专利名称：一种利用魔芋作为廉价碳源生产细菌纤维素的方法
技术领域：
本发明属细菌纤维素或者椰果纤维素的发酵制备领域，特别涉及一种利用魔芋作 为廉价碳源生产细菌纤维素的方法。
背景技术：
细菌纤维素(Bacterial Cellulose，简称BC)作为一种天然高分子材料，具有较 好的生物相容性、生物可降解性、较强的持水能力和较高的力学性能等特性。鉴于细菌纤维素的优良特性，细菌纤维素具有广泛而特殊的用途。在医用材料领 域，细菌纤维素可以用于合成人造皮肤、人造血管、外科敷料、缓释药物的载体等；在食品工 业领域，细菌纤维素本身就可以作为一种食品食用，如俗称椰果或者椰纤果，另外，BC还可 以作为食品工业中的增稠剂、成型剂、添加剂等；在造纸工业方面，细菌纤维素的添加可以 提高纸张抗张强度和耐破度，降低透气度，提高撕裂度等；在音响领域可以用作生产超性能 的声音振动膜；在材料领域，BC纳米纤维与其他高分子、有机或无机分子的复合掺杂，可获 得各种新的功能复合材料。目前大规模利用细菌纤维素的主要障碍是其产量低、成本高、价格不敌普通纤维 素，因此研究的重点集中在找寻新碳源上，寻找廉价合适的原料，既降低生产成本又能提高
纤维素的产量。魔芋(Konjak)系天南星科(Areaceae)魔芋属(Amorphophallus Blume)的多 年生草本宿根植物，在我国分布广泛，资源丰富且价格低廉。魔芋葡甘露聚糖(Konjac glucomarman，简称KGM)是魔芋的主要成份，在干魔芋块茎中的含量高达55 % 60 %，由 D-葡萄糖(G)和D-甘露糖(M)按1 1.6或1 1.69的摩尔比通过3-1，4糖苷键结合 而成，其分子量从几十万到几百万不等。通过酸水解魔芋可生成葡萄糖以及甘露糖的混合 溶液。申请人:于2006年申报的专利“一种用于生产细菌纤维素的培养基碳源的制备方 法(ZL200610118925. 1) ”是利用了魔芋中提炼的魔芋精粉为原料，经酸水解制备细菌纤维 素的发酵碳源。该发明的特点是在与葡萄糖等常规碳源相同浓度的基础上，以魔芋精粉水 解液生产获得的细菌纤维素得率最高，是纯葡萄糖生产的2-3倍。然而由于原料是精加工 得到魔芋精粉，因此原料成本并不低。本发明直接利用了价廉的魔芋为原料，不需精加工成 精粉，可以大大降低BC的生产原料成本；此外由于魔芋中还含有少量的蛋白质，维生素，矿 物质等元素，可以促进BC的合成。该魔芋干酸水解液同时具备了价格低廉以及适合微生物 生长的优点，可作为细菌纤维素生产的碳源，进一步降低其生产成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用魔芋作为廉价碳源生产细菌纤维素 的方法，该生产工艺具有原料来源广泛，成本低，可操作性强等优点；且使用脱毒的魔芋干 酸水解液生产的细菌纤维素产量高于其他碳源生产的细菌纤维素，在细菌纤维素的生产领域具有良好的应用前景。本发明的一种利用魔芋作为廉价碳源生产细菌纤维素的方法，包括(1)魔芋的稀酸水解将魔芋干磨碎至40-80目，用0. 5-2. 5mol/L的硫酸，魔芋干与酸液的固液比(g/ ml)为 1 1-1 60，在 100-140°C温度下反应 0. 5-2. 5 小时；(2)酸解液脱毒用碱将魔芋干酸解液pH值调到9. 5-11，于30°C下温浴12h，再将酸解液pH值调回 4. 5-5. 5，加1-6% (质量百分比)活性炭吸附脱毒得到脱毒酸解液；(3)细菌纤维素的制备取上述脱毒酸解液作为培养基碳源，加0.的酵母浸膏和0. 1-0. 5wt% 胰蛋白胨，配成培养基，将细菌纤维素生产菌株的种子液的接种量接入发酵培养基，在 20-30°C温度下静止培养或者在50-500rpm转速下动态培养，经过6_23天制得细菌纤维素。所述步骤(1)中的硫酸浓度0.5-lmol/L，魔芋干与酸液的固液比(g/ml)为 1 3-7，反应温度 110-115°C，反应时间 20-40min ；优选硫酸浓度l.Omol/L，魔芋干与酸液的固液比(g/ml)为1 7，反应温度 115°C，反应时间30min(根据正交实验结果设计所得)；或优选硫酸浓度0. 