本发明属于生物质化学化工领域，具体涉及一种复合多糖水凝胶及其原位生物合成方法。
背景技术：
竹类植物具有分布广泛、生长迅速、生物量大、一次造林、可持续收获等特点，因而竹子作为材料能源植物利用开发存在着天然的潜在优势。我国竹类植物资源十分丰富，无论是竹子的种类、面积、蓄积量和年采伐量均居世界之首，现有竹子40余属，500余种，竹林面积720万hm2，其中毛竹林面积约300万hm2。我国竹子主要分布在南方14个省(区)，竹材的年产量达13.56亿根。竹子富含纤维素，约占40％～60％，半纤维素占20％～30％。另外，毛竹已广泛用作制造家具、纸张和增强纤维的原材料，加工过程产生大量的竹子加工残留物，因此竹子是一种重要的可广泛获取的木质纤维原料。当采用纤维素酶水解制备单糖时，纤维素酶必须接触吸附到纤维素底物上才能使反应进行，因此，纤维素对纤维素酶的可及性是决定水解速度的关键因素。纤维素的结晶区、表面状态、多组分结构、木质素对纤维素的保护作用以及纤维素被半纤维素覆盖等结构与化学成分的因素会阻碍纤维素酶对原料的酶解。预处理的目的是解除木质素对纤维素的封闭，改变纤维素的晶体结构，提高酶的可及性，从而有效地酶解纤维素，为毛竹高效生物转化奠定基础。
细菌纤维素具有合成时的可调控性，利用这一特点，在保证生物安全性的前提下向培养基中添加不同种类的多糖可以制备性能各异的改性细菌纤维素复合多糖水凝胶，进一步拓宽细菌纤维素的应用领域。海藻酸是从藻类的海带或马尾藻中提取的一种直线型的聚阴离子多糖碳水化合物，是直线非接枝型的聚多糖，由β-(1，4)-d-甘露糖酸和α-l-古洛糖醛酸单元交替连接而成。海藻酸具有良好生物兼容性和生物可降解性，无毒性，并且易于凝胶化，已经被广泛的用于设计细胞和蛋白质的可注射运输体系，同时也可用于伤口涂层和牙科移植。海藻酸末端存在羧基基团，是一种良好的粘膜粘着剂，将海藻酸与其他的高分子聚合物混合，如木醋杆菌产生的细菌纤维素，可以得到物理和生物性能更为优异，用途更为广泛的多糖水凝胶。
细菌纤维素/海藻酸复合水凝胶是一类具有三维交联网络结构，能够吸收并保持大量水分，而又不溶于水的功能高分子材料。水凝胶自身的结构使其同时具备固体和液体的性质，即力学上表现出类固体性质，而在热力学上则表现出类液体行为。由于细菌纤维素独特的纤维素成分和三维纳米纤维网络结构以及具有优良特性的海藻酸，这种水凝胶被赋予了多种优良的性能，如高力学强度、高吸水和保水性、高孔斜率、高溶胀率、高比表面积、微观或宏观结构可塑性、生物相容性以及生物可降解性等。这些性质使得水凝胶广泛应用于工业、农业、生物医药以及环境工程等领域。
技术实现要素：
基于上述背景技术，本发明选用资源丰富，价廉易得的竹类植物，尤其是毛竹作为原料；将竹类植物经有效预处理，再经酶解得到糖化液，以其中葡萄糖等单糖作为木醋杆菌培养基中的碳源；并在配制培养基的同时加入大分子多糖—海藻酸，使木醋杆菌在分泌细菌纤维素的同时进行交联，得到细菌纤维素/海藻酸复合水凝胶，拓宽竹类植物，尤其是毛竹纤维原料的应用范围，提高产物的转化效率。
本发明的第一个目的在于，提供一种复合多糖水凝胶的原位生物合成方法，具体为：将木醋杆菌接种在木醋杆菌液体培养基内，静置培养；
其中，所述木醋杆菌液体培养基中包含0.01～0.75w/v的海藻酸，所述海藻酸三次分批等量加入，分别在接种前、培养过程的第2～4天、培养过程的第6～8天加入；
本发明进一步提出的，所述木醋杆菌液体培养基中包含0.25～0.75w/v的海藻酸；
优选地，所述木醋杆菌液体培养基中包含0.4～0.6w/v的海藻酸；
本发明进一步提出的，所述海藻酸三次分批等量加入，分别在接种前、培养过程的第3天、培养过程的第7天加入。
本发明进一步提出的，所述木醋杆菌按8～12％的接种量接种至所述木醋杆菌液体培养基内，在ph值为5.5～6.5、温度为28～35℃的条件下，静置培养10～12天，即得；
优选地，所述木醋杆菌以10％的接种量接种至所述木醋杆菌液体培养基内，在ph值为6、温度为30℃的条件下，静置培养10～12天；
本发明进一步提出的，所述木醋杆菌液体培养基包含如下重量份的组分：水1000份、蛋白胨4～6份、酵母粉4～6份、磷酸氢二钠2.5～3份、一水柠檬酸1～1.5份、葡萄糖浓度为50g/l糖化液0.2～0.5份。
