纤维素衍生物

纤维素衍生物（精选十篇）

纤维素衍生物篇1

20世纪70年代的石油危机,唤起了世界各国对化石资源替代品的探寻和对可持续发展、环境保护和循环经济的追求,人们纷纷把目光集中到可再生资源上,生物质材料越来越受到人类的重视。生物质材料具有资源丰富、来源广泛、可再生以及生物降解等特点,在将来不仅可以充分替代合成高分子材料,还可以保护环境,节约其他资源,支撑人类的可持续发展[1,2,3,4]。

现如今地球存在的不可再生能源(石油、天然气、煤炭等)储量不容乐观,有专家预测,少则几十年,多则上百年将被耗尽[5],这必然导致以石油和天然气为主要化工原料合成的各种功能性材料将面临资源日益枯竭的困境。另一方面,以石油为原料合成的高分子功能材料一般都难以降解,其被废弃后将成为“白色污染”,给环境带来了极大的危害。为了更好地解决原料短缺和环境污染等一系列问题[6],人们开始寻求不可再生能源的替代品。

纤维素作为地球上最古老和最丰富的可再生资源,主要由植物通过光合作用形成。每年光合作用合成的纤维素约有上千亿吨,但其中只有少部分被人类所使用[7]。与合成高分子相比,纤维素具有自身固有的特点,如可完全生物降解、无毒、无环境污染、来源广泛等[8]。有关纤维素的研究偏重于可完全生物降解性和环境友好协调性等,对已有纤维素基材料的应用进行初步总结十分必要[9]。本文主要阐述了纤维素衍生物在食品、医药、化工、建筑、环保和石油化学等领域的应用,其中包括丝、膜、水凝胶、气凝胶、生物塑料、杂化材料和高性能材料等,如图1所示。

1 纤维素及其特性

1.1 纤维素的结构

纤维素分子式为(C6H10O5)n,它是由D-吡喃葡萄糖基构成,以β-(1,4)-糖苷键形式连接起来的高分子聚合物[10]。连接在C原子两端的H原子和羟基位置不同,具有不同性质,每个脱水葡萄糖单元上的羟基位于C-2、C-3、C-6位置。在化学反应中这3个羟基的特性不同,容易发生的反应类型也不同,反应活性也有差别[11],具有典型的伯醇和仲醇的反应性质,邻近的伯羟基表现为典型的二醇结构[12]。纤维素链末端的羟基表现出不同的行为,其中C-1末端羟基具有还原性,而C-4末端羟基具有氧化性,它键接的氧原子和葡萄糖环上的氧原子主要形成分子内和分子间氢键,同时还参与降解反应。纤维素的化学结构如图2所示。

1.2 纤维素的性质

通常的纤维素是一种白色、无味粉末,因为存在大量的分子内和分子间氢键,它很难溶于一些常用的溶剂,也不能熔融,这限制了其应用范围。水可使纤维素发生有限溶胀,某些酸、碱和盐的水溶液可渗入纤维结晶区,使纤维素无限溶胀,发生溶解。纤维素加热到150℃时不发生显著变化,超过此温度会由于脱水而逐渐焦化。纤维素遇较浓的无机酸将发生水解生成葡萄糖等,与较浓的苛性碱溶液作用将生成碱纤维素,与强氧化剂作用将生成氧化纤维素。自1845年瑞士化学家Schoenbein发现HNO3/H2SO4能够溶解纤维素以来,全世界研究者共同努力,开发了很多纤维素溶剂,其中包括衍生化溶剂、非衍生化有机溶剂、非衍生化水溶剂[13]。此外纤维素也有一定吸湿能力,这是因为纤维素存在一些非晶区。

1.3 纤维素开发应用优势

纤维素对人类来说是一种取之不尽、用之不竭的资源[14]。与合成的生物降解材料相比较,纤维素材料有许多优势:(1)纤维素大分子链上有许多羟基,具有较强的反应性能和反应可设计性,因此,这类材料加工工艺相对比较简单、成本低、加工过程无污染。(2)纤维素类材料可以被微生物完全降解,这与利用生物质材料与聚烯烃共混所制得的生物降解材料不同,因为对于后者,生物质材料可以被生物降解,但聚烯烃却不能或很难被生物降解。(3)纤维素材料本身无毒。因此,以纤维素为基质的材料使用范围非常广泛[15]。

2 纤维素及其衍生物材料的应用

2.1 再生纤维素纤维的应用

再生纤维素纤维的生产已有近100年的历史,因延展性适宜、吸水透气性能好、不易发生静电现象等优点,成为纺织业的一种重要原材料。目前,利用无毒害、无污染的有机溶剂纺制出短纤维素已有较大的突破,这将在一定程度上推动纺织业的发展。

Modal纤维是一种具有高湿模量的黏胶纤维[16],出现于20世纪80年代,但由于当时纤维价格高、性能没有被充分认识等,一直没有形成批量生产。直到20世纪末,才开始形成开发高潮,目前主要应用于针织内衣生产,在机织产品中也有应用。但是,黏胶法工艺繁杂、生产周期长,而且释放出有毒的CS2和H2S气体,给人类身体健康造成巨大伤害,还会污染环境、破坏生态平衡。

Lyocell纤维是20世纪90年代开发的,由于纤维加工过程中无污染,又被称为“21世纪的新型环保绿色纤维”。英国考陶尔兹公司生产的Lyocell纤维商品名称为Tencel,应用最广泛,国内又将Lyocell纤维称为“天丝”纤维。Lyocell纤维由于具有较高的结晶构造,其干、湿强度都很大,干强度远超其他纤维素纤维,与聚酯纤维接近。但是,纺丝过程中纤维素的降解会导致纤维力学性能下降和纺丝生产线波动[17]。Lyocell纤维可与棉、毛、麻、涤、锦等混纺或交织,可以采用气流纺、环锭纺、包芯纺,分别纺成各种棉型和毛型纱、气流纱、包芯纱等,开发出高附加值的机织、针织时装织物,运动服、休闲服织物,牛仔织物,装饰织物,产业用织物等。

纤维素-NaOH-尿素水溶液纺丝是近年发展的新型再生纤维素纤维,一些科研者首次发现7%NaOH/12%尿素水溶液和4.6%LiOH/15%尿素水溶液(均为质量分数)在预冷到-12℃后可在2min内迅速溶解纤维素[18],所得纤维素浓溶液在0~5℃可长时间保持稳定,适合用于再生纤维素纤维纺丝。经过湿法纺丝得到的再生纤维素纤维呈现出良好的光泽性,手感柔软,具有类似于铜氨纤维和莱塞尔纤维的圆形截面。纤维素氨基甲酸酯-NaOH溶液纺丝近年来也有所发展,利用纤维素氨基甲酸酯制备再生纤维素纤维的工艺也叫Carbacell纺丝工艺,它与黏胶法相似[19]。作为Carbacell纤维纺丝中间体的纤维素氨基甲酸酯在合成过程中能耗大,固相合成法反应不均匀,液相合成法需要使用大量有机溶剂,而且尿素在高温下容易分解产生NH3,因此纤维素氨基甲酸酯纺丝工艺尚未实现工业化生产。纤维素-离子液体溶液纺丝也是近年来兴起的[20],该工艺与莱塞尔纤维类似,可以采用湿法纺丝或者干喷-湿纺技术。但是现阶段离子液体合成成本较高、回收困难,因此该工艺大规模工业化生产将面临极大挑战。

为了增强纤维的力学强度,拓展其应用范围。近年来有学者通过添加质量分数2%的氧化石墨烯,采用湿法纺丝路线制备再生纤维素/石墨烯复合纤维,通过力学性能测试证明氧化石墨烯的加入可以使复合纤维的拉伸强度提高50%。此外,复合纤维在高温条件下也表现出理想的热稳定性,还能够通过人为设计来满足一些特定使用要求,未来有望应用于一些工业领域[21]。

纤维素科学总是伴随新型纤维素溶剂的开发而发展。以四丁基乙酸铵(TBAA)/二甲基亚砜(DMSO)为溶剂、通过湿法纺丝制得的再生纤维素纤维具有较好的柔顺性和弹性等优良性能,目前已被用于制作内衣等织物。与现有的纤维素溶剂相比,新的纤维素溶解系统和溶解技术具有高效率、低能耗、无污染的优势。纤维素新型溶剂对纤维素科学的发展是一个重大挑战[22]。

2.2 再生纤维素膜的应用

2.2.1 再生纤维素分离膜

再生纤维素分离膜是一类重要的膜材料,它具有力学性能良好、亲水、对蛋白质和血球吸附少、耐γ射线、耐热、稳定、生物相容和安全等优点,且大量的羟基使其易于修饰、改性,废弃后还可以在微生物的作用下完全分解成CO2和水,不会造成环境污染[23]。因此,再生纤维素分离膜是非常有应用前景的高分子膜材料,主要用于透析、超滤、微滤、纳滤等一些分离领域,如图3所示,孔径尺寸和水流通量是衡量其实用价值的主要指标。

近年来通过预冷7%NaOH/12%尿素水溶液体系对废旧报纸进行处理来溶解纤维素,进而制备低成本、环境友好的再生纤维素膜,水通量测试结果表明膜的分离性能良好,有望用于蛋白质分离[24]。另外从甘蔗渣、玉米秸秆和大豆皮中提取纤维素,通过铜氨法制备的纤维素膜对铜离子有较好的吸附性能,有望应用于工业中废水的分离处理[25]。

复合纤维素膜因为其特殊功能性越来越受到人们的关注,用丙烯酸(AAc)改性细菌纤维素(BC)制备的复合纤维素膜(BC-AAc)具有离子交换功能,以及优于一般膜的吸附能力,可吸附某些金属离子,此外还可以作为伤口敷料用在医学领域[26]。近年来也有学者将一些纳米粒子复合到纤维素膜中,用来弥补现有纤维素膜的一些缺点,如强度达不到使用要求等。通过醋酸纤维素/聚乙二醇与0.4%二氧化硅纳米颗粒相结合制得的反渗透膜有较高的MgSO4截留率和较好的热稳定性,这些特性对水的净化具有十分重要的意义[27]。

2.2.2 再生纤维素薄膜

纤维素来源广泛,其制成的薄膜废弃后不会对环境造成污染,随着人类环保意识的增强,对这方面的研究也越来越深入。除分离领域外,纤维素膜也有一些其它方面的应用。Isogai等[28]选择不同来源的纤维素(棉浆、微晶纤维素、漂白软木浆)为原料,利用NaOH/尿素及LiOH/尿素水溶液为溶剂得到纤维素溶液,流延后在不同的凝固浴中凝固、再生制备了一系列透明、柔韧的再生纤维素膜,它们是潜在的环境友好型包装材料。

近年来,利用新型离子溶液氯化锂/N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)来溶解纤维素,对得到的纤维素溶液在室温下进行离心脱气处理,之后将其铺展在玻璃板上,通过刮膜器控制膜的厚度在0.5mm左右,再放入丙酮浴中进行再生,这是第一次用简单、通用的方法来制备透明的、无定形的纤维素膜。该膜有较好的力学强度和较高的酶解速率,因而在包装领域有一定的应用前景,有希望替代玻璃纸[29]。

