副干酪乳杆菌在多巴胺改性聚丙烯纤维膜上形成生物膜及其发酵性能

赵子舒1,李吉年1,郭 谦1,叶翔宇2,胡梦欣1,3,*

(1.浙江工商大学食品与生物工程学院,浙江 杭州 310018;2.浙江省纺织测试研究院,浙江 杭州 310018;3.浙江省食品微生物技术研究重点实验室,浙江 杭州 310018)

摘 要:利用多巴胺在材料表面的自发黏附特性,制备了多巴胺改性的聚丙烯纤维膜,研究多巴胺改性对副干酪乳杆菌(Lactobacillus paracaise)在聚丙烯纤维膜上形成生物膜的影响及L. paracasei生物膜的发酵性能。利用扫描电子显微镜、红外光谱仪及接触角仪对多巴胺改性聚丙烯纤维膜表面形成的L. paracasei生物膜进行表征,并对L. paracasei生物膜的抗逆性与发酵能力进行研究。结果表明,多巴胺改性对聚丙烯纤维膜表面L. paracasei生物膜形成具有显著的促进作用,多巴胺改性聚丙烯纤维膜表面的生物膜具有极佳的抗逆性能,更耐受高温和酸碱环境,用于生物膜反应器中发酵生产的L-乳酸纯度维持在99%以上,同时反应器基本没有发酵延滞期,有效提高了生物发酵效率。

关键词:副干酪乳杆菌生物膜;多巴胺;聚丙烯纤维膜;生物膜反应器;L-乳酸

引文格式:赵子舒, 李吉年, 郭谦, 等. 副干酪乳杆菌在多巴胺改性聚丙烯纤维膜上形成生物膜及其发酵性能[J]. 食品科学, 2017, 38(14): 71-77. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201714011. http://www.spkx.net.cn

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乳酸是世界上公认的三大有机酸之一,广泛应用于食品[1]、医药[2]、化工[3]等诸多领域。其中,约有80%的乳酸消费在食品行业。近年来,以乳酸为单体合成可生物降解高分子,聚乳酸(polylactic acid,PLA)[4],是乳酸消费的新兴领域,市场对乳酸的需求极其旺盛。乳酸是具有光学活性的分子[5],常见的乳酸包括L-乳酸、D-乳酸以及它们的混合物外消旋DL-乳酸[6]。基于乳酸的人体代谢情况和聚合物合成及使用的需求,生产高光学纯度的乳酸,特别是L-乳酸,是当前迫切需要解决的问题[7]

由于石油资源的日渐匮乏,目前多采用生物发酵法代替化学合成法生产L-乳酸。工业化发酵生产L-乳酸的菌种主要为米根霉菌和乳酸菌。米根霉菌在生产过程中需要调控其复杂的营养物质才能得到高纯度L-乳酸。与之相比较,乳酸菌更易合成高纯度的L-乳酸。副干酪乳杆菌(Lactobacillus paracasei)同时具有益生菌和发酵菌种的双重作用[8],在代谢过程中可产生大量的L-乳酸。Richter等[9]利用L. paracasei发酵淀粉水解液生产L-乳酸,产率为94%,且细胞具有良好的重复使用性,在连续7 批实验中,乳酸盐最大生产量达6.23~11.54 g/(L•h)。Moon等[10]发现从乙醇生产工厂附近土壤中分离出的L. paracasei CHB2121在含有200 g/L葡萄糖的培养基中发酵,可有效地产生192 g/L的L-乳酸,且光学纯度达到96.6%。Petrova等[11]利用L. paracasei B41发酵淀粉生产L-乳酸,在48 h的发酵过程中,L-乳酸最高质量浓度为40 g/L,L-乳酸转化率为93.3%,生产率为1.3 g/(L•h)。由此可知,L. paracasei是发酵生产L-乳酸优良菌种。