优选地，所述木醋杆菌液体培养基包含如下重量份的组分：水1000份、蛋白胨5份、酵母粉5份、磷酸氢二钠2.7份、一水柠檬酸1.15份、葡萄糖浓度为50g/l的糖化液0.4份。
本发明进一步提出的，所述糖化液采用如下方法制得：
1)将干燥的竹类植物磨碎后，浸入ph值为9～10，质量浓度为95％的甘油碱性水溶液中，在150～180℃温度下，反应2～4h，过滤，取滤渣；
2)在步骤1)获得滤渣中，加入纤维素酶，在酸性环境下酶解，即得糖化液。
优选地，ph值为9.5；
优选地，步骤1)中的反应温度为160℃，反应时间为3h。
本发明进一步提出的，所述竹类植物选自毛竹、慈竹中一种或多种；
优选的，所述干燥的竹类植物含水量为不高于8％；
更优选地，所述磨碎后，过10～50目筛。
本发明进一步提出的，调节所述ph值的碱选择氢氧化钠、氢氧化钾中一种或多种；
优选地，所述碱的浓度为1～2mol/l；
更优选地，所述甘油碱性水溶液为碱性生物柴油的副产物甘油。
所述碱性生物柴油的副产物甘油中，含有95％甘油和4～5％的1.4mol/lnaoh；还包含少量的脂肪酸皂，所述脂肪酸皂可以用制备过程中的促进剂。
本发明进一步提出的，步骤1)中所述滤渣的液体含量低于40％；有效液态含量可提高甘油循环使用率，降低甘油对后续生物转化的影响。
优选地，所述过滤具体为：将反应后的固液混合物进行压滤，取滤渣。
本发明进一步提出的，所述步骤2)具体为：在质量浓度为4～8％的滤渣、纤维素酶用量为18fpu/g-纤维素、ph值为4.5～5、温度为35～45℃的条件下，以100～200r/min的转速，酶解60～80h，即得糖化液；
优选地，所述步骤2)具体为，在质量浓度为5％的滤渣、纤维素酶用量为18fpu/g-纤维素、ph值为4.8、温度为40℃的条件下，以150r/min的转速，酶解72h，即得糖化液；
更优选地，酶解后，将所述糖化液进行浓缩，得所述单糖的浓度为50g/l的葡萄糖糖化液。
本发明提供一种糖化液的优选制备方法，包括以下步骤：
1)将干燥的毛竹磨碎后，过20～30目筛，浸入ph值为9.5的碱性生物柴油的副产物甘油中，在155～165℃温度下，反应2.5～3.5h，过滤，取滤渣；
其中，所述碱性生物柴油的副产物甘油中含有质量浓度为95％的甘油和5％1.4mol/lnaoh；
2)在质量浓度为5％的滤渣、纤维素酶用量为18fpu/g-纤维素、ph值为4.7～4.9、温度为38～42℃的条件下，以150r/min的转速，酶解60～80h，即得糖化液。
本发明进一步提供所述原位生物合成方法的优选方案，包括以下步骤：
1)配制木醋杆菌液态培养基，其中包含如下重量份的组分：水1000份、蛋白胨4～6份、酵母粉4～6份、磷酸氢二钠2.5～3份、一水柠檬酸1～1.5份、葡萄糖浓度为50g/l糖化液0.2～0.5份；
2)将木醋杆菌以10％的接种量接种至木醋杆菌液体培养基内，在ph值为6、温度为30℃的条件下，静置培养10～12天；
其中，所述木醋杆菌液体培养基中还包含0.01～0.75w/v的海藻酸，所述海藻酸三次分批等量加入，分别在接种前、培养过程的第3天、培养过程的第7天加入。
本发明进一步提出的，所述原位生物合成方法在培养结束后，将水凝胶与培养基分离，经过冷冻干燥获得复合多糖水凝胶产品。
本发明至少具有如下有益效果：
(1)毛竹分布广泛、生长迅速、生物量大、价廉易得，含有丰富的纤维素和半纤维素，是酶解得到糖化液的优良纤维素原料之一。
(2)采用生物柴油副产物粗甘油预处理毛竹，其中少量的脂肪酸皂可以用作预处理和酶解的促进剂，提高纤维素酶水解效率，降低预处理成本，且在预处理过程纤维素损失较低。
(3)生物柴油副产物甘油作为预处理试剂，可充分利用生物质能源企业的副产物，降低预处理中化学品投入，实现循环生产。
(4)用酶解毛竹得到的糖化液代替葡萄糖作为培养基中的碳源，可以拓宽毛竹的应用范围，提高毛竹材料的附加值。
(5)用酶解毛竹得到的糖化液中的葡萄糖作为培养基中的碳源，木醋杆菌正常生长，证明了木醋杆菌培养时的可调控性，并为寻找其他替代葡萄糖碳源的可行性提供了理论依据。
(6)海藻酸具有许多优良的性能，如较好的生物相容性和生物可降解性以及无毒性，并且易于凝胶化，赋予了所得到的复合水凝胶优良的性能。