5mol/L，魔芋干与酸液的固液比(g/ml)为1 7，反应温度 115°C，反应时间40min (根据响应面实验结果设计所得)；所述步骤⑵中的碱为Ca (OH) 2 (或石灰)、NaOH、NH40H (或氨水)；所述步骤(3)中的细菌纤维素生产菌株为醋酸菌属、葡萄糖酸杆菌属、葡糖酸醋 杆菌属、根瘤菌属、八叠球菌属、假单胞菌属、无色杆菌属、产碱菌属、气杆菌属、固氮菌属、 土壤杆菌属、洋葱假单胞菌、空肠弯曲菌或红茶菌；其中，除红茶菌以外的菌种按2 3接种 环的接种量接入液体种子培养基制备种子液，然后按3vol% 15vol% (相对发酵培养基) 的接种量转接到发酵培养基；红茶菌按接入1 3片直径1cm圆片菌膜的接种量接入液体 种子培养基，以及按1 3片直径1cm圆片菌膜的接种量转接到发酵培养基；优选的菌株为木醋杆菌(Acetobacter xylinum)或红茶菌。本发明利用魔芋干这一在我国资源丰富，种植广泛，存储方便且价格低廉的原料 进行酸水解，并结合正交设计及响应面设计等多因素实验设计法，综合考虑各因素相互间 的交互作用，优化出酸解的最佳工艺条件。实验数据表明，在同等条件下，使用脱毒的魔芋 干酸水解液生产的细菌纤维素产量高于其他碳源生产的细菌纤维素，如蔗糖，纯葡萄糖，纯 甘露糖或葡萄糖与甘露糖按其在魔芋块茎中的摩尔比混合的碳源。因此证实本发明所生产 的廉价碳源是一种培养细菌纤维素的优质碳源。有益效果本发明的生产工艺具有原料来源广泛，成本低，可操作性强等优点；且使用脱毒的 魔芋干酸水解液生产的细菌纤维素产量高于其他碳源生产的细菌纤维素，在细菌纤维素的 生产领域具有良好的应用前景。
图1为魔芋干不同酸解时间(0. 5-2. 5h)对还原糖得率的影响；
图2为不同H2S04摩尔浓度(0. 5-2. 5mol/L)对还原糖得率的影响；图3为不同固液比(1 1-1 60)对还原糖得率的影响；图4为不同反应温度(100-140°C )对还原糖得率的影响；图5为粒度对还原糖得率的影响；图6为实施例3不同碳源与脱毒酸解液生产细菌纤维素的产量比较；图7为实施例4不同碳源与脱毒酸解液生产细菌纤维素的产量比较；图8为实施例5不同碳源与脱毒酸解液生产细菌纤维素的产量比较；图9为实施例6不同碳源与脱毒酸解液生产细菌纤维素的产量比较。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。实施例11.魔芋干片的粉碎利用微型植物试样粉碎机将魔芋干片粉成粉末，该粉末的粒度从细粉到颗粒不 等，将不经筛网分离的混合粒度以及经筛网按40、60和80目粒度分级的魔芋干粉用于酸 解，酸解反应结束后通过抽滤将魔芋干残渣和酸解液分开，收集酸解液，通过3，5- 二硝基 水杨酸法(DNS法)测还原糖浓度，计算并比较还原糖得率，得到魔芋干酸解最优单因素反 应条件，还原糖得率按下列公式计算
、r_辦还原糖浓度x水解液体积1Ano/
还原糖得率=-曲廿丫軌让丫壬-xl00%
魔芋干粉绝干重2.单因素实验选择反应温度、反应时间、固液比、硫酸浓度、粒度五个影响酸解效果的因素进行 单因素实验，通过比较还原糖得率确定各个最优单因素条件。(1)最适反应时间在固液比为1 40，硫酸浓度为2mol/L，反应温度在100°C，实验对象为混合粒度 魔芋粉的条件下，魔芋干不同酸解时间(0.5-2.5h)对还原糖得率的影响见图1，实验表明 随着反应时间的增加，酸解反应的还原糖得率随之减少，魔芋干粉酸解的最适反应时间为 0. 5h。(2)最适硫酸浓度固液比为1 40，酸解温度为100°C，反应0. 5h，实验对象为混合粒度魔芋粉的 条件下，不同!^04摩尔浓度(0. 5-2. 5mol/L)对还原糖得率的影响见图2，实验表明在 0. 5-2. 5mol/L的酸浓范围内，随着H2S04摩尔浓度的提高，魔芋干粉水解的还原糖得率先上 升后下降，最适的硫酸浓为lmol/L。(3)最适固液比在温度100°C，反应时间0. 5h，酸浓为lmol/L，实验对象为混合粒度魔芋粉的反应
