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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 一株葡糖醋桿菌及其應(yīng)用
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本研究分離到一株高產(chǎn)BC的菌株，產(chǎn)物性能優(yōu)良，在食品、醫(yī)藥、造紙、紡織、聲學(xué)器材等方面有廣泛的應(yīng)用前景。添加水溶性高聚物于培養(yǎng)基中，實(shí)現(xiàn)對BC的發(fā)酵培養(yǎng)改性，拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。通過3T3細(xì)胞培養(yǎng)方法，著重考察了材料的生物相容性，為其在生物醫(yī)學(xué)材料方面的應(yīng)用提供了支持。探索了利用發(fā)酵廢液制備環(huán)保型融雪劑的方法，降低了其生產(chǎn)成本，具有很好的推廣價值和應(yīng)用前景。
- 詳細(xì)介紹：
- 研究背景： 細(xì)菌纖維素（BC）具有與自然界中廣泛存在的植物纖維素相同的化學(xué)性質(zhì)，此外還具有許多獨(dú)特的優(yōu)越性。首先細(xì)菌合成BC的速度和產(chǎn)率比植物高很多。 其次，BC有很多植物纖維素?zé)o法比擬的優(yōu)越性，如：化學(xué)純度極高，不含木質(zhì)素、半纖維素等雜質(zhì)，提純過程簡單；獨(dú)特的納米三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、高結(jié)晶度、高機(jī)械強(qiáng)度、生物合成時的可調(diào)控性、生物相容性等，在食品、醫(yī)藥、造紙、紡織、聲學(xué)器材等方面有廣泛的應(yīng)用前景, 是當(dāng)今國外新型材料研究的熱點(diǎn)之一，但是目前，國內(nèi)對BC的研究較少，還處于實(shí)驗(yàn)室階段。 本研究的目的： 要拓展細(xì)菌纖維素的應(yīng)用，有賴于其生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大及生產(chǎn)成本的降低。因此，進(jìn)一步篩選高產(chǎn)菌株是關(guān)鍵。本研究的目的是提供一株可用于大規(guī)模生產(chǎn)細(xì)菌纖維素的高產(chǎn)菌株——葡糖醋桿菌SC-01(Gluconacetobacter sp. SC-01)，利用上述菌株生產(chǎn)性能優(yōu)良的細(xì)菌纖維素，探究其生物相容性及在生物醫(yī)學(xué)材料方面的應(yīng)用前景，同時探究利用發(fā)酵廢液制備新型環(huán)保融雪劑的方法。 基本思路： 1）篩選產(chǎn)細(xì)菌纖維素的高產(chǎn)菌株，通過菌體形態(tài)及生理生化實(shí)驗(yàn)和16S rRNA基因序列同源性分析對菌株進(jìn)行鑒定、保藏。 2）發(fā)酵探索該菌株的生長規(guī)律和特性，通過單因素實(shí)驗(yàn)，找出影響菌株生長和產(chǎn)物積累的主要因子；利用正交實(shí)驗(yàn)對菌株的發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化，得到細(xì)菌纖維素產(chǎn)量最高的最佳發(fā)酵條件。 3）利用13C固體核磁（13C-NMR）、差示掃描量熱法（DSC）、熱重分析（TG）、傅立葉變換紅外（FTIR）等對發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)行鑒定分析。 4）通過向培養(yǎng)基中添加一些水溶性化合物來對發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)行改性，從而拓展其在生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域的應(yīng)用。 5）通過細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，比較改性前的細(xì)菌纖維素及幾種改性的細(xì)菌纖維作為細(xì)胞培養(yǎng)的基底材料的生物相容性。 6）探究利用發(fā)酵廢液制備新型環(huán)保融雪劑的方法。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1）篩選出一株穩(wěn)定高產(chǎn)細(xì)菌纖維素的新菌株，對菌株進(jìn)行快速鑒定、保藏、注冊了GeneBank 序列號，構(gòu)建了進(jìn)化樹，申請了專利，專利已于2011年01月26日授權(quán)。 2）以前報(bào)道的菌株由于培養(yǎng)基中葡萄糖酸的產(chǎn)生，pH下降，從而抑制了細(xì)菌纖維素合成的相關(guān)酶的活性，使細(xì)菌纖維素產(chǎn)量下降。而本發(fā)明的菌株除了可以利用葡萄糖、蔗糖等碳源外，還可以利用甘露醇，發(fā)酵過程中不產(chǎn)葡萄糖酸，可以更好的穩(wěn)定培養(yǎng)基的pH，而且本研究篩選到的菌株培養(yǎng)條件更加靈活，菌株可以在較寬的溫度pH范圍內(nèi)生長。