众所周知,生物发酵是生物工程领域获得L-乳酸等产品的至关重要的应用型环节。近年来,生物固定化技术发展成为现代生物发酵领域的一项新兴技术,包括固定化酶技术和固定化细胞技术。其中,生物膜法细胞固定技术是一种有效的细胞固定化方法。生物膜指附着于有生命或无生命物体表面被细胞外基质紧密包裹的高度组织化的细菌群体[12]。与传统的物理化学方法相比,生物膜法道法自然,优势明显:1)自发在材料表面形成,简化了固定化程序;2)更耐受苛刻环境,具有高催化活性;3)极大地提高了细菌密度,且较为稳定,可连续生产数月甚至年余,提高了反应效率;4)简化了下游分离环节,大幅减少污水和副产物,极具经济价值和环境意义[13-14]。因此,生物膜法被国内外研究者们认为是一种最具潜力的工业化生产工具[12]。目前,基于生物膜构建的反应器在污水处理[15-16]、生物发酵[17-18]和微生物燃料电池[19-20]等领域的应用尤为广泛。然而,关于乳酸菌生物膜反应器方面的研究和应用还相对较少。

虽然形成生物膜是多数细菌的特性,但其成膜能力存在差异。因此选择合适的载体材料十分关键。在生物膜形成的过程中,材料表面的性质对微生物的吸附与黏附影响深远。构建合适的材料表面与界面是生物材料领域里的核心问题。多巴胺是贻贝分泌的黏附蛋白中的主要结构,在碱性环境下可发生自聚合反应,在各种材料表面形成仿生聚多巴胺薄膜,对各种材料进行表面改性和表面功能化。大量研究表明,多巴胺可增强材料的亲水性。材料表面的亲水性与细胞的生物学行为密切相关,高亲水性的材料表面在短期内能促进各种细胞的黏附和增殖活性[25-27]。Mo Xiaoju等[28]采用多巴胺对氧化石墨烯进行表面改性,发现干细胞在多巴胺氧化石墨烯表面的黏附、铺展、分化得到了强化。Ku等[29]比较了材料表面多巴胺改性对细胞黏附的影响,发现不同种类的细胞在多巴胺改性的区域具有显著的黏附行为,并保持良好的生理形态。这些研究结果说明多巴胺改性赋予了材料良好的生物相容性,可促进生物细胞的黏附、增殖和生理活性。但目前研究基本集中在考察动物细胞在多巴胺修饰的材料表面的行为,甚少涉及微生物细胞在这类材料表面的行为。本研究利用多巴胺的自聚沉积和超强黏附力,在聚丙烯纤维膜表面形成聚多巴胺层,并以多巴胺改性的聚丙烯纤维膜为载体材料,考察L. paracasei在多巴胺改性聚丙烯纤维膜上形成生物膜的能力,并对生物膜的结构、抗逆性及其发酵生产L-乳酸的能力进行了初探,以期为益生菌生物膜在未来生物发酵领域高密度连续发酵的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 菌种、培养基与试剂

L. paracasei 1597为浙江省食品微生物技术研究重点实验室分离自婴儿粪便。

MRS液体培养基[30]:蛋白胨10.0 g、牛肉膏10.0 g、酵母粉5.0 g、无水乙酸钠5.0 g、柠檬酸三铵2.0 g、MgSO4·7H2O 0.58 g、K2HPO42.0 g、MnSO4·4H2O 0.25 g、吐温-80 1.0 mL,葡萄糖依据实验要求定量添加,超纯水1 000 mL,pH 6.1~6.5,121 ℃灭菌15 min。

MRS固体培养基:液体培养基加入1.5%~2.0%琼脂,121 ℃灭菌15 min。

聚丙烯纤维膜 江苏省江阴金凤特种纺织品有限公司;12 孔细胞培养板 美国Corning公司;盐酸多巴胺、50%戊二醛溶液 上海阿拉丁试剂有限公司;L-乳酸试剂盒 爱尔兰Megazyme公司。