Robitsch等[30]将三甲基硅纤维素水解制得纤维素膜,随后以聚二甲基硅氧烷为模板采用纤维素酶刻蚀的方法制得具有特定图案的纤维素薄膜。这种方法能够有效地在生物质高分子薄膜上制备微结构,并适于进一步的功能化和应用。由于制备过程的多样性,该薄膜材料在生物医药领域具有潜在的应用前景。

2.3 纤维素及其衍生物气凝胶的应用

气凝胶(Aerogel)一词最早由Steven Kistler于1931年提出[31],它是世界上已知的密度最低的固体,具有高通透性的纳米孔三维网络结构、极高的孔隙率、极低的密度、高比表面积等特点,其结构和性能明显不同于微米和毫米量级孔洞结构的多孔材料,在分离、吸附、催化、光电、传感器、生物医药等方面具有广阔的应用前景[32]。目前纤维素基气凝胶存在制备方法比较复杂、成本较高、难以实现工业化生产等问题。

Cai等[33]通过原位气相聚合法在纳米孔纤维素水凝胶内部合成聚吡咯,经过超临界CO2干燥后得到高强度、导电性的纤维素-聚吡咯复合气凝胶。复合气凝胶在弯折、卷曲和扭曲的应力下均表现出较好的力学稳定性。大鼠肾上腺髓质嗜铬细胞瘤分化株(PC-12)的细胞增殖实验证明,复合气凝胶表面的纳米孔结构和聚吡咯纳米粒子有利于PC-12细胞在其表面黏附和生长。在电刺激作用下,掺杂十二烷基苯磺酸的纤维素-聚吡咯复合凝胶还能够诱导PC-12细胞的神经生长和轴突再生,因而在神经再生领域有潜在的应用前景。

Korhonen等[34]以化学气相沉积法将厚约7nm的TiO2涂覆在纤维素纳米纤维表面,使气凝胶的表面能降低,从而制备出疏水性纤维素气凝胶。纤维素气凝胶的密度为0.020~0.030g/cm3,孔隙率大于98%,并且石蜡油和矿物油在气凝胶表面停留1~3s后就被吸收。气凝胶的吸附能力在重复浸入和干燥后不会改变,因此可作为油水混合物分离介质重复利用。此外,这种纤维素-TiO2复合气凝胶还能够自由转换亲水和疏水性质[35]。在稳定状态下,带TiO2涂层的气凝胶具有疏水性,经紫外光照射后转为亲水性。这种带TiO2涂层的纳米纤维素气凝胶除了具有光致吸附和润湿能力外,还能够光催化降解有机物,在空气净化和水处理等领域有潜在的应用。

Olsson等[36]将冷冻干燥后的细菌纤维素气凝胶浸入FeSO4/COCl2水溶液中并加热到90℃合成出非磁性金属氢氧化物,然后在NaOH/KNO3溶液中使其转变成铁氧体纳米颗粒,经过冷冻干燥后制备出柔韧性的磁性细菌纤维素复合气凝胶。这种复合气凝胶具有较高的矫顽力,每单位铁氧体具有中等强度的饱和磁化强度,有望应用于微流控设备和电驱动器件中。

纤维素基气凝胶因具有高吸水性和可降解性,已被广泛应用于重金属吸附、保水材料等领域。研究发现,纤维素气凝胶能够在10min内吸收约28倍于其本身质量的石油,且很容易通过外部磁体从水界面移除和恢复。低成本、简便性、可恢复性以及高吸油能力和效率使其在环境领域具有广阔的发展前景[32,37]。

利用纳米纤维素基气凝胶为辅助模板,借助溶胶-凝胶方法已经合成了高度多孔二氧化钛微球,改性后的微球显示出较好的超高疏水性能。这为后来的研究者提供了一种获得理想多孔疏水的无机材料的新型方法[38]。值得关注的是该超疏水材料有望应用于军事舰艇等的表面,防止海生物附着,提高航速,对国防事业的发展有一定的推动作用。

2.4 纤维素及其衍生物水凝胶的应用

水凝胶是一种具有亲水性基团的单体经适度物理化学交联形成三维网络结构且在溶剂中能发生高度溶胀而不溶解的功能高分子材料。能够感知外界刺激变化(如温度、pH溶液、离子强度、电场等)并能做出灵敏性响应、发生体积改变的水凝胶被称为智能凝胶或环境敏感性水凝胶[[42][41]]。在自然界中,纤维素类水凝胶的耐盐性比用淀粉合成的好,并且是一种环境友好的绿色材料[43]。由于其优异的吸水性、保水性和“智能”性,水凝胶在药物传输系统、农林园艺、废水处理、组织工程和再生医学等领域展现出非常广阔的应用前景。对于纤维素基水凝胶而言,要合成具有特定功能的纤维素基水凝胶,设计和合成时需要从原材料、制备方法和材料结构与形态等多方面综合考虑。大多数凝胶材料响应时间太长、力学性能有待改善等限制了其实际应用,因此围绕凝胶材料性能的改善还有大量工作要做。

纤维素基水凝胶具有生物相容性,可参与人体新陈代谢,对人体无刺激性、无副反应。采用冷冻-解冻技术制备的聚乙烯醇/纤维素纳米晶须(PVA/CNW)复合水凝胶,在CNW质量分数为0.3%时具有良好的力学、阻隔和抗菌性能,被当作伤口敷料的最佳材料[44]。

基于附着醋酸的琼脂球或棒与纤维素溶液间的快速固/液界面接触,张俐娜科研组成功制备出洋葱状和多层管状纤维素凝胶[45]。生物实验证明L929细胞能够在纤维素凝胶层上以及层间黏附和增殖,表现出无毒性和良好的生物相容性。这种具有可控制结构和尺寸的多层纤维素凝胶将在生物医用领域具有较好的应用前景。

纤维素基水凝胶网络内部特殊官能团与重金属离子发生络合作用,也可与染料分子发生静电作用,同时作为一种强的吸附剂在污水处理方面具有十分重要的价值。刘作新等[46]发现CMC/AA聚合物对Zn2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+、Cr2+、Ni2+和Mn2+等重金属离子具有一定的吸附能力,并且对Pb2+和Cu2+的吸附量大于气体金属离子。该纤维素基水凝胶目前已经应用于一些污水的处理。

纤维素及其衍生物可以与其他天然高分子(如甲壳素、壳聚糖、淀粉、海藻酸和透明质酸等)复合制备复合水凝胶以满足特殊的应用,例如纤维素与壳聚糖复合可用于污水中重金属离子的去除,与淀粉复合可应用于食品工程,与海藻酸、透明质酸复合可制备共组织工程材料[47]。

纤维素基水凝胶具有优良的吸水性和保水性[48],可作为土壤改良剂和保水剂以及水果和蔬菜的保鲜剂等。研究发现其具有保水抗旱的效果,可以改善土壤结构,保持土壤肥力;增加孔隙度,增加土壤的透水性和透气性;吸收农药、化肥后具有控释作用。

2.5 纳米纤维素的应用

纳米纤维素(NCC)指一个或多个维度处于纳米级(小于100nm)的纤维素材料,又被称为纤维素纳米晶体,是天然纤维素经水解、酶解、机械处理等手段获得的纤维素产品。纳米纤维素不但具有轻质、可降解、可再生、生物可相容等纤维素的基本结构与性能,还具有纳米颗粒的特性,如巨大的比表面积、超精细结构和高透明性、高纯度、高结晶度、高强度、高杨氏模量、高反应活性等[49],性质上与普通纤维素差异很大,故而其用途也比较特殊,在酶固定化、催化、生物传感和成像、医药及造纸工业污水处理等方面[50]都有应用。对于纳米纤维素而言,首先亟待研发出高效、便捷、绿色、低能耗的纳米纤维素制备方法;其次由于纳米粒子的特性,制备过程中纳米微晶纤维素的团聚作用使得纳米颗粒的小尺寸效应难以发挥,纳米纤维素的分散仍是目前及以后研究的难点。

将纳米纤维素制成薄膜,利用其优越的力学性能,使药物缓释系统易于控制和成型。Kolakovic等[51]通过溶出实验评估得出纳米纤维素薄膜可使药物释放持续大约3个月,反应接近零级动力学,说明纳米纤维素薄膜可以形成紧密的纤维网络结构来维持药物的释放,在医学领域拥有应用潜力。

考虑到膳食纤维有降低非透射慢性疾病的风险的优点,目前已有很多纳米材料被尝试用在食品领域,包括食品添加剂[52]。然而,有必要对其安全方面和副作用等进行测试,通常这种测试是在一个活的有机体生物上进行的,以从侧面考察对人体的健康状况的影响。研究的初步结果已经证明纳米纤维素在这方面的潜在价值。

研究发现,通过微晶纤维素的酸水解获得的纤维素纳米晶须可以用来制备复合材料,充满纤维素填料的高分子复合材料在传感器和生物材料方面具有十分可观的潜在价值[53]。由于纳米纤维素大的比表面积和无孔结构,它被用于蛋白质和酶的固定化,其固定化酶的作用pH值和温度范围更宽,热稳定性更强[54]。

郭延柱[55]经实验发现,纤维素基纳米胶束可高效包载疏水性荧光染料和量子点,包载后染料未出现明显的荧光猝灭现象,在室温下可稳定保存1周以上。其对小鼠干细胞无明显生物毒性,且可通过吞噬作用进入细胞内部,成功实现疏水性荧光染料于水相体系中的细胞成像。

2.6 纤维素微球的应用

纤维素微球作为一种天然高分子微球材料,其基质材料丰富价廉、可再生降解并具有良好的生物相容性,是材料学和高分子科学的重要分支。目前,纤维素微球研究热点主要集中在两个方面:一是实现纤维素微球形态、粒径和结构的可控设计;二是通过化学手段对纤维素微球进行功能改性,使其能够应用于材料、催化、光电科学等领域。纤维素微球可修饰性强,可用作色谱固定相、吸附剂和生物亲和载体等,在环境科学、分离工程和生物医学等领域有重要应用[56]。图4是纤维素微球的制备过程。

目前羧甲基壳聚糖/醋酸纤维素微球(CCM)可作为药物递送载体[57]。药物从稀盐酸CCM中的释放速率比在磷酸盐缓冲盐水(pH 6.8)中要慢得多,CCM加载可延缓药物在模拟肠液、模拟胃液中的释放。CCM中的药物释放依赖于聚合物网络中药物浓度的一阶模型。

纤维素微球(CMs)可作为生物吸附剂用于重金属离子的去除。刘以凡等[58]以黏胶纤维为原料,通过溶胶-凝胶转化法制备了含有咪唑基和羧基的CMs吸附剂(SCCA),并探讨了SCCA对Cr6+、Ni2+的静态吸附性能,结果表明SCCA对Cr6+具有良好的吸附选择性,吸附符合Langmuir吸附等温式。其与纤维膜一样也可以应用于污水处理方面。

目前可通过喷雾凝结过程与喷雾干燥步骤结合来制备稳定的纤维素微球,这种新型喷雾干燥的方法为我们提供了制备纤维素微球的新途径。对纤维素微球作为药物递送载体的研究已经有进一步的进展,通过模拟胃和小肠的环境表明其在生物医学上具有十分可观的潜在价值[59]。

