基本信息
- 项目名称：
- 一株葡糖醋杆菌及其应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本研究分离到一株高产BC的菌株，产物性能优良，在食品、医药、造纸、纺织、声学器材等方面有广泛的应用前景。添加水溶性高聚物于培养基中，实现对BC的发酵培养改性，拓宽了其应用领域。通过3T3细胞培养方法，着重考察了材料的生物相容性，为其在生物医学材料方面的应用提供了支持。探索了利用发酵废液制备环保型融雪剂的方法，降低了其生产成本，具有很好的推广价值和应用前景。
- 详细介绍：
- 研究背景： 细菌纤维素（BC）具有与自然界中广泛存在的植物纤维素相同的化学性质，此外还具有许多独特的优越性。首先细菌合成BC的速度和产率比植物高很多。 其次，BC有很多植物纤维素无法比拟的优越性，如：化学纯度极高，不含木质素、半纤维素等杂质，提纯过程简单；独特的纳米三维网络结构、高结晶度、高机械强度、生物合成时的可调控性、生物相容性等，在食品、医药、造纸、纺织、声学器材等方面有广泛的应用前景, 是当今国外新型材料研究的热点之一，但是目前，国内对BC的研究较少，还处于实验室阶段。 本研究的目的： 要拓展细菌纤维素的应用，有赖于其生产规模的扩大及生产成本的降低。因此，进一步筛选高产菌株是关键。本研究的目的是提供一株可用于大规模生产细菌纤维素的高产菌株——葡糖醋杆菌SC-01(Gluconacetobacter sp. SC-01)，利用上述菌株生产性能优良的细菌纤维素，探究其生物相容性及在生物医学材料方面的应用前景，同时探究利用发酵废液制备新型环保融雪剂的方法。 基本思路： 1）筛选产细菌纤维素的高产菌株，通过菌体形态及生理生化实验和16S rRNA基因序列同源性分析对菌株进行鉴定、保藏。 2）发酵探索该菌株的生长规律和特性，通过单因素实验，找出影响菌株生长和产物积累的主要因子；利用正交实验对菌株的发酵条件进行优化，得到细菌纤维素产量最高的最佳发酵条件。 3）利用13C固体核磁（13C-NMR）、差示扫描量热法（DSC）、热重分析（TG）、傅立叶变换红外（FTIR）等对发酵产物进行鉴定分析。 4）通过向培养基中添加一些水溶性化合物来对发酵产物进行改性，从而拓展其在生物医学材料领域的应用。 5）通过细胞培养实验，比较改性前的细菌纤维素及几种改性的细菌纤维作为细胞培养的基底材料的生物相容性。 6）探究利用发酵废液制备新型环保融雪剂的方法。 创新点： 1）筛选出一株稳定高产细菌纤维素的新菌株，对菌株进行快速鉴定、保藏、注册了GeneBank 序列号，构建了进化树，申请了专利，专利已于2011年01月26日授权。 2）以前报道的菌株由于培养基中葡萄糖酸的产生，pH下降，从而抑制了细菌纤维素合成的相关酶的活性，使细菌纤维素产量下降。而本发明的菌株除了可以利用葡萄糖、蔗糖等碳源外，还可以利用甘露醇，发酵过程中不产葡萄糖酸，可以更好的稳定培养基的pH，而且本研究筛选到的菌株培养条件更加灵活，菌株可以在较宽的温度pH范围内生长。该菌株在低pH环境中仍有较高的细菌纤维素产量，且以工业级的玉米浆干粉作为氮源，成本更低，适于大规模工业化发酵生产。 3）本研究通过向培养基中添加一些水溶性物质，拓宽了产物的表面结构特点及吸水性特点，利于拓宽其应用范围。本研究通过细胞试验，证明发酵产物的生物相容性，为其在生物医学领域的应用提供强有力的支持。 4） 本研究将发酵废液有效回收，并制备环保型融雪剂，变废为宝，不仅有效处理了废液，而且降低了融雪剂制备的成本，且制备的融雪剂融雪效果良好，腐蚀性小，有很好的现实意义，具有广阔的市场前景。 技术关键： 1） 高产菌株的筛选、鉴定、保藏。 2） 正交试验的设计，培养条件的优化。 3） 发酵产物的分离、纯化、鉴定。 4） 细胞培养技术。 主要技术指标： 稀释梯度法、Biolog菌种鉴定技术、16SrDNA序列分析技术、菌种的冻干管保藏技术、正交实验设计、扫描电镜技术、热失重分析技术、傅立叶红外光谱分析技术、13C-固体核磁图谱分析技术、细胞培养技术、MTT试验技术、酶标仪使用技术、元素分析技术等。 