專利名稱：一種利用魔芋作為廉價碳源生產細菌纖維素的方法
技術領域：
本發明屬細菌纖維素或者椰果纖維素的發酵制備領域，特別涉及一種利用魔芋作 為廉價碳源生產細菌纖維素的方法。
背景技術：
細菌纖維素(Bacterial Cellulose，簡稱BC)作為一種天然高分子材料，具有較 好的生物相容性、生物可降解性、較強的持水能力和較高的力學性能等特性。鑒于細菌纖維素的優良特性，細菌纖維素具有廣泛而特殊的用途。在醫用材料領 域，細菌纖維素可以用于合成人造皮膚、人造血管、外科敷料、緩釋藥物的載體等；在食品工 業領域，細菌纖維素本身就可以作為一種食品食用，如俗稱椰果或者椰纖果，另外，BC還可 以作為食品工業中的增稠劑、成型劑、添加劑等；在造紙工業方面，細菌纖維素的添加可以 提高紙張抗張強度和耐破度，降低透氣度，提高撕裂度等；在音響領域可以用作生產超性能 的聲音振動膜；在材料領域，BC納米纖維與其他高分子、有機或無機分子的復合摻雜，可獲 得各種新的功能復合材料。目前大規模利用細菌纖維素的主要障礙是其產量低、成本高、價格不敵普通纖維 素，因此研究的重點集中在找尋新碳源上，尋找廉價合適的原料，既降低生產成本又能提高
纖維素的產量。魔芋(Konjak)系天南星科(Areaceae)魔芋屬(Amorphophallus Blume)的多 年生草本宿根植物，在我國分布廣泛，資源豐富且價格低廉。魔芋葡甘露聚糖(Konjac glucomarman，簡稱KGM)是魔芋的主要成份，在干魔芋塊莖中的含量高達55 % 60 %，由 D-葡萄糖(G)和D-甘露糖(M)按1 1.6或1 1.69的摩爾比通過3-1，4糖苷鍵結合 而成，其分子量從幾十萬到幾百萬不等。通過酸水解魔芋可生成葡萄糖以及甘露糖的混合 溶液。申請人:于2006年申報的專利“一種用于生產細菌纖維素的培養基碳源的制備方 法(ZL200610118925. 1) ”是利用了魔芋中提煉的魔芋精粉為原料，經酸水解制備細菌纖維 素的發酵碳源。該發明的特點是在與葡萄糖等常規碳源相同濃度的基礎上，以魔芋精粉水 解液生產獲得的細菌纖維素得率最高，是純葡萄糖生產的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。本發明直接利用了價廉的魔芋為原料，不需精加工成 精粉，可以大大降低BC的生產原料成本；此外由于魔芋中還含有少量的蛋白質，維生素，礦 物質等元素，可以促進BC的合成。該魔芋干酸水解液同時具備了價格低廉以及適合微生物 生長的優點，可作為細菌纖維素生產的碳源，進一步降低其生產成本。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種利用魔芋作為廉價碳源生產細菌纖維素 的方法，該生產工藝具有原料來源廣泛，成本低，可操作性強等優點；且使用脫毒的魔芋干 酸水解液生產的細菌纖維素產量高于其他碳源生產的細菌纖維素，在細菌纖維素的生產領域具有良好的應用前景。本發明的一種利用魔芋作為廉價碳源生產細菌纖維素的方法，包括(1)魔芋的稀酸水解將魔芋干磨碎至40-80目，用0. 5-2. 5mol/L的硫酸，魔芋干與酸液的固液比(g/ ml)為 1 1-1 60，在 100-140°C溫度下反應 0. 5-2. 5 小時；(2)酸解液脫毒用堿將魔芋干酸解液pH值調到9. 5-11，于30°C下溫浴12h，再將酸解液pH值調回 4. 5-5. 5，加1-6% (質量百分比)活性炭吸附脫毒得到脫毒酸解液；(3)細菌纖維素的制備取上述脫毒酸解液作為培養基碳源，加0.的酵母浸膏和0. 1-0. 5wt% 胰蛋白胨，配成培養基，將細菌纖維素生產菌株的種子液的接種量接入發酵培養基，在 20-30°C溫度下靜止培養或者在50-500rpm轉速下動態培養，經過6_23天制得細菌纖維素。所述步驟(1)中的硫酸濃度0.5-lmol/L，魔芋干與酸液的固液比(g/ml)為 1 3-7，反應溫度 110-115°C，反應時間 20-40min ；優選硫酸濃度l.Omol/L，魔芋干與酸液的固液比(g/ml)為1 7，反應溫度 115°C，反應時間30min(根據正交實驗結果設計所得)；或優選硫酸濃度0. 