新型纳米多孔磁性纤维素-壳聚糖复合微球(NMCMS)以离子液体作溶剂通过溶胶-凝胶转变的方法制得,傅里叶变换红外光谱及热重分析等测试表明复合微球可有效吸附铜离子,这种环境友好型微球有望在吸附重金属离子方面得到利用[60]。

通过NaOH/尿素溶液在低温时溶解纤维素,用环氧氯丙烷作交联剂,继而利用逆交联悬浮的方法制得的交联纤维素微球表现出良好的球形和单分散性,被用于以多粘菌素B作为配合体合成内毒素吸附剂。该吸附剂表现出对内毒素良好的吸附能力,在生理食盐水中对内毒素最大吸附量为3605EU/g。值得注意的是,内毒素的浓度在70%以上时该吸附剂可以有效地从人血浆中除去初始浓度为1EU/mL至5EU/mL的内毒素。内毒素的动态吸附效率在4EU/mL的内毒素浓度和300 mL/h的血浆灌注率的情况下为72.3%,而血浆蛋白吸附前后的变化只有8.9%。这表明,多粘菌素B固定的交联纤维素微球在临床血液净化方面有巨大的应用潜力[61]。

2.7 其它纤维素基材料的应用

除以上纤维素基材料的应用外,目前,张俐娜和蔡杰等[62]考虑到纤维素水凝胶中的大分子链具有可移动性,通过热压可使分子取向排列,从而改变其聚集态结构,并导致形变。他们利用纤维素在碱/尿素水溶液中经冷冻形成的溶液制备出再生纤维素水凝胶,接着通过热压成型创造出一种新型生物塑料,这种纤维素塑料是以可再生的生物质大分子为原料,因此命名为新一类生物塑料。热压过程诱导纤维素分子链向各个方向取向,并导致材料形变,因此它属于塑料范畴。这种透明的生物塑料具有比普通塑料和再生纤维素膜高得多的拉伸强度、弯曲强度、热稳定性及更低的热膨胀系数,同时又具有可生物降解性,属于环境友好材料。

利用聚乳酸和纳米微晶纤维素以及有机硅来制备杂化材料,通过调节各组分的用量来研究杂化材料的性能,聚乳酸的加入对材料的柔顺性有一定的改观,有机硅则加强了材料的强度,纳米纤维素的加入则使材料结晶性较好。该材料可经溶液浇铸法制成胶片应用于电影行业等[63]。近年来也有利用氧化亚铜纳米颗粒/氧化石墨烯纤维素基体合成便携式可见光光催化剂,在一定程度上解决了纳米颗粒回收和重新利用困难的难题,同时所产生的催化剂可用于污水和污染物处理等方面[64]。

3 结语与展望

分解纤维素的微生物的分离教案篇2

一、教材分析

本课题作为课题1的应用和课题2的深入，分离某种特定的微生物，难度较大、探索性更强，在高考中考查的可能性也很大。教材在课题背景中利用学生已经学过的纤维素的化学组成推广到生活中纤维素的广泛分布和应用。而若要充分利用纤维素，就应将其分解，引导学生自然而然地过渡到分解纤维素的微生物及其产生的相关酶。之后，教材紧接介绍了纤维素、纤维素酶以及如何从土壤中分离分解纤维素的微生物，通过对课题中实验设计思路的深入学习，要求学生掌握从土壤中分离某种特定微生物的操作技术。

二、教学目标

1、知识与技能

（1）能简单叙述纤维素酶的种类和作用。

（2）能从土壤中分离出分解纤维素的微生物，了解这类微生物的应用。

（3）掌握从土壤中分离某种特定微生物的操作技术。

2、过程与方法

分析分离分解纤维素的微生物的实验流程，掌握实验操作的原理。

3、情感、态度与价值观

（1）通过自主设计、完成实验，培养勇于探究的科学精神。

（2）通过了解土壤中能分解纤维素的微生物在保护环境中的作用，增强社会责任感。

三、教学重难点

1．重点

从土壤中分离分解纤维素的微生物。2．难点

从土壤中分离分解纤维素的微生物。

四、教学准备

多媒体课件。

五、课时安排

1课时。

六、教学过程

【课程导入】糖类是生物体进行生命活动的主要能源，人类以淀粉作为能量的主要来源，但完全不能消化纤维素，二反刍动物和大量的微生物却能以纤维素作为能量的主要来源，此中奥妙何在？让我们一起来了解这种能分解纤维素的微生物。

【基础知识】

（一）纤维素和纤维素酶

1、棉花是自然界中纤维素含量最高的天然产物。

2、纤维素酶的组成及作用：纤维素酶是一种复合酶，一般认为它至少包括三种组分，即C1酶、CX酶和葡萄糖苷酶，前两种酶使纤维素分解成纤维二糖，第三种酶将纤维二糖分解成葡萄糖。

（二）纤维素分解菌的筛选

1、方法：刚果红染色法

2、纤维素分解菌筛选方法的原理:刚果红是一种染料，它可以与纤维素形成红色复合物，但并不和纤维二糖、葡萄糖发生这种反应。当纤维素被纤维素酶分解后刚果红—纤维素的复合物就无法形成，培养基中会出现以纤维素分解为中心的透明圈。这样我们可以通过是否产生透明圈来筛选纤维素分解菌。

【实验设计】

（一）分离分解纤维素的微生物的实验流程

土壤取样→选择培养→梯度稀释→将样品涂布到鉴别纤维素分解菌的培养基上→挑选产生透明圈的菌落

1、土壤取样

选择纤维素丰富的环境，依赖于生物与环境的互相依存关系，在富含纤维素的环境中纤维素分解菌的含量相对提高，因此从这种土壤中获得目的微生物的几率要高于普通环境。

2、选择培养

（1）目的：增加纤维素分解菌的浓度，以确保能够从样品中分离到所需要的微生物（2）操作：将土样加入装有30ml选择培养基的锥形瓶中，将锥形瓶固定在摇床上，在一定温度下震荡培养1～2天，直至培养液变浑浊。也可重复选择培养。

3、梯度稀释

按照课题1的稀释操作方法，将选择培养后的培养液进行等比稀释101~107倍，之后，将样品涂布到鉴别纤维素分解菌的培养基上。

4、将样品涂布到鉴别纤维素分解菌的培养基上（1）制备培养基：参照旁栏中的比例。（2）倒平板操作。

（3）涂布平板：将稀释度为104～106的菌悬液各取0.1ml涂布在培养基上，30℃倒置培养，菌落周围会出现明显的透明圈。

5、挑选产生透明圈的菌落

参照课本刚果红染色法，挑选产生透明圈的菌落，一般即为分解纤维素的菌落

（二）刚果红染色法

方法一：先培养微生物，再加入刚果红进行颜色反应方法二：在倒平板时就加入刚果红方法一

缺点是操作烦琐，加入刚果红溶液会使菌落之间发生混杂；优点是这样显示出的颜色反应基本上是纤维素分解菌的作用。方法二

优点是操作简便，不存在菌落混杂问题；

缺点一是由于培养基中还含有淀粉类物质，可以使能产生淀粉酶的微生物出现假阳性反应；缺点二有些微生物具有降解色素的能力，它们在长时间培养过程中会降解刚果红，形成明显的透明圈，与纤维素分解菌不易区分。

（三）土壤中纤维素分解菌的分离实验的具体操作步骤

1、土样采集

土样采集的方法与本专题课题2类似。土样的采集要选择富含纤维素的环境，这是因为在纤维素含量丰富的环境，通常会聚集较多的分解纤维素的微生物。如果找不到合适的环境，可以将滤纸埋在土壤中，过一个月左右也会有能分解纤维素的微生物生长。

2、选择培养

选择培养需要的仪器有：250 mL锥形瓶、无菌称量瓶、药匙、1 mL和10 mL的移液管、天平、摇床、温度计等。

培养基的制备参照课本旁栏中的比例配制。在250 mL锥形瓶中装入30 mL培养基，用8层纱布做成瓶塞，将瓶口塞紧，再在瓶塞外包裹两层包装纸（或报纸），用线绳扎紧，在121 ℃下高压蒸汽灭菌20 min。

选择培养的操作：称取土样20 g，在无菌条件下加入装有30 mL培养基的摇瓶中。将摇瓶置于摇床上，在30 ℃下振荡培养1～2 d，至培养基变混浊。此时可以吸取0.1 mL培养液进行梯度稀释和涂布平板，也可以按课本中所述，重复选择培养的步骤一次，然后再进行梯度稀释和涂布平板。

3、刚果红染色法分离纤维素分解菌

这一步所需要的仪器有：无菌培养皿、涂布器、1 mL移液管，装有9mL无菌水的20 mL大试管，温箱等。

培养基的制备参照课本旁栏中的比例配制。在500 mL三角瓶中装入200 mL培养基，在121 ℃下高压蒸汽灭菌20 min。

倒平板操作：将灭菌后的固体培养基熔化，按无菌操作的要求，在无菌的培养皿中倒入15～20 mL培养基，凝固后待用。

制备菌悬液：按照本专题课题1的稀释操作方法，将选择培养后的培养基进行等比稀释，稀释最大倍数至106。

涂布平板：将稀释度为104～106的菌悬液各取0.1 mL，滴加在平板培养基上，用涂布器将菌液涂布均匀，在30 ℃倒置培养，至菌落长出。每个稀释度下需涂布3个平板，并注意设置对照。刚果红染色的具体操作步骤参照课本［资料三］。

（四）课题成果评价

1、培养基的制作是否合格以及选择培养基是否筛选出菌落：对照的培养基在培养过程中没有菌落生长则说明培养基制作合格。如果观察到产生透明圈的菌落，则说明可能获得了分解纤维素的微生物。

2、分离的结果是否一致：由于在土壤中细菌的数量远远高于真菌和放线菌的数量，因此最容易分离得到的是细菌。但由于所取土样的环境不同，学生也可能得到真菌和放线菌等不同的分离结果。

七、课堂小结

纤维素酶是一种复合酶，一般认为它至少包括三种组分，即C1酶、CX酶和葡萄糖苷酶，前两种酶使纤维素分解成纤维二糖，第三种酶将纤维二糖分解成葡萄糖。纤维素分解菌的筛选方法是刚果红染色法，它有两种方法，一是先培养微生物，再加入刚果红进行颜色反应；二是在倒平板时就加入刚果红。

八、教学反思

制造纤维素乙醇的更好微生物篇3

新的转基因细菌可以削减用纤维素生物质——比如玉米秸秆、树叶、柳枝和纸浆——生产乙醇的成本。这种细菌制造乙醇时的温度比使用酵母——它目前被用于把糖发酵成生物燃料的过程——生产时的温度要高。把纤维素分解成能够让细菌发酵的糖不仅仅需要较高的温度，还需要一半数量的昂贵的酶。更重要的是，酵母只能发酵葡萄糖，领导微生物研究发展的达特茅斯学院的工程学教授李林德(Lee Lynd)说：“这种微生物善于利用生物质中所有不同的糖，可以同时、快速地使用它们。”

美国的大多数乙醇是由谷物生产的。但是用谷物制造生物燃料需要大量能量，并与谷物的农业用途产生了冲突。用纤维素植物制造燃料有可能更利于可持续发展。然而。与谷物一乙醇相比，纤维素－乙醇的商业化生产仍然太贵。