該菌株在低pH環(huán)境中仍有較高的細(xì)菌纖維素產(chǎn)量，且以工業(yè)級的玉米漿干粉作為氮源，成本更低，適于大規(guī)模工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)。 3）本研究通過向培養(yǎng)基中添加一些水溶性物質(zhì)，拓寬了產(chǎn)物的表面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及吸水性特點(diǎn)，利于拓寬其應(yīng)用范圍。本研究通過細(xì)胞試驗(yàn)，證明發(fā)酵產(chǎn)物的生物相容性，為其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供強(qiáng)有力的支持。 4） 本研究將發(fā)酵廢液有效回收，并制備環(huán)保型融雪劑，變廢為寶，不僅有效處理了廢液，而且降低了融雪劑制備的成本，且制備的融雪劑融雪效果良好，腐蝕性小，有很好的現(xiàn)實(shí)意義，具有廣闊的市場前景。 技術(shù)關(guān)鍵： 1） 高產(chǎn)菌株的篩選、鑒定、保藏。 2） 正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)條件的優(yōu)化。 3） 發(fā)酵產(chǎn)物的分離、純化、鑒定。 4） 細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)。 主要技術(shù)指標(biāo)： 稀釋梯度法、Biolog菌種鑒定技術(shù)、16SrDNA序列分析技術(shù)、菌種的凍干管保藏技術(shù)、正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、掃描電鏡技術(shù)、熱失重分析技術(shù)、傅立葉紅外光譜分析技術(shù)、13C-固體核磁圖譜分析技術(shù)、細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)、MTT試驗(yàn)技術(shù)、酶標(biāo)儀使用技術(shù)、元素分析技術(shù)等。 科學(xué)性與先進(jìn)性： 1) 目前，國內(nèi)對BC的研究剛剛起步，僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室水平，還沒有產(chǎn)業(yè)化，研究的重點(diǎn)也只是在菌種的篩選和發(fā)酵條件的優(yōu)化，其應(yīng)用主要局限在作為高纖維食品和提高紙的性能上。本研究著重側(cè)重細(xì)菌纖維素在具有高附加值的生物醫(yī)學(xué)材料方面的應(yīng)用。 2）以前報(bào)道的菌株鑒定多采用生理生化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)繁瑣耗時長，本研究中采用16SrDNA序列分析，利用菌株的保守序列，迅速鑒定到屬，然后利用Biolog分類鑒定系統(tǒng)，迅速鑒定到種。 3）以前報(bào)道的菌株由于培養(yǎng)基中葡萄糖酸的產(chǎn)生，pH下降，從而抑制了細(xì)菌纖維素合成的相關(guān)酶的活性，使細(xì)菌纖維素產(chǎn)量下降。而本發(fā)明的菌株培養(yǎng)條件更加靈活，菌株可以在較寬的溫度（25-35℃）、pH（3.5-7.0）范圍內(nèi)生長。該發(fā)明的菌株在低pH環(huán)境中仍有較高的細(xì)菌纖維素產(chǎn)量，適于大規(guī)模工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)。 4）本發(fā)明菌株發(fā)酵得到的細(xì)菌纖維素具有超純、超細(xì)、結(jié)晶度高、吸水性強(qiáng)、可降解、機(jī)械強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定好等特點(diǎn)。 5）本研究利用細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)、MTT實(shí)驗(yàn)技術(shù)表征發(fā)酵產(chǎn)物的生物相容性，簡單、明了、證據(jù)充分，為細(xì)菌纖維素在生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域的應(yīng)用提供有利證據(jù)和技術(shù)支持。 6）目前使用的融雪劑多為氯化鈉等，因含有氯離子，對道路橋梁腐蝕嚴(yán)重，且會污染水源，危害植物。而環(huán)保型融雪劑（醋酸鈣鎂鹽）因成本高，僅在機(jī)場等地使用，限制了其使用范圍。本研究以發(fā)酵廢液和白云石粉為原料制備環(huán)保型融雪劑，具有良好的融雪效果，降低了其生產(chǎn)成本，拓寬了其應(yīng)用范圍，具有巨大市場前景，同時有效處理了發(fā)酵廢液，一舉兩得。 意義： 目前，國內(nèi)對BC的研究剛剛起步，僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室水平，還沒有產(chǎn)業(yè)化，而其在生物醫(yī)學(xué)材料方面的研究更少。本研究組證明細(xì)菌纖維素具有較好生物相容性，在生物醫(yī)學(xué)材料及組織工程材料方面具有很高的商業(yè)應(yīng)用價值。