木醋杆菌纤维素和壳聚糖或壳寡糖抗菌复合材料的表征

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一些木醋杆菌(Gluconacetobacter xylinus)产生的细菌纤维素(Bacterial cellulose,BC)具有纯度高、亲水性强以及机械强度优良等特性,是一种纳米级生物材料。本文利用实验室先前从柿子醋中分离得到的G.xylinus TJU-S8菌株,对BC发酵条件进行优化并与壳聚糖(Chitosan,CS)、壳寡糖(Chitooligosaccharide,COS)进行复合,以期为制造新型抗菌食品包装材料奠定基础。鉴于BC产量相对较低的问题,对BC发酵条件进行了优化。首先利用单因素试验对培养基成分及培养条件进行优化,将BC产量从1.05±0.02 g/L提升到3.08±0.22 g/L。接下来在单因素试验的基础上,完成了Plackket Burman(PB)试验和Box-Behnken(BB)试验,发现蔗糖浓度、胰蛋白胨浓度以及培养温度对BC产量的影响极显著(P<0.01)。当蔗糖浓度为40.1 g/L,胰蛋白胨浓度为21.55 g/L,温度为31.3℃时,BC实际产量可以达到3.35±0.35 g/L,是原始产量的3.19倍。对BC的理化性质进行了研究。通过扫描电镜观察,该菌种所产BC呈现为一种具有高孔隙率的超细纤维网络结构。通过X射线光电子能谱、红外光谱、X射线衍射分析,证明该菌株所产BC属于纤维素I,结晶度为63.73%。BC具有良好的热稳定性、溶胀性、透湿性和透气性,初始热裂解温度可达352.91℃。为了扩大BC在抗菌领域的应用,将CS、COS这两种抗菌物质复合到BC膜上,通过简单的浸泡方法,成功制备出了BC-CS和BC-COS复合膜。通过X射线光电子能谱及红外光谱,证明CS和COS已经成功复合到BC上。BC-CS和BC-COS具有良好的抗菌性能,BC-CS对金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)和大肠杆菌(Escherichia coli)的抑菌率分别为99.99±0.01%和99.99±0.01%,BCCOS对S.aureus和E.coli菌株的抑菌率分别为99.64±0.18%和90.56±0.06%。利用X射线衍射分析发现,BC-CS和BC-COS的结晶度有所下降,分别为55.37%和63.40%。另外,BC-CS和BC-COS具有良好的热稳定性,但其热稳定性较BC有所下降。对复合材料的机械性能进行研究时发现,COS的加入使BC的断裂伸长率显著下降,抗拉强度和杨氏模量显著提升,分别可以达到9.67±0.26 MPa和741.30±39.63 MPa,而CS的添加则会降低原有的抗拉强度。另外,相比于BC,这两种材料的溶胀性、透湿性和透气性均有所降低,但持水性有所上升。综上所述,本论文通过优化试验大幅提升BC产量,并利用BC与CS、COS复合,成功制备出两种具有优良性能的抗菌生物材料。本文首次研究了BC-COS的结构和性能,为扩大BC在食品包装领域的应用奠定基础。
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