1.2 仪器与设备

TM3030PLUS扫描电子显微镜 日本Hitachi公司;Nicolet 6700衰减全反射/傅里叶红外光谱(attenuated total reflection/Fourier transform infrared,ATR/FT-IR)仪美国Themo Fisher公司;DropMeter A-200接触角测定仪宁波迈时检测科技有限公司;KQ5200超声波清洗器昆山市超声仪器有限公司;1260高效液相色谱仪 安捷伦科技(中国)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 聚丙烯纤维膜的多巴胺改性

将聚丙烯纤维膜剪成2 cm×2 cm的片状正方形,在95%乙醇溶液中浸泡2 h,然后在4 mmol/L的多巴胺溶液浸泡24 h,最后取出膜片用无菌水清洗多遍,真空干燥,得到多巴胺改性的聚丙烯纤维膜,紫外灭菌后待用。

1.3.2 L. paracasei生物膜的培养

分别将多巴胺改性前后的聚丙烯纤维膜,放入多孔板中,加入4 mL MRS培养基,以1%的接种量接种L. paracasei,37 ℃静置培养1~5 d,每24 h更换一次培养基。

1.3.3 扫描电子显微镜分析

先将培养1~5 d的生物膜样品从多孔板中取出,用0.9%生理盐水对样品进行漂洗,再将漂洗后的样品用2.5%的戊二醛(0.1 mol/L、pH 7.2的磷酸缓冲液配制)固定6~8 h,经磷酸缓冲液漂洗3 次(每次15 min)后,依次用30%、50%、70%、80%、90%、95%、100%的乙醇逐级脱水,每次15 min,临界点干燥,真空镀金后用扫描电子显微镜观察L. paracasei在聚丙烯纤维膜上形成生物膜的规律。

1.3.4 ATR/FT-IR分析

ATR/FT-IR的穿透深度在1 μm左右,被广泛用于检测薄膜材料的化学组成变化。采用Nicolet 6700 ATR/ FT-IR仪对聚丙烯纤维膜在改性前后和生物膜形成前后的表面化学结构进行分析。该光谱仪的内反射元件为ZnSe晶体(本征折射率为2.42),内反射角为45°。测量时,先将多巴胺改性前后的聚丙烯纤维膜以及附有生物膜的聚丙烯纤维膜充分干燥,再分别将膜紧贴晶体表面,选择ATR模式,设置扫描精度2 cm-1、扫描次数32 次分别对膜进行扫描,得到相应的红外光谱图。

1.3.5 水接触角测试

测试前,先将多巴胺改性前后的聚丙烯纤维膜以及附有生物膜的聚丙烯纤维膜充分干燥,再采用座滴法分别测量3 个样品的水接触角,以表征聚丙烯纤维膜改性前后以及附有生物膜后的亲疏水性质变化。具体操作如下:将样品用双面胶带平整地贴于玻片表面,放置在试样台上,将体积为5 μL的液滴滴在膜表面,用摄像机迅速记录下液滴变化的全过程,经电脑拟合计算,得出样品表面随时间变化的接触角。

1.3.6 L. paracasei生物膜菌体干质量测定

先将多巴胺改性前后的聚丙烯纤维膜进行称质量,记为M0;再将聚丙烯纤维膜放入培养基中进行1~5 d的生物膜培养,培养方法同1.3.2节;然后将样品取出,分别用生理盐水漂洗3 遍,置于60 ℃烘箱中烘干至恒质量,记为M1,L. paracasei生物膜菌体干质量(ΔM)按公式(1)计算。每组有3 个平行样品,菌体干质量为3 个平行样品的平均值。

1.3.7 L. paracasei生物膜抗逆性研究

将培养结束后的聚丙烯纤维膜(包括多巴胺改性前和改性后的聚丙烯纤维膜)用生理盐水漂洗3 次,再放入装有6 mL MRS的离心管中,80 ℃水浴10 min后,立即将样品膜取出放入另一个相同的离心管中,室温200 W超声处理3 min[31],取离心管中液体计菌数。对照为37 ℃条件下相同处理。按相同的方法,进行pH 2和pH 10条件下L. paracasei生物膜的抗逆性实验,处理温度为37 ℃。抗逆实验后的生物膜的电子显微镜观察方法同1.3.3节。

