（微生物学专业论文）细菌纤维素产生菌株的筛选及其产物鉴定.pdf

_ | 一 1i ： 水解液中的物质主要是葡萄糖，并将其乙酰化后用g c m s 鉴定其产物为葡萄糖醇 乙酸酯，进一步确定酸水解后的产物主要是葡萄糖；经f t - i r 鉴定两种菌株所产 生的膜中可能存在的有机基团有：一o h 、c h 2 、c h 、c o 等，这与标准纤维素的 结构相一致，因而证实此化合物是纤维素；经x r d 鉴定两种菌株所产生的膜的 晶体结构属于纤维素i 型，结晶指数分别为8 8 6 0 和8 9 4 6 ，证明此膜具有较高 的结晶度；通过c p m a s l 3 c - n m r 测出了发酵产物各个碳原子的位移，c l 在 1 0 3 3 5 p p m 处，c 2 、c 3 和c 5 在6 5 7 1 p p m 之间，c 4 在8 7 4 0 p p m 处，c 6 在6 3 5 3 p p m 处，这也与纤维素的标准1 3 c 谱相符，每个葡萄糖之间以b 一1 ，4 糖苷键将连接。基 于以上试验，可以鉴定m 3 和c 一7 菌株所产生的凝胶膜为细菌纤维素。 3 产物性质是通过吸水性及复水性、抗拉伸强度、热重分析、阻菌试验、对 c u 2 + 的吸附等方法测定。结果表明，m 3 湿膜的含水率为9 9 1 ，c 7 湿膜的含 水率为9 9 3 ；m 3 膜的复水率为7 8 ，c 一7 膜的复水率为8 1 ；细菌纤维素的 力学性能很高，具有较高的拉伸强度，其中m 一3 膜的抗拉强度为6 7 1 1 m p a ，c 3 膜的抗拉强度为3 7 6 3m p a ；通过热重分析得到m 3 膜和c 7 膜的热重曲线均一 致，其最大失重速率温度是3 0 9 7 3 ，升温至8 8 0 时，细菌纤维素的质量失重率 为8 0 6 1 ，这表明m 3 膜和c 一7 膜的热稳定性均较强；阻菌试验表明m 3 膜和 c 7 膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都有很好的阻菌效果；在对c u 2 + 的吸附中， m 3 膜的最大吸附量为8 5 5 7 7m g g ，c 一7 膜的最大吸附量为1 6 7 3m g g ，这表明细 菌纤维素对c u 2 + 有很高的吸附效果，m 一3 膜的吸附效果较好，这主要是由于m 3 膜的表面粗糙度大，因此膜表面吸附c u 2 十的可能性增加，而且m 一3 膜的孔径比c 一7 膜的要小，使已经吸附的c u 2 + 更不容易洗脱下来。 关键词：细菌纤维素，菌株筛选，鉴定，理化性质 l b a c t e r i a lc e l l u l o s e ( b c ) i sp r o d u c e de f f e c t i v e l yb ys o m em i c r o b e s i t sas u p e r m i c r o s c o p i cf i b e rn e tw i t hh i g hp u r i t y t h ec h a r a c t e ro fb a c t e r i a lc e l l u l o s ei sm o r e s u p e r i o rt h a n b o t a n i c a lc e l l u l o s e i t d i s p l a y su n i q u ep r o p e r t i e si n c l u d i n gh i g h c r y s t a l l i n i t y , h i g hw a t e rh o l d i n gc a p a c i t y , c o n t r o l l a b l ed u r i n gt h ec o u r s eo fb i o s y n t h e s i s a n dh i g hm e c h a n i c a la n ds oo n t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sm a k eb ch a v es p e c i a la p p l i c a t i o n a tp r e s e n t ，b ch a sb e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e d t of o o d p r o c e s s i n g ，b i o c h e m i c a l e n g i n e e r i n gd o m a i n ，m e d i c a ld o m a i na n dp a p e rp r o c e s s i n g n o w a d a y sb ch a