关键词：
细菌纤维素（精选七篇）
细菌纤维素 篇1
细菌纤维素(Bacterial cellulose,BC)是多种细菌新陈代谢产生的胞外天然产物[1,2,3]。BC的合成是多步的、连续的化学反应。最初的反应是细菌将葡萄糖单元组合成β-1,4-葡萄糖链,再经过在细胞表面的旋转、挤压和重排,形成了最初的纤维素束。10~100个这样的纤维素束交缠在一起,形成了透明的、尺寸约3.5nm的微细纤维[4],随后这些微细纤维聚集在一起形成了带状物[5]。这种带状物与另外一个细菌细胞缠绕在一起,形成了二维结构层,然后又与另外的结构层以氢键和范德华力结合在一起,形成了三 维网状的 微细纤维,最后在培养液中形成了凝胶状的薄层[6,7]。
BC与天然纤维有着相似的化学结构,但与天然纤维相比,BC没有半纤维素和木素等这些复杂的成分,因此BC具有高结晶度[8]、高机械强度(如拉伸强度)、高纯度[9]和高聚合度等特点[10,11,12,13]。由于其特有的结构和别致的来源,BC还具有亲水性、吸收能力强、非过敏性、易生物降解性、流变性、 灭菌性等[14]。
2细菌纤维素的应用
由于细菌纤维素特有的结构,造成它具有许多特别的性质。其在多个领域都 有充分的 应用,如生物医 药与组织 工程、食品工程、造纸等,如图1所示[11]。
2.1生物医药与组织工程
由于BC具有纳米立体结构,导致它特有的物理特性、机械特性,还有其较高的纯度、生物相容性、高弹性、无毒性、易生物降解等特点,使得人们对BC在生物医药领域的应用有着很大的兴趣,如伤口治愈[15,16]、药物传送[17]、抗菌[18]等。
Nuno等制备出BC膜,然后用甘油作为塑型剂,调节其结构、形态和膨胀等特性,得到BC-diclofenac膜。将此膜用于双氯芬酸钠(一种消炎药)经皮肤传送到体内。结果表明, 此载药膜非常均匀,并且十分柔软,有着非常高的润胀能力。 在用人体表皮细胞膜做弗朗茨细胞扩散研究中,使用了BCdiclofenac膜,结果表明此膜与市面上的传输膜对双氯芬酸钠的传输能力相似[19]。
Lin Wenchun等将制备好的BC膜冷冻干燥后浸泡在壳聚糖中,制备出Bacterial cellulose-chitosan(BC-Ch)膜,得到的BC-Ch膜没有脱水,湿度不变,拉伸强度和裂断长有所降低,但杨氏模量很高,此膜也没有细胞毒性。经过在小鼠上治愈伤口的实验表明,BC-Ch形成上皮组织和细胞重建速度更快[20]。
由此表明,BC在生物医药方面的应用非常广泛,为以后生物医药的发展开启了新的方向。BC是由菌种生物合成的具有网状结构的天然纤维[21]。在显微镜下进行观察,它的结构和胶原蛋白的纳米纤维类似[22],有很好的生物降解性、细胞定向生长性、生物相容性等特点[23]。因此它广泛地应用于移植、愈合、神经恢复等组织工程[24,25]。
Maximilian等采用葡糖醋杆菌和Matrix水储技术制备出具有超分子网状结构的小直径的水凝胶血管,其具有3层血管壁,可用这种BC血管来代替颈动脉血管[26]。
Magdalena等用石蜡微球制备具有微孔的BC支架,将MC3T3-E1骨质细胞放入此支架中生长,如图2所示。结果表明制备出了300~500μm孔径的多微孔BC支架,细胞在此BC管中生长状况和分布状况良好。因此多微孔BC管支架对以后骨的重建有着积极的影响[27]。
由此表明BC在组织工程上的应用对以后人类治疗一些疾病如癌症、眼部疾病、神经疾病等有着巨大的贡献[28]。
2.2食品
BC是由微生物生产的,没有过多的、甚至没有 化学处理,而且其纯度较天然纤维素高。不同生产方式和生产环境下,能够产生不同品种的BC。这使BC在食品中的应用有着优越的前景。其可用于 食材,也可用于 食品包装。作为食材,它可以改变食物的流变状态[29,30],可以生产低热量[31]、低胆固醇[32]的食物。Lin等用BC代替肥肉来制作鱼丸。这种特制鱼丸与普通鱼丸有着类似的口感,且避免了肥肉带来的热量。BC用于食品包装能够承受食物中所加入的抗菌剂、 防腐剂和水分等[33]。有的甚至在包装上做了抗菌效果,代替了向食物中加入抗菌剂,更加健康。Nguyena等将尼生素接到BC上,使得包装具有对抗Listeria单细胞菌和全部的好氧菌的能力,使香肠能够在更好的环境下保存,并且更加健康、环保[34]。
由此可见,BC具有生物友好性、可降解性、无毒性以及其结构的独特性,在食品方面有着可观的发展前景。
2.3电学
经研究可知,由于BC纤维素固有的机械强度和弹性,使得其可以作为传 导材料的 基层,从而增加 了传导材 料 (如PPy、PANI)的强度,形成独立的电极[35]。
BC可以大量生产于微生物发酵过程,是廉价的、可再生的天然聚合物。它的特点是杨氏模量可以达到138GPa,拉伸强度可以达到至少2GPa[36]。这些特点使BC更加适合与传导材料复合,来弥补传导材料的缺陷。由此可见,BC在电学方面有着一定的应用,如传导材料和电子设备。
Yu Wendan等将BC经过热处 理后,制备成碳 纳米颗粒,然后将Ni3S2纳米颗粒嫁接到碳纳米颗粒上,得到的复合材料表现出极高的电容密度(883F·g-1,2A·g-1),并且能表现出很好的循环稳定性。他们设计了非对称超级电容器, 此电容器正极是将CNFs外涂于有Ni3S2纳米颗粒的电极上,负极涂有CNFs。将正负电极放在2 mol·L-1的KOH电解液中,由于两个电极的协同作用,不对称表现出极强的电化学现象,在2mol·L-1的KOH电解液中,给予经过优化的非对称电容器1.7V的电压,其表现出极强的电流密度 (56.6F·g-1,1A·g-1)。同时此电容器经过2500次循环后,保留了97%的电容,有很好的、稳定的循环特性[37]。由此可见BC在电学方面也有着巨大的发展潜质。
2.4造纸
与植物纤维相比,BC的结晶度和机械强度更高,而且不含有木素、半纤维素、其他生物 聚合物以 及提取物 等,所以BC用于纸张抄造要优于植物纤维。
Sara等将BC覆盖在纸张表面,用于恢复已经老化的纤维。他们采用了两种不同的处理方法,一种方法是先制备出BC层,然后将其覆盖在纸张表面,考察纸张的恢复情况;另一种方法是直接让BC生长到纸张表面,考察纸张的恢复情况。实验结果表明:BC表现出很强的结晶度、机械强度、稳定性,同时空隙少等特点,使得BC对纸张的老化有着很好的修复功能[38]。
Hossein等对经过机械粉碎的纳米纤维(GC)所做的纸张、BC纳米纤维所做的纸张和微细纤维所抄造的纸张的一些性能进行比较,得到的3种纸张如图3所示。结果表明: BC纳米纤维纸的结晶度最高(80%),结晶的尺寸最大(6.2 nm),热稳定性最好(320 ℃),阻碍能力也较高。同时它的拉伸强度、杨氏模量 也是最大 的,分别为185 MPa和17.3 GPa[39]。因此BC用于纸张抄造有着很大的优势。
Aya等制备BC时以针的 形状生长,制备成BC纸针。 由于BC具有较强的吸收液体能力、膨胀能力、拉伸强度、药物释放能力和生物相容性等特点,因此将它应用于牙洞的治疗。结果表明:BC纸针相对于普通纸针有着更高的吸收膨胀强度,甚至在湿的时候还维持着较好的拉伸强度,表现出更好的药物释放和生物相容性[40]。
由此可见,BC抄造成的纸张相对于普通的植物纤维纸张有着很多优势,而且由于BC独特的结构,使得BC有着特殊的性能,如抗菌性、生物相容性、光学性能等。这使得BC用于特种纸的抄造有着美好的前景。
2.5材料
BC的结晶度和机械强度比木质纤维素高,使得它在许多领域有着很好的应用。但是,BC的抗氧化性、抗菌性、带电性和磁性等特性不是非常明显[41],聚合物复合膜可以改善这些缺陷并且给予它一些额外的特点。不同的合成材料和合成方法都会给予BC复合材料以不同的特性。因此BC的聚合膜材料有着非常广泛的应用[42]。
3纳米微晶纤维素
纳米微晶纤维素(CNC)是构成肉眼可见的纤维素纤维的基本结构。经过酸处理、物理机械[43]、酶处理[44,45]和氧化处理[46],将非纤维成分和纤维素的无定形区去除,得到直径为10~30nm、长为100~300nm[47]的棒状纤维结晶。CNC较普通纤维有着很多特有的性质,例如高的比表面积、高结晶度、特有的光 学性能和 极强的力 学性能等[48,49,50]。 因此CNC的应用领域也十分广泛,如增强剂[43]、阻碍膜[51]、包装材料[52]、生物医药[53]、光感材料[54]、电感材料[55]、传感器[56]和催化剂[57]等。
