影响植物纤维模拟生物反应器渗透浸润传质MS培养液过程的因素

来源 :吉首大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:jinshi46
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为了实现南方红豆杉(Taxus chinensis var.mairei)愈伤组织细胞规模化培养生产紫杉醇,课题组前期研究发明了帘状锚固培养生物反应器及培养法,培养床网绒纤维的优劣是系统中愈伤组织获得营养和实现由粘附物理锚固生长过渡到生物结合锚固的关键。论文选取了较具代表性的14种植物的韧皮、木材、竹材、秸秆共16种材料自制成纤维,并采用光学显微观测、高效液相色谱、原子吸收光谱检测及模拟帘状锚固培养生物反应器传质过程自主创制的―纤维渗透浸润传质模拟装置‖等,对影响植物纤维渗透浸润传质MS培养液过程的因素进行了研究,为该系统培养床网绒纤维筛主导考察因素的确定建立了基础。结果与结论如下:16种材料分别采用4种方法进行纤维制取,发现石灰法的纤维产率最高,平均为73.06%,但耗时最长,是其他3种方法的14倍多,且非纤维物质、未分散束状纤维残留较高。白杨树木材纤维产率最高为95.02%。硫酸盐法为52.87%,较适合苎麻韧皮、慈竹、青皮竹、毛竹和甘蔗渣纤维的制取;AS-AQ法和酶法均为50%,前者较适合小构树韧皮和木纤维、苎麻、白杨和马尾松木纤维、荻、小麦、水稻、玉米秸秆纤维的制取,后者较适合芦竹、五节芒秸和马尾松木材纤维的制取。纤维显微观测结果显示:按材料类型,纤维细胞长度依次为韧皮>竹材>秸秆>木材;按种类(mm):苎麻韧皮(48.4)>小构树韧皮(13.2)>芦竹秸秆(3.4)>慈竹竹材(3.3)>毛竹竹材(3.2)>青皮竹竹材(2.8)>五节芒秸秆(2.7)>荻秸秆(2.3)>甘蔗渣(2.0)>玉米秸秆(1.8)>小麦秸秆(1.6)>水稻秸秆、白杨树、马尾松和小构树木材(0.8)>苎麻木材(0.7)。纤维细胞宽度依材料类型为韧皮>竹材>木材>秸秆;按种类(μm):苎麻韧皮(38.7)>甘蔗渣(28.6)>白杨树木材(28.3)>毛竹竹材(25.6)>小构树韧皮(21.9)>青皮竹竹材(21.8)>芦竹和五节芒秸秆(20.3)>玉米秸秆(19.7)>小构树木材(19.2)>慈竹竹材(17.1)>水稻秸秆(13.0)>马尾松木材(12.2)>荻秸秆(11.3)>小麦秸秆(11.1)>苎麻木材(10.4)。壁宽依材料类型为竹材>韧皮>木材>秸秆;按种类(μm):苎麻韧皮和白杨树木材(8.5)>毛竹竹材(5.1)>慈竹竹材(4.8)>甘蔗渣和小构树木材(4.3)>小构树韧皮(3.1)>玉米秸秆(3.0)>青皮竹竹材(2.6)>水稻秸秆(2.6)>荻秸秆(2.3)>五节芒秸秆(1.7)>马尾松木材(1.6)>苎麻木材(1.3)>芦竹秸秆(1.2)>小麦秸秆(1.1)。纤维细胞中腔直径依材料类型为韧皮>竹材和秸秆>木材;按种类(μm):苎麻韧皮(21.7)>甘蔗渣(20.0)>芦竹秸秆(17.9)>五节芒秸秆(16.9)>青皮竹竹材(16.6)>小构树韧皮(15.7)>毛竹竹材(15.4)>玉米秸秆(13.7)>白杨树木材(11.3)>小构树木材(10.6)>马尾松木材和小麦秸秆(9.0)>水稻秸秆(8.0)>苎麻木材(7.8)>慈竹竹材(7.5)>荻秸秆(6.7)。纤维细胞表面结构粗糙复杂程度由高到低为韧皮:苎麻韧皮>小构树韧皮;竹材:青皮竹>毛竹>慈竹;木材:苎麻>小构树>白杨树>马尾松;秸秆:玉米>小麦>水稻>甘蔗渣>荻>芦竹和五节芒。