sb e e no n e o ft h em o s ta c t i v et o p i c si nt h em a t e r i a l sf i e l d h o w e v e r , c o m p a r a t i v e l yh i g hc o s tg i v e s o m er e s t r i c t i o no ni t sa p p l i c a t i o n d o m e s t i cr e s e a r c ho nb cm o s t l yr e s t so nt h el e v e lo f l a b ，w h i c hl a g sb e h i n df a ra w a yf r o ma b r o a d i no r d e rt oi m p r o v et h ey i e l do fb ca n d r e d u c ei t sc o s t ，t w os t r a i n ( m 一3 ，c - 7 ) w i 廿ll l i g hy i e l do fb cw a si n i t i a l l ys e l e c t e df r o m r o t t e nf r u i t sa n dv i n e g a ro nw h o s es u r f a c eg r e wm u c ht h i c k e rm e m b r a n e t h et w o s t r a i n sa r ei d e n t i f i e dg l u c o n a c e t o b a c t e rh a n s e n i ia n da c e t o b a c t e ra c e t ir e s p e c t i v e l y a f t e rt os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et w os t r a i n s a tt h es a m et i m ei t s p r o d u c ti s i d e n t i f i e da n ds o m ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e sa l er e s e a r c h e d t h er e s u l t sa r e s h o w e da sf o l l o w s ： 1 f r o mr o t t e nf r u i ta n dv i n e g a ro nw h o s es u r f a c eg r e wm e m b r a n es e l e c t e dt w o b a c t e r i a lc e l l u l o s ep r o d u c t i o ns t r a i n sn a m e dm 3a n dc - 7w i lh i g h e ry i e l da n ds t a b l e p r o p e r t y m 3 w a si d e n t i f i e dg l u c o n a c e t o b a c t e rh a n s e n i ia n dc - 7w a si d e n t i f i e d a c e t o b a c t e ra c e t i a c c o r d i n gt o t h e r e s u l t so f16 s r d n as e q u e n c ea n a l y s i sa n d m o r p h o l o g i c a l ，p h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s 2 p r o d u c ti d e n t i f i e db ys e ma n da f m ，e l e m e n t sa n a l y s i s ，h p l c ，f t - i r ，g c m s ， x r da n dc p m a s l 3 c - n m r , t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a t ：s e ms h o w e dt h a t b a c t e r i a lc e l l u l o s ei san e t w o r kf o r m e db ym i c r o f i b e rb u n d l er e l a t i o n a lt w i s t i n g ，t h i