Cha Ruitao等用羧基化的CNC来提高纸张机械强度和PVA纤维的强度。结果表明,羧基化CNC的添加有效提高了强度。当羧基化CNC的用量为0.7%时,纸张的撕裂度和抗张强度分别达到了12.8 mN·m2/g和100.7N·m/g。 当羧基化CNC的用量达到1.0%时,PVA纤维的撕裂强度和抗张强度分别增长了67.29%和22.55%[58]。
Yu Ping等利用CNC的刚性棒状结晶的多区域手性向列结构,使得CNC具有虹彩 膜性质,并将其用 于湿度感 应器。如图4所示,当其暴露在高湿度或者含水液体中时,它将会从蓝绿色转化为红黄色。这种颜色转变是不需要加入显色剂的。颜色变化是由于CNC吸附水后内部结构发生了一定的变化,使得光折射出不同的颜色[59]。
Masuduz等将阳离子化的CNC加入到织物上,使织物表面具有亲水性,结果如图5所示,未加入CNC的织物表面很光滑,而加入CNC后,其表面布满了具有亲水性的CNC, 使得织物的亲水性能明显提高[60]。
BC是微生物发酵产生的纤维素膜,它的化学结构和微细纤维(MCC)很相似,而且纯度很高。BC制备的微米颗粒的形状比处理前的BC和MCC更加趋近于球型。这提高了MBC(Micro-bacterial cellulose)的物理强度和流变性。相对于MCC,MBC还具有较高的热稳定性、保水能力和膨胀系数[61]。这些特点都使得BC制备成CNC具有很好的特性。
相对于BC而言,CNC不仅在尺寸上较小,其力学性能、 光学性能等也相对较好。制备CNC的原料也十分广泛,有木浆[62]、棉浆[63]等天然纤 维,而且细菌 纤维素也 可制备CNC。简言之,CNC是以天然纤维、合成纤维或者细菌纤维素等纤维为原料制备出的尺寸更小的、具有一定特性的纤维素晶体,而BC是细菌经过新陈代谢形成的纤维薄膜,它的尺寸相对CNC较大,也具备一些特性。
目前,已经有一些将BC制备成CNC的研究。Marta等将BC薄膜干燥后磨成粉,以硫酸作为催化剂,BC粉末与硫酸的比例为8~10g·L-1,在50 ℃下反应,考察水解时间对BC晶须性质的影响。结果表明,水解时间越长,纤维素晶须的长度越短,结晶度较水解前更高。水解后BC晶须的热稳定性变差,但中和后BC晶须的结 晶度和热 稳定性明 显提高[64]。Johnsy等用NaOH纯化BC薄膜,再用搅拌器将其分解成微细纤维,最后用HCl将其水解成纳米微晶细菌纤维素 (BCNC)。他们用BCNC与羟丙基甲基纤维素制备成纳米复合膜材料,同时再复合上AgNPs纳米颗粒,制备出的复合膜具有强的拉伸强度和大的拉伸系数,并且亲水性降低,这种复合膜可用于食品包装上[65]。Jhon等用酒石酸酯化BCNC, 改变了BC的亲水性和热稳定性[66]。类似的BCNC应用或将其改性再应用的研究还有很多[67,68]。
4展望
BC的生产相对于植物纤维素而言需要的时间较长,这需要继续研究,寻找效率更高的菌种,改变基因,改变培养环境等。BC有着特别的性质,这使得它在多个领域有着很好的应用,但是还不够充分,需要继续探索,将其充分应用于各个领域,并且尽量做到利用率高,消耗小。BC除了拥有一些特性,还有一些缺点,这需要继续改进,使得BC的性质能够达到需要的性质特点。同时,BC在CNC领域的研究还 不多,这方面需要继续探索,发掘BC在纳米状态下还有哪些没有开发出的性质,以使其应用更加广泛。
摘要：细菌纤维素(Bacterial cellulose,BC)是由多种细菌新陈代谢的产物形成的不含木素、半纤维素以及其他抽提物的高结晶度的三维网状结构。这种结构使得BC有着一些特有的特性,如高纯度、高结晶度、较大的机械强度、高保水值、抗菌性、无毒性、生物相容性和生物降解性等,从而在多个领域有着广泛应用,如生物医药与组织工程、食品、电学、造纸、功能材料等。CNC是纤维素的纳米微晶状态,大部分CNC都是由天然植物纤维制备的。BC有着与天然植物纤维相似的结构,将BC制备成CNC,其特性又会发生一些变化,从而扩大了应用领域。
细菌纤维素 篇2
一株纤维素降解细菌的筛选、鉴定及产酶条件分析
目的. 筛选高活性的纤维素降解细菌,并进行初步鉴定和产纤维素酶条件分析.方法 采集吉首旗帜山松树林的土壤样品,通过富集培养和刚果红平板染色法筛选分离纤维素降解细菌;通过形态观察、生理生化特性检测和基于16S rRNA基因序列的系统发育分析对分离的菌株进行初步鉴定.利用单因素实验对产纤维素酶条件进行优化.结果 分离获得1株高活性纤维素降解细菌JDM11,初步鉴定其为Bacillus velezensis;菌株JMD11产纤维素酶最佳培养温度、最适初始pH和培养时间分别为28 ℃、7.0～7.5和32 h,在该条件下其滤纸酶(FPase)和羧甲基纤维素酶(CMCase)活力分别为260.32 U/ml和651.75 U/ml.结论 菌株JDM11是1株高活性纤维素降解的Bacillus velezensis.
作 者：金迪 彭清静 易浪波 龙俊勇 彭清忠 作者单位：吉首大学生物资源与环境科学学院,湖南,吉首,416000刊 名：中国微生态学杂志 ISTIC英文刊名：CHINESE JOURNAL OF MICROECOLOGY年，卷(期)：22(4)分类号：Q939.96关键词：纤维素酶 筛选 16S rRNA 基因 鉴定
静电纺丝法制备细菌纤维素纳米纤维 篇3
笔者已开展了细菌纤维素对重金属的吸附机理研究[9], 并制备了新型的烯丙基胺-细菌纤维素吸附剂[10], 探索了其在水处理领域的应用。但由于细菌纤维素分子上存在大量的羟基而易形成氢键, 使得细菌纤维素不能够溶于一般的溶剂中, 成型加工相对困难[11]。为此, 选择1-烯丙基-3-甲基咪唑氯化物 (AMIMCL) 作溶剂, 以实验室自制的BC[12]为原材料, 开展BC的静电纺丝研究, 以期制得细菌纤维素纳米纤维, 并为其应用创造条件。
1 实验
1.1 材料与仪器
氢氧化钠, 无水乙醇, N, N-二甲基甲酰胺, 均为分析纯;细菌纤维素, 自制;1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐, 上海成捷化学有限公司。
DZF-6050真空干燥箱, 上海一恒科学仪器有限公司;HJ-6A数显恒温磁力搅拌器, 金坛市华城开元实验仪器厂;DW-P303-1ACFO高压电源, 东文高压电源有限公司;YYS-100E光学显微镜, 上海仪圆光学有限公司;XL30扫描电镜, 飞利浦公司;D/MAX220PC型X射线衍射仪, 日本理学。
1.2 静电纺丝装置
图1为静电纺丝实验装置图, 其中的纤维素丝收集器为自行设计的不锈钢滚筒, 其直径为6cm, 高为8cm, 有20根不锈钢丝 (Φ0.5mm) 均匀分布在滚筒表面。
1.3 纺丝液的制备
将BC在一定浓度的氢氧化钠中活化2h, 经除盐水和乙醇清洗后于70℃真空干燥3h, 备用;取一定量活化的BC加入到2g AMIMCL中, 100℃加热搅拌至完全溶解, 得到BC的离子液体溶液;添加一定质量的二甲基甲酰胺 (DMF) 于BC的离子液体溶液中, 在室温下连续搅拌数小时, 至DMF与BC/AMIMCL溶液充分混合, 得到淡黄色澄清溶液。
1.4 纳米纤维的制备
在室温下将纺丝液置于配有内径0.5mm金属针头的注射管中, 以纺丝液为正极、收集器为负极, 控制环境湿度, 调节电压及喷丝头与收集器表面的距离, 进行静电纺丝;纺丝结束后, 将制得的纳米纤维浸泡在无水乙醇中以除去其表面的离子液体, 40℃真空干燥2h。
2 结果与讨论
2.1 BC质量分数对静电纺丝的影响
BC的质量分数影响溶液的粘度, 进而影响着静电纺丝纤维的形貌。溶解过程中, 若BC质量分数大于5%, 则溶液的粘度大, 溶解不彻底, 不能纺丝;而BC的质量分数不大于5%时, 能完全溶解, 可以纺丝, 所以实验确定最大质量分数为5%。因此, 配制不同质量分数的BC/AMIMCL溶液, 在AMIMCL与DMF质量比为1∶2条件下考察静电纺丝效果, 结果如表1所示。
