[发明专利]一种具有梯度结构的细菌纤维素膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有梯度结构的细菌纤维素膜及其制备方法，特别是涉及一种上表面致密向下连续过渡之疏松下表面的细菌纤维素膜及其制备方法。

背景技术

细菌纤维素（Bacterial Cellulose，也称微生物纤维素）是一种纳米纤维材料。其以细菌细胞内部作为生物合成反应器，将葡萄糖小分子在酶催化作用下经过一系列复杂的变构过程最终通过β-1,4-糖苷键结合形成β-1,4-葡萄糖链由细菌系细胞侧面的催化位点挤出。β-1,4-葡萄糖链彼此之间通过分子内与分子间氢键作用，逐步、分层地形成脂多糖层、类晶团聚体、纤维素微纤并最终形成纤维素。这一系列的细胞外（Extracellular）成形过程被称为“纤维素的自组装”。

正是这个独特的微生物参与的过程赋予了细菌纤维素良好的理化性能：超细三维网状结构；良好的吸湿、保湿以及透气性能；超高的持水性与湿态强度；高抗张强度与弹性模量等等。大量研究表明细菌纤维素材料具有良好的体内、体外生物相容性，加上其优异的形状可调控性与形状维持性使其在食品，造纸，音像制品以及生物医用领域具有广泛的应用。

革兰氏阴性的葡糖醋杆菌的赖氧特性决定了BC在静态培养过程中形成于培养液表面。由于纤维素膜上下表面氧气浓度的差异导致BC具有原位成形（in situ modability）的梯度结构（上表面致密向下逐渐过渡至疏松，多孔）。

BC天然形成的梯度结构在形貌上与人体皮肤致密的表皮层、疏松的真皮层与皮下组织十分相似。令人遗憾的是，这种独特的仿生构造无法实现可控地构筑。

研究人员通过在静置培养阶段添加阳离子淀粉（2-羟基-3-三甲基铵氯化丙基淀粉，TMAP淀粉，质量体积比2%），由于阳离子淀粉中侧基的空间位阻以及电荷排斥作用大大影响了纤维素微纤之间与丝束之间氢键结合，因此得到的BC存在着明显分层的致密部分与疏松部分且致密层厚度较薄。进一步的研究发现，添加淀粉后得到复合材料结晶度下降，同时淀粉主要覆盖于纤维素表面且分布极不均匀，淀粉颗粒团聚现象严重。

现有技术通过向发酵培养液中添加淀粉使BC出现明显的致密与疏松分层现象，但是存在的问题是：淀粉构筑梯度结构的作用机理不明确；梯度结构中致密层较薄且无法调节致密层与疏松层之间的比例，致密层与疏松层之间存在着明显的分层，影响材料的力学性能；淀粉在复合材料中分散均匀性较差且主要覆盖于纤维素表面。

利用微生物的生物代谢过程制备纤维素，由于其原材料来源天然，制备过程温和以及最终产物绿色环保且能够自然降解吸引了众多研究者的关注。细菌纤维素逐步层次化的细胞外自组装（self-assembly）过程使材料在成形过程中具有极强的结构可调控性。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明在静置发酵培养之前，向发酵培养液中先添加作物淀粉，加热使其完全糊化且均匀分散于培养液中后，再加入增稠剂。接入菌种后，进入静态发酵培养阶段时，利用作物淀粉糊化后形成的溶胶-凝胶多相体系，增加发酵培养液粘度，降低培养液中的溶氧指数，使BC由致密的上表面向下连续过渡至疏松的下表面，无明显物理分层使。利用增稠剂中支链型大分子的空间位阻效应，阻碍由微生物代谢糖源形成的纤维素微纤丝之间的氢键结合过程，使BC内部无定形区面积增加，在保证材料力学性能的前提下，适当降低材料的结晶度，提高材料的液体吸收性以及柔软程度；同时，通过调节作物淀粉与增稠剂之间的质量比，能够有效地改变复合材料中致密区域与疏松区域之间的比例，从而能够快速简便地制备出具有上层致密向下逐渐过渡到疏松的仿生梯度结构并且复合材料具有较强的结构可设计性。

本发明的一种具有梯度结构的细菌纤维素膜的制备方法，包括以下步骤：

1)发酵培养液的调配；

培养液组分，以质量百分数计，单位为wt%：葡萄糖、果糖、蔗糖或甘露醇2～5，蛋白胨0.05～0.5，酵母膏0.05～0.5，柠檬酸0.01～0.1，磷酸氢二钠0.02～0.2，磷酸二氢钾0.01～0.1，增稠剂0.1～1；作物淀粉0.1～1；

其中，所述增稠剂与所述作物淀粉质量比为1:1.2～1.5；

培养液的pH为4.0～6.0；

将培养液加热至50～80℃范围内，使增稠剂溶解并均匀分散于培养液中，同时使作物淀粉产生糊化且均匀分散于培养液中，经过高压蒸汽灭菌后紫外辐照并冷却至室温，通纯氧，即得发酵培养液；

2)菌种扩培；