纤维润湿阶段,渗透浸润传质MS培养液的速率依次为:小构树韧皮和水稻秸秆﹥甘蔗渣﹥芦竹秸秆﹥玉米秸秆﹥苎麻木材﹥苎麻韧皮﹥毛竹竹材﹥青皮竹竹材﹥荻秸秆﹥五节芒秸秆﹥小麦秸秆﹥小构树木材﹥白杨树木材﹥慈竹竹材﹥马尾松木材,最高是最低的近8倍,差异非常显著。纤维束中纤维排列方向有序组与无序组间的差异不明显,在0.02~1.06 cm·min-1之间。纤维饱和吸水后,纤维束微观空间形成的连续水柱体系部分抵消了纤维表面差异的作用,导致差异幅度明显降低,但仍很显著,最高是最低的两倍多,排序变为:水稻秸秆﹥小麦秸秆﹥芦竹秸秆﹥五节芒秸秆﹥苎麻木材﹥小构树木材﹥苎麻韧皮﹥毛竹竹材﹥马尾松木材﹥荻秸秆﹥甘蔗渣﹥小构树韧皮﹥玉米秸秆﹥白杨树木材﹥慈竹竹材﹥青皮竹竹材。纤维束中纤维排列方向有序组与无序组间的差异明显增加,为11.56~68.90 m L·h-1·g-1。与显微观测结果相比较,纤维种类差异的排序规律间无对应关系,证明两者间无相关性,影响植物纤维渗透浸润传质过程的主导因素是纤维种类化学组成间的差异和纤维束中纤维排列方向的有序性。根据MS传质液中各成分HPLC和AAS检测分析发现:各成分的浓度在传质开始后约100 min内均存在上下不同幅度的短时波动。16种纤维对6-BA均具有较强吸收作用,初始检出浓度多为零,小构树韧皮、荻、小麦、水稻秸秆与甘蔗渣纤维稍高,为原浓度的1/2左右。NAA的浓度在初始的40~60 min出现大幅上升,苎麻韧皮、毛竹竹材纤达10倍多,慈竹和青皮竹竹材、五节芒秸秆纤维达8倍以上,小构树韧皮、水稻和荻秸秆、甘蔗渣纤维均达7倍以上,芦竹和玉米秸秆纤维达4倍以上,应是纤维在饱和吸水阶段吸附富集了NAA,饱和吸水后被洗脱导致浓度升高。2,4-D的检出浓度出现上下波动,其中苎麻韧皮上下波动幅度达原浓度的2倍多,小构树韧皮、马尾松木材、芦竹和小麦秸秆4种纤维的最低检出浓度均为零,均为瞬时零点。烟酸的浓度也出现短时上下波动,烟酸浓度上下波动以慈竹、青皮竹竹材纤维的较明显,在0.02~2.58 mg·L-1之间,向上波动以苎麻韧皮的最显著,为3.17 mg·L-1,达原浓度的5倍多,其次是小构树韧皮、青皮竹竹材和芦竹秸秆纤维,达3倍多。青皮竹、毛竹竹材纤维传质液中维生素B6的浓度也检出了瞬时零点,苎麻韧皮检出了2倍多的高点,其它种类纤维波动较小。AAS检测发现,传质液中Na、Mg、Ca、Zn、Mn、Mo元素的检出浓度也短时大幅上下波动,最低为零(Zn,小构树韧皮、青皮竹竹材、苎麻木材、荻和玉米秸秆纤维的初始传质液中。Mo,小构树韧皮、五节芒秸秆),最高的达原浓度的8倍以上(Mo,苎麻韧皮和木材、马尾松木材纤维,前者者接近10倍),各种纤维初始传质液中Na和Ca元素均较原浓度高,其中Na普遍高2~6倍,Fe、K浓度的变幅较小。即植物纤维传质液中各成分浓度的短时波动也存在极显著的种类间差异。传质过程中对MS培养液各成分浓度影响最弱的纤维种类是小麦秸秆、甘蔗渣、芦竹秸秆纤维。比较传质速率和传质液各成分浓度短时上下波动的种类间差异与纤维显微观测结果的种类间差异规律,均证明影响植物纤维渗透浸润传质MS培养液过程的主导因素是植物纤维的化学组成和纤维束中纤维排列方向的有序性,与纤维微观尺寸结构间的相关性较弱。因此,植物纤维的化学组成应作为培养床网绒纤维筛选参考的主导因子。
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