由表1可知, 随着BC质量分数的增加, 纺丝液的粘度增大、流动性变差, 而静电纺丝过程变得连续, 这说明纤维的形成需要一个合适的BC浓度。图2为AMIMCL与DMF质量比为1∶2、BC的质量分数分别为3%和5%时的静电纺丝效果图。由图2可知, 当BC质量分数为3%时, 由于纺丝液粘度较小, 纺丝后的纤维最终收缩成液滴;而将BC质量分数增至5%, 则取得较好的纺丝效果, 据此确定纺丝液中BC的质量分数为5%。
2.2 DMF添加量对静电纺丝的影响
在BC/AMIMCL体系中, 即使BC的质量分数较低, 离子液体的溶液也具有较高粘度, 所以BC/AMIMCL溶液直接纺丝比较困难[13]。为此, 在BC/AMIMCL溶液中加入助溶剂DMF以降低溶液的粘度和表面张力。在BC质量分数为5%的条件下, 考察DMF添加量对静电纺丝的影响, 结果如表2所示。
由表2可知, 当AMIMCL与DMF的质量比为1∶1时仅能产生少量的丝, 这是液滴在电场区域内不能完全扩张所致;当AMIMCL与DMF质量比为1∶2.5时, 纺丝液粘度适中, 能连续得到大量的纤维素纤维, 静电纺丝效果最佳;而二者质量比提高至1∶4时, 溶液粘度的降低, 导致纺丝液以液滴的形态下落。BC质量分数为5%条件下, 不同DMF添加量的纺丝效果如图3所示, 通过光学显微镜观察, 丝的节点较少, 直径约800nm。
2.3 收集方式和环境湿度对静电纺丝的影响
收集方式对静电纺丝所得纤维的形貌有重要影响, 图4中 (a) 、 (b) 为BC质量分数5%、AMIMCL与DMF质量比1∶2.5条件下, 分别采用铁网收集后用乙醇浴凝固、铁网浸于乙醇浴中直接收集并凝固所得到的静电纺丝纤维的形貌, 由于离子液体粘度大、纤维易收缩等, 纤维的粘连现象严重。为此, 采用滚筒收集方式, 图4 (c) 为滚筒转速500r/min条件下的效果图。由于滚筒高速旋转可使细丝有序排列, 因而减少了粘连现象发生。收集过程中, 若滚筒转速过小, 则纤维的有序性不强;若转速过大, 则易造成纤维的断裂。研究表明, 控制滚筒转速在500r/min左右, 可使纤维在可承受拉力范围内呈较有序排列。
实验过程中发现, 静电纺丝效果还与环境湿度有关, 适量的水蒸气能够使纤维在喷射过程中凝固, 有利于保持一定形态。研究表明, 在BC质量分数为5%、AMIMCL与DMF质量比为1∶2.5的条件下, 保持湿度在60%~80%范围内可获得较好的静电纺丝效果。
2.4 电压对静电纺丝的影响
表3为电压对静电纺丝的影响。由表3可知, 若电压低于10kV, 则电场力太小不足以克服表面张力, 此时纺丝液多以液滴的形式下落而不能被拉成丝;若电压过高, 会导致喷丝口温度升高, 造成堵塞;本实验的最佳电压为23kV。不同电压的纺丝效果如图5所示, 通过光学显微镜观察比较, 电压为23kV时纤维素丝的形貌最佳, 直径约800nm。
2.5 固化距离对静电纺丝的影响
表4为固化距离对静电纺丝的影响。从表4可知, 当距离为12cm时, 能够产生大量的纤维素丝;若固化距离过小, 由于离子液体的不挥发性, 纺丝液凝固时间不足, 产生的丝量少;若固化距离过大, 电场强度将变小, 导致成丝拉力过小, 喷射的丝较粗甚至无丝喷出。不同固化距离的纺丝效果如图6所示, 在固化距离为12cm时, 纤维素丝节点较少, 且产生的丝较多, 纤维素丝的直径为500~600nm。
2.6 BC静电纺丝样品的表征
在BC质量分数5%、AMIMCL与DMF质量比1∶2.5、湿度80%、电压23kV、固化距离12cm条件下进行静电纺丝, 并对收集到的样品进行表征。
2.6.1 样品的SEM分析
静电纺丝样品扫描电镜分析结果如图7所示。图7 (a) 为放大50倍的纺丝效果图, 纤维素丝呈有序排列;由图7 (b) (2462倍) 和 (c) (20000倍) 可清晰地看出, 纤维素丝的表面光滑无节点, 未出现粘连现象, 纤维素丝的直径为500~800nm。
2.6.2 样品的XRD分析
BC和BC静电纺丝样品的XRD分析结果如图8所示。由图8可知, BC的谱线在2θ为14.5°、22.5°处有2个波峰, 而这2个波峰为Ⅰ型纤维素的特征峰, 因此可以确定自制BC的晶体结构为纤维素Ⅰ型;由BC静电纤维丝样品的XRD谱线可以看出, BC经离子液体溶解并纺丝后无XRD特征峰, BC的结晶度下降, 这是由于BC溶解在AMIMCL中, 其分子内和分子间的氢键遭到破坏, 快速凝固阻碍了纤维素链的重结晶, 而BC经溶解再生处理后, 其结构极易转变为纤维素Ⅱ型[13], 因此, 得到的BC静电纺丝样品为纤维素Ⅱ型。
3 结论
以实验室自制的细菌纤维素为材料, 选择AMIMCL为溶解体系, 通过添加助溶剂DMF降低溶液粘度, 利用静电纺丝技术制备了细菌纤维素纳米纤维。研究表明, 在BC质量分数为5%、AMIMCL与DMF质量比为1∶2.5、电压为23kV、固化距离为12cm、湿度60%~80%的条件下, 制备了连续、无节点的细菌纤维素纳米纤维。SEM及XRD分析表明, 制得的细菌纤维素纳米纤维直径为500~800nm且表面光滑;自制BC的晶体结构为纤维素Ⅰ型, 而BC经离子液体溶解并静电纺丝后其结构转化为纤维素Ⅱ型。
摘要：利用静电纺丝技术, 以实验室自制的细菌纤维素 (BC) 为原材料, 选择室温离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑氯化物 (AMIMCL) 为溶解体系, 制备出细菌纤维素纳米纤维。实验中通过添加助溶剂N, N-二甲基甲酰胺 (DMF) 降低纺丝液的粘度, 并设计了转动的滚筒收集器, 考察了BC质量分数、DMF的添加量、电压、固化距离等因素对静电纺丝的影响, 利用光学显微镜、扫描电子显微镜 (SEM) 以及X射线衍射 (XRD) 对纺丝进行分析。研究表明, 在BC质量分数为5%、AMIMCL与DMF的质量比为1∶2.5、电压为23kV、固化距离为12cm、环境湿度为60%～80%的条件下能够制备出连续的、直径为500～800nm的细菌纤维素纳米纤维;BC的晶体结构为纤维素Ⅰ型, 而BC经离子液体溶解并静电纺丝后其结构转化为纤维素Ⅱ型。
关键词：静电纺丝,细菌纤维素,离子液体,纳米纤维
参考文献
细菌纤维素 篇4
关键词：细菌纤维素,甘油醛,椰子水,生物合成,结晶指数,热稳定性
0 引言
细菌纤维素(Bacterial cellulose,BC)是由某些种类的微生物合成的纤维素。与植物纤维素相比,除了具有生物相容性好、可生物降解、不污染环境的特点外,还具有一些独特的理化性能,如纯度高、吸水持水性优良、杨氏模量髙、结晶度髙、合成过程性能可调控等[1,2,3]。因此,细菌纤维素及其衍生物可应用于纺织、食品、涂料、过滤膜和医疗器材等领域[4,5,6,7]。由于生物合成过程可调控,BC的性能与合成体系的组成、合成条件、合成方式等息息相关,因此通过研究生物合成过程直接获得所需性质的BC具有重要意义。这不仅能克服BC自身的难溶解、加工性能差等缺陷,而且能同时结合其他物质的优良性能[8,9,10,11]。本课题组近年来也在合成体系中添加了一些水溶性的生物大分子和具有一定生理功能的多糖,对生物代谢过程以及产物性能进行了研究[12,13,14,15]。有文献报道木醋杆菌可以利用甘油作为碳源发酵生产BC,产物的产量高、性能好[16]。而甘油醛作为糖类代谢的中间产物,室温稳定无毒性,被广泛用于常规生化检测领域[17],也可以作为改性BC的优选原料之一。本研究以海南椰子水为培养基,辅以适量氮源和无机盐,在培养体系中添加不同比例的蔗糖/甘油醛作为糖源后接种木醋杆菌(Acetobacterxylinum,Ax.)制备出一系列改性BC产物,并对产物的结构和性能进行表征,讨论了甘油醛添加量对BC合成和性质的影响。
1 实验
1.1 主要试剂及仪器