(7)在配制培养基时加入海藻酸共培养，使木醋杆菌在分泌细菌纤维素的同时发生多糖的原位合成交联，节省了反应所需的时间，提高了生产效率。
(8)通过分批加入海藻酸，可以有效调控复合多糖水凝胶的网孔结构和性能。
(9)复合多糖水凝胶经过冷冻干燥可最大程度保留原有网孔结构。
附图说明
图1为实施例3制得的复合多糖水凝胶；
图2为对比例1制得的细菌多糖水凝胶。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如下实施例中采用碱性生物柴油副产物甘油，购自于福建源化科技有限公司；
其中，含有质量浓度为95％的甘油和4～5％1.4mol/lnaoh，以及极少的脂肪酸皂。
如下实施例中采用毛竹为市售成熟的毛竹，竹龄在3～5年之间的毛竹。
实施例1
本实施例提供一种糖化液的制备方法，包括以下步骤：
1)将干燥的毛竹磨碎后，过20目筛，浸入ph值为9.5的碱性生物柴油的副产物甘油中，在160℃温度下，反应3h，将反应后的固液混合物进行压滤，取滤渣；
2)取步骤1)所述的滤渣，在质量浓度为5％的所述滤渣、纤维素酶用量为18fpu/g-纤维素、ph值为4.8的醋酸盐缓冲液、温度为40℃的条件下，以150r/min的转速，酶解72h，即得糖化液。
对酶解后的到的糖化液进行真空浓缩，采用液相色谱测定单糖浓度。
实施例2
本实施例提供一种复合多糖水凝胶的原位生物合成方法，包括如下步骤：
1)配制木醋杆菌液态培养基，由如下重量份的组分组成：水1000份、蛋白胨5份、酵母粉5份、磷酸氢二钠2.7份、一水柠檬酸1.15份、葡萄糖浓度为50g/l的糖化液0.4份。
2)将木醋杆菌以10％的接种量接种至实施例2所述的木醋杆菌液体培养基内，在ph值为6、温度为30℃的条件下，静置培养10天；
其中，所述木醋杆菌液体培养基中还包含0.25％(w/v)的海藻酸，所述海藻酸三次分批等量加入，分别在接种前、培养过程的第3天、培养过程的第7天加入；
3)水凝胶与培养基分离，经过冷冻干燥获得复合多糖水凝胶产品。
产物得率为23.62％，结晶度为28.1°，溶胀率为791.7倍，拉伸强度为0.28n，水凝胶在扫描电镜5万倍放大下显示生成孔隙且孔隙致密。
实施例3
本实施例提供一种复合多糖水凝胶的原位生物合成方法，包括如下步骤：
步骤1)和步骤3)与实施例2相同；
2)将木醋杆菌以10％的接种量接种至实施例2所述的木醋杆菌液体培养基内，在ph值为6、温度为30℃的条件下，静置培养11天；
其中，所述木醋杆菌液体培养基中还包含0.5％(w/v)的海藻酸，所述海藻酸三次分批等量加入，分别在接种前、培养过程的第3天、培养过程的第7天加入；
产物得率为24.39％，结晶度为27.3°，溶胀率为822.9倍，拉伸强度为0.38n，溶胀率是细菌纤维素凝胶溶胀率的2倍以上。水凝胶在扫描电镜5万倍放大下显示生成孔隙且孔隙非常致密，如图1所示。
实施例4
本实施例提供一种复合多糖水凝胶的原位生物合成方法，包括如下步骤：
步骤1)和步骤3)与实施例2相同；
2)将木醋杆菌以10％的接种量接种至实施例2所述的木醋杆菌液体培养基内，在ph值为6、温度为30℃的条件下，静置培养12天；
其中，所述木醋杆菌液体培养基中还包含0.75％(w/v)的海藻酸，所述海藻酸三次分批等量加入，分别在接种前、培养过程的第3天、培养过程的第7天加入；
产物得率为21.32％，结晶度为28.6°，溶胀率为696.3倍，拉伸强度为0.17n，水凝胶在扫描电镜5万倍放大下显示生成孔隙但孔隙疏松。
实施例5
本实施例提供过一种复合多糖水凝胶的原位生物合成方法，与实施例3的区别仅在于，一次性加入海藻酸，在培养前加入。
产物得率为22.65％，结晶度为27.1°，溶胀率为755.6倍，拉伸强度为0.26n。
对比例1
本对比例提供一种细菌纤维素水凝胶的制备方法，与实施例4的区别仅在于，不加入海藻酸。
产物得率为20.05％，结晶度为29.1°，溶胀率为372.6倍，拉伸强度为0.15n，水凝胶在扫描电镜5万倍放大下显示未生成孔隙，呈现为相互交叉的棒状纤维束，如图2所示。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。