把纤维素转变成乙醇包括两个步骤：利用酶把复杂的纤维索分解成简单的糖类。比如葡萄糖，然后用酵母把糖分解成乙醇。这两个步骤都增加了乙醇的成本。1加仑的乙醇使用酶之后可以增产50％。第二个步骤比较昂贵，因为传统的酵母只能发酵葡萄糖，但生物质包含五种不同的糖类，它们连接起来在植物细胞壁形成纤维素和半纤维素(纤维素是葡萄糖分子长链，而半纤维素包含所有的五种糖)。美国农业部农业研究服务中心(USDA’s AgriculturalResearch Service)进行乙醇研究的生化工程师布鲁斯·迪恩说：“为了让其更经济，并获得足够的产量，你真的需要把(所有的)糖转换成乙醇。”

林德想创造一种能完成下列所有事项的微生物：高效分解纤维素和半纤维素，然后发酵所有生成的糖。Mascoma公司的创始人林德在位于马萨诸塞州剑桥的新创公司与同事合作，一起研发制造纤维素乙醇的一个简单的一步式生产工序。在这个相结合的过程中，生物质与微生物的混合物将进入一个罐子，然后就会产生乙醇。

《美国国家科学院院刊》(PNAS)介绍过的新微生物对于这样一个相结合的过程来说是至关重要的一步。这种细菌可以把半纤维素分解成五种组成半纤维素的糖，这些糖可以让细菌进行有效地发酵。为了提高细菌的乙醇产量，林德和他的同事淘汰了会导致形成有机酸的基因。

但是，基因工程菌无法分解纤维素。在其实验室的实验中，林德及其同事需要加入酶把纤维素晶体中的葡萄糖释放出来。不过，细菌有一个优势，因为它们嗜热——也就是说，它们在50～60℃的温度下能自然生长。这比酵母发酵糖时的37℃高出很多，因此细菌需要较少的酶。林德说：“因为酶在高温下会更加活跃，利用这些细菌就意味着你需要添加的酶就少了。”

在实验中，细菌在50℃发酵糖，产生4％的乙醇浓度。林德说：“这是由嗜热细菌生产乙醇的最高浓度。”

美国加州大学伯克利分校化学工程教授哈维·布兰奇说。传统的酵母可以达到较高的乙醇浓度——10％～12％。不过，他表示，新的成果是“概念的一个很好的证明”——用结合的方法制造纤维素乙醇。布兰奇表示，尽管研究人员在实验室中使用了纤维素晶体，但如果微生物用纤维素生物质——比如木屑和柳枝——产生了类似的结果，那将会面临挑战。他说：“如果能够顺利完成，这将是一个重大的进步。”

林德的研究小组还试图用分解纤维素的嗜热细菌增加乙醇的产量。该小组希望它能与擅于分解半纤维素和使用所有糖的细菌协作。这将形成一个一体化的微生物系统，分解生物质并把其所有的糖转换成乙醇。

纤维素衍生物篇4

1 仪器与试药

Agilent HP1100高效液相色谱仪 (1100VWD紫外可见检测器, 1100自动进样器, HP化学工作站) ;Chiralpak IB色谱柱 (250 mm×4.6 mm, 5μm;日本大赛璐公司) ;BP211D1/10万天平 (德国Sartorius公司) ;酮洛芬 (外消旋体, 中国食品药品检定研究院) ;正己烷、异丙醇、乙醇和三氯甲烷 (色谱纯, 天津市科密欧化学试剂有限公司) 。

2 方法与结果

2.1 色谱条件

色谱柱:Chiralpak IB柱 (250 mm×4.6 mm, 5μm) ;流动相:正己烷-异丙醇 (95∶5) ;流速:0.8 m L/min;检测波长:254 nm;柱温:25℃。

2.2 样品溶液的制备与测定

精密称取酮洛芬1.0 mg置10 m L容量瓶中用异丙醇溶解并定容至刻度, 得浓度为0.1 mg/m L的样品溶液, 经0.45μm微孔滤膜过滤并超声脱气后取10μL进样, 按所选色谱条件操作, 色谱结果见图1。

3 讨论

3.1 流动相改性剂种类对分离的影响

在以正己烷为流动相的正相体系中, 固定流速为0.8 m L/min, 柱温为25℃, 分别以乙醇和异丙醇为流动相改性剂考察了醇的种类对拆分的影响 (表1) , 其中乙醇和异丙醇量均为5%。结果表明, 与使用乙醇为流动相改性剂相比, 异丙醇有更强的选择性, 分离度高于乙醇。流动相中醇分子能够以氢键形式在固定相表面与酮洛芬对映体发生吸附性竞争, 减弱酮洛芬对映体的过强吸附, 使其得到分离。当由乙醇更换为异丙醇, 醇碳链长度增加, 流动相与固定相作用的能力降低, 从而使酮洛芬对映体与固定相的作用增强, 表现为保留增强, 分离度增加, 而出峰时间相差不大。因此, 选择异丙醇为流动相改性剂。

3.2 流动相改性剂比例对分离的影响

在流速为0.8 m L/min, 柱温为25℃的条件下, 通过改变流动相正己烷和异丙醇的比例, 考察醇的比例对拆分的影响 (表2) 。结果表明, 异丙醇量为5%时, 分离度最好, 随着异丙醇量的增加, 出峰时间变短, 分离度降低。随着异丙醇量的增加, 流动相和固定相的分子作用增强, 从而使酮洛芬对映体的柱保留作用减弱, 洗脱速度加快, 同时分离度和分离因子随之降低, 分离能力下降。故选择流动相正己烷-异丙醇 (95∶5) 。

3.3 流速对分离的影响

在流动相为正己烷-异丙醇 (95∶5) , 柱温为25℃的条件下, 考察流速对酮洛芬对映体分离的影响 (表3) 。结果表明, 随着流速的增加, 酮洛芬对映体的分离因子没有变化, 这说明流速对手性空穴的空间构型没有影响。酮洛芬对映体的分离度在流速为0.6 m L/min时达到最大, 流速<0.6 m L/min, 由于出峰时间延长, 峰形扩展, 导致分离度降低。流速>0.6 m L/min, 随着流速的增加, 使药物对映体与固定相的作用时间减少, 从而不利于分离, 且流速越大, 柱压越高。综合考虑分离度、出峰时间和柱压等因素, 选择流速为0.8 m L/min。

3.4 柱温对分离的影响

在流动相为正己烷-异丙醇 (95∶5) , 流速为0.8 m L/min的条件下, 考察柱温 (20~35℃) 对对映体出峰时间和分离度的影响。结果表明, 随着温度的升高, 出峰时间加快, 对映体分离度减小。这是由于温度降低, 对映体与固定相之间有充分的时间形成非对映体结合物, 使分离度增加。但温度过低, 使出峰时间延长, 峰形扩展, 分离度下降。25℃接近室温, 且低温有利于延长色谱柱的寿命, 因此选择25℃作为柱温。

4 结论

使用Chiralpak IB色谱柱对酮洛芬对映体进行拆分, 考察了流动相组成、流速和柱温对拆分的影响, 确立了最佳拆分条件:流动相为正己烷-异丙醇 (95∶5) , 流速0.8 m L/min, 检测波长254 nm, 柱温25℃。

摘要：目的建立用键合纤维素衍生物手性固定相拆分酮洛芬对映体的高效液相色谱法。方法采用Chiralpak IB色谱柱 (250 mm×4.6 mm, 5μm) 在正相条件下拆分酮洛芬对映体, 流动相为正己烷-异丙醇 (95∶5) , 流速0.8 mL/min, 检测波长254 nm, 柱温25℃。结果酮洛芬对映体在键合纤维素衍生物手性固定相上能够基线分离, 分离度为5.44。结论本法简便、快速、重复性好, 适用于酮洛芬对映体的分离。

关键词：高效液相色谱,键合纤维素衍生物手性固定相,酮洛芬,对映体拆分

参考文献

[1]梅之南, 裴小平, 蔡鸿生.右旋酮洛芬的药动学和药效学性质[J].中国新药杂志, 1998, 7 (5) :339-341.

[2]Boisvert J, CailléG, McGilveray IJ, et al.Quantif ication of ketoprofen enantiomers in human plasma based on solid-phase extraction and enantioselective column chromatography[J].J Chromatogr B, 1997, 690 (1-2) :189-193.

[3]李小梅, 周凤, 赵华, 等.酮洛芬对映体的分离、分析方法的研究及其应用[J].重庆医科大学学报, 2010, 35 (4) :586-590.

[4]杨青, 唐瑞仁, 曾莎莎.高效液相色谱手性流动相法拆分酮基布洛芬对映体[J].分析试验室, 2007, 26 (8) :84-86.

[5]栾燕, 杜宗敏, 钟大放, 等.柱前衍生化-反相高效液相色谱法拆分酮洛芬对映异构体[J].药物分析杂志, 2001, 21 (4) :281-283.

纤维素衍生物篇5

采用厌氧-好氧膜生物反应器处理高浓度有机废水,系统对COD和氨氮的去除率分别达到95%和92%,出水水质优良.长期的运行结果表明,膜组件能长时间维持大于10 L/(m2・h)的.运行通量,膜通量与过滤阻力在不同的运行阶段的变化规律可分别用层流模型与浓差极化模型来进行模拟.

作者：黄学政段耀广黄廷林 Huang Xuezheng Duan Yaoguang Huang Tinglin 作者单位：黄学政,Huang Xuezheng(西安建筑科技大学,市政与环境工程学院,陕西,西安,710055;山东省能源建筑设计院,山东,济南,250014)

段耀广,Duan Yaoguang(山东省能源建筑设计院,山东,济南,250014)

黄廷林,Huang Tinglin(西安建筑科技大学,市政与环境工程学院,陕西,西安,710055)

生物也能做纤维篇6

生物基纤维采用农林、海洋废弃物、副产物加工而成，体现了资源的综合利用与现代纤维加工技术的完美融合，体现人体亲和，环境友好，并有特有的功能，引领新的消费趋势。

根据欧盟标准定义，含有20%及以上生物质材料的纤维成为生物基纤维。如生物基聚对苯二甲酸丙二醇酯（PPT）纤维（其中37%的原材料来源于生物材料）、海藻纤维、聚乳酸纤维等都可以称之为生物基纤维。

专家视点

丰富的生物基资源，是绿色化工原料的未来出路，越来越多的化工产品可以通过生物基资源得到。生物基纤维已经成为化纤行业发展新的增长点。

——东华大学材料科学与工程学院副院长王华平

与国外发达国家相比，国内生物基纤维的研究水平和产业化成果方面都还有一定的差距，尤其是在原创性方面，处于劣势，这也是接下来生物基纤维要研制的重点。

——中国纺织科学研究院顾问赵庆章

海藻酸盐纤维目前在强度、弹性、色泽方面都还不是非常理想，所以在纱线原料的选用上，可以多用混纺和交织技术，例如将海藻酸盐纤维与莫代尔、粘胶纤维、棉纤维等纺织原料进行混纺，可使各种性能得到互补。