本研究組利用發(fā)酵廢液來制備融雪劑，一舉兩得，不僅有效處理了發(fā)酵廢液，而且降低了融雪劑的生產(chǎn)成本，解決冬天的積雪問題，具有很好的現(xiàn)實(shí)意義，因此有廣闊的商業(yè)前景。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的： 本研究的目的是提供一株可用于大規(guī)模生產(chǎn)細(xì)菌纖維素（BC）的高產(chǎn)菌株，對BC進(jìn)行鑒定分析和改性研究，探究了BC的生物相容性及在生物醫(yī)學(xué)材料方面的應(yīng)用，同時探究利用發(fā)酵廢液制備新型環(huán)保融雪劑的方法。 基本思路： 1）篩選產(chǎn)BC的高產(chǎn)菌株，對菌株進(jìn)行鑒定、保藏。 2）通過單因素實(shí)驗(yàn)，正交實(shí)驗(yàn)對菌株的發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化。 3）對發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)行鑒定分析。 4）通過向培養(yǎng)基中添加一些水溶性化合物對發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)行改性，拓寬其在生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域的應(yīng)用。 5）通過細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，比較幾種改性BC的生物相容性。 6）探究利用發(fā)酵廢液制備新型環(huán)保融雪劑的方法。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1）篩選出一株穩(wěn)定高產(chǎn)細(xì)菌纖維素的新菌株。獲得了國家發(fā)明專利一項(xiàng)。 2）該菌以甘露醇為碳源，不產(chǎn)葡萄糖酸，可以更好的穩(wěn)定培養(yǎng)基的pH，可在較寬的溫度pH范圍內(nèi)生長，且以玉米漿干粉作為氮源，成本低，適于大規(guī)模工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)。 3）通過改性，拓寬了產(chǎn)物的應(yīng)用范圍。細(xì)胞試驗(yàn)，證明發(fā)酵產(chǎn)物有良好的生物相容性。 4）利用發(fā)酵廢液制備環(huán)保型融雪劑，變廢為寶。 技術(shù)關(guān)鍵： 1）高產(chǎn)菌株的篩選、鑒定、保藏。 2）正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)條件的優(yōu)化。 3）發(fā)酵產(chǎn)物的分離、純化、鑒定。 4）細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)。 主要技術(shù)指標(biāo)： 稀釋梯度法、菌種鑒定保藏技術(shù)、正交實(shí)驗(yàn)、掃描電鏡、熱失重分析、傅立葉紅外光譜分析、13C-固體核磁圖譜分析、細(xì)胞培養(yǎng)、MTT試驗(yàn)、元素分析等。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)性與先進(jìn)性： 1）篩選出一株穩(wěn)定高產(chǎn)細(xì)菌纖維素的新菌株。獲得了國家發(fā)明專利一項(xiàng)。 2）該菌以甘露醇為碳源，不產(chǎn)葡萄糖酸，可以更好的穩(wěn)定培養(yǎng)基的pH，可在較寬的溫度pH范圍內(nèi)生長，且以工業(yè)級的玉米漿干粉作為氮源，成本更低，適于大規(guī)模工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)。 3）通過改性，拓寬了產(chǎn)物的應(yīng)用范圍。細(xì)胞試驗(yàn)，證明發(fā)酵產(chǎn)物有良好的生物相容性，為其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供強(qiáng)有力的支持。 4）利用發(fā)酵廢液制備環(huán)保型融雪劑，變廢為寶。 本研究科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，主要技術(shù)如下： 稀釋梯度法、菌種鑒定保藏技術(shù)、正交實(shí)驗(yàn)、掃描電鏡、熱失重分析、傅立葉紅外光譜分析、13C-固體核磁圖譜分析、細(xì)胞培養(yǎng)、MTT試驗(yàn)、元素分析等。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2011年3月-4月在南開大學(xué)參加挑戰(zhàn)杯初賽、復(fù)賽。 研究成果： 發(fā)表論文一篇，申請專利一項(xiàng) [1] 蘇文萍，曹名鋒，宋存江1＊，孫秀梅，李保賓，解慧，王淑芳2＊細(xì)菌纖維素的合成及其發(fā)酵培養(yǎng)改性 南開大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版 [2] 宋存江，蘇文萍，曹名鋒，孔梅梅，李保賓，王淑芳 中國發(fā)明專利 一株葡糖醋桿菌及其應(yīng)用 2011年1月26已授權(quán)，授權(quán)專利號：ZL 2009 10069499.0
