توليد و ارزيابي نانو سلولز باكتريايي با استفاده از باكتري استوباكتر زايلينيوم

Producing and evaluating of bacterial nano-cellulose (BNC) using Acetobacter xylinum bacteria

سابقه و هدف: نانوسلولز باكتريايي به علت ساختارهاي ميكروسكوپي مناسب، قابليت‌هاي بسياري در مصارف خاص (مانند مصارف پزشكي و بهداشتي) دارد. اين ماده در برخي از خواص مانند خلوص زياد، بلورينگى و درجه پليمريزاسيون با سلولز‌ گياهي تفاوت دارد. در مطالعه حاضر، توليد نانوسلولز باكتريايي با استفاده از باكتري استوباكتر زايلينيوم و ارزيابي مشخصات آن انجام شده است. مواد و روشها: براي تهيه نانوسلولز باكتريايي در اين تحقيق، باكتري در محيط كشت مايع و در شرايط بستر استاتيك و ديناميك كشت داده شد و سلولز به دست آمده، شستشو و خالص‌سازي شد. ريزساختارها با ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل ميداني (FE-SEM)، ساختار بلورينگي با آناليز پراش اشعه ايكس (XRD)، درصد وزني، اندازه و نحوه پراكنش نانوسلولز با آناليز عنصري اشعه ايكس پراكنش‌گراي انرژي (EDX)، تعيين ويسكوزيته و وزن مولكولي با روش انحلال سلولز در محلول كوپر دي اتيلن آمين (CED) و بازده نانوسلولز با روش توزين نمونه مرطوب و خشك آنها مورد بررسي قرار گرفت. يافته‌ها: نتايج نشان داد بازده نانو سلولز در محيط كشت استاتيك نسبت به محيط كشت ديناميك آن بيشتر است. مقايسه تصاوير FE-SEM نشان داد كه نحوه كشت تاثير محسوسي بر ساختار ريخت‌شناسي الياف نانوسلولزهاي توليدي دارد. بطوري كه مقايسه تصاوير FE-SEM دو روش كشت نشان داد ريخت‌شناسي نانوسلولز باكتريايي در كشت اساتيك، متخلخل و مشبك و در نانوسلولز باكتريايي در كشت ديناميك داراي ساختار به هم چسبيده است. اندازه‌ نانوذرات عموماً براي نانوسلولزهاي توليد در محيط كشت ديناميك و استاتيك زير 60 نانومتر مي‌باشد. نتايج آزمون XRD نشان داد ميزان بلورينگي نانوسلولز باكتريايي در محيط كشت استاتيك حدود 72/49 درصد محاسبه شد، در حالي‌كه اين مقادير براي محيط كشت ديناميك، 14/29 درصد اندازه‌گيري گرديد. همچنين ميزان ويسكوزيته سلولز باكتريايي توليد شده در محيط كشت استاتيك 110/7 سانتي پوآز و ميزان ويسكوزيته سلولز باكتريايي توليد شده در محيط كشت ديناميك 97 سانتي پوآز محاسبه شد. نتيجه‌گيري: به‌طور كلي با در نظر گرفتن خصوصيات نانوسلولز باكتريايي توليد شده و مقايسه آن با ساير تحقيقات انجام شده، مي‌توان نتيجه گرفت نانوسلولز باكتريايي مناسب توليد شده است كه اين مسئله به لحاظ نياز تحقيقاتي موجود در اين زمينه در كشور و كاربردهاي پزشكي و مهندسي آن حائز اهميت است.

Background and Objectives: Cellulose is a high-strength natural polymer per unit weight and is the main building material of plant fibers. Many properties of the cellulose depend on the chain length or degree of polymerization, the ratio of the amorphous to the crystalline segments, as well as the crystal structure. While harsh chemicals or mechanical treatments are used in many nanocellulose extraction methods; cellulose is obtained with pristine properties but nanometer-sized by only very limited methods that bacterial nanocellulose is the most important of them. Bacterial nano-cellulose (BNC) due to special microscopic structures has a high potential in special uses (such as medical and sanitary applications). BNC differs from plant cellulose in its higher purity, crystallinity, and degree of polymerization. The goal of this study was to investigate the production of BNC using Acetobacter xylinum bacteria and its characteristics evaluation. Materials and Methods: In order to obtain BNC in this research, the bacterium was cultured in a liquid culture medium under static and dynamic conditions and the resulting cellulose was washed and purified. Microstructures with field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), crystallinity structure by X-ray diffraction (XRD), weight percentage, size and distribution of BNC with energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), determination of viscosity and molecular weight by dissolving of cellulose in copper(II)-ethylenediamine complex (CED) solution, and BNC yield by weighing wet and dry samples were studied. Results: The results showed that yield of BNC static culture medium is more than BNC dynamic culture medium. Comparison of FE-SEM images showed that the culture method has a significant effect on the morphology structure of the BNCs fibers produced. Comparison of FE-SEM images of two culture methods showed that the morphology of BNC in static cultivation is porous and in dynamic is clustered together. The size of nanoparticles is generally below 60 nm for both BNCs. The results of XRD test showed that the crystallinity of BNCs in the static and dynamic medium was 72.49% and 14.29%, respectively. Also, viscosity of BNCs in the static and dynamic medium was 110.7 centipoise (cP) and 97 cP, respectively. Conclusion: In general, with respect to characteristics of BNC produced and comparison with other studies, we concluded that suitable BNC has been produced in this study that with respect to research needed in this field in the country and medical applications and engineering are important.