[发明专利]以柑橘果渣为原料生产细菌纤维素的方法

说明书

技术领域

本发明涉及微生物发酵生产技术领域，具体涉及以柑橘果渣为主要原料，发酵生产细菌纤维素的方法。

背景技术

纤维素一般由绿色植物通过光合作用合成，主要存在于各种高等植物体内，是地球上产量最大的可降解天然聚合物，是与人类生活密切相关的可再生资源，在食品、饲料、造纸等技术领域发挥着重要作用。近代研究发现纤维素还存在于一些低等植物、动物和细菌体内，其中以细菌合成纤维素的能力最强，速度最快，具有大规模生产的能力。为了区别于植物来源的纤维素，这种由微生物来源的纤维素被统称为细菌纤维素(Bacterial Cellulose，BC)。

细菌纤维素以纯纤维素的形式存在，由β-D-葡萄糖通过β-1，4-葡萄糖苷键结合成直链，直链间彼此平行，无分支结构，又称为β-1，4-葡聚糖。由于细菌纤维素不像植物纤维素一样含有木质素与半纤维素，因此它具有下列优越性能：(1)具有高纯度、高结晶度、高聚合度和一致的分子取向，有利于制备微小纤维产品；(2)直径在10-100nm之间，弹性模量是植物纤维素的数倍至数十倍，抗拉强度高；(3)生物适应性高，用于哺乳动物时较少产生抗异反应；(4)在自然界可直接降解，是环境友好材料；(5)具有优良的持水性和透水透气性，能吸收60-700倍于其干重的水分。因此细菌纤维素是目前性能最好的纤维素，在食品、生物医药、特殊材料及化妆品等领域具有良好的应用价值与前景。

细菌纤维素又称纳塔，最早应用于食品工业，是菲律宾的传统食品。以静置培养方式进行生产时，所得细菌纤维素结合大量水分，在培养液表面形成一 层乳白色凝胶状厚膜，外观似嫩椰子肉，又被称作“椰果”。广泛应用于罐头类食品、什锦果粒果冻等休闲食品、珍珠奶茶等乳制品、冰淇淋等冷饮、火腿肠等肉制品。此外，细菌纤维素结构紧密，具有良好的生物适应性和皮肤相容性，对液体、气体具有良好的通透性，防菌性和隔离性，在生物医药领域的应用广泛，世界上已有数百例应用细菌纤维素膜治疗烧伤、烫伤、皮肤移植及慢性皮肤溃疡等治疗取得成功的报道，是研究较热的生物新材料之一。目前细菌纤维素的应用研究已经涉及了造纸、纺织、音响、生物传感材料及化妆品等数十个领域，前景十分广阔。

目前已经报道的能合成纤维素的菌属，主要有醋酸菌属(Acetobacter)、土壤杆菌属(Agrobacte-rium)、假单细胞杆菌属(Pseudomonas)、无色杆菌属(Achro-mobacter)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、根瘤菌属(Rhizobium)和八叠球菌属(Sarcina)。其中醋酸菌属的木醋杆菌(Acetobacter xylinum)产纤维素的能力最强，已成为纤维素生物合成机制的模式菌株，是工业化生产的主要菌株，报道的产量从每升几克至十几克不等。另外也有其它菌株产生纤维素的报道，如贾士儒报道了以葡萄糖氧化杆菌发酵生产细菌纤维素的研究，但其产量仅为5.6g/L；曹海鹏报道了葡糖醋杆菌属的G-29菌株能够产生细菌纤维素，产量为7g/L，这些菌株的纤维素产量都低于木醋杆菌的产量。寻找新型的高产菌株一直是国内外从业人员努力的方向。

细菌纤维素的生产培养基主要有两种，一种是化学合成的培养基，以各种化学产物复配形成，以Hestrin-Schram培养基为代表；另一种以各种天然产物复合化学产物形成的复配培养基，如菲律宾、我国海南等以椰子水、菠萝渣为主要原料形成复配培养基生产食品工业用的纳塔，已经实现工业化；另外还有很多以其它天然产物为生产基质的研究，如Thompson以含有较少固体物质的马 铃薯废液为基质发酵生产细菌纤维素；Shimizu以西瓜皮等瓜类的汁混合洋葱、胡萝卜等蔬菜的提取液做培养基，其细菌纤维素产量比Hestrin-Schram培养基更高。从大多数研究报道看，在生产菌株及培养条件相同的情况下，天然产物复配培养基较Hestrin-Schram培养基所得细菌纤维素产量要高，但差别不显著；但从生产成本看前者就低的多，且产品可直接应用于食品工业。

从生产工艺上看，细菌纤维素的生产方式主要有动态发酵与静态发酵两种，其中静态发酵的细菌纤维素产量高，聚合度与机械性都优于动态发酵的产品。但静态发酵需要较大的比表面积，且其生产时间较长，一般要8至16天，因此提高静态发酵的产量与效率，缩短发酵时间是该领域的研究热点。日本的Okiyam和Shirae采用了二步发酵法来优化纤维素产生：首先在气升式发酵罐中培养以形成大量的菌体，然后转移到有格子的容器中静置培养，可以得到较好的胶状膜，取得较好的效果，但该方法需要添加贵重设备发酵罐等，对操作人员的技术水平要求也很高。