1.3.8 L. paracasei生物膜反应器

1.3.8.1 L. paracasei生物膜反应器的构建及发酵

图 1L. paracasei生物膜反应器示意图
Fig. 1 Schematic diagram of L. paracasei biofilm reactor

乳酸菌生物膜反应器如图1所示,主要包括两部分:储液瓶和恒温水浴夹套式反应器,储液瓶通过软管连接至恒温水浴夹套式生物膜反应器。生物膜反应器内填充筒状聚丙烯纤维膜,两端加盖密封;反应器为夹套式,外层通入37 ℃的水以控制发酵温度,内层通入培养基,供乳酸菌生长和发酵。

与储液瓶相连前,将多巴胺改性后的聚丙烯纤维膜卷成筒状置于反应器中,膜质量与发酵液体积(60 mL)比为1∶5(g/mL)。单独将反应器121 ℃灭菌15 min,冷却过夜,重复灭菌1 次,这一过程可以彻底灭活空气中的杂菌。在装有60 mL新鲜MRS的锥形储液瓶中以10%的接种量接入种子培养液,通过蠕动泵以0.3 L/h的流速将种子培养液泵入生物膜反应器内,循环48 h完成生物膜的初步固定,每24 h更换一次新鲜培养基以保证菌种的活力。

生物膜形成后弃去种子培养基,并用新鲜MRS培养基冲洗反应器,除去游离的L. paracasei,然后更换新鲜的发酵培养基,提高蠕动泵流速开始进行生物膜发酵生产L-乳酸,直到溶液中L-乳酸质量浓度不再增加,补充新鲜MRS培养基,继续发酵生产L-乳酸。实验初始先重复以上步骤循环3 次,以保证生物膜反应器产酸的稳定性,从第4批循环开始正式发酵,每隔一定时间取样检测。

1.3.8.2 发酵液中L-乳酸的检测

L-乳酸的检测采用高效液相色谱法。色谱分离柱:ZORBAX Eclipse XDB-C18反相柱(4.6 mm×250 mm, 5 μm);紫外检测器波长为210 nm;柱温为室温;流动相为5 mmol/L的H2SO4溶液,超声脱气后备用;流速0.8 mL/min;进样量20 μL。

1.3.8.3 发酵液中L-乳酸的检测

L-乳酸的测量采用L-乳酸测量试剂盒。

1.3.8.4 底物质量浓度及转化率计算

L-乳酸产量为发酵末期,培养基中生成的L-乳酸质量浓度/(g/L)。

转化率为每消耗单位质量的基质(各种碳源底物)生成的产物质量百分比,根据公式(2)计算。

生产率为1h内所生成的底物的质量浓度/(g/(L·h))。

2 结果与分析

2.1 L. paracasei生物膜的电子显微镜观察结果

图2 多巴胺改性前、后聚丙烯纤维膜表面L. paracasei 生物膜的扫描电子显微镜照片
Fig. 2 SEM images of L. paracasei biofilm on native and dopaminemodified polypropylene fiber membranes

由图2可知,L. paracasei在多巴胺改性前的聚丙烯纤维膜上培养1~3 d时,仅有少量细菌零散的黏附在纤维上,而表面几乎无菌附着;培养4~5 d后,L. paracasei也仅在聚丙烯纤维膜局部黏附,生物膜成膜效果较差。相形之下,在多巴胺改性的聚丙烯纤维膜上,L. paracasei经过1d的培养即可快速形成生物膜,菌体之间紧密排列,并通过其自身分泌的胞外基质共同黏连在载体表面,与聚丙烯纤维膜的纤维丝交织在一起。此外,在5 000 倍的放大倍率下,也可以清晰看到生物膜的特征结构,生物膜通道(即黑色的部分),它是细胞之间的物质传送和信息交流的重要结构。由此可知,聚丙烯纤维膜表面的多巴胺促进了L. paracasei在聚丙烯纤维膜上的黏附并进一步形成生物膜。这一结果说明材料表面的生物相容性是促进生物膜形成重要因素之一。

