以腐烂水果为营养源高效制备细菌纤维素

杨 光， 王彩霞

（1. 东华大学 生态纺织教育部重点实验室，上海 201620；2. 东华大学 化学化工与生物工程学院，上海 201620）

以腐烂水果为营养源高效制备细菌纤维素

杨 光1,2， 王彩霞1

（1. 东华大学 生态纺织教育部重点实验室，上海 201620；2. 东华大学 化学化工与生物工程学院，上海 201620）

细菌纤维素（Bacterial Cellulose，简称BC）是一种由微生物合成的天然纤维素材料。本文选取腐烂水果，如苹果、西瓜、桃子、梨为廉价营养源高效制备细菌纤维素。研究了培养基灭菌方法以及添加氮源等因素对糖转化率、BC干重以及产量的影响。结果表明，单独以腐烂水果汁为营养源所得BC产量高于目前普遍使用的葡萄糖培养基。另外，过滤灭菌和添加氮源有助于获得较高的BC产量。

细菌纤维素（BC）；腐烂水果；发酵；碳源

细菌纤维素（Bacterial Cellulose，简称BC）是一种经微生物发酵产生的天然纤维素材料。它的化学组成与植物纤维素相同，但具有独特的微纳米结构，其微纤维直径约4～8 nm，并保持了立体三维纳米网络结构，表现出优良的物理和机械性能[1]，例如高纯度和结晶度、高持水性以及高抗张强度和弹性模量等，被广泛应用于高性能复合材料、医用材料、高级纸品等多个领域[2-5]，是当前国内外备受关注的一种新型生物纳米材料。然而，到目前为止，细菌纤维素的大规模生产仍然存在一些问题，如培养基原料成本高、产量低等。当前细菌纤维素的发酵合成主要是以葡萄糖、果糖等糖类物质配合酵母膏、蛋白胨等氮源物质为原料，其成本较高、而产量较低。对此，寻找廉价原料为培养基发酵制备细菌纤维素是降低其生产成本的一条有效途径。目前，有研究者采用农林废弃物或副产物发酵制备细菌纤维素，如葡萄皮提取物和干酪乳清[6]、甜菜糖蜜[7]、甘蔗糖蜜和玉米浆[8]等。

众所周知，水果成分中含有大量的糖类、维生素等营养物质。我国水果资源丰富，产量高，但大多数水果的贮存周期较短。每年由于各种原因而产生的腐烂水果数量极大。水果在腐烂过程中，有乙醇物质生成，有文献报道，在培养基中加入乙醇，可以提高细菌纤维素的产量。对此，本研究中，尝试以腐烂水果，如苹果、西瓜、桃子、梨为廉价营养源制备细菌纤维素。重点研究了培养基灭菌方法以及添加氮源等因素对糖转化率、细菌纤维素干重以及产量的影响。

1 实验

1.1材料

实验菌种为本实验室保藏的木葡糖酸醋杆菌（Gluconacetobacter xy linus）[5]；斜面培养基组成为甘露醇25 g/L，蛋白胨3 g/L，酵母浸膏5 g/L，琼脂18 g/L，pH 5.0。腐烂水果均来源于上海本地水果市场。

1.2细菌纤维素的发酵制备

将腐烂的水果经压榨后，收集汁液。用纯水配制成总糖含量为25 g/L的果汁液。采用高压蒸汽或过滤法（滤膜孔径为0.22 μm）对果汁液进行灭菌或除菌处理，配制配方1和配方2两种培养基，然后接入木醋杆菌，在30℃条件下静置培养7天，得细菌纤维素膜。配方1：仅含总糖含量为25 g/L果汁液，pH5.0，不添加任何氮源等其它营养物；配方2：总糖含量为25 g/L的果汁液、5 g/L胰蛋白胨、3 g/L酵母膏。

分别采用糖转化率、BC干重及发酵产率三个参数评价该发酵过程。具体计算方法如式（1）～（3）所示。

1.3糖含量的测定

分别采用DNS法和苯酚―硫酸法测定果汁液的还原糖量和总糖含量。以D-葡萄糖为标准物。

2 结果与讨论

本研究选取多种腐烂水果为营养源发酵制备细菌纤维素膜。表1为不同腐烂果汁的总糖含量及pH值。由结果可知，尽管考察的水果有不同程度的腐烂，但仍然具有较高的总糖含量和还原糖含量，并且pH范围保持在4.0～4.5。根据之前的研究结果，所有果汁液的总糖量调节至 25 g/L，pH值调至5.0。