s i i i 一 黑龙江大学硕士学位论文 s 仃u c t u r ed e t e r m i n e db a c t e r i a l c e l l u l o s ep o s s e s ss t r o n gh y d r o p h i l i c i t y ，b a t t e rw a t e r p e r m e a b i l i t ya n da b s o r b a b i l i t yp r o p e r t i e s ；a f mr e s u l t ss h o w e dc 一7s t r a i n sp r o d u c e d m e m b r a n er o u g h n e s si s1 2 4 5 3 ，l a r g e s tp o r es i z ei s2 2 5 1 5 n m ，m - 3s t r a i n sp r o d u c e d m e m b r a n er o u g h n e s si s2 01 01 ，l a r g e s tp o r es i z ei s18 0 3 4 n m ，f r o mt h i sw ec a l ls e et h a t m 一3s t r a i n sp r o d u c e dm e m b r a n em o r er o u g h n e s s ，b u tp o r es i z ed i s t r i b u t i o ns m a l l e r 砥sm a k e sb a c t e r i a lc e l l u l o s eo na b s o r p t i o no fm e t a li o n si sg r e a t l yi n c r e a s e d ；t h e p r o d u c to fm - 3a n dc 7s t r a i n sc o n t a i nc ，h ，ot h r e ee l e m e n t sm e a s u r e db ye l e m e n t s a n a l y s i s ，cc o n t e n t sa r e4 3 4 5 a n d4 4 9 5 ，hc o n t e n t sa r e6 5 2 6 a n d6 7 5 7 ，o c o n t e n t sa l e5 0 1 2 a n d4 8 2 5 ，r e s p e c t i v e l y , m e e tt h ec ，h ，or a t i oo fb a c t e r i a l c e l l u l o s e ； a c i dh y d r o l y s i sm e m b r a n ep r o d u c e db yt h es t r a i n s ，t h es u b j e c ti nd i g e s t m a i n l yi sg l u c o s ev e r i f i e db yh p l c ，a n da f t e rt h ed i g e s ta c e t y l a t e du s i n gg c - m s i d e n t i f i e dt h e p r o d u c ti sg l u c o s ea c e t a t e ，f u r t h e rd e f i n e dt h ep r o d u c ta f t e ra c i d h y d r o l y s i st r e a t e dm a i n l yi sg l u c o s e ； t h et w os l r a l n sm e m b r a n em a yc o n t e n t o h ， 一c h e ，c h ，一c oo r g a n i cg r o u p si d e n t i f i e db yf t - i r , t h i si sc o n s i s t e n t 谢t l ls t a n d a r d s t r u c t u r eo fc e l l u l o s e ，s oc o n f i r m e dt h a tt h ec o m p o u n di sc e l l u l o s e ；mc r y s t a l s t r u c t u r eo ft h et w om e m b r a n ep r o d u c e db yt w os t r a i n sb e l o n g sc e l l u l o s et y p ei ， c r y s t a l l