5条件下，不同固液比(1 1-1 60)对还原糖得率的影响见图3，实验结果表明随固液比的 增加，还原糖得率增加，而糖浓下降，最适固液比范围为1 2-1 5。综合考虑还原糖得 率、糖浓以及固体浸没情况三种因素，选择魔芋干与硫酸的最适固液比为1 5。(4)最适反应温度在1 5的固液比，反应0.5h，硫酸浓度为lmol/L，实验对象为混合粒度魔芋 粉的反应条件下，不同反应温度(100-140°C)对还原糖得率的影响见图4，实验表明在 100-140°C温度范围内，魔芋干粉酸解的还原糖得率随温度先上升后下降，魔芋干酸解的最 适反应温度为110°C。(5)最适魔芋粒度在酸浓为lmol/L，反应0. 5h，反应温度为110°C，固液比为1 5的反应条件下，粒 度(40-80目)对还原糖得率的影响见图5，实验结果表明粒度越小，还原糖得率越少，未经 筛网分级的混合粒度酸解的还原糖得率最高，混合粒度为魔芋干酸解的最适粒度。通过单因素实验，我们得到酸解的最佳反应条件为温度110°C，反应时间0. 5h，酸 浓lmol/L，固液比1 5，实验原料选用混合粒度的魔芋干粉，即魔芋干粉碎后不必过筛。3.多因素实验取反应温度、时间、固液比、硫酸浓度四个单因素条件，通过软件(如正交设计助 手等)设计四因素三水平的L9(34)正交实验如下表 权利要求
一种利用魔芋作为廉价碳源生产细菌纤维素的方法，包括(1)魔芋的稀酸水解将魔芋干磨碎至40～80目，用0.5～2.5mol/L的硫酸，魔芋干与酸液的固液比(g/ml)为1∶1～1∶60，在100～140℃温度下反应0.5～2.5小时；(2)酸解液脱毒用碱将魔芋干酸解液pH值调到9.5～11，于30℃下温浴12h，再将酸解液pH值调回4.5～5.5，加1～6wt％活性炭吸附脱毒得到脱毒酸解液；(3)细菌纤维素的制备取上述脱毒酸解液作为培养基碳源，加0.1～1wt％的酵母浸膏和0.1～0.5wt％胰蛋白胨，配成发酵培养基，将细菌纤维素生产菌株的种子液接入发酵培养基，在20～30℃温度下静止培养或者在50～500rpm转速下动态培养，经过6～23天制得细菌纤维素。
2.根据权利要求1所述的一种利用魔芋作为廉价碳源生产细菌纤维素的方法，其特 征在于所述步骤(1)中的硫酸浓度0.5 1.5mol/L，魔芋干与酸液的固液比(g/ml)为 1 3 7，反应温度110 115°C，反应时间20 40min。
3.根据权利要求2所述的一种利用魔芋作为廉价碳源生产细菌纤维素的方法，其特征 在于所述的硫酸浓度l.Omol/L，魔芋干与酸液的固液比(g/ml)为1 7，反应温度115°C， 反应时间30min。
4.根据权利要求2所述的一种利用魔芋作为廉价碳源生产细菌纤维素的方法，其特征 在于所述的硫酸浓度0.5mol/L，魔芋干与酸液的固液比(g/ml)为1 7，反应温度115°C， 反应时间40min。
5.根据权利要求1所述的一种利用魔芋作为廉价碳源生产细菌纤维素的方法，其特征 在于所述步骤(2)中的碱为Ca (OH)2、NaOH或NH4OH。
6.根据权利要求1所述的一种利用魔芋作为廉价碳源生产细菌纤维素的方法，其特征 在于所述步骤(3)中的细菌纤维素生产菌株为醋酸菌属、葡萄糖酸杆菌属、葡糖酸醋杆菌 属、根瘤菌属、八叠球菌属、假单胞菌属、无色杆菌属、产碱菌属、气杆菌属、固氮菌属、土壤 杆菌属、洋葱假单胞菌、空肠弯曲菌或红茶菌；其中，除红茶菌以外的菌种按2 3接种环的 接种量接入液体种子培养基制备种子液，然后按3vol% 15vol%的接种量转接到发酵培 养基；红茶菌按接入1 3片直径Icm圆片菌膜的接种量接入液体种子培养基，以及按1 3片直径Icm圆片菌膜的接种量转接到发酵培养基。
7.根据权利要求6所述的一种利用魔芋作为廉价碳源生产细菌纤维素的方法，其特征 在于所述的菌株为木醋杆菌(Acetobacter xylinum)或红茶菌
全文摘要
本发明涉及一种利用魔芋作为廉价碳源生产细菌纤维素的方法，包括(1)魔芋的稀酸水解将魔芋干磨碎用0.5-2.5mol/L的硫酸于100-140℃温度下酸解0.5-2.5小时；(2)酸解液脱毒用碱将魔芋干酸解液pH值调到9.5-11，于30℃下温浴12h，再将酸解液pH值调回4.5-5.5，加活性炭吸附脱毒；(3)细菌纤维素的制备加0.1-1wt％的酵母浸膏和0.1-0.5wt％胰蛋白胨，然后接入细菌纤维素生产菌株，培养得细菌纤维素。本发明的生产工艺具有原料来源广泛，成本低，可操作性强等优点，在细菌纤维素的生产领域具有良好的应用前景。
文档编号C12R1/02GK101942490SQ20101022821
公开日2011年1月12日 申请日期2010年7月15日 优先权日2010年7月15日
发明者李慧, 杨光, 杨雪霞, 洪枫 申请人:东华大学