菌种:HN001型木醋杆菌,本课题组自行筛选培养;椰子水:海南产;其他试剂均为AR。斜面培养基(g/L):新鲜椰子水;硫酸铵3;硫酸镁0.5;琼脂17;高温灭菌20min。种子培养基(g/L):发酵椰子水;蒸馏水;蔗糖40;硫酸铵3;硫酸镁0.5;磷酸二氢钾1;pH=4.0~4.5;高温灭菌20min。产膜培养基(g/L):发酵椰子水;蒸馏水;糖源20(由蔗糖和甘油醛组成);硫酸铵3;硫酸镁0.5,磷酸二氢钾1;pH=4.0~4.5;高温灭菌20min。
研磨机(A11basic):德国IKA公司;傅里叶变换红外光谱仪(T27型):德国Bruker公司;多晶X射线衍射仪(D8Advance):德国Bruker公司;扫描电镜(Quanta 400):荷兰Philip公司;热失重分析仪(SDT-Q600):美国TA公司;乌氏粘度计(1836稀释型,0.5~0.6mm):上海隆拓仪器设备有限公司;电子万能试验机(CMT 4503):深圳新三思检测有限公司。
1.2 BC的制备及纯化
取一环活化好的菌种接入不同糖源组成(见表1)的产膜培养基,,30℃静置培养5~6天后,取出培养皿里的BC膜,自来水冲洗干净后,在80℃的1%NaOH溶液中煮4h,再用自来水洗至中性,蒸馏水清洗,80℃烘干至恒重。
1.3 分析方法
产量:80℃干燥至恒重的膜的质量为m(g),培养皿中原培养液体积为V(L),BC的产量Y(g/L)由式(1)计算:
持水率:将纯化后的BC膜平铺在不锈钢钢丝网上(密封状态)1h,所得膜的质量定义为湿膜m1;80℃干燥至恒重后的膜的质量定义为干膜m2。持水率(WHC)通过式(2)计算:
吸水率:将BC干膜(m2)浸入蒸馏水中,室温下搅拌至BC膜恒重,此时膜的质量定义为m3,膜的吸水率(WAC)通过式(3)计算:
扫描电镜(SEM)表征:BC粉末表面镀金,放大倍数10000倍,电压10kV,压力60Pa。特性粘度的测试:获得的BC粉末150℃下溶解于9%LiCl/DMAc,用乌氏粘度计测得溶剂及不同浓度BC溶液的流出时间,通过计算得到特性粘度的值。傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析:BC粉末与溴化钾混匀压片,扫描范围400~4000cm-1,分辨率4cm-1,室温下操作。X射线衍射仪(XRD)测试:Cu靶,管压40kV,管流40mA,扫描范围为5~40°。热重分析:N2气氛,升温速率为10℃/min,温度范围为25~500℃。拉伸性能测试:膜裁剪成60mm×10mm的长条,拉伸速度2mm/min。
2 结果与讨论
2.1 膜的产量
培养5天后的BC产量与所添加甘油醛质量浓度的关系如表1所示。由表1可以看出在椰子水体系中,以蔗糖为糖源时(对照组,不添加甘油醛),BC的产量是6.42g/L,而在SH培养基中,以蔗糖为糖源时BC的产量为3.83g/L[16]。这可能是因为椰子水中含有的营养成分能够促进木醋杆菌的生长代谢,有利于菌体分泌纤维素,使得BC产量增加。在椰子水体系中添加甘油醛后,产物的产量降低,而且添加甘油醛的量越多,体系中可直接作为碳源利用的蔗糖量就越少,获得产物的产量越低。说明甘油醛不是木醋杆菌发酵生产纤维素的最佳碳源;而且甘油醛的添加可以增加培养基的黏度,使氧气传递和菌体运动速率受限,影响菌体正常分泌BC,甘油醛添加得越多,体系的粘度越大,越不利于BC的形成,产量也就越低。
2.2 持水率和吸水率
BC膜的持水率和吸水率如图1所示。从图1中可以看出,随着椰子水体系中甘油醛添加量的增加,BC干膜的吸水率相差不大,吸水量都可达其自身质量的10多倍;BC凝胶膜的持水率有所降低,但也都在115g水/g干膜之上。说明椰子水培养体系中生成的BC均具有优良的持水性能和吸水性能。而改性BC持水率有所降低的原因可能是甘油醛自身的黏性增加了培养基的粘度,干扰了细菌分泌的BC分子链的蠕动,从而影响了纤维素凝胶的三维结构。
2.3 BC膜的形态
图2为产物的扫描电镜图。由图2可以看出BC由很多丝状纤维组成,这些微纤维素丝束相互交织成致密的三维网状结构[2],BC干膜也正是因其三维网状结构而具有良好的吸水性能。对于添加了甘油醛后合成的改性BC膜,依然能观察到清晰的网状结构,但是网状结构比较松散,网孔变大,纤维素微纤维的规整性变差。说明甘油醛的添加影响了纤维素丝带的堆积状态和排列过程,导致干膜的表面形貌有所改变。
图2 BC膜的扫描电镜图(甘油醛添加量:0g/L(a);10g/L(b))Fig.2 SEM images of the BC films(The supplement of glyceraldehyde:0g/L(a);10g/L(b))
2.4 特性粘度
在溶解实验时发现,1L的9%LiCl/DMAc最多能溶解4g的对照组BC粉末,当加入BC粉末的量高于4g/L时,所得溶液呈浑浊状态;而用9%LiCl/DMAc配制改性BC溶液时,发现浓度为5g/L的改性BC溶液依然澄清透明。说明在培养基中添加甘油醛后得到的改性BC的溶解性有所提高。根据特性粘度与高分子分子量之间的经验公式:[η]=KMα,特性粘度的大小可以作为衡量高分子分子量大小的指标,也就是说特性粘度能折射出聚合度的大小[19]。培养基中添加不同浓度的甘油醛对所得BC产物特性粘度的影响如图3所示。可以发现培养基中添加甘油醛后获得的BC产物特性粘度减小,也就是说添加甘油醛后BC产物的聚合度降低;而且培养体系中甘油醛的质量浓度越高,所得到的改性BC的聚合度越低。可能是因为甘油醛的加入增加了培养基的粘度,从而干扰菌体正常分泌BC链以及BC分子链的组装,引起所合成BC的聚合度降低,产量也有所减少。
2.5 红外光谱分析
图4为几种BC产物的红外吸收光谱对比,其中(a)是对照组BC的红外谱图,(b)-(e)是在培养基中添加不同质量浓度甘油醛获得的BC产物的红外谱图。由图4可以发现各样品的红外光谱大体相同,没有出现新的吸收峰,表明甘油醛的添加没有改变BC的化学结构。其中3600~3000cm-1处为-OH峰,从图4(a)到图4(e),3600~3000cm-1间的吸收峰变窄,向高波数方向移动,说明分子间氢键减弱。
图4 BC膜的FT-IR图(甘油醛添加量:0g/L(a);2g/L(b);4g/L(c);8g/L(d);10g/L(e))Fig.4 FT-IR spectra of the BC films(The supplement of glyceraldehyde:0g/L(a);2g/L(b);4g/L(c);8g/L(d);10g/L(e))
天然纤维素晶体由两种同质异形的纤维素Iα晶体和纤维素Iβ晶体组成,其中纤维素Iα晶体是由1条分子链构成的三斜晶体,纤维素Iβ晶体是由2条分子链构成的单斜晶体[19]。红外谱图中750cm-1附近的吸收峰归属于纤维素Iα晶体,710cm-1附近的吸收峰归属于纤维素Iβ晶体,其中纤维素Iα晶体的含量可根据式(4)计算[20,21,22]:
式中:A表示对应峰的面积。用Peakfit4.12软件对800~680cm-1的红外谱图进行分峰,计算得到的纤维素样品的fαIR值列于表1。对照组BC中纤维素Iα的含量为83.8%,改性BC的纤维素Iα的含量更高,这与文献报道的木醋杆菌静置培养得到的BC富含纤维素Iα的结论相符。体系中添加甘油醛后,所得到的改性BC产物的纤维素Iα晶体含量增加,当甘油醛添加量为10g/L时,Iα晶体含量高达91.5%,说明体系中甘油醛的添加能够影响纤维素的结晶过程,有利于纤维素Iα晶体的形成。
2.6 X射线衍射分析
纤维素的结晶度可以在一定程度上反映其物化性能和力学性能[23]。常用的纤维素结晶度的计算方法有两种。第一种方法是根据经验式(5)计算结晶指数[24]:
式中:I(020)是(020)晶面最大衍射强度,Iam是无定形区的衍射强度,一般取2θ=18~20°之间的最低衍射强度。这种方法可以快速判断结晶度大小,然而相应的误差也较大。第二种方法是分峰法,结晶度可以用式(6)进行计算[25]:
式中:FA是非结晶区积分面积,FK是结晶区、(110)和(020)晶面结晶峰总积分面积,采用MDI JADE5.0软件对图谱中的峰进行拟合。