i z a t i o ni n d e xo fm - 3a n dc 一7a r e8 8 6 0 a n d8 9 4 6 r e s p e c t i v e l y , p r o v e st h a t t h et w om e m b r a n e sh a v eh i g hc r y s t a l l i n i t y ；( d t h ed i s p l a c e m e n to fi n d i v i d u a lc a r b o n a t o m so ff e r m e n t a t i o np r o d u c tw e r em e a s u r e db yc p m a s1 3 c - n m r ，c lp o s i t i o ni n 10 3 3 5 p p m ，c 2 ，c 3a n dc sp o s i t i o nb e t w e e n6 5 7 1 p p m ，c 4p o s i t i o ni n8 7 4 0 p p m ，c 6 p o s i t i o ni n6 3 5 3 p p m ，t h e s ea l s oc o n s i s t e n tw i t hc e l l u l o s es t a n d a r d1 3 cs p e c t r u m b a s e d o nt h ea b o v er e s u l t s ，c a ni d e n t i f i e dt h em e m b r a n e sp r o d u c e db ym 一3a n dc 一7i s b a c t e r i a lc e l l u l o s e 3 t h ep r o p e r t i e so fp r o d u c tm e a s u r e db yt e n s i l es t r e n g t h ，g r a v i t a t i o n a lt h e r m a l a n a l y s i s ，p r e v e n tb a c t e r i at e s t ，o nc u + a b s o r p t i o na n ds oo n t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e d t h a t ：( ) b a c t e r i a lc e l l u l o s ew i t hh i g hm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，p o s s e s sh i g h e rt e n s i l e s t r e n g t hm - 3m e m b r a n et e n s i l es t r e n g t h6 7 11m p a , c 一7m e m b r a n et e n s i l es t r e n g t h 1 v ! i a b s t r a c t iiiii 一ii i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i 3 7 6 3 m p a ； ) g r a v i t a t i o n a lt h e r m a la n a l y s i ss h o w e dt h a tg r a v i t a t i o n a lt h e r m a lc u r v eo f m 一3m e m b r a n ea n d c - 7m e m b r a n ea r e c o n s i s t e n c y ，t h em a xw e i g h t l o s sr a t e t e m p e r a t u r ei s3 0 9 7 3 * 2 ，h e a t i n gt e m p e r a t u r et o8 8 0 。