科学性与先进性： 1) 目前，国内对BC的研究刚刚起步，仅仅停留在实验室水平，还没有产业化，研究的重点也只是在菌种的筛选和发酵条件的优化，其应用主要局限在作为高纤维食品和提高纸的性能上。本研究着重侧重细菌纤维素在具有高附加值的生物医学材料方面的应用。 2）以前报道的菌株鉴定多采用生理生化实验，实验繁琐耗时长，本研究中采用16SrDNA序列分析，利用菌株的保守序列，迅速鉴定到属，然后利用Biolog分类鉴定系统，迅速鉴定到种。 3）以前报道的菌株由于培养基中葡萄糖酸的产生，pH下降，从而抑制了细菌纤维素合成的相关酶的活性，使细菌纤维素产量下降。而本发明的菌株培养条件更加灵活，菌株可以在较宽的温度（25-35℃）、pH（3.5-7.0）范围内生长。该发明的菌株在低pH环境中仍有较高的细菌纤维素产量，适于大规模工业化发酵生产。 4）本发明菌株发酵得到的细菌纤维素具有超纯、超细、结晶度高、吸水性强、可降解、机械强度高、热稳定好等特点。 5）本研究利用细胞培养技术、MTT实验技术表征发酵产物的生物相容性，简单、明了、证据充分，为细菌纤维素在生物医学材料领域的应用提供有利证据和技术支持。 6）目前使用的融雪剂多为氯化钠等，因含有氯离子，对道路桥梁腐蚀严重，且会污染水源，危害植物。而环保型融雪剂（醋酸钙镁盐）因成本高，仅在机场等地使用，限制了其使用范围。本研究以发酵废液和白云石粉为原料制备环保型融雪剂，具有良好的融雪效果，降低了其生产成本，拓宽了其应用范围，具有巨大市场前景，同时有效处理了发酵废液，一举两得。 意义： 目前，国内对BC的研究刚刚起步，仅仅停留在实验室水平，还没有产业化，而其在生物医学材料方面的研究更少。本研究组证明细菌纤维素具有较好生物相容性，在生物医学材料及组织工程材料方面具有很高的商业应用价值。本研究组利用发酵废液来制备融雪剂，一举两得，不仅有效处理了发酵废液，而且降低了融雪剂的生产成本，解决冬天的积雪问题，具有很好的现实意义，因此有广阔的商业前景。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的： 本研究的目的是提供一株可用于大规模生产细菌纤维素（BC）的高产菌株，对BC进行鉴定分析和改性研究，探究了BC的生物相容性及在生物医学材料方面的应用，同时探究利用发酵废液制备新型环保融雪剂的方法。 基本思路： 1）筛选产BC的高产菌株，对菌株进行鉴定、保藏。 2）通过单因素实验，正交实验对菌株的发酵条件进行优化。 3）对发酵产物进行鉴定分析。 4）通过向培养基中添加一些水溶性化合物对发酵产物进行改性，拓宽其在生物医学材料领域的应用。 5）通过细胞培养实验，比较几种改性BC的生物相容性。 6）探究利用发酵废液制备新型环保融雪剂的方法。 创新点： 1）筛选出一株稳定高产细菌纤维素的新菌株。获得了国家发明专利一项。 2）该菌以甘露醇为碳源，不产葡萄糖酸，可以更好的稳定培养基的pH，可在较宽的温度pH范围内生长，且以玉米浆干粉作为氮源，成本低，适于大规模工业化发酵生产。 3）通过改性，拓宽了产物的应用范围。细胞试验，证明发酵产物有良好的生物相容性。 4）利用发酵废液制备环保型融雪剂，变废为宝。 技术关键： 1）高产菌株的筛选、鉴定、保藏。 2）正交试验的设计，培养条件的优化。 3）发酵产物的分离、纯化、鉴定。 4）细胞培养技术。 主要技术指标： 稀释梯度法、菌种鉴定保藏技术、正交实验、扫描电镜、热失重分析、傅立叶红外光谱分析、13C-固体核磁图谱分析、细胞培养、MTT试验、元素分析等。
科学性、先进性
