بهینه سازی محیط کشت HS به منظور تولید نانوالیاف سلولز میکروبی با استفاده از باکتری استوباکتر زایلینیوم
الموضوعات :
فاطمه نوری روزبهانی
1
(کارشناس ارشد، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران شمال، دانشکده علوم زیستی، گروه سلولی و مولکولی)
فاطمه اشرفی
2
(استادیار، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران شمال، دانشکده علوم زیستی، گروه میکروب شناسی)
سهیلا مرادی بیدهندی
3
(دانشیار، موسسه تحقیقات واکسن و سرم سازی رازی، سازمان تحقیقات آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، ایران)
الکلمات المفتاحية: سلولز میکروبی, استوباکتر زایلنیوم, بهینه سازی محیط کشت,
ملخص المقالة :
سابقه و هدف: سلولز باکتریایی سنتز شده توسط برخی میکروارگانیسم ها از جمله استوباکتر زایلینیوم به دلیل ویژگی های خاص کاربرد زیادی در صنایع مختلف پیدا کرده است. هدف از این پروهش بهینه سازی شرایط کشت برای تولید سلولز میکروبی در محیط کشت جدید می باشد.مواد و روش ها: در این مطالعه به صورت تجربی منابع جدید کربن و نیتروژن به محیط هسترین-شرام مایع حاوی استوباکتر زایلینیوم اضافه و به مدت 7 روز گرماگذاری شدند. منابع کربن شامل: گلوکز، گالاکتوز، فروکتوز، لاکتوز، ساکاروز، مالتوز، اتانول، متانول، اینوزیتول، گلیسرول، زایلوز، مانیتول و منابع نیتروژن شامل آمونیوم سولفات، آمونیوم نیترات، سدیم نیترات (1- 3- 6- 9) و پپتون و عصاره مخمر (5- 10- 15- 20) گرم در هر لیتر محیط کشت HS بودند. از آلژینات سدیم و استات سدیم نیز به منظور بررسی تاثیر ویسکوزیته و تنظیم pH استفاده شد. برای تایید تولید سلولز از میکروسکوپ الکترونی نگاره، پراش اشعه ایکس و تکنیک طیف سنجی FTIR استفاده گردید.یافته ها: چهار منبع کربن گلیسرول (بدون افت محسوس در pH)، گلوکز، فروکتوز و اینوزیتول به ترتیب بیشترین مقدار تولید سلولز را داشتند. منابع نیتروژن آلی و به ویژه پپتون، بر خلاف منابع نیتروژن معدنی تاثیر زیادی بر تولید داشتتند. میزان بهینه استفاده از آلژینات سدیم به عنوان عامل ویسکوز کننده و استات سدیم به عنوان بافر به ترتیب 1.2 و 3 گرم در هر لیتر محیط کشت به دست آمد. نتایج تفرق اشعه ایکس بیشترین اندیس کریستالینیتی را به ترتیب در محیط های گلوکز، فروکتوز، اینوزیتول و گلیسرول نشان داد. مقدار و شدت جذب فروسرخ حاصل از FTIR محصولات به دست آمده از دو محیط گلوکز و گلیسرول و مقایسه آن ها با سایر نمودارهای سلولزی مشابه تولید سلولز را تایید نمود. همچنین بررسی های انجام شده با میکروسکوپ الکترونی نگاره، ساختار نانوفیبریلی سلولزهای میکروبی در محیط کشت های با منابع برتر کربن را به وضوح نشان داد.نتیجه گیری: نتایج نشان داد که گلیسرول و پپتون بیشترین تاثیر را در تولید سلولز میکروبی دارند. همچنین مشخص شد که افزودن آلژینات سدیم به عنوان عامل ویسکوز کننده محیط کشت به میزان 1.2 گرم در لیتر و کنترل pH در حین فرایند با افزودن 3 گرم در لیتر استات سدیم به محیط کشت می توانند نقش موثری در تولید سلولز داشته باشند.
Cellulose. 2014; 21(1): 1-30.
2. Kurosumi A, Sasaki C, Yamashita Y, Nakamura Y. Utilization of various fruit juices as carbon
source for production of bacterial cellulose by Acetobacter xylinum NBRC 13693. Carbohydr
Polym. 2009; 76(2): 333-335.