c ，w e i g h tl o s sr a t eo fb a c t e r i a l c e l l u l o s eq u a l i t yi s8 0 61 ，t h o s es h o w e dt h a tm - 3m e m b r a n ea n dc 一7m e m b r a n e p o s s e s ss t r o n gt h e r m a ls t a b i l i t y ；p r e v e n tb a c t e r i at e s ts h o w e dt h a tm - 3m e m b r a n ea n d c 一7m e m b r a n ep o s s e s sb a t t e re f f e c tt op r e v e n tt h eg r o wt oe c o l ia n ds a u r e u s ；t h e r e s u l t so na b s o r p t i o no fc u + d e m o n s t r a t e dm a xa d s o r p t i o nq u a n t i t yo fm 一3m e m b r a n e i s8 5 5 7 7m g g ，m a xa d s o r p t i o nq u a n t i t yo fc 一7m e m b r a n ei s16 7 3 m g g ，t h i sc a n i n d i c a t e dt h a tb a c t e r i a lc e l l u l o s eh a sh i g h e re f f e c to na d s o r p t i o nt oc u 2 + ，t h ee f f e c to f m 一3i sb a t t e rt h a nc 一7 ，t h i si sm a i n l yb e c a u s em 一3m e m b r a n ep o s s e s sb i g g e rs u r f a c e r o u g h n e s st h a nc 7m e m b r a n e ，s op o s s i b i l i t yo fs u r f a c ea d s o r p t i o nt oc u 2 + m a y i n c r e a s e d ，a n dp o r es i z eo fm - 3m e m b r a n ei ss m a l l e rt h a nc 一7m e m b r a n e ，m a d et h e c u 2 + , w h i c ha l r e a d ya d s o r p t i v eh a r d e rt oe l u t ed o w n k e yw o r d s ：b a c t e r i a lc e l l u l o s e ，s c r e e n ，i d e n t i f y , p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s v 黑龙江大学硕十学位论文 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i i 第l 章前言1 1 1 纤维素分类1 1 1 1 植物纤维素1 1 1 2 动物纤维素2 1 1 3 细菌纤维素2 1 2 细菌纤维素产生菌株3 1 2 1 能够产细菌纤维素的微生物3 1 2 2 醋杆菌属的特点4 1 3 细菌纤维素的结构和性质4 1 3 1 细菌纤维素的化学结构4 1 3 2 细菌纤维素的晶体结构5 1 3 3 细菌纤维素的性质6 1 4 检测细菌纤维素晶体结构的方法一7 1 4 1c p m a s l 3 c n m r 分析纤维素碳骨架7 1 4 2 细菌纤维素结晶度测定8 1 4 3 细菌纤维素的i a 含量测定9 1 5 细菌纤维素在国内外的研究进展1 0 1 5 1 细菌纤维素在国外的研究进展1 0 1 5 2 细菌纤维素在国内的研究进展1 1 1 6 细菌纤维素的应用1 2 1 6 1 在食品中的应用一12 1 6 2 在医药中的应用1 4 1 6 3 在造纸工业中的应用1 5 目录 1 6 4 在声音振动膜上的应用1 6 1 6 5 在油田中的应用。16 1 7 本课题研究的目的意义及主要内容1 7 第2 章材料与方法1 9 2 1 材料1 9 2 1 1 菌种来源19 2 1 2 培养基19 2 1 3 主要试剂2 0 2 1 4 实验仪器2 0 2 2 试验方法2 l 2 2 1 产细菌纤维素菌株的筛选2 l 2 2 2 菌种鉴定2 2 2 2 3 细菌纤维素的鉴定2 4 2 2 4 细菌纤维素性质的测定2 7 第3 章结果与分析3 0 3 1 产细菌纤维素菌株的筛选3 0 3 2 菌种鉴定3 1 3 2 1 形态特征31 3 2 2 生理生化试验31 3 2 31 6 s r d n a 基因鉴定3 3 3 3 细菌纤维素的鉴定3 5 3 3 1s e m 和a f m 观察微观结构一3 5 3 3 2 元素分析所含元素3 7 3 3 3f t - i r 分析基本结构3 7 3 3 4h p l c 分析酸水解液中成分3 9 3 3 5g c m s 分析水解产物的单体成分4 0 3 3 ，6c p m a s l 3 