǎn)工藝具有原料來源廣泛，成本低，可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在細(xì)菌纖維素的生產(chǎn)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C12R1/02GK101942490SQ20101022821
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2010年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月15日
發(fā)明者李慧, 楊光, 楊雪霞, 洪楓 申請(qǐng)人:東華大學(xué)