3. Jarvis MC. Structure of native cellulose microfibrils, the starting point for nanocellulose
manufacture. Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 2018; 376(2112). pii: 20170045.
4. Mondragon G, Fernandes S, Retegi A, Peña C, Algar I, Eceiza A, Arbelaiz A. A common
strategy to extracting cellulose nanoentities from different plants. Ind Crops Prod. 2014; 55:
140-148.
5. Klemm D, Heublein B, Fink HP, Bohn A. Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable
raw material. Angew Chem Int Ed Engl. 2005; 44(22): 3358-3393.
6. Eichhorn SJ, Dufresne A, Aranguren M, Marcovich NE, Capadona JR, Rowan SJ, Weder C,
Thielemans W, Roman M, Renneckar S, Gindl W. Current international research into cellulose
nanofibres and nanocomposites. J Mater Sci. 2010; 45(1): 1.
7. Esa F, Tasirin SM, Rahman NA. Overview of bacterial cellulose production and application.
Agric Agric Sci Proc. 2014; 2: 113-119.
8. Brown AJ. XLIII. on an acetic ferment which forms cellulose. J Chem Soc Trans. 1886; 49:
432-439.
9. Mohite BV, Patil SV. Physical, structural, mechanical and thermal characterization of bacterial
cellulose by G. hansenii NCIM 2529. Carbohydr polym. 2014; 106: 132-141.
10. Li S, Huang D, Zhang B, Xu X, Wang M, Yang G, Shen Y. Flexible supercapacitors based on
bacterial cellulose paper electrodes. Adv Energy Mater. 2014; 4:1.
11. Meftahi A, Khajavi R, Rashidi A, Sattari M, Yazdanshenas ME, Torabi M. The effects of
cotton gauze coating with microbial cellulose. Cellulose. 2010; 17(1): 199-204. [In Persian]
12. Cai Z, Kim J. Bacterial cellulose/poly (ethylene glycol) composite: characterization and first
evaluation of biocompatibility. Cellulose. 2010; 17(1): 83-91.
13. Lestari P, Elfrida N, Suryani A, Suryadi Y. Study on the production of bacterial cellulose from
Acetobacter xylinum using agro-waste. Jordan J Biol Sci. 2014; 7(1): 75-80.
14. Mohammad SM, Rahman NA, Khalil MS, Abdullah SR. An overview of biocellulose
production using Acetobacter xylinum culture. Adv Biol Res. 2014; 8(6): 307-313.
15. Keshk SM. Bacterial cellulose production and its industrial applications. J Bioprocess Biotech.
2014; 4(2): 1.
16. Kiziltas EE, Kiziltas A, Gardner DJ. Bacterial cellulose production and its industrial
applications extracted wood sugars. Carbohydr Polym. 2015; 124: 131-138.
17. Bellamy WD. Single cell proteins from cellulosic wastes. Biotechnol Bioeng. 1974; 16(7):
869-880.
18. Moosavi-Nasab M, Yousefi A. Biotechnological production of cellulose by Gluconacetobacter
xylinus from agricultural waste. Iran J Biotechnol. 2011; 9(2): 94-101. [In Persian]
19. Pourali P, Yahyaei B, Ajoudanifar H, Taheri R, Alavi H, Hoseini A. Impregnation of the
bacterial cellulose membrane with biologically produced silver nanoparticles. Curr Microbiol.
2014; 69(6): 785-793.
20. Shi Z, Zhang Y, Phillips GO, Yang G. Utilization of bacterial cellulose in food. Food
Hydrocolloids. 2014; 35: 539-545.
21. Gunduz G, Erbas Kiziltas E, Kiziltas A, Gencer A, Aydemir D, Asik N. Production of
bacterial cellulose fibers in the presence of effective microorganism. J Nat Fibers. 2018; 21:
1-9.
22. Emtiazi G, Jalili Tabaii M. Comparison of bacterial cellulose production among different
strains and fermented media. Appl Food Biotechnol. 2016; 3(1): 35-41. [In Persian]
23. Czaja W, Romanovicz D, Malcolm Brown R. Structural investigations of microbial cellulose
produced in stationary and agitated culture. Cellulose. 2004; 11(3-4): 403-411.
24. Krystynowicz A, Czaja W, Wiktorowska-Jezierska A, Gonçalves- iś i icz , Tur i icz
M, Bielecki S. Factors affecting the yield and properties of bacterial cellulose. J Ind Microbial
Biotechnol. 2002; 29(4): 189-195.