c - n m r 分析纤维素碳骨架4 1 v t l l 黑龙江大学硕士学位论文 3 3 7x r d 分析晶体结构一4 3 3 4 细菌纤维素性质的测定4 4 3 4 1 持水性和复水性测定4 4 3 4 2 抗拉伸强度测定一4 4 3 4 3 热重分析最大失重速率温度和失重速率一4 5 3 4 4 阻菌试验4 6 3 4 5 对重金属离子的吸附能力测定一4 7 第4 章讨论一5 0 4 1 筛选方法与富集培养一5 0 4 2 粗糙度和孔径大小对细菌纤维素吸附效果的影响5 0 4 3 培养条件可使细菌纤维素的晶体结构发生变化5 l 4 4 高结晶度在细菌纤维素应用中的影响5 1 4 5 细菌纤维素的高持水性和复水性5 2 4 6 细菌纤维素的吸附性5 2 结论5 4 参考文献5 6 致谢6 2 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 3 独创性声明一6 4 第1 章前言 第1 章前言 纤维素是地球上最丰富的一类天然聚合物，是植物光合作用的主要产物之一， 长久以来，工业上用的纤维素主要是通过树木、棉花等植物光合作用合成，地球 上每年由植物产生的纤维素达几亿万吨，但是合成纤维素并不是植物所特有的功 能，人们发现某些微生物以异养方式比植物更高效、高纯地产出品质优异的纤维 素。这种由微生物产生的一类超微纯纤维素称为细菌纤维素( b a c t e r i a lc e l l u l o s e ， 简称b c ) l l 】o 从分子组成上来看，细菌纤维素是由d 葡萄糖以b 1 ，4 糖苷键连接而成的链状 多糖高分子化合物，它与植物纤维素化学组成非常相似，但具有纯度高、结晶度 高、聚合度高、吸水性强、抗张强度好和生物适应性强等独特的性质，还可在其 培养中或培养结束后进行修饰，如羟烷基化、硝基化和氨基甲酸酯化等多种接枝 共聚反应和交联反应，使化学性质高于其他纤维素。 随着对细菌纤维素的深入研究，如显微技术、x 射线衍射、核磁共振( c p 伦压a s 1 3 c - n m r ) 和电子衍射等在结构分析中的应用，对其生物合成机制的进一步了解 和发酵条件的改善，加速了细菌纤维素在工业中的应用。如今细菌纤维素己成功 地应用于食品、新型伤口包扎材料、人造皮肤、高强度纸、声学器材、化妆品、 膜滤器、具有环保性能的纸杯等领域。 1 1 纤维素分类 1 1 1 植物纤维素 植物纤维素是地球上最为丰富的多糖化合物，主要存在于植物中，它是植物 细胞壁的主要成份，起到支持和保护植物体的作用。天然的植物纤维素通常分为 木材纤维、草类纤维和韧皮纤维，常与木质素、半纤维素、树脂等伴生在一起2 1 。 黑龙江大学硕士掌何论文 与细菌纤维素一样，植物纤维素也是由很多d 葡萄糖以b l ，4 糖苷键连接而成 的线形大分子，其化学结构分子式为( c 6 h l 0 0 5 ) i l ，由c 、h 、o 三种元素组成。植 物纤维素不溶于水，但溶于浓盐酸和浓硫酸。植物纤维素不能被一般动物所直接 消化吸收，但能被若干微生物消化分解，对人类无营养价值，但有刺激肠道蠕动 的生理作用，故是膳食中不可缺少的成份。植物纤维素具有如下一些特点：没 有分支的葡萄糖单体聚合物；可反射、散热和吸收紫外线；具有良好的亲水 性；对紫外线的穿透度为零1 2 1 。造纸业和棉纺业中植物纤维素是主要的原料，经 过加工处理可以制造出人造丝和人造棉。 1 1 2 动物纤维素 动物纤维素又名为甲壳素，也是一种多糖类分子，在自然界中广泛存在于节 支动物虾、蟹、昆虫的外壳、低等生物藻类、菌类的细胞，软体动物的内壳和软 骨中，是地球上仅次于植物纤维的第二大生物资源1 3 j 。 甲壳素属于氨基多糖，学名为【( 1 ，4 ) 2 乙酰氨基一2 一脱氧一p d 一葡萄糖】，分子量 一般在1 0 6 左右，分子式为( c s i - 1 1 3 0 5 ) n ，有a 、b 、丫三种晶型，其中a 晶型在甲壳 素中存在最丰富，也最稳定【9 1 。甲壳素具有如下一些特点：可被溶解吸收；溶 于酸性溶液形成带正电的阳离子基因；因含有羟基、氨基等极性基因而吸湿性 很强；无毒副作用；可鳌合重金属离子作为体内重金属离子的排泄剂，故在 医药、食品、化妆品、农业、环保以及酶的固化载体等方面具有广泛的用途【3 j 。 1 1 3 细菌纤维素 细菌合成纤维素是在1 8 8 6 年由英国人b r o w n 首次报道的，可是却未被人们所 重视，后来人们经过大量研究发现细菌纤维素的化学结构虽然与植物纤维素是一 样的，但其宏观分子结构和某些特性要远高于植物纤维素，由此人们开始逐渐重 视起细菌纤维素在各方面上的应用。 细菌纤维素与植物纤维素的最大区别在于细菌纤维素是一种纯的纤维素，而 时无需考虑去除木质素，可合成特殊用途的纸张，或加工成任何形状的纺织物， 还可以通过发酵条件的改变控制合成不同结晶度的纤维素，从而可根据需求生产 不同用途的纤维质材料【4 1 。 