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室研究階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物產(chǎn)品、圖片、樣品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 1）目前，國內(nèi)對細(xì)菌纖維素的研究剛剛起步，僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室水平，還沒有產(chǎn)業(yè)化，其應(yīng)用主要局限在作為高纖維食品和提高紙的性能上。本研究著重側(cè)重BC在具有高附加值的生物醫(yī)學(xué)材料方面的應(yīng)用。本研究通過細(xì)胞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其生物相容性好，為其在生物醫(yī)學(xué)材料方面應(yīng)用提供證據(jù)和技術(shù)支持，拓寬了BC的應(yīng)用領(lǐng)域，具有巨大的商業(yè)價值。 2）進(jìn)入冬季，在我國的北方降雪是很普遍的現(xiàn)象，積雪會給人民生活及出行帶來困難，極易誘發(fā)交通事故，目前的除雪方法主要有人工除雪、機(jī)械除雪和融雪劑除雪三大類。人工除雪需要大量人力，效率低；機(jī)械除雪對機(jī)械設(shè)備要求高；傳統(tǒng)的融雪劑對環(huán)境產(chǎn)生了很大破壞，尤其是對混凝土橋梁產(chǎn)生了嚴(yán)重腐蝕，并且會污染水源，危害植物。而環(huán)保型融雪劑（醋酸鈣鎂鹽）因成本高，僅在機(jī)場等地使用，限制了其使用范圍。本研究以濃縮后的發(fā)酵廢液和白云石粉為原料制備環(huán)保型融雪劑，具有良好的融雪效果，降低了其生產(chǎn)成本，拓寬了其應(yīng)用范圍，具有巨大市場前景，同時有效處理了發(fā)酵廢液，一舉兩得。
同類課題研究水平概述
- 1886年Brown首次報(bào)道細(xì)菌能夠合成纖維素。木醋桿菌(Acetobacter xylinum)在靜置培養(yǎng)時于培養(yǎng)基表面形成一層白色纖維狀物質(zhì)，經(jīng)化學(xué)、物理方法分析確定此類物質(zhì)具有纖維素的結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)，因其合成來源而命名為細(xì)菌纖維素（Bacterial Cellulose 簡稱BC）。BC是已知天然纖維中最細(xì)、性能最好的纖維素，其直徑約10～100 nm，但彈性模量卻是普通纖維的數(shù)十倍；具有高純度、高結(jié)晶度、高聚合度的特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的親水性和優(yōu)良的生物適應(yīng)性，在紡織、造紙、食品、醫(yī)學(xué)上具有很高的學(xué)術(shù)價值和廣泛的應(yīng)用前景, 已成為國內(nèi)外新型生物材料研究的熱點(diǎn)。 BC性能優(yōu)良，可直接開發(fā)為實(shí)用材料。為了拓展BC的應(yīng)用領(lǐng)域，制備BC基多功能材料的發(fā)展趨勢方興未艾。在微生物合成BC的過程中，傳統(tǒng)方法(如改變培養(yǎng)方式或體系條件來調(diào)控BC分子鏈的排序、晶型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等)所得材料的物理晶體結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能難于滿足需要。由于BC全部由葡萄糖苷鍵和氫鍵連接而成，化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有大量的羥基，所以易于改性和表面修飾，將其與其他分子組合制成更高性能的物質(zhì)，利用這一特點(diǎn)，在培養(yǎng)基中添加不同種類的水溶性化合物可制備性能發(fā)生變化的BC，從而可拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。 S. Keshk 在HS培養(yǎng)基中添加木素磺酸鹽，提高了BC產(chǎn)量， 同時發(fā)現(xiàn)所產(chǎn)生的BC具有更高的力學(xué)強(qiáng)度，因而更具有工業(yè)化應(yīng)用的潛力。Danuta將殼聚糖加入培養(yǎng)基對BC改性后，不僅具有纖維素本身的特性，還具有殼聚糖的特性，在處理燒傷、褥瘡、難以愈合的傷口以及需要頻繁更換傷口敷料的傷口時具有很好的應(yīng)用價值。 目前融雪劑主要分為兩大類：一類是氯鹽類融雪劑，包括氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、氯化鉀等，通稱作‘化冰鹽’，它的價格便宜，但對大型公共基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕很嚴(yán)重。另一類是以醋酸鉀為主要成分的有機(jī)融雪劑，腐蝕低，但價格太高，一般只適用于機(jī)場等地。