25. Lee KY, Buldum G, Mantalaris A, Bismarck A. More than meets the eye in bacterial
cellulose: biosynthesis, bioprocessing, and applications in advanced fiber composites.
Macromol Biosc. 2014; 14(1): 10-32.
26. Son HJ, Kim HG, Kim KK, Kim HS, Kim YG, Lee SJ. Increased production of bacterial
cellulose by Acetobacter sp. V6 in synthetic media under shaking culture conditions.
Bioresour. Technol. 2003; 86(3): 215-219.
27. Moon SH, Park JM, Chun HY, Kim SJ. Comparisons of physical properties of bacterial
celluloses produced in different culture conditions using saccharified food wastes.
Biotechnol Bioprocess Eng. 2006; 11(1): 26.
28. Li Z, Wang L, Hua J, Jia S, Zhang J, Liu H. Production of nano bacterial cellulose from waste
water of candied jujube-processing industry using Acetobacter xylinum. Carbohydr Polym.
2015; 120: 115-119.
29. Keshk S, Sameshima K. The utilization of sugar cane molasses with/without the presence of
lignosulfonate for the production of bacterial cellulose. Appl Microbiol Biotechnol. 2006;
72(2): 291.
30. Gindl W, Keckes J. Tensile properties of cellulose acetate butyrate composites reinforced with
bacterial cellulose. Compos Sci Technol. 2004; 64(15): 2407-2413.
31. Bae S, Shoda M. Bacterial cellulose production by fed‐batch fermentation in molasses
medium. Biotechnol Prog. 2004; 20(5): 1366-1371.
32. Hornung M, Ludwig M, Schmauder HP. Optimizing the production of bacterial cellulose in
surface culture: A novel aerosol bioreactor working on a fed batch principle (Part 3).
Eng Life Sci. 2007; 7(1): 35-41.
_||_
Cellulose. 2014; 21(1): 1-30.
2. Kurosumi A, Sasaki C, Yamashita Y, Nakamura Y. Utilization of various fruit juices as carbon
source for production of bacterial cellulose by Acetobacter xylinum NBRC 13693. Carbohydr
Polym. 2009; 76(2): 333-335.
3. Jarvis MC. Structure of native cellulose microfibrils, the starting point for nanocellulose
manufacture. Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 2018; 376(2112). pii: 20170045.
4. Mondragon G, Fernandes S, Retegi A, Peña C, Algar I, Eceiza A, Arbelaiz A. A common
strategy to extracting cellulose nanoentities from different plants. Ind Crops Prod. 2014; 55:
140-148.
5. Klemm D, Heublein B, Fink HP, Bohn A. Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable
raw material. Angew Chem Int Ed Engl. 2005; 44(22): 3358-3393.
6. Eichhorn SJ, Dufresne A, Aranguren M, Marcovich NE, Capadona JR, Rowan SJ, Weder C,
Thielemans W, Roman M, Renneckar S, Gindl W. Current international research into cellulose
nanofibres and nanocomposites. J Mater Sci. 2010; 45(1): 1.
7. Esa F, Tasirin SM, Rahman NA. Overview of bacterial cellulose production and application.
Agric Agric Sci Proc. 2014; 2: 113-119.
8. Brown AJ. XLIII. on an acetic ferment which forms cellulose. J Chem Soc Trans. 1886; 49:
432-439.
9. Mohite BV, Patil SV. Physical, structural, mechanical and thermal characterization of bacterial
cellulose by G. hansenii NCIM 2529. Carbohydr polym. 2014; 106: 132-141.
10. Li S, Huang D, Zhang B, Xu X, Wang M, Yang G, Shen Y. Flexible supercapacitors based on
bacterial cellulose paper electrodes. Adv Energy Mater. 2014; 4:1.
11. Meftahi A, Khajavi R, Rashidi A, Sattari M, Yazdanshenas ME, Torabi M. The effects of
cotton gauze coating with microbial cellulose. Cellulose. 2010; 17(1): 199-204. [In Persian]
12. Cai Z, Kim J. Bacterial cellulose/poly (ethylene glycol) composite: characterization and first
evaluation of biocompatibility. Cellulose. 2010; 17(1): 83-91.