表1 腐烂果汁液的糖含量及pH值

为了获得较高的BC发酵产率，本文分别研究了果汁液除菌方法以及培养基组成对糖转化率、BC干重以及BC产率的影响，结果分别如图1、图2和图3所示。由图1可见，当以葡萄糖为碳源、不添加氮源营养物时，糖转化率为零；添加氮源时，糖转化率为83.6%。对腐烂果汁液而言，不添加氮源时糖转化率高达50%以上。另外发现，采用过滤除菌的方法以及添加氮源后所得糖转化率相对较高。

图2为各种腐烂果汁液在不同除菌方式及不同培养基组成情况下所得BC干重情况。由图可知，以单一葡萄糖为营养源，不添加氮源时，无BC发酵产物生成。而以腐烂果汁液为单一营养物时，有明显的BC膜产物生成，其干重达到0.53～2.23 g/L。其中，以腐烂梨汁为营养物可以得到最高的BC干重。因此腐烂果汁液中富含除糖以外的多种营养物，如维生素、氨基酸、蛋白及微量元素等有助于微生物的生长。有文献报道，糖的种类也会影响BC产量[9]。而果汁液中除葡萄糖外，还含有多种糖组分，这可能也会提高BC的发酵产量。另外，尽管本实验中所用水果均有不同程度的腐烂，但从结果上看，果汁液中并不存在影响木醋杆菌生长的抑制剂，因此，不需要对腐烂果汁液做额外脱毒处理，简化了生产过程。对除菌方式而言，过滤法所得BC干重较高。这主要是由于过滤法操作条件温和，能够较好地保留果汁液中的营养成分。此外，氮源的添加有助于获得较高产量的BC产物，这与其它文献报道结果一致[10]。本文中以腐烂梨汁液为营养物，采用过滤除菌并添加氮源的条件下，BC干重达3.67 g/L。Kurosumi等[10]报道了以新鲜果汁，如桔子、苹果、葡萄等为营养物发酵培养BC，所得干重量为0.3～1.8 g/L。

图1 腐烂果汁液对糖转化率的影响

图2 腐烂果汁液对BC干重的影响

图3 腐烂果汁液对BC产率的影响

图3为以腐烂果汁液为营养物所得BC产率的情况。由结果可知，所有果汁液在不同条件下所得BC产率均高于葡萄糖。同时，过滤除菌和添加氮源所得BC产率更高。其中，在上述条件下，以腐烂梨汁为营养物，BC产率最高，达到17.47%。

3 结论

本研究探讨了以腐烂水果为营养物发酵合成BC的可行性。结果发现：1）以腐烂果汁液为单一营养物，其BC产率高于以葡萄糖为碳源，同时添加氮源发酵条件下；2）过滤除菌方式和添加氮源有助于获得较高的BC产率；3）以腐烂梨汁为营养物，采用过滤除菌和添加氮源可获得较高的BC产率和干重，分别为17.47%和3.67 g/L。

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Cost-efficient Production of Bacterial Cellulose by Gluconacetobacter xylinus using Rotten Fruits
as the Culture Medium

YANG Guang1,2, WANG Cai-xia1

（1. Key Laboratory of Science & Technology of Eco-Textile, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China; 2. College of Chemistry, Chemical Engineering and Biotechnology, Donghua University, Shanghai 201620, China）

Bacterial cellulose (BC) is a kind of natural cellulose synthesized by microbial fermentation. In this work, some rotten fruits, e.g. apple, watermelon, peach and pear, were utilized as the fermentation nutrient sources for cost-efficient and mass production of BC. Different sterilization processes of the rotten fruit juices including filtration and autoclaving, and two kinds of culture medium, i.e. with or without supplement of nitrogen sources were tried, and their effects on sugar conversion ratio, BC dry weight and BC production yield were investigated, using glucose for comparison. It was found that the BC production yields from the sole rotten fruit juices were higher than that by glucose with nitrogen sources. Additionally filter-sterilization of the juices and supplement of nitrogen sources was helpful to obtain a high production yield, with the rotten peach showing the highest value of 17.47% among all test fruits under these conditions.

bacterial cellulose (BC); rotten fruits; fermentation; culture medium

Q819；TQ352

A

1004-8405(2015)04-0067-04

10.16561/j.cnki.xws.2015.04.10

2015-09-28

上海市自然科学基金（15ZR1401000）；国家自然科学基金资助项目（21004008）；中央高校基本科研业务费专项资金。

杨 光（1981~），女，讲师，博士；研究方向：生物材料、生物质资源开发利用。gyang@dhu.edu.cn