1 2 细菌纤维素产生菌株 1 2 1 能够产细菌纤维素的微生物 目前所知能合成纤维素的微生物来自于九个细菌属的某些种，有醋酸菌属 口c e t o b a c t e r ) 、土壤杆菌属( a g r o b a c t e r i u m ) 、假单胞杆菌属( p s e u d o m o n a s ) 、无色杆 菌属( a e h r o m o b a e t e r ) 、产碱杆菌属似l c a l i g c n c s ) 、气杆菌属( a e r o b a e t e r ) 、固氮菌属 ( a z o t o b a e t e r ) 、根瘤菌属( r h i z o b i u m ) 和八叠球菌属( s a r c i n a ) ，另有研究发现葡糖杆 菌属中也存在产纤维素的菌株，葡糖杆菌主要出现在富糖环境中，而醋杆菌多存 在于在富醇的环境中1 5 。 不同的菌株中纤维素的作用和结构有所不同，在a c e t o b a c t e r x y i n u s 和s a r c i n a v e n t r i c u l i 中，纤维素在细胞受到机械破坏或化学损伤时对细胞有保护作用； r h i z o b i u m 和a g r o b a c t e r i u m 中纤维素则起着加速细胞粘附作用【6 】。这些菌产生的 纤维素质量和类型也有所不同。如a x y l i n u m 产生长的微纤丝，而r h i z o b i u m 和 a g r o b a c t e r i u m 则产生短纤维，p s e u d o m o n a s 和s a r c i n a 可分泌更多的无定形纤维 素 7 1 。 根据产纤维素菌株的特性，可在腐败的水果、蔬菜、醋及发酵饮料中进行样 品采集并加以富集筛选出产纤维素菌，进而进行传统的驯化( 如紫外诱变法、化学 诱变法、质子自杀法) 或者用基因工程方法加以改良，以期获得优良菌株。例如刘 四新等人从表面长膜的变酸黄酒中分离到菌株w 3 9 ，初步鉴定为醋酸杆菌属，以 黑龙江大学硕士学位论文 7 0 9 l 的蔗糖为碳源在椰子水中浅盘培养1 6 d 获得1 8 2 9 l 的纤维素( 湿重) 【8 】。熊强 等人从1 6 0 份国产和进口水果样品中分离出产量高且生产性能稳定的菌株f 一9 9 ， 经鉴定为葡萄杆菌属的一个种( g l u c o n o b a c t e r 够) 嘲。t o y o s a k i 等人从大量果实和 花中分离到一株能在搅拌培养条件下有效合成细菌纤维素b p r 2 0 0 1 ，在带摇瓶和 3 l 发酵罐中分别产纤维素4 4 9 l 和7 7 9 l 1 1 0 l 。 1 2 2 醋杆菌属的特点 目前能大批量工业化生产的是醋酸菌纤维素，菌种有木醋杆菌( a c e t o b a c t e r x y l i n u m ) 、醋化醋杆菌似c e o t o b a c t e ra c e t o 、汉氏醋杆菌( a c e t o b a c t e rh a n s e n i 0 和巴氏 醋杆菌( a c e t o b a c t e r p a s t u r i a n u m ) ，其中木醋杆菌似x y l i n u s ) 是最早发现也是研究较为 透彻的纤维素产生菌株，可以利用多种底物生长，是目前已知合成纤维素能力最 强的微生物菌株，也是研究纤维素生物合成过程和机制的模式菌株1 1 1 】。 醋杆菌属的特点是常联结成链状，为非运动性的专性好氧性细菌，它能在 2 一1 1 的醋酸的强酸性条件氧化乙醇。醋酸菌产生的纤维素是i 型，是由位于细 胞壁上的约有5 0 - - 8 0 个孔往外分泌纤维素，先由1 0 1 5 条直链多糖聚合成1 5 n m 的 胶状聚合物，然后再由上述聚合物形成走向与菌体长轴平行的纤维束，纤维束进 一步伸长，束间由氢键相互连接，多束合并形成一根长度不定的菌纤维丝带i l 2 。 早在1 9 4 0 年，人们就用电镜观察到细菌纤维素由独特的束状纤维的宽度大约为 1 1 0 0 n m ，厚度为3 - 8 n m ，直径一般为0 0 1 0 1 i m a ，每一束由许多微纤维组成，而微 纤维又与其晶状结构相判u 】。 1 3 细菌纤维素的结构和性质 1 3 1 细菌纤维素的化学结构 细菌纤维素和植物纤维素在化学组成和结构上没有明显的区别，都是由葡萄 糖以b l ，4 糖苷键连接而成的直链多糖，直链间彼此平行，不呈螺旋和分支结构， 第1 章前言 为了保持结构的稳定性，相邻的吡喃葡萄糖的6 个碳原子并不在一个平面上，而 是呈稳定的椅式立体结构( 如图1 1 ) ，数个邻近的直链多糖由分子链内与分子链 间的氢键作用而形成稳定的不溶于水的聚合物【1 4 】。 