——2013/2014中国纤维流行趋势专家评审团

全球石油资源的匮乏、生态环境的不如人意已经成为常态，而我国的化纤行业，90%以上的产品基于石油，原料成本占其生产成本的80%以上，进口量也占到原料总需求量相当大的比例。从这几个数字不难看出，我国化纤行业对于石油，尤其是国外石油的依赖，已经大大超乎行业的想象与预期。这种情况会使得我国的化纤行业难以摆脱受制于石油大国的局面，这不仅不利于我国化纤行业的平稳发展，而且还会给整个纺织产业链的发展带来不可调和的风险。

在这种情况下，研发出可以应对石油资源匮乏的化纤产品，就成为行业发展新的增长点。

东华大学材料科学与工程学院副院长王华平表示，虽然生物基原生纤维历史比较悠久，但是生物基再生与生物基合成纤维的历史则相对较短。最早的生物基再生纤维是硝酸纤维素纤维，随后，粘胶纤维和醋酯纤维等才相继问世。20世纪90年代以来，一批新型的生物基纤维实现了工业化，尤其是在“十二五”期间，生物基合成纤维经过前期的积淀，产业飞速进步。

纤维研发有优有差

在生物基纤维的具体制备方面，现在不同的生物基纤维采用的是不同的方法。举例来说，生物基聚对苯二甲酸丙二酯（PTT）纤维是采用木薯、玉米或者玉米秸秆等农林副产物为原料，发酵制得生物质1，3-丙二醇，然后再与精对苯二甲酸（PTA）聚合，制得生物基PTT纤维。

再看海藻酸盐纤维这种新型生物基纤维。它是以天然海藻的提取物为原料，利用湿法纺丝技术，经过拉伸、水洗、脱水、烘干等系列工序加工而成的海藻酸盐纤维，它的主要代表产品是无菌海藻酸盐医用纤维。

具体到企业层面，海兴材料科技有限公司和它所生产的“舒弹丝”，可谓是我国生物基纤维产品的代表。“舒弹丝37%的原料采用了生物基资源，是一种高科技、差别化纤维，它的弹性介于高弹和低弹之间，可以与棉、毛、麻、丝、天丝、涤纶等多种纤维混纺，研制和生产过程采用的是清洁环保的生产工艺，而且生产流程能耗低，余料也可以回收。可以说是低碳环保、天然时尚的代名词。”海兴科技总经理张连京在接受记者采访时表示。

不过，虽然国内生物基纤维在研发和制备上已经取得了不俗的成绩，但是在中国纺织科学研究院赵庆章的眼里，国内与国外发达国家相比，研究水平和产业化成果方面都还有一定的差距，尤其是在原创性方面，处于劣势，这也是接下来生物基研制工作的重点。

性能特点引人关注

生物基PTT纤维和海藻酸盐纤维，作为新型生物基纤维的代表，其优异的性能特点和广泛的用途，奠定了2013/2014中国纤维流行趋势品种中生物基纤维的地位。

据了解，生物基PTT纤维，具有自然舒适的手感，良好的拉伸和回弹性，舒适且合身。可以在较低的温度下染色，水洗牢度好，耗能低，成本低。而且其电阻较低，抗静电性能好，能够与羊毛等天然纤维进行混纺。这些优异的性能使得它可以用于制作柔软的各种睡衣、内衣、紧身衣等，也可以被制成便装、工装、泳衣、运动衣、针织套衫、袜子等。由于其可以用于替代锦纶和涤纶纤维交捻混织，所以可以用于车用内饰织物。以上这些特点，还使得以PTT为基本组分的各种海岛型纤维制成的各种超细旦纤维，可以用于人造革等等。PTT纤维模量小，回弹性好，是建筑用安全网理想的纤维。此外，PTT纤维还可以用作复合蓬盖、网球拍、钓鱼竿线绳等等。

而海藻酸盐纤维，其高吸收性、高透氧性、凝胶阻塞性质以及生物降解性和相容性，使得这种纤维具有了天然抗菌、亲肤的功效，能够满足医用纱布的要求，因而可以作为纱布、敷料等，在医疗中得到广泛的应用。这种海藻酸盐纤维经过功能改性之后，还可以被制备成含有银离子和海藻酸/天然抗菌剂的抗菌纤维、远红外辐射纤维和调温纤维等功能性医用海藻酸盐纤维，这也帮助其市场份额越来越大。

广东百合医疗科技有限公司在海洋纤维方面一直走在行业的前列。对于这家专业的海洋纤维企业来说，作为生物基纤维的重要品种，海洋纤维产品具有可降解的特点，符合低碳环保趋势。在广东百合副总经理王晓东看来，海洋纤维具有高吸湿性和保湿性能，能够形成伤口与敷料之间的良性微气候；其生物相容性和抑菌作用，可防止伤口感染，促进伤口愈合和吸收伤口渗出物，且不会脱水收缩；敷料去除容易，有的可以用生理盐水洗去，有的可以被无痛揭除。

不难看出，海藻酸盐等海洋纤维，开辟了海洋新资源，拓展了产业用纤维新领域。

对接下游拓展应用

一项纤维技术的产生、一种纤维产品的诞生，在研发和生产环节的成功并不是全部的成功，与下游之间形成一种良性互动，并且能够指导着下游企业在纤维的实际应用中得利，才是这种纤维的成功。

对于海兴科技来说，舒弹丝产品作为生物基纤维的代表，建立起以这种产品为焦点的、囊括上下游产业链、整合各方资源的综合型服务平台，成为海兴科技在发展方面的一项思考举措。在这种想法的带领下，海兴科技采取“产品生产、应用开发、市场推广”三同步，在舒弹丝生产开始，就在进行产品应用和市场推广工作。抱着“服务终端客户，帮助纺织企业”的念头，在服装品牌和面料企业之间进行双方诉求上的传递，促进着整个纺织产业链的对接。

“现在，我们海兴科技已经与七匹狼、劲霸等知名企业建立了战略同盟，并且与天虹、华茂等一批叫得响的纺织企业建立了战略合作关系。我们通过为下游企业提供技术改进、生产工艺、需求信息和面料设计等在内的多种解决方案，来缩短产品开发、应用和推广的时间，实现应用上的拓展。目前我们新研发的舒弹丝就拓展了应用范围，仿毛、针织、牛仔等领域我们现在都可以做了。”张连京介绍道。

对于风头正劲的海藻酸盐纤维来说，其在应用领域方面今后到底应该怎样发展，2013/2014中国纤维流行趋势的专家评审团也给出了意见。海藻酸盐纤维目前在强度、弹性、色泽方面都还不是非常理想，所以在纱线原料的选用上，可以多用混纺和交织技术，例如将海藻酸盐纤维与莫代尔、粘胶纤维、棉纤维等纺织原料进行混纺。同时，以海藻酸盐纤维、长绒棉混纺纱线为经纬纱织造，开发大提花缎纹织物，采用低温、低碳、低盐染色工艺，开发各种中高档床上系列产品，可以保留这种纤维的特性，因此也不失为一个不错的选择。

适冷纤维素降解微生物研究进展篇7

关键词：低温,适冷微生物,纤维素降解,纤维素酶

地球表面80%的生物圈和90%的海洋环境温度都在5℃以下[1], 适冷微生物 (cold-adapted microorganisms) 在地球上分布广泛。适冷微生物可以在低温环境中生长, 依赖于其体内低温酶、细胞膜调节和其它耐冷机制。适冷微生物在需要低温进行的生物修复、污水处理、木质纸浆和纸制造业、环境生物传感器中都有应用。

利用现代生物技术开发生物质资源是解决未来资源问题的一条重要途径。纤维素作为植物细胞壁的主要成分, 占生物质资源总量的90%以上, 是自然界中最丰富的生物质资源。在其C-C键和C-H键中蕴藏着大量的能量, 如果能使用微生物将低温环境中的植物残体转化为简单的糖类并用于进一步发酵, 纤维素将成为最大量可用、低值和环境友好型的可再生性生物质能源。同时, 低温纤维素酶广泛应用于纺织业、饲料工业、食品工业、日用化工工业洗涤剂、造纸工业以及医药工业中, 并有巨大的应用潜力[2]。

1 适冷微生物的定义

地球表面三分之二多的区域终年温度都在5℃以下, 适冷微生物主要分布在其中的深海、两极、冰川、永久冻结带的沉积物 (冻土) 、寒冷的沙漠等地区[3,4]。适冷微生物根据其生长温度特性可分为两类[5]:一类是必须生活在低温条件下且其最高生长温度不超过20℃, 最适生长温度在15℃, 在0℃或0℃下可生长繁殖的微生物, 称为嗜冷微生物 (psychrophilic microorganism) , 嗜冷微生物对温度的变化很敏感, 20℃以上很快即引起死亡, 适应温度的范围较窄, 因此, 嗜冷菌的数量很少, 即使在南北两极分离到的微生物中嗜冷菌占的比例也很小。另一类是最高生长温度高于20℃, 最适生长温度高于15℃, 在0～5℃可生长繁殖的微生物, 称为耐冷微生物 (psychrotolerant Microorganisms) , 它们能在较宽的温度范围内生长, 在许多低温环境中可分离到。

2 低温微生物的冷适应机制

温度是影响生物生存的一个限制因素, 温度降低会引起酶催化活性、细胞膜流动性的减弱, 物质运转和代谢速率的降低, 抑制DNA的复制、mRNA的转录和翻译, 若温度低于细胞质冰点, 还会使细胞形成冰晶体对细胞结构造成严重破坏[6], 这些问题制约着低温环境中微生物的生存, 但在长期的生物进化过程中, 低温微生物形成了一系列的适应机制:耐冷菌膜蛋白和脂多糖的磷酸化和去磷酸化感应机制;嗜冷酶的高空柔韧结构保持了其低温下的活性;保持细胞膜的流动性;冷休克反应;产生抗冻蛋白和低温防护剂;离子通道渗透, 季节休眠和微观聚合作用等[6,7,8]。

3 低温纤维素酶产生菌的筛选

3.1 低温纤维素酶

纤维素酶是指能水解纤维素β-1, 4-葡萄糖苷键, 使纤维素分解成纤维二糖和葡萄糖的一组酶的总称, 它不是单一酶, 而是由内切-1, 4-β-D-葡聚糖酶 (即CMCase, 也称羧甲基纤维素酶, EC 3.2.1.4) 、1, 4-β-D葡萄糖苷酶 (也称葡聚糖外切酶、微晶纤维素酶, EC3.2.1.21) 和β-葡萄糖苷酶 (简称BG, 或称纤维素二糖酶、滤纸酶、外切纤维素酶EC 3.2.1.91) 等组成的复合酶系[9]。Berlemont R[10]等从南极土壤中分离出一种新的低温酶RBcel1, 此酶只以羧甲基纤维素为基质, 表现内切-1, 4-β-D-葡聚糖酶活性, 有趣的是, RBcel1还可以利用纤维二糖作为底物合成非网状纤维素, 研究表明, RBcel1在细菌合成纤维素的过程中起关键性作用。