13. Lestari P, Elfrida N, Suryani A, Suryadi Y. Study on the production of bacterial cellulose from
Acetobacter xylinum using agro-waste. Jordan J Biol Sci. 2014; 7(1): 75-80.
14. Mohammad SM, Rahman NA, Khalil MS, Abdullah SR. An overview of biocellulose
production using Acetobacter xylinum culture. Adv Biol Res. 2014; 8(6): 307-313.
15. Keshk SM. Bacterial cellulose production and its industrial applications. J Bioprocess Biotech.
2014; 4(2): 1.
16. Kiziltas EE, Kiziltas A, Gardner DJ. Bacterial cellulose production and its industrial
applications extracted wood sugars. Carbohydr Polym. 2015; 124: 131-138.
17. Bellamy WD. Single cell proteins from cellulosic wastes. Biotechnol Bioeng. 1974; 16(7):
869-880.
18. Moosavi-Nasab M, Yousefi A. Biotechnological production of cellulose by Gluconacetobacter
xylinus from agricultural waste. Iran J Biotechnol. 2011; 9(2): 94-101. [In Persian]
19. Pourali P, Yahyaei B, Ajoudanifar H, Taheri R, Alavi H, Hoseini A. Impregnation of the
bacterial cellulose membrane with biologically produced silver nanoparticles. Curr Microbiol.
2014; 69(6): 785-793.
20. Shi Z, Zhang Y, Phillips GO, Yang G. Utilization of bacterial cellulose in food. Food
Hydrocolloids. 2014; 35: 539-545.
21. Gunduz G, Erbas Kiziltas E, Kiziltas A, Gencer A, Aydemir D, Asik N. Production of
bacterial cellulose fibers in the presence of effective microorganism. J Nat Fibers. 2018; 21:
1-9.
22. Emtiazi G, Jalili Tabaii M. Comparison of bacterial cellulose production among different
strains and fermented media. Appl Food Biotechnol. 2016; 3(1): 35-41. [In Persian]
23. Czaja W, Romanovicz D, Malcolm Brown R. Structural investigations of microbial cellulose
produced in stationary and agitated culture. Cellulose. 2004; 11(3-4): 403-411.
24. Krystynowicz A, Czaja W, Wiktorowska-Jezierska A, Gonçalves- iś i icz , Tur i icz
M, Bielecki S. Factors affecting the yield and properties of bacterial cellulose. J Ind Microbial
Biotechnol. 2002; 29(4): 189-195.
25. Lee KY, Buldum G, Mantalaris A, Bismarck A. More than meets the eye in bacterial
cellulose: biosynthesis, bioprocessing, and applications in advanced fiber composites.
Macromol Biosc. 2014; 14(1): 10-32.
26. Son HJ, Kim HG, Kim KK, Kim HS, Kim YG, Lee SJ. Increased production of bacterial
cellulose by Acetobacter sp. V6 in synthetic media under shaking culture conditions.
Bioresour. Technol. 2003; 86(3): 215-219.
27. Moon SH, Park JM, Chun HY, Kim SJ. Comparisons of physical properties of bacterial
celluloses produced in different culture conditions using saccharified food wastes.
Biotechnol Bioprocess Eng. 2006; 11(1): 26.
28. Li Z, Wang L, Hua J, Jia S, Zhang J, Liu H. Production of nano bacterial cellulose from waste
water of candied jujube-processing industry using Acetobacter xylinum. Carbohydr Polym.
2015; 120: 115-119.
29. Keshk S, Sameshima K. The utilization of sugar cane molasses with/without the presence of
lignosulfonate for the production of bacterial cellulose. Appl Microbiol Biotechnol. 2006;
72(2): 291.
30. Gindl W, Keckes J. Tensile properties of cellulose acetate butyrate composites reinforced with
bacterial cellulose. Compos Sci Technol. 2004; 64(15): 2407-2413.
31. Bae S, Shoda M. Bacterial cellulose production by fed‐batch fermentation in molasses
medium. Biotechnol Prog. 2004; 20(5): 1366-1371.
32. Hornung M, Ludwig M, Schmauder HP. Optimizing the production of bacterial cellulose in
surface culture: A novel aerosol bioreactor working on a fed batch principle (Part 3).
Eng Life Sci. 2007; 7(1): 35-41.