图5显示了几种BC产物的X射线衍射谱。图5中衍射角为14.6°、16.8°、22.7°附近的3个衍射峰分别对应BC结构中的(110)、(110)、(020)晶面,这是纤维素I晶体的特征[26]。根据经验公式计算出结晶指数CI,用Jade5.0软件计算出结晶度,所得结果列于表2中。由表2可以看出各样品的衍射角相差不大,说明所合成的纤维素均为纤维素I晶体,甘油醛的添加未能改变合成纤维素的晶型。在体系中添加甘油醛后,通过两种方法计算得到的BC产物的结晶度的数值都呈减小趋势,说明在培养体系中加入甘油醛能够降低所合成纤维素产物的结晶度。从红外谱图中看出添加甘油醛后,产物的分子间氢键减弱,这是产物结晶度降低的一个原因。此外,产物结晶度降低还有可能是因为甘油醛的加入能够影响合成过程中纤维素丝带的形成和排列,影响分子链的立体规整性,导致无序排列区域增加,结晶区有所减小。
图5 BC膜的XRD图(甘油醛添加量:0g/L(a);2g/L(b);4g/L(c);8g/L(d);10g/L(e))Fig.5 X-ray diffraction patterns of the BC films(The supplement of glyceraldehyde:0g/L(a);2g/L(b);4g/L(c);8g/L(d);10g/L(e))
2.7 热性能分析
图6是产物在N2气氛、10℃/min升温速率下的热失重曲线。从图6可以看出所得产物的失重趋势基本相同,都可分为3个阶段:第1个阶段在150℃之前,属于纤维素样品中自由水的蒸发过程,仅为物理变化,失重率约3%;200~380℃之间是纤维素热降解的主要阶段,绝大部分失重都发生在此阶段,纤维素分子内的糖苷键发生断裂或重排,生成各种挥发性气体和高沸点小分子化合物;400℃之后为菌体、脂质蛋白以及前一阶段所生成小分子化合物的裂变及降解[27]。从DTG曲线可看出,对照组BC的最大失重速率温度(Tmax)为330.13℃,而添加10g/L甘油醛合成的改性BC的最大失重温度高达349.56℃,与对照组相比提高了近20℃,说明甘油醛的添加可改善纤维素的热稳定性。
2.8 力学性能分析
图7是产物的拉伸性能测试结果。由图7可以看出添加甘油醛后,产物的拉伸强度明显降低。之前有研究表明BC膜的拉伸性能与其结晶度有关,膜的结晶度越高,拉伸强度越大[28],本实验拉伸强度的变化趋势与结晶度的变化趋势相同,这与之前的研究结果相符。由图7还可看出改性BC干膜的断裂伸长率增加,未改性BC膜的断裂伸长率为5.07%,甘油醛的添加量为10g/L时,改性BC膜的断裂伸长率增加到7.11%,说明甘油醛的添加可以增强BC膜的韧性。
3 结论
细菌纤维素 篇5
磁性纳米复合材料是指通过适当的制备方法使有机高分子与无机磁性纳米颗粒结合形成具有一定磁性及特殊结构的复合材料。磁性纳米复合材料一方面继承了基质材料的优点, 如柔软性、质量轻、耐腐蚀等;另一方面磁性纳米粒子以其独特的超顺磁性与基质材料复合后使复合材料的整体性能得到很大提高, 如增强了磁性性能、改善了力学性能、提高了热性能、增强了耐磨性、提高了成型加工性等。随着现代科学技术的发展, 磁性复合材料已不限于其原有用途。磁性纳米颗粒因具有纳米颗粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使复合材料的多种电磁特性或物理特性发生变化, 故在很多领域具有应用前景。经特殊加工制成的各种磁性纳米复合材料正越来越广泛地应用于信息储存、彩色成像、铁磁流体、细胞分选、细胞治疗 (包括细胞标记、靶向和分离等) 及可控药物载体等诸多领域[1,2,3,4]。
1 细菌纤维素
细菌纤维素 (Bacterial cellulose, BC) 是一种具有多孔结构及一定孔径分布的新型纳米生物材料。细菌纤维素 (图1) 与植物纤维素结构非常相似, 都是由葡萄糖以β-1, 4-糖苷键连接而成的高分子化合物 (图2) , 但与植物纤维素相比, 细菌纤维素具有许多独特性质:①高化学纯度和高结晶度, 没有木质素、果胶和半纤维素等伴生产物[5];②独特的超细网状纤维结构, 其宽度为30～100nm, 厚度为3～8nm, 属纳米级纤维, 是目前最细的天然纤维, 其直径仅为人工合成纤维的1/10[6];③比表面积大, 具有比针叶木浆大200倍的比表面积, 氢键结合能力强, 非常低浓度的细菌纤维素就可以很容易地粘结无机或有机粒子以及纤维[7];④极强的水结合性, 其内部有很多“孔道”, 有良好的透气、透水性能, 能吸收60～700倍于其干重的水分, 即有非凡的持水性, 同时具有高湿强度[8];⑤成膜性能良好, 干燥时细菌纤维素结合到纸页表面或成膜, 细菌纤维素膜的抗撕能力比聚乙烯膜和聚氯乙烯膜强5倍[9];⑥生物合成时性能的可调控性, 通过调节培养条件可得到化学性质有差异的细菌纤维素等[10]。
传统物理填充方法仅将磁性纳米颗粒通过物理填充进入细菌纤维素的纳米孔道, 而细菌纤维素所具有的精细三维立体网状结构、纳米级孔径使得铁离子很容易进入其多孔结构的内部, 从而可通过微纤表面大量的螯合基团作为纳米反应器, 再结合原位复合的制备方法将磁性纳米颗粒复合到膜材料中, 形成具有超顺磁性的膜材料。细菌纤维素作为一种环境友好、性能优越的纳米材料, 利用其独特的物理结构可以有效地抑制磁性纳米颗粒的团聚, 制备形貌与尺寸均一的磁性纳米颗粒, 从而获得优越的磁学性能。
2 原位复合制备原理
原位复合来源于原位结晶 (In-situ crystallization) 和原位聚合 (In-situ polymerization) 的概念, 是指材料中的第二相或增强相生成于材料的形成过程中, 它们不是在材料制备之前就有, 而是在材料制备过程中原位就地产生。原位生成的可以是金属、陶瓷或高分子等物相, 它们能以颗粒、晶须、晶板或微纤等显微组织形式存在于基体中。
细菌纤维素的超细纳米网状结构、纳米级“孔道”为金属离子 (如Fe2+、Ni2+、Zn2+等) 进入多孔结构的内部提供了通道[11], 且其孔径在纳米数量级, 大量的纳米级孔洞可作为模板使用。该模板具有高的生物适应性、良好的生物可降解性以及模板合成时性能和结构的可调控性。此外, 细菌纤维素含有的大量电负性的羟基和醚键通过正负电荷吸附将金属离子固定在细菌纤维素的纳米级微纤上[6,12], 再通过化学共沉淀、氧化还原反应等生成纳米级颗粒 (反应机理见图3) , 以该模板为基体进行复合可以控制合成具有预期特定形貌与尺寸的纳米材料, 从而得到具有优异性能的新型功能材料。
表1列出了现阶段研究较为成熟的采用原位复合法制备的细菌纤维素基纳米复合材料。制备的细菌纤维素基纳米复合材料因具有不同的功能, 可大大扩展细菌纤维素功能化的应用领域。此外, 还可以将通过原位复合制得的细菌纤维素基纳米复合材料中的细菌纤维素移除, 得到粒径分布均一、分散性好的磁性纳米颗粒, 改变或优化磁性纳米颗粒的性质。
3 磁性纳米复合膜的研究进展
细菌纤维素的超细纳米网状结构、纳米级孔径以及内部的“多重孔道”等可以有效地在超细微纤网络结构中稳定和分散易团聚的磁性纳米颗粒, 使其具有更加优异的磁学性能。Sourty等[10]在氮气保护下将细菌纤维素先浸入FeCl2·4H2O溶液, 再浸入NaOH溶液, 最后通入H2O2, 通过氧化沉淀的方法 (见式 (1) - (3) ) 成功地将纳米Fe3O4引入到细菌纤维素的精细网状结构上, 如此反复循环3～6次来增大纳米Fe3O4的复合量。从透射电镜 (TEM) 观察到所形成的纳米Fe3O4为针状或圆球的不规则形状 (图4) , 且由于Fe2+很容易被氧化成 Fe3+, 所以在反应过程中应加入少量的Fe来阻止Fe2+的氧化 (Fe3++Fe→Fe2+) 。
BC + Fe2+→ BC-Fe2+ (1)
BC-Fe2+ +2NaOH→ BC-Fe (OH) 2+2Na+ (2)
BC-Fe (OH) 2 + H2O2 →BC-Fe3O4 +H2O (3)