5mol/L，魔芋干與酸液的固液比(g/ml)為1 7，反應溫度 115°C，反應時間40min (根據響應面實驗結果設計所得)；所述步驟⑵中的堿為Ca (OH) 2 (或石灰)、NaOH、NH40H (或氨水)；所述步驟(3)中的細菌纖維素生產菌株為醋酸菌屬、葡萄糖酸桿菌屬、葡糖酸醋 桿菌屬、根瘤菌屬、八疊球菌屬、假單胞菌屬、無色桿菌屬、產堿菌屬、氣桿菌屬、固氮菌屬、 土壤桿菌屬、洋蔥假單胞菌、空腸彎曲菌或紅茶菌；其中，除紅茶菌以外的菌種按2 3接種 環的接種量接入液體種子培養基制備種子液，然后按3vol% 15vol% (相對發酵培養基) 的接種量轉接到發酵培養基；紅茶菌按接入1 3片直徑1cm圓片菌膜的接種量接入液體 種子培養基，以及按1 3片直徑1cm圓片菌膜的接種量轉接到發酵培養基；優選的菌株為木醋桿菌(Acetobacter xylinum)或紅茶菌。本發明利用魔芋干這一在我國資源豐富，種植廣泛，存儲方便且價格低廉的原料 進行酸水解，并結合正交設計及響應面設計等多因素實驗設計法，綜合考慮各因素相互間 的交互作用，優化出酸解的最佳工藝條件。實驗數據表明，在同等條件下，使用脫毒的魔芋 干酸水解液生產的細菌纖維素產量高于其他碳源生產的細菌纖維素，如蔗糖，純葡萄糖，純 甘露糖或葡萄糖與甘露糖按其在魔芋塊莖中的摩爾比混合的碳源。因此證實本發明所生產 的廉價碳源是一種培養細菌纖維素的優質碳源。有益效果本發明的生產工藝具有原料來源廣泛，成本低，可操作性強等優點；且使用脫毒的 魔芋干酸水解液生產的細菌纖維素產量高于其他碳源生產的細菌纖維素，在細菌纖維素的 生產領域具有良好的應用前景。
圖1為魔芋干不同酸解時間(0. 5-2. 5h)對還原糖得率的影響；
圖2為不同H2S04摩爾濃度(0. 5-2. 5mol/L)對還原糖得率的影響；圖3為不同固液比(1 1-1 60)對還原糖得率的影響；圖4為不同反應溫度(100-140°C )對還原糖得率的影響；圖5為粒度對還原糖得率的影響；圖6為實施例3不同碳源與脫毒酸解液生產細菌纖維素的產量比較；圖7為實施例4不同碳源與脫毒酸解液生產細菌纖維素的產量比較；圖8為實施例5不同碳源與脫毒酸解液生產細菌纖維素的產量比較；圖9為實施例6不同碳源與脫毒酸解液生產細菌纖維素的產量比較。
具體實施例方式下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明 而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人 員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定 的范圍。實施例11.魔芋干片的粉碎利用微型植物試樣粉碎機將魔芋干片粉成粉末，該粉末的粒度從細粉到顆粒不 等，將不經篩網分離的混合粒度以及經篩網按40、60和80目粒度分級的魔芋干粉用于酸 解，酸解反應結束后通過抽濾將魔芋干殘渣和酸解液分開，收集酸解液，通過3，5- 二硝基 水楊酸法(DNS法)測還原糖濃度，計算并比較還原糖得率，得到魔芋干酸解最優單因素反 應條件，還原糖得率按下列公式計算
、r_辦還原糖濃度x水解液體積1Ano/
還原糖得率=-曲廿丫軌讓丫壬-xl00%
魔芋干粉絕干重2.單因素實驗選擇反應溫度、反應時間、固液比、硫酸濃度、粒度五個影響酸解效果的因素進行 單因素實驗，通過比較還原糖得率確定各個最優單因素條件。(1)最適反應時間在固液比為1 40，硫酸濃度為2mol/L，反應溫度在100°C，實驗對象為混合粒度 魔芋粉的條件下，魔芋干不同酸解時間(0.5-2.5h)對還原糖得率的影響見圖1，實驗表明 隨著反應時間的增加，酸解反應的還原糖得率隨之減少，魔芋干粉酸解的最適反應時間為 0. 5h。(2)最適硫酸濃度固液比為1 40，酸解溫度為100°C，反應0. 5h，實驗對象為混合粒度魔芋粉的 條件下，不同!^04摩爾濃度(0. 5-2. 5mol/L)對還原糖得率的影響見圖2，實驗表明在 0. 5-2. 5mol/L的酸濃范圍內，隨著H2S04摩爾濃度的提高，魔芋干粉水解的還原糖得率先上 升后下降，最適的硫酸濃為lmol/L。(3)最適固液比在溫度100°C，反應時間0. 5h，酸濃為lmol/L，實驗對象為混合粒度魔芋粉的反應