图1 - 1 纤维素的椅式结构 f i g l 1t h es t r u c t u r eo f b a c t e r i a lc e l l u l o s e 1 3 2 细菌纤维素的晶体结构 纤维素结晶结构中的结晶变体有五种类型，即纤维素i ，是天然存在的纤维 素形式，由x 。射线分析醋酸菌所产生的纤维素属于此类型；人造纤维纤维素n ， ，和纤维素x ，其中纤维素n 是纤维素i 经由溶液中再生或丝光化过程得到 的结晶变体。它们的化学成分相同但聚集态结构不同，致使纤维性质不同，可通 过n m r 、f t i r 、x r d 、电子衍射等先进技术手段检测证实。 d l v a n d e r h a r t 和r h a t t a l a 的研究发现，纤维素i 还存在着两种不同的形 式，即纤维素i n 和纤维素i b 。细菌纤维素中i q 型含量高于l b 型，由于k 型纤维素 的密度比i b 型略低，经温湿处理，i a 型纤维素会不可逆地转变为i p 型，因此可认 为i q 型属于亚稳态，这可能就是细菌纤维素生物适应性强，化学衍生性强，对纤 维素酶敏感和在环境中容易分解重要原因i l 副。 此外，细菌纤维素的结晶区也存在兀型纤维素，在低温、较粘的培养基、搅 拌培养以及某些变异菌株等情况下会出现i l 酬。2 0 0 3 年h i r a i 等报道木醋杆菌在不同 黑龙江大学硕十学位论文 温度下可分别产i 型和型纤维素。不同培养方式、菌株以及培养基等对细菌纤 维素的结晶度、晶粒尺寸以及i 口含量影响较大，细菌纤维素的结构差异必将引起 其性能和应用开发的差异【1 7 1 。 1 3 3 细菌纤维素的性质 虽然细菌纤维素和其他一些纤维素在化学性质上是相似的，但细菌纤维素作 为一种新型生物材料，具有许多其他纤维素所没有的性质。 1 3 2 1 超纯纤维网状 在电镜下可以观察到，细菌纤维素是由许多独特的微纤维丝所组成，当微纤 维丝被分泌至生长培养基中，聚集后就形成了以凝胶状菌膜表现出来的纤维素， 纤维膜中有被包埋的细胞【1 8 】。对细菌纤维素的处理过程只需通过稀碱液进行温和 的处理就可以除去培养基或细胞，最终获得纤维素含量高，不含木质素和其它细 胞壁成分的纯纤维素，而一般的植物纤维，必须在高温下，用浓碱进行强烈消化， 才能溶解除去紧贴纤维素的木质素、半纤维素等成分1 9 1 。 1 3 2 2 高结晶度 纤维素的结构有结晶区和无定型区两部分，结晶相纤维素中大量的羟基基团， 形成了数目庞大的氢键，这些氢键构成巨大的氢键网格，形成了致密的晶体结构 2 0 1 。结晶区占纤维素整体的百分数即为纤维素的结晶度，结晶度越高，纤维的抗 张强度、杨氏模量、硬度、比重和体积的稳定性也会随之增加【2 l 】。有据研究表明， 细菌纤维素的结晶度高于普通高等植物纤维，而低于藻类和动物纤维。 1 3 2 3 高持水性 由于细菌纤维素独特的网状结构及分子内存在着大量的亲水性基团，故细菌 纤维素具有比植物纤维更强的吸水和持水保湿能力、粘稠性和稳定性。在一般情 况下，持水率高达9 8 以上，而植物纤维素和动物纤维素的吸水性远没有细纤维 素的吸水性高，持水率一般在5 0 0 0 - 7 0 。 1 3 2 4 高杨氏模量和抗张强度 第1 章前言 由于细菌纤维素中存在大量羟基，使得很容易形成很强的分子内和分子间氢 键，氢键的存在对纤维的杨氏模量和抗拉强度有很重要的影响【2 2 1 。纯醋酸菌纤维 做成的干膜，其弹性模数为一般纤维的数倍至十倍以上，并且抗拉强度较高，对 纤维素的机械性能研究时发现细菌纤维素的杨氏模量高达1 s g p a t 2 3 1 。 1 3 2 5 生物合成时结构和物理性钱的可调控性 采用不同的培养方法，如静态培养和动态培养，可得到不同结构和理化性能 的纤维素，并且通过对培养条件的调节也可以得到结构和化学性质有差异的细菌 纤维素。另外在培养过程中向培养基中添加半纤维素、聚丙烯酰胺丙烯酸衍生物、 木素磺酸盐、海藻酸钠、多层碳纳米管等可不同程度的影响细菌纤维素的宏观形 态、纤维丝带缠绕程度及宽度、产量、晶体结构或聚合度、粘度、机械性能、热 性能等理化性质2 4 1 。例如添加甲基纤维素、聚乙烯醇和壳聚糖后可形成细菌纤维 素的复合物，其兼具细菌纤维素本身的特性和添加物质的特性，进而拓宽应用； 添加抗生素和化学试剂，能有效地改变菌株细胞长度，产生的纤维丝带更粗，提 高杨氏模量【2 5 1 。 1 4 检测细菌纤维素晶体结构的方法 在对细菌纤维素的晶体结构研究中，红外、x 射线衍射和核磁共振( c p m a s 1 3 c - n m r ) 是分析其结构的主要手段。 1 4 1c p m a s13 c n m r 分析纤维素碳骨架