细菌纤维素微纤表面大量的螯合基团可作为“纳米”反应器, Vitta等[13]利用细菌纤维素所具有的精细三维立体网状结构、纳米级孔洞及表面羟基反应活性位点多等特点, 在细菌纤维素的三维网状结构中化学还原生成直径为10～60nm 的多边形/圆形镍纳米颗粒, 得到磁性纳米复合膜。室温下镍/细菌纤维素复合膜的磁滞回线明显地表现出铁磁相和超顺磁相, 这是由于在一些区域Ni的磁性受到Ni (OH) 2的影响。较小直径的Ni颗粒呈现完全的超顺磁性, 而团聚的Ni和Ni (OH) 2则呈现铁磁性。由于颗粒维数降低, 采用该方法制备的纳米Ni颗粒的居里温度为500K, 比大块的纯Ni要低得多, 且该磁性纳米复合膜可用于非生物领域的磁性印刷及生物领域的磁性组织支架。
目前利用细菌纤维素的模板效应原位复合制备出单一组分的无机纳米颗粒的相关报道较多, 但采用原位复合的方法在细菌纤维素的纳米网状结构中制备出两种不同的无机纳米颗粒赋予细菌纤维素多功能的纳米复合材料的报道还较少。Sureshkumar等[14]利用细菌纤维素的三维网状结构采用原位复合的方法先在细菌纤维素上复合了磁性纳米Fe3O4, 再利用多巴胺的自聚合作用在磁性细菌纤维素上形成一层聚多巴胺, 此后将其浸泡在AgNO3溶液中并利用聚多巴胺的强还原作用将Ag+还原成纳米Ag单质, 制备出负载纳米Fe3O4和纳米Ag的细菌纤维素膜材料。制备的磁性抗菌细菌纤维素膜材料不仅呈现出超顺磁性, 而且对革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌都呈现出良好的抗菌效果。此磁性纳米银细菌纤维素膜无需在高温下就可以达到良好的抗菌效果。他们选用聚多巴胺作为Ag+的还原剂, 节约成本、成分单一、反应条件温而且不含有毒元素, 对环境无害。由于银纳米颗粒具有微量作用效应, 即微量的银颗粒就可以抑制细菌的繁殖或具有杀菌作用, 由该方法制备的磁性抗菌细菌纤维素膜有望应用于生物医用领域。此外, 银纳米颗粒对纯化消毒水也同样有效, 有望应用于水进化及水处理领域[15]。
纳米尺寸的Fe3O4粒子表面的失配原子比例很大, 造成粒子间化学键合力、范德华力等作用强烈, 又由于Fe3O4的超顺磁性使得粒子间还存在强烈的库仑力, 这些粒子间强烈的相互作用力使得在不做任何处理的条件下制备的Fe3O4团聚严重。Fe3O4纳米粒子原始平均粒径为10～20nm, 团聚后的粒径可达50～100nm。磁性颗粒间的磁性作用导致颗粒团聚, 从而大大降低了纳米复合材料的磁性性能, 如何有效地控制颗粒团聚并提高磁性纳米颗粒的复合量成为研究热点。Olsson等[16]采用原位复合的方法制备出纳米CoFe2O4质量分数高达95%的磁性细菌纤维素膜 (图5为其制备原理示意图) , 该研究有效利用细菌纤维素的三维纳米网状结构解决了磁性纳米颗粒的团聚问题, 增大了复合材料中磁性纳米颗粒的复合量 (图6为纳米CoFe2O4质量分数为70%、80%、95%的扫描电镜图) 。该磁性细菌纤维素膜克服了无机纤维膜脆性大的缺陷, 承袭了细菌纤维素良好的力学性能, 有望作为电子设备中的传动装置, 且湿态下的该磁性细菌纤维素膜依旧保持了非凡的保水性能和高湿强度, 可以吸收超过自身干重95%的水分。此方法为工业化规模生产纳米细菌纤维素复合材料提供了有利途径。
原位复合反应常根据磁性纳米颗粒团聚的机理引入不同的条件以改善纳米粒子之间的团聚现象, 目前最主要的防止磁性纳米粒子团聚的方法有两种:一种是引入超声场的影响, 利用超声的空化效应防止纳米颗粒团聚[17,18];另一种是加入分散剂 (多为表面活性剂) , 利用分散剂的包覆作用使纳米粒子间存在位阻效应, 改善团聚现象[19], 如PEG[20]、油酸钠[9]、PVA[21]等。Mo等[22]利用超声场作用产生的空化泡在纳米Fe3O4颗粒的表面径向上会产生非线性振动, 这种非线性振动会向四周辐射球面波, 当球面波与微粒相互作用时便会引起显微涡旋。每个显微涡旋都可以实现对反应液的均匀搅拌, 从而消除反应体系的浓度不均, 使核粒同步生长, 大大改善纳米Fe3O4的团聚现象。超声的空化效应在促进晶核形成的同时也控制晶核的长大, 这为以细菌纤维素为基材原位复合分布均匀、尺寸均一的Fe3O4纳米粒子提供了可能。Xu等[23]在共沉淀体系中加入PEG, 生成的Fe3O4纳米粒子会与PEG通过氢键、偶极子的弱静电引力等产生相互吸附, 在Fe3O4纳米粒子表面形成包裹层, 使纳米粒子间形成空间位阻效应而互相排斥, 减弱了Fe3O4纳米粒子的团聚现象, 使Fe3O4纳米粒子在BC膜上的团聚现象得到改善。
Zhou等[24]以NaOH/尿素溶解再生纤维素形成的纤维素溶液为反应体, FeCl2/FeCl3的混合溶液为前驱体, 采用原位复合的方法制备出再生纤维/Fe3O4纳米复合膜。采用此方法制备的纳米Fe3O4均匀分布在再生纤维素的微孔中, 颗粒直径在32～64nm范围内, 纳米Fe3O4的含量可以到达39%, 且磁性膜具有超顺磁性, 饱和磁化强度为4.2～21.2 emu/g, 且发现随着纳米Fe3O4含量的增加, 磁性膜在水平和垂直方向上呈现明显的磁各向异性。Liu等[25]也采用NaOH/尿素溶解纤维素形成纤维素溶液后再将其制成膜, 考察了FeCl2/FeCl3前驱体混合溶液的浓度对所形成的纳米磁性γ-Fe2O3形貌及尺寸的影响。结果显示, 前驱体溶液的浓度对合成的γ-Fe2O3颗粒的形貌及尺寸几乎无影响;48nm宽、9nm厚的薄片状纳米γ-Fe2O3不规则地分布在纤维素中;合成的纳米γ-Fe2O3虽然铁磁性较弱, 但呈现出较明显的磁各向异性并提高了磁性膜的力学强度。
将磁性纳米粒子与纤维素复合制备磁性纳米纤维素复合材料, 采用造纸方法制造磁性纸, 赋予其磁响应、防伪、电磁波屏蔽等功能, 对开拓纤维素应用领域、增加纸张新品种非常重要[26]。Marchessault等[27,28,29]提出了原位复合法, 利用纤维中可进行阳离子交换的基团与亚铁离子、铁离子发生交换, 然后再通过水解和氧化, 转化为纳米级磁性γ-Fe2O3、Fe3O4或CoFe2O4, 并引入到纤维的空腔或无定形区中, 生成的磁性颗粒在纤维中所处位置受制于原来纤维中能进行阳离子交换基团的位置。该磁性材料不仅继承了基底纤维素纤维优良的韧性和强度, 并且由于复合了纳米级磁性γ-Fe2O3、Fe3O4或CoFe2O4而具有超顺磁性, 此方法可以有效调控磁性粒子尺寸及复合量。
4 应用领域与展望
利用细菌纤维素的孔径为纳米数量级、大量的纳米级孔可作为“模板”反应使用的结构特点, 采用原位复合法制备的磁性复合膜材料继承了基质细菌纤维素的优良韧性, 克服了无机纳米纤维[30,31]脆性大的缺点, 且磁性纳米粒子以其独特的超顺磁性与细菌纤维素复合后使复合材料的整体性能得到很大提高, 如改善了力学性能、提高了热性能及增强了磁学特性等。磁性纳米复合膜作为一种功能膜材料, 除了柔韧质轻、加工性能优越外还具有磁记录、磁分离、吸波等磁学特性, 在功能性记忆材料、膜分离材料、隐身材料、微波通信材料等多种军事、商业、民用领域具有重要用途。
细菌纤维素基磁性纳米复合材料具有较广阔的应用前景。一方面细菌纤维素的制备将现代生物分离纯化技术融入到传统发酵工艺中, 保证了产品的高品质和稳定性, 通过原位复合的方法可以制备出细菌纤维素基磁性纳米复合材料, 实现低成本、高附加值细菌纤维素的批量生产;另一方面细菌纤维素的精细三维立体网状结构、纳米级孔径、比表面积大、表面羟基反应活性位点多的特点可以有效控制磁性纳米颗粒的团聚, 提高磁性纳米颗粒在细菌纤维素中的分散性能, 从而使复合物的电学、磁学及热稳定性等得到较明显的改善。目前, 细菌纤维素基磁性纳米复合材料的研究热点是制备颗粒均匀分散、兼具多种功能的细菌纤维素基磁性纳米复合材料。未来磁性纳米颗粒/细菌纤维素复合材料的开发领域主要集中在磁敏传感器、磁敏开关、磁性药物靶向传递、电磁屏蔽、重金属处理等诸多方面。
摘要：细菌纤维素作为一种新型的生物纳米材料, 不同于植物纤维素, 其较高的比表面积、精细的三维纳米网状结构和表面大量的活性反应位点可以作为“模板”反应使用, 通过原位复合的方法可有效地控制、合成具有预期特定形貌与尺寸且分布均匀的磁性纳米复合材料, 从而获得良好的综合性能。从细菌纤维素作为“模板”制备功能化材料的机理出发, 归纳总结了近年来细菌纤维素基磁性材料的研究进展, 着重归纳了解决磁性膜材料的颗粒团聚问题的方法, 并展望了细菌纤维素基磁性材料的发展趋势。