5條件下，不同固液比(1 1-1 60)對還原糖得率的影響見圖3，實驗結果表明隨固液比的 增加，還原糖得率增加，而糖濃下降，最適固液比范圍為1 2-1 5。綜合考慮還原糖得 率、糖濃以及固體浸沒情況三種因素，選擇魔芋干與硫酸的最適固液比為1 5。(4)最適反應溫度在1 5的固液比，反應0.5h，硫酸濃度為lmol/L，實驗對象為混合粒度魔芋 粉的反應條件下，不同反應溫度(100-140°C)對還原糖得率的影響見圖4，實驗表明在 100-140°C溫度范圍內，魔芋干粉酸解的還原糖得率隨溫度先上升后下降，魔芋干酸解的最 適反應溫度為110°C。(5)最適魔芋粒度在酸濃為lmol/L，反應0. 5h，反應溫度為110°C，固液比為1 5的反應條件下，粒 度(40-80目)對還原糖得率的影響見圖5，實驗結果表明粒度越小，還原糖得率越少，未經 篩網分級的混合粒度酸解的還原糖得率最高，混合粒度為魔芋干酸解的最適粒度。通過單因素實驗，我們得到酸解的最佳反應條件為溫度110°C，反應時間0. 5h，酸 濃lmol/L，固液比1 5，實驗原料選用混合粒度的魔芋干粉，即魔芋干粉碎后不必過篩。3.多因素實驗取反應溫度、時間、固液比、硫酸濃度四個單因素條件，通過軟件(如正交設計助 手等)設計四因素三水平的L9(34)正交實驗如下表 權利要求
一種利用魔芋作為廉價碳源生產細菌纖維素的方法，包括(1)魔芋的稀酸水解將魔芋干磨碎至40～80目，用0.5～2.5mol/L的硫酸，魔芋干與酸液的固液比(g/ml)為1∶1～1∶60，在100～140℃溫度下反應0.5～2.5小時；(2)酸解液脫毒用堿將魔芋干酸解液pH值調到9.5～11，于30℃下溫浴12h，再將酸解液pH值調回4.5～5.5，加1～6wt％活性炭吸附脫毒得到脫毒酸解液；(3)細菌纖維素的制備取上述脫毒酸解液作為培養基碳源，加0.1～1wt％的酵母浸膏和0.1～0.5wt％胰蛋白胨，配成發酵培養基，將細菌纖維素生產菌株的種子液接入發酵培養基，在20～30℃溫度下靜止培養或者在50～500rpm轉速下動態培養，經過6～23天制得細菌纖維素。
2.根據權利要求1所述的一種利用魔芋作為廉價碳源生產細菌纖維素的方法，其特 征在于所述步驟(1)中的硫酸濃度0.5 1.5mol/L，魔芋干與酸液的固液比(g/ml)為 1 3 7，反應溫度110 115°C，反應時間20 40min。
3.根據權利要求2所述的一種利用魔芋作為廉價碳源生產細菌纖維素的方法，其特征 在于所述的硫酸濃度l.Omol/L，魔芋干與酸液的固液比(g/ml)為1 7，反應溫度115°C， 反應時間30min。
4.根據權利要求2所述的一種利用魔芋作為廉價碳源生產細菌纖維素的方法，其特征 在于所述的硫酸濃度0.5mol/L，魔芋干與酸液的固液比(g/ml)為1 7，反應溫度115°C， 反應時間40min。
5.根據權利要求1所述的一種利用魔芋作為廉價碳源生產細菌纖維素的方法，其特征 在于所述步驟(2)中的堿為Ca (OH)2、NaOH或NH4OH。
6.根據權利要求1所述的一種利用魔芋作為廉價碳源生產細菌纖維素的方法，其特征 在于所述步驟(3)中的細菌纖維素生產菌株為醋酸菌屬、葡萄糖酸桿菌屬、葡糖酸醋桿菌 屬、根瘤菌屬、八疊球菌屬、假單胞菌屬、無色桿菌屬、產堿菌屬、氣桿菌屬、固氮菌屬、土壤 桿菌屬、洋蔥假單胞菌、空腸彎曲菌或紅茶菌；其中，除紅茶菌以外的菌種按2 3接種環的 接種量接入液體種子培養基制備種子液，然后按3vol% 15vol%的接種量轉接到發酵培 養基；紅茶菌按接入1 3片直徑Icm圓片菌膜的接種量接入液體種子培養基，以及按1 3片直徑Icm圓片菌膜的接種量轉接到發酵培養基。
7.根據權利要求6所述的一種利用魔芋作為廉價碳源生產細菌纖維素的方法，其特征 在于所述的菌株為木醋桿菌(Acetobacter xylinum)或紅茶菌
全文摘要
本發明涉及一種利用魔芋作為廉價碳源生產細菌纖維素的方法，包括(1)魔芋的稀酸水解將魔芋干磨碎用0.5-2.5mol/L的硫酸于100-140℃溫度下酸解0.5-2.5小時；(2)酸解液脫毒用堿將魔芋干酸解液pH值調到9.5-11，于30℃下溫浴12h，再將酸解液pH值調回4.5-5.5，加活性炭吸附脫毒；(3)細菌纖維素的制備加0.1-1wt％的酵母浸膏和0.1-0.5wt％胰蛋白胨，然后接入細菌纖維素生產菌株，培養得細菌纖維素。本發明的生產工藝具有原料來源廣泛，成本低，可操作性強等優點，在細菌纖維素的生產領域具有良好的應用前景。
文檔編號C12R1/02GK101942490SQ20101022821
公開日2011年1月12日 申請日期2010年7月15日 優先權日2010年7月15日
發明者李慧, 楊光, 楊雪霞, 洪楓 申請人:東華大學