FT-IR Fig. 3 ATR/FT-IR spectra of native and dopamine-modified polypropylene fiber membranes
图3 不同处理条件下的聚丙烯纤维膜ATR/

2.2 ATR/FT-IR分析如图3所示,多巴胺改性后的聚丙烯纤维膜在3 400 cm-1出现相对宽而强的吸收峰,这是由多巴胺分子间氢键引起的,在1 600 cm-1处的宽强峰是由多巴胺在反应过程中生成的吲哚中的C=C伸缩振动引起的,这些初步说明聚丙烯纤维膜表面已沉积多巴胺。生物膜主要由细菌和胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)组成,而图3C则表明了典型生物大分子EPS(多糖、蛋白质)的存在。在3 370 cm-1处出现强吸收峰为细胞表面碳水化合物中结合水O—H键的伸缩振动特征峰[32],从而表明生物膜EPS多糖的存在;1 646~1 546 cm-1的光谱区域是蛋白质独特的二级结构[33],即酰胺Ⅰ(C-O的伸展振动)和酰胺Ⅱ(N—H的弯曲振动与C—H伸缩振动)[32],表明了生物膜EPS中蛋白质的存在。综上所述,L. paracasei在多巴胺改性后聚丙烯纤维膜上附着后,分泌大量的EPS从而形成了典型的生物膜。

2.3 接触角分析

图4 聚丙烯纤维膜表面的水接触角
Fig. 4 Water contact angle of native and dopamine-modified
polypropylene fiber membranes

接触角是材料表面亲水性的重要判据之一,反映了材料表面的物理化学结构的变化。聚丙烯纤维膜表面在改性前后及形成生物膜后的水接触角结果如图4所示。多巴胺改性前,膜表面的水接触角约为133°,基本不随时间的延长而变化。多巴胺改性后,膜表面的水接触角有所下降,但也不随时间延长而变化。当多巴胺修饰聚丙烯纤维膜表面形成生物膜后,接触角迅速下降为0°,说明膜表面形成了生物膜,生物膜内大量羟基、羧基以及酰胺基等这些强亲水基团使得表面超级亲水[34-35]

2.4 培养时间对L. paracasei生物膜菌体干质量的影响

图5 培养时间对多巴胺改性前后聚丙烯纤维膜表面L. paracasei 生物膜菌体干质量的影响
Fig. 5 Effect of culture time on the dry weight of L. paracasei biofilm on native and dopamine-modified polypropylene fiber membranes

培养时间对多巴胺改性前后聚丙烯纤维膜上L. paracasei生物膜菌体干质量的影响如图5所示。在生物膜培养的前4天,2 种载体材料上生物膜菌体干质量较之前均略有上升,第5天时,干质量趋于平稳。由此说明,L. paracasei在材料表面的吸附和生长需要一定的时间。在每天更换新鲜培养基的条件下,培养时间越长,膜上黏附的L. paracasei数量越多,直到聚丙烯纤维膜上生物膜中的细菌达到动态平衡。值得注意是,多巴胺改性的聚丙烯纤维膜上生物膜菌体干质量值明显高于改性前的聚丙烯纤维膜,这一结果与扫描电子显微镜观察结果一致,验证了材料表面的多巴胺修饰层会促进乳酸菌的附着和生物膜的形成。

2.5 多巴胺改性前后的聚丙烯纤维膜上L. paracasei抗逆性

图6 多巴胺改性前后的聚丙烯纤维膜表面L. paracasei 菌体在不同环境下的存活率
Fig. 6 Survival rates of L. paracasei on native and dopamine-modified polypropylene fiber membranes in different stress environments