细菌纤维素 篇6
1 细菌纤维素的结构及其特性
细菌纤维素是葡萄糖以β-1, 4 糖苷键链接而成的高分子化合物, 其结构与植物纤维素相似。但是, 与植物纤维素相比, 细菌纤维素不含半纤维素、木质素等其他杂质, 是由100%的纤维素组成, 具有较高的纯度和结晶度, 而且提纯过程简单。该纤维是由直径为3~4 nm的微纤先组合成40~60 nm的纤维束, 然后纤维束相互交织成发达的超精细网络。
2 细菌纤维素的应用
2.1 在食品中的应用
由于细菌纤维素具有亲水性、持水性、黏稠性、凝胶性、稳定性和完全不被人体消化等特点, 所以, 它作为食品基料被应用于肉制品、乳制品、饮料和果冻等食品中。
2.1.1 在椰果方面的应用
椰果又被称为椰纤果、椰子纳塔和高纤椰果, 它是通过微生物的液态发酵在液体表面形成的凝胶膜状物, 主要成分是纤维素。其外形与嫩椰肉很像, 并且最常用的发酵原料是椰子汁, 因此, 在国内又被称为“椰果”, 在国外被称为“Nata”。椰果持水性好, 呈半透明凝胶状, 口感爽滑、脆嫩、细腻而富有弹性, 常以块状或类似于果肉的形状加入果冻、饮料和罐头等食品中, 深受消费者的喜爱。
2.1.2 在乳制品中的应用
将细菌纤维素添加到酸奶中, 可以改善酸奶的品质, 提高酸奶的保健功能。付莉等人将细菌纤维素捣碎后加入牛奶中发酵制作酸奶时发现, 与普通酸奶相比, 加入细菌纤维素的酸奶口感顺滑, 凝固状态也有了很大的改善。罗玲泉等人将芦荟和椰果两种颗粒结合起来, 利用两种颗粒中的营养价值和保健等互补优势开发了一款双果型果粒酸乳, 优化配方后得到了最佳感官品质和稳定性很好的产品。张基亮等人研究发现, 细菌纤维素能提高肥胖小鼠血清中高密度脂蛋白胆固醇的数值, 降低甘油三酯、总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇的数值。由此可知, 细菌纤维素具有减肥和预防肥胖并发症的作用。另外, 在制作酸奶时, 按照牛奶质量的3%添加平均粒径为0.1 cm的细菌纤维素颗粒, 可以很好地改善酸奶的弹性、内聚性等, 同时, 细菌纤维素还可以帮助营养性肥胖型小鼠减肥, 有很好的实用效果。
因为细菌纤维素具有很多特点, 所以, 将其加入冰淇淋中可以提高其抗融性和融化特性, 增强其保鲜度。薛璐等人研究发现, 细菌纤维素可以替代黄原胶、卡拉胶等稳定剂添加到冰淇淋中, 从而有效地改善冰淇淋的口感, 使其散发出香甜味。另外, 细菌纤维素冰淇淋的抗融性和融化特性比较理想, 融化率为21.7%, 膨胀率为67%.邵伟等人将细菌纤维素作为主要原料加工制成风味独特、富含细菌纤维素的冰淇淋, 不仅有利于其凝固和保鲜, 还提高了其抗融性, 减少了其热量, 增强了其适口感和滑腻感。另外, 周剑忠等人研究发现, 当细菌纤维素在冰淇淋中的添加量为1 kg/t (干重计) 时, 其开始融化的时间明显比用海藻酸钠、明胶、瓜尔豆胶、黄原胶和羧甲基纤维素等单体胶制成的冰淇淋晚。由此可知, 细菌纤维素能够有效提高冰淇淋的抗融性和抗热冲击性, 防止冰淇淋在贮藏过程中收缩、变形。
2.1.3 在饮料中的应用
因为细菌纤维素具有独特的性质, 所以, 常常被应用在饮料制作的过程中。通过对茶叶提取液进行细菌纤维素发酵, 饮品中不仅保留了茶叶原有的营养成分, 还产生了许多对人体有益的细菌纤维素, 进一步增强了茶饮料的保健作用。邵伟等人将巴氏醋杆菌、保加利亚乳杆菌和啤酒酵母按照2∶1∶1 的比例混合发酵制备细菌纤维素绿茶发酵饮料, 在32 ℃下发酵6 d, 发酵液澄清、透明, 酸甜可口, 而且制作工艺简单, 生产成本低。
2.1.4 在肉制品中的应用
因为细菌纤维素不能被人体消化, 所以, 它成为了很好的脂肪代替品。应用它不仅可以减少产品中的热量, 还能提高其保健功能。薛璐等人研究发现, 用大豆乳清发酵获得的细菌纤维素可以部分, 甚至完全替代肉肠中的肥肉, 而用细菌纤维素制作的肉肠, 其外观和口感等与普通肉肠没有明显差别, 但热量却减少了28%~56%.将卡拉胶与细菌纤维素配合使用, 可以使肉肠有更好的口感和组织状态。另外, 邵伟将细菌纤维素添加到发酵香肠中, 不仅改善了其口感, 还增强了其保健功能。由此可知, 新品香肠具有一定的市场开发潜力。
2.2 在面膜中的应用
随着社会经济的发展, 人们对美的要求也越来越高, 特别是女性, 越来越重视个人肤质的保养, 而面膜已经成为了常见的护肤品之一。面膜是涂或敷于人体皮肤表面, 经过一段时间后揭离、擦洗或保留, 能起到集中护理或清洁作用的产品。根据面膜的材质, 可将其分为粉末调和面膜、高岭土面膜、无纺布面膜和蚕丝面膜。由于无纺布面膜和蚕丝面膜使用后直接揭离即可, 无需再清洁脸部, 所以, 它备受广大消费者的青睐。在贴式面膜中, 面膜的贴合度是判定美容效果的关键因素之一。
细菌纤维素呈精细的三维网状结构, 具有极强的亲水力和持水能力、良好的生物相容性、生物可降解性、无污染等特点, 所以, 可将其作为面膜的载体。含有细菌纤维素的面膜与无纺布面膜、蚕丝面膜相比, 对亲水性小分子的吸附能力要求比较高, 对疏水性小分子的吸附能力要求比较低;1.0~1.5 mm厚度的细菌纤维素膜在20~30 min内的传递效果最好, 能将较多的营养物质输送到皮肤, 具有较强的功效性。因此, 在制备面贴膜时, 含有细菌纤维素的面膜的性能要优于其他材质的面膜, 它具有良好的应用前景。王蕾等人在BC面膜的基础上进一步研究了透明质酸—细菌纤维素生物面膜。该面膜为“上致密、下疏松”的双层结构, 比细菌纤维素和无纺布面膜更贴合, 而且不易变形, 能保有其孔洞结构, 抗拉力也比无纺布面膜好, 剥离强度则远远高于无纺布面膜, 面膜手感更柔软, 贴肤度和锁水力更强。
3 发展前景
目前, 我国相关单位主要是将细菌纤维素作为椰果应用在食品中, 它在其他方面的应用还处于初步发展阶段, 工业化生产中还面临很多问题。另外, 我国细菌纤维素产量低、成本高、品种少, 这严重制约了其产业化发展。因此, 相关部门要加大这方面的研究力度, 增加资金投入, 以实现细菌纤维素产品的产业化发展, 有效提高细菌纤维素的经济价值和社会价值。
摘要：细菌纤维素是一种新型纳米材料, 它具有超强的持水性和透水、透气性, 而且抗拉强度大, 凝胶性能好, 稳定性高, 不容易被人体消化、吸收, 有较强的生物适应性和生物可降解性, 因此, 它被广泛应用于食品、化妆品、纺织和医用材料等各个领域。简要介绍了细菌纤维素在食品和面膜中的应用情况, 以期为日后的相关工作提供参考。
一株产纤维素酶细菌的筛选鉴定 篇7
关键词：产纤维素酶细菌,筛选,鉴定
纤维素是自然界中所有植物的主要组分,由于其存在很多的高能氢键难以水解,因此很难被人类或动物直接利用[1]。纤维素酶是能够降解纤维素生成葡萄糖的一类酶的总称,是一个由多种水解酶组成的复杂酶系[2]。
纤维素酶已被应用到饲料加工业中,用于纤维素物质的预处理,如谷物的去壳,青贮饲料的处理等,从而提高动物的消化能力[1]。但由于其加工、纯化工序繁杂,成本较高,因而影响了它在饲料工业中的广泛应用。
目前对产纤维素酶菌株筛选方面的研究较多,但多为霉菌,由于霉菌为好氧型微生物,而饲料发酵大部分是在厌氧环境中进行的,不利于霉菌的应用[3]。因此对兼性厌氧型产纤维素酶的细菌进行研究是很重要的[4]。本文旨在报道一株产纤维素酶细菌的筛选、鉴定,以期能应用到青贮饲料的制作中。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 实验材料
新疆乌苏窖藏两年以上且未加任何添加剂的青贮饲料,材料柔软、松散、较完整,未发现有霉变,呈淡黄色,pH 3.8左右。
1.1.2 试剂
DNA Marker、CTAB购自大连宝生物工程有限公司,琼脂糖(Biowest Agarose)购自上海生物技术有限公司;SDS、EB购自Sigma公司;溶菌酶(Lysozyme)购自上海生物工程有限公司;琼脂糖(Biowest Agarose)购自北京三博生物工程有限公司;其它化学试剂均为分析纯。