低温微生物经过长期的进化, 具有适应低温环境的特殊结构与代谢机制, 其所产酶类大多数具有低温催化和对热不稳定的特性[11], Margsin等把最适催化温度在30℃左右, 0℃仍有一定催化效率的酶称为适冷酶 (Psychrophilic enzyme) 或冷活性酶 (Cold-active enzyme) [12]。嗜冷酶具有较低的最适反应温度, 在低温条件下与底物结合能力及催化活性都很强。冷活性纤维素酶在低温下的高催化活性是由于催化残基周围存在一些小氨基酸, 这些小氨基酸的存在减少了活性位点周围的空间阻力, 增加了活性部位的柔韧性并维持适宜的能量状态, 这对于在低温下维持高酶活以及酶的热不稳定性非常重要[13]。适冷酶的另一个特点是蛋白质折叠结构的柔韧性, 在低温下维持高酶活必须具有更加柔韧的结构以进行迅速可逆的催化反应。酶蛋白内部功能域之间相互作用较少而与溶剂之间分子的作用增强, 从而形成较伸展的分子结构, 使酶的活性中心更容易与底物接近;因而可能在低耗能的情况下发挥作用[14]。

常温环境微生物所产纤维素酶的最适作用温度多为45～65℃。低温纤维素酶最适作用温度可低至20℃[15]。与同类型嗜温、嗜热酶相比, 低温酶普遍存在酶最适作用温度低、低温下 (≤40℃) 催化效率高、热稳定性差等特性[16]。低温微生物的生理代谢活动, 如生长、酶合成等, 一般都表现出适冷性。而大多数酶的最适作用温度却远高于菌株最适生长温度:南极嗜冷酵母最适生长温度为10℃, 细胞中EMP途径、TCA循环中的一些关键酶的最适反应温度却在20～30℃;最适生长温度为20℃的南极耐冷细菌的蛋白酶最适作用温度为40℃, 菌株的最适生长温度与所产纤维素酶最适作用温度之间同样存在较大差距。这表明, 酶分子的适冷进化过程, 不是与菌株生长或代谢的适冷进化过程同步的[17]。推测原因, 可能是这些低温微生物来源于其它常温甚至是高温环境。由于长期的低温环境选择压力, 促使菌株的生长及基础代谢等生理生化特性向适冷方向发展以满足生存需要, 但一些次级代谢产物或其它生化、遗传特性等, 仍保留了最初的环境特征痕迹[18]。

3.2 低温纤维素酶产生菌的筛选

目前, 低温纤维素酶高产菌选育研究中所用的初筛培养基主要是羧甲基纤维素钠培养基、纤维素刚果红鉴别培养基、滤纸培养基等普通筛选培养基[19,20,21], 初筛可以大概反映菌落产酶量和产酶速度, 但必须要通过发酵产酶后测定酶活的复筛来确定菌株的酶活。CMC、麸皮、可溶性淀粉及麦芽糖对滤纸酶的合成有一定的诱导作用, 单糖与部分双糖 (蔗糖、纤维二糖及乳糖) 则起阻遏作用, 曾胤新[17]等发现可溶性淀粉、麦芽糖及麸皮对假交替单胞菌 (Pseudoalteromonas sp.) 的CMCase的合成具有明显诱导作用。

目前, 国内外关于低温降解纤维素菌株的研究主要集中在菌株的分离筛选、鉴定、培养条件的优化、生长特性、产酶条件优化、酶学性质研究及酶基因的克隆和表达。这些菌株大部分来源于深海海底淤泥、海底沉积物、海水和海洋动植物, 如侯运华[22]等从黄海和东海的海底泥样中分离出1株适冷菌产黄青霉, 其纤维素酶活力达到23.6U/ml, 克隆得到低温木聚糖酶全长cDNA基因。将该cDNA在大肠杆菌BL21中进行诱导表达, 重组木聚糖酶活性为10 210U/mg, 在4℃下, 重组低温木聚糖酶仍具有80%最高酶活力, 比同等温度下常温产黄青霉木聚糖酶活性高10倍。值得注意的是, 从海洋环境中筛选出的产纤维素酶低温菌几乎都属于假交替单胞菌属 (Pseudoalteromonas sp.) [23,24,25];而从其它环境中筛选出的菌属则有所不同, 例如姚良同从低温环境腐烂中的玉米秸秆中筛选出3株耐冷菌:赫氏埃希菌 (Escherichia hermannii) 、霍氏肠杆菌 (Enterobacter hormaeChei) 、节杆菌 (Arthrobacter urilai) [26,27]。Akila, G.等从15℃发酵的牛粪中分离出一株梭菌属 (Clostridium) 的菌株;冰川、冻土、海冰也是低温产纤维素酶菌株的来源。目前已筛出菌株的酶活在100～120μg/ml之间[28]。大多数海洋生物生长和产酶过程需要高浓度的盐, 在海洋细菌培养中, 培养基钠离子浓度和营养水平可影响菌体生长, 在接近自然海水的盐浓度条件下, 减少碳源和氮源的种类和数量, 使培养基接近于海洋细菌的生活环境, 有利于菌体的生长, 且能够较为稳定的产酶[29]。如何对海洋菌进行驯化, 使其在淡水中生长并大量产酶, 是进行工业化生产的一个重要环节, 这不仅能大大降低成本, 而且可以解决产业化区域和设备的局限性。

冻土适冷菌的分离与海洋适冷菌的分离有所不同, 由于冻土中营养贫乏, 温度相对较低, 微生物的生长代谢缓慢, 如让其能够在人工合成的平板上生长, 必须在模拟其生境的同时, 加入一些生长促进因子, 如维生素等。白玉[30]等发现距地表140m深度的冻土样品中分离出的可培养嗜冷菌数量最多, 这可能与所用的常规培养方法以及这一深度冻土中的养分、水分、通气量和渗透压等有关, 这些耐冷菌中以革兰氏阴性杆菌居多, 这些菌体形态特征和细胞壁的组成与其适冷性是否有关, 有待进一步研究。

目前分离得到的低温纤维素酶主要是从纯培养微生物中得到的, 而占自然界中微生物种类99%以上的未培养微生物 (uncultured microorganisms) 中蕴藏着丰富的基因资源[31], 已经有文献报道通过构建和筛选环境样品的未培养微生物宏基因组文库获得新基因、中低温纤维素酶, 如Ferrer[32]等通过构建奶牛瘤胃未培养微生物宏基因组文库筛选到9个内切葡聚糖酶;郭鸿等通过构建奶牛瘤胃未培养微生物宏基因组文库筛选到118个表达β-葡萄糖苷酶活性的独立克隆。发现其中8个克隆表达的β-葡萄糖苷酶在pH5.0、37℃ (生产酒精的SSCF工艺过程中酵母菌的发酵条件) 条件下活性较强, 对其中一个克隆进行了亚克隆并在E.coli中表达, 用Ni-NTA纯化的重组酶活力较强, 比活为22.8 IU/mg, 该酶在用SSCF工艺发酵生产酒精中有潜在的应用价值。

自然条件下, 纤维素的彻底降解是在微生物体系中多种微生物长时间相互作用的结果。由于分解纤维素的酶是由多种组分组成的酶体系。因此, 在进行纤维素大分子降解的研究过程中要考虑到微生物产酶体系之间的协同效应。多菌株混合培养, 产酶具有多样性, 弥补了单个菌株产酶单一的缺点, 解除了纤维素分解产物纤维二糖与葡萄糖对纤维素酶活性的抑制作用和纤维素酶合成的阻遏作用[33]。罗辉[34]等通过自然筛选——以稻草秸秆为碳源通过富集传代培养的方法获得具有高效转化纤维素为甲烷的稳定复合菌系, 将该复合菌系作为刺激因子用于沼气发酵试验, 发酵终止前50d (平均气温为20℃) 产气量提高了111.4%, 效果显著。低温 (15℃～-3℃～13℃) 条件下能明显提高农村户用沼气池的产气量;王敦球[35]等从以稻草为主要饲料的成年水牛排泄物中筛选培养出厌氧纤维素分解菌混合菌。此混合菌对猪粪沼气发酵中原料TS (Total solid) 的利用率比对照提高1l.78%;沼气产量比对照组提高32.95%, 是一种极有开发前景的沼气发酵生物活性添加剂。另外, 选择能够分泌多种纤维素酶成分的菌株, 将具有纤维素酶活性的菌株、产木质素的菌株、产木聚糖酶的菌株和产β-葡萄糖苷酶的菌株等进行混合培养, 根据纤维素酶水解活性和葡萄糖生产率进行判定、优化组合, 利用现代发酵工艺, 生产有多种酶成分的混合物, 有望成为工业化生产纤维素酶的又一方案。

4 存在问题

在探索低温微生物适应机理上仍存在很多问题还需要进一步研究, 如嗜冷酶的低温催化机制, 冷休克蛋白的功能, 以及抗冻保护剂等生物小分子的具体功能等[36], 揭示其适冷机制, 可以为开发新型生物制剂、解决环境污染问题和生态保护等实际应用提供理论依据。另外, 低温微生物的应用工艺也不成熟。

自20世纪60年代以来, 人们对纤维素酶活力的测定方法进行了大量研究, 提出了许多不同的测定方法, 而采用不同方法测定纤维素酶活力结果却存在一定差异, 这就造成了相互之间难以比较酶活高低[37], 例如, 作为底物的羧甲基纤维素钠和滤纸, 其生产厂家不同, 所测定酶活力的结果也不相同, 有时甚至结果相差较大, 而至今没有统一的测定纤维素酶的方法, 这是影响纤维素研究的瓶颈, 目前急需统一规范, 包括规定标准菌株、标准测定酶活方法、标准底物等。

进一步改进低温纤维素酶的初筛培养基, 从而提高初筛效率, 缩短筛选时间, 减少繁琐的工作量是非常必要的;欠缺高产菌株一直是制约低温纤维素酶大规模生产的主要因素, 筛选出产高活性低温纤维素酶的菌株是开发利用低温环境中纤维素资源的前提和关键。

5 展望

纤维素酶不易分离纯化和结晶是研究纤维素酶的一个难点, 因此必须在纤维素酶的分离纯化技术和研究方法上取得突破, 才能对它的空间结构做进一步的研究, 进而更好地了解它的酶学特性和协同作用的降解机制。纤维素酶三维结构和功能性氨基酸残基的研究则为纤维素酶蛋白质分子的改造和设计提供了理论基础, 与其相关的研究还有待进一步进行。

纤维素衍生物篇8

秸秆属于可再生的生物质资源, 其中蕴藏了丰富的能量, 作物光合作用生物产量的50%都存在于其中, 是发酵制取乙醇、沼气、单细胞蛋白等来源最丰富的原料之一, 但秸秆预处理技术的不成熟已成为限制秸秆高值转化利用的瓶颈。已有的研究结果表明, 影响秸秆生物转化效率的因素主要有:秸秆表层蜡质的保护作用;木质素和半纤维素的空间障碍效应;纤维素的高结晶度和聚合度。因此, 要充分有效利用农作物秸秆资源, 就必须对秸秆进行预处理, 以破坏秸秆的表层蜡质、木质素-半纤维素的共价结合、纤维素的结晶结构等, 使纤维素与木质素及半纤维素相互分离, 降低纤维素的聚合度, 增加纤维素分子与微生物或酶的接触概率, 实现提高秸秆生物转化效率的目的[2]。