由图6可知,多巴胺改性后聚丙烯纤维膜表面L. paracasei生物膜分别在80 ℃、pH 2和pH 10条件下处理10 min后,菌体存活率分别为60.12%、70.55%和52.76%,远大于多巴胺改性前聚丙烯纤维膜表面L. paracasei生物膜菌体的10.31%、12.15%、9.26%。这一结果说明材料表面引入多巴胺修饰层后,有力地促进了L. paracasei生物膜的形成和成熟,进而增强了生物膜中L. paracasei的抗逆性。

图7 多巴胺改性聚丙烯纤维膜表面生物膜的电子显微镜照片
Fig. 7 SEM images of L. paracasei biofilm on dopamine-modified polypropylene fiber membranes in different environments
L. paracasei

生物膜的电子显微镜照片
Fig. 8 SEM images of L. paracasei biofilm on polypropylene fiber membranes in different environments
图8 聚丙烯纤维膜表面L. paracasei

从图7、8也可看出,经过高温和酸碱的处理,多巴胺改性后聚丙烯纤维膜表面的L. paracasei有所减少,但仍有大量L. paracasei内嵌生长在聚丙烯纤维膜上。而未经多巴胺改性的聚丙烯纤维膜表面和内部几乎无菌附着,此现象与菌体存活率结果一致。扫描电子显微镜的结果进一步验证了经多巴胺改性后聚丙烯纤维膜上的L. paracasei生物膜具有良好的抗逆特性和稳定性。

2.6 生物膜反应器分批发酵生产L-乳酸的探究

由图9可知,在4 种不同糖质量浓度条件下,L. paracasei基本上没有延滞期,在1~2 h内快速进入产酸阶段,伴有大量的L-乳酸生成。快速发酵11 h后,L-乳酸产量不再上升,原因可能是在发酵过程中未使用酸中和剂,发酵液中L-乳酸质量浓度较高,出现代谢产物抑制现象。由此说明,L. paracasei生物膜有较好的发酵能力,采用生物膜反应器法生产L-乳酸,可大大缩短发酵延滞期。

图9 不同初始葡萄糖质量浓度下的发酵液中L-乳酸产量
Fig. 9 Concentration of L-lactic acid in fermentation broth with different initial glucose concentrations

表1 初始葡萄糖质量浓度对L-乳酸发酵参数的影响
Table 1 Effect of initial glucose concentration on L-lactic acid production

注:温度为37 ℃,未使用中和剂调节发酵液pH值,表中L-乳酸及总乳酸产量均为发酵结束时最终浓度。

结合表1发现,当糖质量浓度小于60 g/L时,L-乳酸产量随着糖质量浓度的增加而增加,当糖质量浓度达到60 g/L时,L-乳酸转化率、产量、生产效率分别为49.3%、28.56 g/L、1.77 g/(L•h),各项参数均为最优;当糖质量浓度大于60 g/L时,随着糖质量浓度的增加,L-乳酸转化率、产量、生产率有所下降,当初始糖质量浓度为80 g/L时,L-乳酸转化率、产量、生产率分别为35.1%、28.11 g/L、0.67 g/(L•h)。原因可能是,在低糖质量浓度下,乳酸菌通过磷酸己糖途径发酵,同型发酵转化为异型发酵,而在高质量浓度培养基中,渗透压增大,使得菌体不能正常生长和代谢[36]。因此,为了得到高的L-乳酸产量和转化率,可将初糖质量浓度控制在60 g/L附近。

此外,由表1可知,本实验通过乳酸菌生物膜反应器得到的L-乳酸产量和生产率与文献报道[9-10]相比,仍处于较低水平,分析其原因可能是在实验中未采用中和剂对发酵过程进行调控,出现酸抑制现象。但不可否认的是,在未调控pH值的条件下,L-乳酸的转化率最高可达49.3%,明显高于文献报道[37]的自然条件下23.9%的转化率,且在L-乳酸生产过程中,即使未经培养基优化或基因工程等复杂手段调节,其生产纯度仍高达99%以上,这充分体现了L. paracasei生物膜在生产高纯度L-乳酸方面的巨大优势。