1.1.3 仪器
SPX-250型生化培养箱(上海跃进医疗器械厂);SW-CJ-2FD型双人单面净化工作台(苏州净化),MLS-3020高压蒸汽灭菌锅(新德医疗器械有限公司);DK-8D电热恒温水槽(上海精宏实验设备有限公司);pHS-3C酸度计(上海雷磁仪器厂); TV lens C-0.45X显微成像仪(日本Nikon);E360K离心机(德国eppendorf);,AEL-160岛津电子天平(日本岛津自动化设备有限公司);Mastercycler ep PCR仪(德国Eppendorf)。
1.1.4 培养基
(1)筛选培养基
蛋白胨10g,氯化钠10g,酵母粉5g,羧甲基纤维素钠10g,琼脂15g,水1 000ml,调pH至6.0,121℃高温灭菌25min。
(2)摇瓶产酶培养基
蛋白胨10g,氯化钠10g,酵母粉5g,羧甲基纤维素钠10g,水1 000ml,调pH至6.0,121℃高温灭菌25min。
(3)斜面保藏培养基(LB琼脂培养基)
蛋白胨10g,氯化钠10g,酵母粉5g,琼脂15g,水1 000ml,调pH至6.0,121℃高温灭菌25min。
1.2 方法
1.2.1 初筛
称样品1g,加入到一个盛有99mL无菌水带有玻璃珠的三角瓶中,将样品充分打散、混匀,即成10-2稀释液,然后再按10倍稀释法依次稀释成10-3、10-4、10-5、10-6的稀释液。取10-4、10-5、10-6三个稀释度各0.1mL涂筛选平板(各2个重复),37℃培养箱倒置培养24h,长出的菌落反复转接几次筛选平板后,挑取长势优良的单菌落接入斜面保藏培养基备用。
1.2.2 刚果红染色鉴定法[5]
将分离到的菌株活化后点种于筛选培养基平板上并编号,37℃恒温倒置培养2d,用1mg/mL的刚果红溶液浸染1h,再用1mol/L的NaCl溶液脱色1h,倒入1mol/L的盐酸使背景呈蓝色而使透明圈更加明显(各2个重复)。依据菌落直径与透明圈直径的比值大小筛选产酶菌株。
1.2.3 摇瓶复筛
将不同直径的水解CMC-Na透明圈菌株分别接人50mL(250mL三角瓶)摇瓶产酶培养基内(各2个重复),在37℃、200r/min连续发酵培养,测定其CMC酶活力[6,7]。
1.2.4 羧甲基纤维素酶(CMC酶)活力测定
参照NY/T 912-2004 测定饲料添加剂纤维素酶活力[8]。
酶活定义:在温度50℃、pH 6.0条件下,每分钟由底物降解释放1μmol还原糖所需的酶量定义为一个酶活单位(U)。
1.2.5 菌种鉴定方法
根据形态观察和生理生化检测进行初步鉴定[9]。
用16S rDNA序列比较法进行分子鉴定[10]。具体方法是先用摇瓶产酶培养基培养待鉴定菌株2d,离心收集菌体,抽提菌株的总DNA,用16S rDNA通用引物进行PCR扩增,产物回收纯化后,进行DNA序列测定,将所测得的序列与Genebank中的16S rDNA序列进行Blast分析比较。
引物序列为:XJ1:5'-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3'
XJ2:5'-AAGGAGGTGATCCAGCCGCA-3'
PCR反应程序设计为:95℃、4min,94℃、1min,56℃、1min,72℃、1.5min,30个循环后,72℃延伸8min,4℃保存。
2 结果与分析
2.1 菌株的筛选
菌株经筛选平板反复转接几代仍能正常生长,则说明其可以利用CMC-Na为惟一碳源,具有一定的降解纤维素能力。挑出生长良好的单菌落点种筛选平板,根据刚果红染色后形成的水解圈直径和菌落直径的比值,获得具有产纤维素酶能力的菌株6个(表1)。其中ws-6菌株产生的透明圈大而清晰,直径比达24∶5(图1),将此菌株初步确定为高产纤维素酶菌株。
2.2 ws-6菌株产纤维素酶能力的验证
将筛选得到的菌株制备摇瓶液体种子,然后接入到液体产酶培养基中,37℃、200r/min发酵培养2～3d后测定CMC酶活力,结果表明ws-6菌株纤维素酶活明显高于其他菌株,达2.55U/mL,该结果验证了ws-6菌株分泌CMC酶能力较强,具有进一步研究开发价值。
2.3 菌株的鉴定
2.3.1 菌株的形态观察
经观察ws-6菌株的菌落呈淡黄色、不透明,表面干燥、不光滑,中间呈褶皱、隆起,边缘不整齐,老化后菌落表面成淡红色(图2)。
菌体呈长杆状,具圆端,成对排列,运动,周生鞭毛,中生芽孢,但芽孢形成率较低,且芽孢椭圆形,孢囊不膨大,繁殖方式为二等分裂(图3)。格兰氏染色呈阳性。根据伯杰氏手册初步鉴定该菌为芽孢杆菌。
2.3.2 菌株的生理生化鉴定
芽孢杆菌的个体微小,形态特征简单,单凭形态特征不能达到鉴定目的,必须借助生理生化特征进一步鉴别,由于芽孢杆菌对各种生理生化实验的反应不同,显示出各类酶系不同,因此,结果也比较稳定,可作为鉴定的重要依据。ws-6菌株的生理生化特征见表2。
注:表中“+”表示鉴定反应呈阳性,“-”表示鉴定反应呈阴性。
2.3.2.1 最适生长pH值的确定
将ws-6菌株点种到pH值分别为4.0、5.0、6.0、7.0、8.0的LB琼脂培养基上,37℃恒温培养2d,观察菌株的生长情况并测量各平板上菌落的直径(表3)。观察结果该菌在pH 4.0的平板上生长缓慢,有明显的迟滞期,而在pH 5.0～8.0的平板上生长良好,表明ws-6菌株在pH 5.0～8.0的条件下生长,其最适生长pH值为5.0～7.0,是一种嗜酸菌。
2.3.2.2 最适生长温度的确定
将ws-6菌株转移到pH 6.0的LB琼脂培养基上,分别于30、35、40、45、50、55、60℃条件下恒温培养2d。观察到该菌能在30～55℃ 的环境下生长,其最适生长温度为35℃左右。
2.3.2.3 对氧气的需求
通过LB琼脂培养基穿刺培养观察,ws-6菌株在穿刺管中各处均有生长,说明该菌株属兼性厌氧菌。
2.2.7 分子鉴定
ws-6菌株的16S rDNA 的PCR结果见图3,由第二泳道为PCR扩增产物,PCR扩增所产生的DNA片段为单一的谱带,片段大小约为1.5kb,表明扩增产物无明显非特异性扩增现象。
ws-6菌株的16S rDNA测序结果如下:
CAGATGGGAGCTTGCTCCCTGATGTTAGCGGCGGACGGGTGAGTAACACGTGGGTAACCTGCCTGTAAGACTGGGATAACTCCGGGAAACCGGG
GCTAATACCGGATGCTTGATTGAACCGCATGGTTCAATTATAAAAGGTGGCTTTTAGCTACCACTTACAGATGGACCCGCGGCGCATTAGCTAGT
TGGTGAGGTAACGGCTCACCAAGGCAACGATGCGTAGCCGACCTGAGAGGGTGATCGGCCACACTGGGACTGAGACACGGCCCAGACTCCTACG
GGAGGCAGCAGTAGGGAATCTTCCGCAATGGACGAAAGTCTGACGGAGCAACGCCGCGTGAGTGATGAAGGTTTTCGGATCGTAAAACTCTGTT
GTTAGGGAAGAACAAGTACCGTTCGAATAGGGCGGTACCTTGACGGTACCTAACCAGAAAGCCACGGCTAACTACGTGCCAGCAGCCGCGG
通过在Genebank上进行BLAST比对分析,该序列与Bacillus licheniformis ATCC14580的同源性最高,为99%,进一步鉴定该菌为地衣芽孢杆菌。
3 讨论
本研究从新疆乌苏窖藏饲料中筛选到一株产纤维素酶能力较强的菌株,编号为ws-6,经过鉴定证实该菌株为地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)。目前的研究以地衣芽孢杆菌生产蛋白酶、淀粉酶的居多[11,12,13],产纤维素酶的研究较少,而本研究在菌株的筛选过程中发现该菌株对纤维素有较强的降解作用,在较低的pH值条件下生长良好,且兼性厌氧,有望将其应用到青贮饲料的制作过程中,提高青贮饲料的营养价值。