1 秸秆预处理方法

目前, 秸秆纤维素生物转化的预处理方法可分为物理法、化学法、生物法和物理—化学法。

1.1 物理法

秸秆的物理法处理主要是利用机械、加热等手段改变其外部形态或内部组织结构, 以增加秸秆的表面积, 提高秸秆内部成分与微生物的接触概率。简易的机械处理 (如粉碎、研磨等) 只可破坏秸秆的外部形态, 而对秸秆内部组织结构的破坏程度较轻, 因此并未从根本上解决秸秆生物转化难以利用的问题。秸秆的膨化处理能显著提高秸秆作为饲料的消化率, 但其昂贵的设备投资限制了其在实际生产中的推广应用[3]。

秸秆蒸汽爆破预处理是利用其在高温高压蒸汽蒸煮过程中产生酸性物质, 使秸秆半纤维素降解成可溶性糖, 复合胞间层的木质素发生软化和部分降解, 秸秆内部成分间的粘结力被削弱, 然后瞬间降压对秸秆进行爆破, 使秸秆中纤维素的活性基团更多暴露出来, 从而有利于纤维素酶的充分接触[4]。对白杨、麦草、剑麻等原料进行预处理的实验结果显示, 相对于机械预处理法, 蒸汽爆破可较好地实现纤维素与木质素和半纤维素的分离, 提高纤维素生物转化率[5]。蒸汽爆破技术具有耗时短、化学试剂用量少、无污染等特点, 但其设备投入大且会产生对微生物有抑制作用的物质[6]。

秸秆的热液处理是将其置于高压状态的热水中, 加速其内部热水的渗透, 溶解半纤维素, 消除其对纤维素酶的空间阻碍, 提高纤维素的酶解效率。对小麦秸秆热液处理的研究结果显示, 其细胞壁中的纤维状结构并未改变, 但导致了蜡质层的脱除和部分半纤维素的溶解。该预处理方法不会产生抑制秸秆后续生物转化的物质, 但需维持p H值在5.0~7.0, 以控制预处理过程中的化学反应[7]。

秸秆的辐照处理原理是在有氧条件下, 纤维素辐照处理时形成的自由基会与氧生成超氧自由基, 从而破坏纤维素分子内或分子间氢键, 导致纤维素的聚合度下降、结构变松散, 提高纤维素酶与纤维素的接触概率。利用电子束处理稻草的研究结果表明, 其纤维素酶解后的葡萄糖得率达到52.1%, 较之未预处理的样品提高约30%[8]。由于成本问题, 辐照预处理秸秆技术目前还仅局限于实验阶段。

秸秆的微波处理是利用微波作用于物料中的极性分子, 使这些分子由于电场方向的变化而产生摆振, 促使分子间急剧碰撞摩擦而产生热量, 导致纤维素分子内或分子间氢键的断裂, 结晶结构被破坏, 增加微生物或酶作用于纤维素的概率。研究结果显示, 微波预处理后稻草秸秆的纤维素和半纤维素的利用率分别提高了30.6%、43.3%[9], 但该方法的实际应用还需进一步的研究。

2.2 化学法

化学法是使用酸、碱、有机溶剂等作用于秸秆, 破坏其细胞壁中木质素与半纤维素间的共价键, 断裂纤维素分子内或分子间氢键, 改变纤维素的结晶结构, 增加纤维素与微生物或酶的接触概率, 从而提高秸秆后续发酵产乙醇、沼气及单细胞蛋白的效率。

浓酸对秸秆有较强的水解能力, 但因其对反应容器的耐腐蚀性要求较高, 故实际应用较少。稀酸预处理后秸秆的纤维素水解率有所提高, 但包裹纤维素的木质素依然存在, 秸秆的结构仍然较为紧密, 且处理后的秸秆发酵时还需进行酸的中和处理[10]。

稀碱 (Na OH) 处理后玉米秸秆的厌氧发酵研究结果表明, 其细胞壁结构和化学成分发生了明显的变化, 分别有53.2%、46.9%和66.6%的木质素、纤维素和半纤维素被分解, 其中大部分转化成易被微生物利用的可溶性物质[11], 但同样存在碱的中和及环境污染等问题。采用Ca (OH) 2代替Na OH对小麦秸秆进行预处理实验的结果表明, 其酶解效率可显著提高[12]。预处理后的秸秆中通入CO2, 生成的Ca CO3煅烧为Ca O, 可循环利用, 减少污染。

有机溶剂预处理秸秆可破坏其表层的蜡质及木质素与半纤维素间的共价键, 实现纤维素与木质素和半纤维素的分离。利用大气—水—甘油自催化有机溶剂处理小麦秸秆的试验结果表明, 其中70%的半纤维素和65%的木质素被溶解, 98%的纤维素被保留, 预处理后秸秆纤维素的酶解率达到90%左右[13]。用乙醚、氯仿、正己烷3种有机溶剂分别对秸秆进行预处理, 探讨秸秆表层蜡质对其微生物降解速率影响的结果表明, 预处理后秸秆的生物降解速率明显提高, 其中正己烷的效果最好[14]。有机溶剂处理法的效果较好, 但溶剂回收的成本较高。

氧化法预处理秸秆的原理是利用氧化物 (如臭氧、过氧化氢、氯气等) 使秸秆发生氧化脱木质素反应, 破坏木质素与半纤维素间的共价键, 实现木质素和半纤维素与纤维素的分离, 提高秸秆中纤维素的生物转化率。臭氧处理可在常温常压下进行, 去除木质素的效率高, 不产生对后续发酵或酶解过程有抑制作用的物质, 但消耗大量臭氧的成本较高[15]。

2.3 生物法

某些微生物 (如软腐真菌、褐腐真菌、白腐真菌等) 或酶可降解秸秆中的木质素和半纤维素, 破坏木质素-半纤维素对纤维素的包裹, 提高秸秆纤维素的生物转化效率。利用白腐真菌预处理后的稻草秸秆进行甲烷发酵实验的结果表明, 其木质素含量降低, 甲烷产量显著提高, 发酵周期缩短[16]。利用白腐真菌预处理后的棉秆进行燃料乙醇制备实验的结果表明, 其木质素含量在液体和固体2种不同培养方式下分别降解了19.38%和35.53%, 燃料乙醇产量较之未预处理的对照组均显著提高[17]。生物法预处理秸秆的反应条件温和, 副反应和抑制性产物少, 但其降解木质素和半纤维素的同时, 会损失部分纤维素。

近年来, 应用于秸秆预处理的复合菌制剂研发渐成热点。以复合菌剂预处理后玉米秸秆为原料的沼气发酵产气量较之未预处理的对照组提高29.54%[18]。此外, 复合菌剂的作用还可破坏秸秆表层的蜡质, 使之软化疏松, 有利于其内在成分的进一步生物转化, 且污染程度轻, 真正实现秸秆资源的可持续利用。然而, 秸秆大规模的生物法预处理尚存在菌株生长不均匀、温度难以严格控制、耗时较长等问题[19]。

2.4 物理—化学法

由于秸秆预处理的各种方法都存在一定的缺陷, 因此新的方法更倾向于采用物理法与化学法相结合的技术。采用物理法预处理秸秆的过程中, 加入适当的化学试剂, 可以降低其处理剂量, 减轻污染, 缩短其处理时间。

氨爆破预处理技术是在较低的温度和压力下, 秸秆于氨溶液中处理一定时间, 然后突然释压使氨蒸发, 造成的温度剧变使秸秆原有的结构被破坏, 从而增加秸秆纤维素与微生物或酶的接触概率。与蒸汽爆破相比, 氨爆破预处理秸秆技术可去除部分木质素, 半纤维素和纤维素被充分保留, 设备要求和能耗较低, 不产生对微生物有抑制作用的物质, 但需考虑氨的有效回收问题[20]。

比较CO2爆破、蒸汽爆破和氨爆破技术在回收废纸、甘蔗渣和废纸二次制浆废弃物处理中的应用结果显示, CO2爆破处理技术的经济性最好[21]。利用超临界CO2对白杨木和南方黄松木预处理后的酶解特性研究结果表明, 其发酵产糖量较之对照组有明显提高[22]。

经体积分数为1%的Na OH溶液浸泡过的粉碎秸秆, 其纤维素的生物转化率可显著提高。将秸秆粉碎后再进行氨爆破处理, 其内部表面积显著增加, 有利于提高秸秆内在成分的生物转化率[23]。

3 问题与展望

纤维素衍生物篇9

关键词：分解纤维素,实验改进,深层探究,现实问题

课题源于(人教版)普通高中课程标准实验教科书《生物》选修1生物技术实践专题2:微生物的培养与应用课题3:分解纤维素的微生物的分离。本节实验课以目前社会生活中的热点问题“环境污染”作为切入点和结尾的升华,有利于培养学生理论联系实际和关注现实生活的思想。通过对实验的全方位改进,让学生在理想的实验结果中体会实验的原理和方法。同时通过班级间的协作,让学生对实验有一个整体的掌握,也增强了同学们的合作意识。

一、教学准备

1.实验材料和用具

土壤(花盆土、庭院土和花园土)、纤维素酶、无菌水、恒温震荡培养箱、高压蒸汽灭菌锅、微量移液器、一次性吸液枪头、涂布器、培养皿、酒精灯、培养基、烧杯、玻璃棒、天平、试管、锥形瓶、滤纸、质量浓度为1mg∕m L的CR溶液、质量浓度为10mg∕m L的CR溶液、物质的量浓度为1mol∕L的Na Cl溶液。

2.实验条件的探索

首先,是培养时间,实验最初我培养2天就进行染色,发现透明圈不明显,经过天数梯度的培养实验之后,我发现培养3至5天效果最佳;其次,是染色和漂洗的时间,通过进行大量的预实验,我发现染色和漂洗各10分效果最好;再次,是微生物的培养温度,一些资料显示30℃即可,可是实践后发现该温度条件下培养相同的天数,染色处理后透明圈较小,后来通过多次摸索,发现35~37℃之间培养效果最好;最后,是鉴别培养基的配方,我去掉了其中的土豆汁,因为有土豆汁不但其他微生物可以形成菌落,而且分解纤维素的微生物由于淀粉的存在,分解了部分淀粉而不只是分解纤维素,不易在菌落周围形成明显的透明圈。利用改进后的实验条件进行操作,我们得到了非常理想的实验结果。

二、实验的改进与创新

1.材料的多元化

本次实验学生们通过从不同场所取材(如花盆土、庭院土、花园土等),切实感受到分解纤维素的微生物的分布广泛,同时还可以感受不同的环境中该微生物分布的不同,体会生物和环境的相互适应的特点。

2.实验教学形式的改进

实验教学是实现《标准》中“倡导探究性学习”的良好途径。本实验就多次采用了探究性学习方式。如设计对照实验探究培养基是否有选择作用、是否污染和如何解决环境问题等。在探究的基础上进行操作,使学生更容易体会对照原则和实验严谨性的重要性。

3.实验的延伸应用

环境污染问题已引起社会的普遍关注,实验课开始时,我利用秸秆燃烧引发的环境问题引入课题;结尾时,引导学生探讨怎样利用获得的分解纤维素的微生物来解决一些生活中的实际问题。同时结合本节课所学内容,由学生设计实验方案以获得能分解某种污染物的微生物,再应用其治理环境,达到学以致用的目的。

4.课时安排

由于本实验的周期较长,学生很难在一节课对整个实验过程有个连贯的认识。因此,我采用了实验接力的方式,利用班级间的合作,让每一个班级的同学都能尽量在一节课中体会和操作实验的每一个步骤。前一个班级要为后一个班级准备好选择培养和刚果红染色所需的培养基。我们还组织了一些实验操作能力较强的同学事先做好一些培养基,这样即使前一个班级制备的培养基出现污染,后续班级的同学也有备用材料以进行实验操作。

三、教学过程

(一)创设情境引入主题

教师播放视频“秸秆燃烧的危害”,并提出问题:

1. 视频中我们可以体会到秸秆燃烧的危害,我们怎样做可以无污染的降解这些秸秆呢?