3 结 论

本实验利用扫描电子显微镜、红外光谱仪及接触角仪对多巴胺改性聚丙烯纤维膜上形成的L. paracasei生物膜进行表征,并对聚丙烯纤维膜经多巴胺改性前后表面所形成的L. paracasei生物膜干质量进行了对比。结果表明,多巴胺作为生物分子对聚丙烯纤维膜进行表面改性,改善了材料表面的生物相容性,有力地促进了L. paracasei在聚丙烯纤维膜上形成生物膜,实现L. paracasei在聚丙烯纤维膜上的高密度固定化;此外,L. paracasei生物膜抗逆性能良好,可更好地耐受高温和酸碱环境;L. paracasei生物膜反应器发酵生产L-乳酸,虽然其L-乳酸转化率和纯度均达到较高水平,但其L-乳酸产量和生产效率仍有提高的空间;同时,L. paracasei生物膜反应器基本没有发酵延滞期,有效提高了生物发酵效率。这一结果为高密度连续发酵生产L-乳酸提供了新思路,为解决工业生产高纯度L-乳酸提供了新方法。

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Surface Modification of Polypropylene Fiber Membranes with Dopamine to Enhance the Formation of Lactobacillus paracasei Biofilms and Its Fermentation Performance for Lactic Acid Production

ZHAO Zishu1, LI Jinian1, GUO Qian1, YE Xiangyu2, HU Mengxin1,3,*
(1. School of Food Science and Biotechnology, Zhejiang Gongshang University, Hangzhou 310018, China; 2. Zhejiang Textile Testing and Research Institute, Hangzhou 310018, China; 3. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Food Microbial Technology, Hangzhou 310018, China)

Abstract:Since dopamine can self-polymerize and adhere to the material surface in mild aqueous environments, dopamine was used for surface modification of polypropylene fiber membranes. In this paper, the effect of surface modification of polypropylene fiber membranes with dopamine on the formation of Lactobacillus paracasei biofilms was studied. The L. paracasei biofilms were characterized by scanning electron microscope, attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy, and water contact angle measurement. The stress resistance and fermentation performance for lactic acid production were studied in detail. The results demonstrated that the dopamine layer on the surface of polypropylene fiber membranes remarkably enhanced the formation of L. paracasei biofilms. It is worth to note that as compared with the L. paracasei on polypropylene fiber membranes, L. paracasei biofilms on dopamine-modified polypropylene fiber membranes possessed higher resistance to severe environments, such as high temperature, strong acid and strong base. Besides, the purity of L-lactic acid produced by L. paracasei biofilms in a biofilm reactor was higher than 99%. The lag phase of fermentation scarcely existed, which means that high fermentation efficiency.

Key words:Lactobacillus paracasei biofilm; dopamine; polypropylene fiber membrane; biofilm reactor; L-lactic acid

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201714011

中图分类号:TS210.1

文献标志码:A

文章编号:1002-6630(2017)14-0071-07

收稿日期:2016-10-17

基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目(21004051);中国博士后科学基金面上资助项目(2015M580500);

浙江省博士后科研项目择优资助项目;浙江省教育厅科研项目(Y201018929);

浙江省新型吸附分离材料与应用技术重点实验室开放基金项目(XFFL2015);

浙江省食品科学与工程重中之重一级学科开放基金项目(JYTSP20142103)

作者简介:赵子舒(1992—),女,硕士研究生,研究方向为生物发酵。E-mail:1272001120@qq.com

*通信作者:胡梦欣(1981—),女,副教授,博士,研究方向为生物固定化。E-mail:mengxinhu@zjgsu.edu.cn