- 科学性与先进性： 1）筛选出一株稳定高产细菌纤维素的新菌株。获得了国家发明专利一项。 2）该菌以甘露醇为碳源，不产葡萄糖酸，可以更好的稳定培养基的pH，可在较宽的温度pH范围内生长，且以工业级的玉米浆干粉作为氮源，成本更低，适于大规模工业化发酵生产。 3）通过改性，拓宽了产物的应用范围。细胞试验，证明发酵产物有良好的生物相容性，为其在生物医学领域的应用提供强有力的支持。 4）利用发酵废液制备环保型融雪剂，变废为宝。 本研究科学严谨，主要技术如下： 稀释梯度法、菌种鉴定保藏技术、正交实验、扫描电镜、热失重分析、傅立叶红外光谱分析、13C-固体核磁图谱分析、细胞培养、MTT试验、元素分析等。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年3月-4月在南开大学参加挑战杯初赛、复赛。 研究成果： 发表论文一篇，申请专利一项 [1] 苏文萍，曹名锋，宋存江1＊，孙秀梅，李保宾，解慧，王淑芳2＊细菌纤维素的合成及其发酵培养改性 南开大学学报自然科学版 [2] 宋存江，苏文萍，曹名锋，孔梅梅，李保宾，王淑芳 中国发明专利 一株葡糖醋杆菌及其应用 2011年1月26已授权，授权专利号：ZL 2009 10069499.0
作品所处阶段
- 实验室研究阶段
技术转让方式
- 技术转让
作品可展示的形式
- 实物产品、图片、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1）目前，国内对细菌纤维素的研究刚刚起步，仅仅停留在实验室水平，还没有产业化，其应用主要局限在作为高纤维食品和提高纸的性能上。本研究着重侧重BC在具有高附加值的生物医学材料方面的应用。本研究通过细胞试验发现其生物相容性好，为其在生物医学材料方面应用提供证据和技术支持，拓宽了BC的应用领域，具有巨大的商业价值。 2）进入冬季，在我国的北方降雪是很普遍的现象，积雪会给人民生活及出行带来困难，极易诱发交通事故，目前的除雪方法主要有人工除雪、机械除雪和融雪剂除雪三大类。人工除雪需要大量人力，效率低；机械除雪对机械设备要求高；传统的融雪剂对环境产生了很大破坏，尤其是对混凝土桥梁产生了严重腐蚀，并且会污染水源，危害植物。而环保型融雪剂（醋酸钙镁盐）因成本高，仅在机场等地使用，限制了其使用范围。本研究以浓缩后的发酵废液和白云石粉为原料制备环保型融雪剂，具有良好的融雪效果，降低了其生产成本，拓宽了其应用范围，具有巨大市场前景，同时有效处理了发酵废液，一举两得。
同类课题研究水平概述
- 1886年Brown首次报道细菌能够合成纤维素。木醋杆菌(Acetobacter xylinum)在静置培养时于培养基表面形成一层白色纤维状物质，经化学、物理方法分析确定此类物质具有纤维素的结构与理化性质，因其合成来源而命名为细菌纤维素（Bacterial Cellulose 简称BC）。BC是已知天然纤维中最细、性能最好的纤维素，其直径约10～100 nm，但弹性模量却是普通纤维的数十倍；具有高纯度、高结晶度、高聚合度的特点，具有很强的亲水性和优良的生物适应性，在纺织、造纸、食品、医学上具有很高的学术价值和广泛的应用前景, 已成为国内外新型生物材料研究的热点。 BC性能优良，可直接开发为实用材料。为了拓展BC的应用领域，制备BC基多功能材料的发展趋势方兴未艾。在微生物合成BC的过程中，传统方法(如改变培养方式或体系条件来调控BC分子链的排序、晶型结构、网状结构等)所得材料的物理晶体结构和机械性能难于满足需要。由于BC全部由葡萄糖苷键和氢键连接而成，化学结构中含有大量的羟基，所以易于改性和表面修饰，将其与其他分子组合制成更高性能的物质，利用这一特点，在培养基中添加不同种类的水溶性化合物可制备性能发生变化的BC，从而可拓宽其应用领域。 S. Keshk 在HS培养基中添加木素磺酸盐，提高了BC产量， 同时发现所产生的BC具有更高的力学强度，因而更具有工业化应用的潜力。Danuta将壳聚糖加入培养基对BC改性后，不仅具有纤维素本身的特性，还具有壳聚糖的特性，在处理烧伤、褥疮、难以愈合的伤口以及需要频繁更换伤口敷料的伤口时具有很好的应用价值。 目前融雪剂主要分为两大类：一类是氯盐类融雪剂，包括氯化钠、氯化钙、氯化镁、氯化钾等，通称作‘化冰盐’，它的价格便宜，但对大型公共基础设施的腐蚀很严重。另一类是以醋酸钾为主要成分的有机融雪剂，腐蚀低，但价格太高，一般只适用于机场等地。