2. 我们回想一下,秸秆的主要成分应该有什么?

通过视频引入,激发学生兴趣,同时培养学生的环保意识。

(二)生物兴趣小组的代表介绍如何选取土样

学生代表通过图片说明土样来源,同时阐述实验组和对照组的设置。展示三处土样的实验结果,由同学们分析结果并确定本节实验所需的土样。

(三)选择培养基的设计及检测

1.选择培养基的设计

通过问题串引出选择培养基。

(1)同学们思考为什么花盆土浸出液组和纤维素酶溶液组效果最接近?

(2)为什么花盆土富含纤维素分解菌?

(3)那是不是花盆土中的微生物都能分解纤维素呢?

(4)我们怎样能将分解纤维素的微生物从中分离出来呢?

(5)同学们能设计一个可筛选出纤维素分解菌的培养基么?

教师引导学生设计选择培养基,汇总、完善同学们的想法,最终确定培养基的成分。

2. 设计对照实验探究所用培养基是否被污染和是否具有选择作用

教师引导,学生探讨,确定对照组为不接种的空白培养基和牛肉膏蛋白胨培养基。

(四)刚果红染色法筛选分解纤维素的微生物

教师介绍刚果红染色原理和两种染色方法,学生进行操作、展示,师生共同分析实验结果。

(五)实验的延伸应用

教师创设情境,引导学生围绕纤维素分解菌的实际应用各抒己见,同时通过图片,让学生运用所学内容探究解决其他一些环境污染问题的方法。通过实际应用,不但可以激发学生的学习兴趣,还能培养学生理论联系实践的能力,并增强环保意识。

四、教学体会与反思

1.多一份创意,少一份随意

情境创设来源于现实生活,但需要高度浓缩和提炼,克服创设的随意性,必要时可以适当进行加工处理,使其更符合课堂教学的实际需要。如本节课的引入和结尾都是源于生活的创意。

2.多一点兴趣,少一点枯燥

兴趣是最好的老师,学生只有当他对一件事感兴趣时,才会自觉主动地去学习,也才会乐学。生物学是一门实验科学,通过实验操作,可以化抽象为具体,从而引发学生的兴趣。

3.多一些探究,少一些接受

只有亲历探究、亲身实践,学生的生物能力才能得以切实提高。同时,探究实验的目的并不在于得到全班学生统一的结果,重在使学生真正参与探究过程,在实践中获得具体的经验体会。比如,本课中设置问题,学生探究设计实验和解决生活中实际问题,有助于学生领悟科学的探究方法和培养严谨的科学态度。

苎麻纤维生物脱胶篇10

1 基础知识

1.1 苎麻纤维性能

一般认为, 苎麻纤维的结构为1000个左右的β-葡萄糖分子通过1-4糖苷键连接而成链状纤维素分子, 多个纤维素构成微晶体, 多个微晶体构成巨原纤, 再构成纤维细胞[3]。苎麻纤维性能主要由它的化学成分决定。苎麻纤维的化学组成主要是纤维素, 其次是半纤维素、木质素、果胶、脂肪蜡质、灰分和其它成分。苎麻纤维和棉纤维的化学组成见表1。而且苎麻纤维的大分子结构很紧密、结晶度、取向度也较高, 不易与其它物质反应。

1.2 生物脱胶的方法

生物脱胶主要包括微生物脱胶和酶脱胶两种方法。本篇主要讨论微生物脱胶, 微生物脱胶是把经过筛选的脱胶菌株接种到生苎麻上, 以苎麻上的胶质为营养源, 让脱胶菌在生苎麻上大量繁殖, 在脱胶菌繁殖过程中, 分泌出脱胶酶分解胶质, 使高分子量的果胶及半纤维素等大分子分解成小分子物质而溶于水中, 即在缓和条件下进行的一系列“胶养菌, 菌产酶, 酶脱胶”的生化反应[1, 2, 3]。

1.3 脱胶机理

依据多糖化学的最新研究, 胶质成分应按物质结构划分分为多缩戊糖、多缩己糖及其杂聚多糖和木质素等。绝大多数异氧型微生物都能利用多缩戊糖, 多缩己糖作为它们的糖源和能源厂。微生物分泌的酶将韧皮中的各种胶质分解为小分子化合物, 其中有部分用来合成细胞物质使纤维胶质分离。部分杂聚多糖的完全降解很可能需要几种细菌的协同作用。木质素不易为微生物所利用, 是植物中最难分解的部分, 因此, 微生物脱胶的主要对象是除纤维素和木质素之外的多缩戊糖、多缩己糖及其杂聚多糖。而木质素只能采取一定的后处理措施脱除。胶质降解主要途径是胶质等碳水化合物在好氧条件下被微生物降解的过程, 是由一系列相关的多级生物化学反应构成的, 可归纳为四步, 第一步:胶质多糖水解成戊糖、己糖;第二步:戊糖、己糖转化为一磷酸果糖;第三步:一磷酸果糖转化为丙酮酸;第四步:丙酮酸经三羧酸循环和氧化呼吸链彻底氧化为二氧化碳和水[4]。

1.4 脱胶工艺流程

菌种经过12~18h的逐级扩大培养, 产生粗酶液, 粗酶液作用于原麻3~5h, 碱液精练1~2h, 经后处理, 就能有效去除原麻中的胶质, 得到优良的精干麻。

粗酶液制备工艺流程:斜面菌种—摇瓶培养→一级种子罐→二级种子罐→发酵罐→粗酶液。

脱胶工艺流程:原麻扎把→装笼→浸酶处理→洗麻→拷麻→漂洗→给油→脱水→烘干。

2 分析与讨论

采用上述所得到的脱胶工艺进行苎麻的脱胶试验, 同时与酶脱胶法和传统的化学脱胶法比较, 酶脱胶法所用的酶为果胶酶、煮练酶和其它复合酶制剂。结果微生物脱胶法无论是脱胶效果还是麻纤维品质都优于化学脱胶法。

2.1 电子显微镜观察苎麻纤维的结构

由图1~3可以看出, 不同的脱胶方法所得的苎麻纤维细胞壁上微纤维排列状态存在着明显的差异:即生物脱胶的微纤维存在大量交叉和扭曲现象, 与生长着的茎段纤维原始状态大致相同, 而常规化学脱胶相当平直, 扭曲现象明显减小。这是因为生物脱胶只有微生物分泌的脱胶酶专一水解非纤维素物质, 可以保持苎麻纤维固有的结构;而常规化学脱胶存在碱液煮练过程, 这个过程除了脱胶还会对微纤维有一定的拉伸作用。

2.2 性能分析

2.2.1酶液处理作用柔和, 纤维损伤很小, 支数较高的纤维被保留了下来, 纤维支数, 束纤强力比化学脱胶提高。苎麻纤维被胶杂质所包围, 有些胶杂质通过纤维表面大小不一的裂缝渗透到纤维内部, 纤维表面存在天然的纹理和沟槽, 凹凸不平, 酶液对韧皮的作用深入, 胶质去除更加彻底, 残胶率比化学脱胶减少。对纤维表面剥蚀较小, 表现出纤维分散, 支数提高, 纤维柔软度等梳纺加工性能大大改善, 提高了后道加工产品质量。

2.2.2表2为两种脱胶方法坯布检测结果。由表中的数据可以看出经生物酶脱胶的苎麻纤维比化学脱胶的各物理机械性能更为优良。原因可以解释为, 化学脱胶中的煮练过程提高了纤维素分子聚合度, 降低了纤维细胞长度和扭曲频率, 致使纤维勾结强力降低, 而且破坏了纤维细胞固有结构, 使本来具有交叉和扭曲排列状态的微纤维变得比较平直, 处于绷紧状态, 增强了纤维的刚性, 导致纤维断裂强力、撕破强力的降低, 悬垂系数的增加, 同时耐磨、弯曲疲劳和勾结伸长率也会下降[5,6]。

2.2.3精梳麻条品质对比分析显示, 酶法脱胶处理后的精干麻在梳纺加工中的硬条明显减少, 比化学脱胶减少, 短纤维与化学脱胶相比增加, 由于酶处理作用柔和、深入, 去除胶质彻底, 故保留了聚合度低, 较细的纤维。精梳制成率提高, 这是纤维的纺织加工性能得到改善的结果。

2.2.4从手工测试和乌斯特测试的对比分析中可以看出, 酶法脱胶的纱线品质提高十分显著, 条干均匀度比化学脱胶提高, 纤维损伤小, 单纱断裂强力比化学脱胶提高, 粗细节减少一半以上, 条干的改善使强力均匀度提高了三成, 细纱断头率大幅度降低, 提高生产效率, 有助于加工高档次的最终产品[7]。

3 结语

3.1 苎麻微生物脱胶的主要去除对象是纤维素和木质素之外的多缩戊糖、多缩己糖及其杂聚多糖。

3.2苎麻胶质在有氧条件下经微生物降解的主要途径是多糖胶质水解成戊糖、己糖戊糖;己糖转化为6-磷酸果糖;6-磷酸果糖转化为丙铜酸;丙铜酸经三羧酸循环和氧化呼吸链彻底氧化为二氧化碳和水。

3.3微生物脱胶, 其梳理、纺纱、织造性能及其半制品质量均比化学脱胶的好, 且制成率高。生产实践证明, 微生物脱胶法是一种先进的脱胶技术。

3.4新酶法脱胶工艺, 与第一代苎麻酶法脱胶相比, 酶液处理周期缩短到只有3~4h, 降低了碱液处理强度, 酶脱胶作用柔和, 不损伤纤维, 保留了苎麻纤维固有的形态、结构, 脱胶制成率提高。精干麻更松散、柔软, 光泽柔和, 含油率提高, 明显优于化学脱胶, 梳纺性能改善, 大幅度提高了后道加工制成率。

3.5根据初步测定结果, 加工1T生苎麻到细纱的经济效益可达3500元。若深加工到坯布, 由于织造费用降低, 产品质量提高, 其经济效益更可观。

3.6生物脱胶方法可带来很好的社会效益:减少纤维损失, 相当于同等土地面积增加以上的生苎麻产量;改善纤维品质, 增强可纺性能;降低能耗, 节省水和煤炭资源;节省工艺辅料投人;基本消除对环境的污染。生物脱胶减少麻中脱落物的排放量且水质单一只含有机污染物, 不必投人污水处理费用, 便可基本消除环境污染;降低劳动强度、改善工作环境、提高人身安全保障系数[4,6,7]。

2010年《山东纺织科技》征订启事

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参考文献

[1]王军等.苎麻生物脱胶研究进展[J].安徽农业科学, 2008, 36 (15) :6517-6518.