고체 물질을 캡슐화하는 세균성 셀룰로오스 구체

요약

이 프로토콜은 세균 성 셀룰로오스 (BC) 구체를 형성하는 쉽고 저렴한 방법을 제시한다. 이 생체 재료는 바이오차, 폴리머 구체 및 광산 폐기물을 포함한 고체 물질에 대한 캡슐화 매체로 기능할 수 있습니다.

초록

세균세포로오스(BC) 구체는 BC가 새로운 소재로 대중화된 이래로 점점 더 연구되고 있다. 이 프로토콜은 BC 구 생산을 위한 저렴하고 간단한 방법을 제공합니다. 이러한 구체를 생성하는 것 외에도 고체 입자에 대한 캡슐화 방법도 확인되었습니다. BC 구체, 물, 홍차, 설탕, 식초 및 세균 문화를 생성하기 위해 당황한 플라스크에 결합되고 내용물이 동요됩니다. BC 구형에 대한 적절한 배양 조건을 결정한 후, 고체 입자를 캡슐화하는 능력은 바이오차, 폴리머 구슬 및 광산 폐기물을 사용하여 테스트되었습니다. 구체는 ImageJ 소프트웨어 및 열 중력 분석(TGA)을 사용하여 특징지어졌습니다. 결과는 직경이 7.5mm인 구를 7일 안에 만들 수 있음을 나타낸다. 다양한 입자를 추가하면 BC 캡슐의 평균 크기 범위가 증가합니다. 구체는 건조 질량의 10 - 20 %를 캡슐화했습니다. 이 방법은 쉽게 얻을 수 있는 재료로 가능한 저비용 구체 생산 및 캡슐화를 보여줍니다. BC 구체는 미래에 오염 제거 보조제, 제어방출 비료 코팅 또는 토양 개정으로 사용될 수 있다.

서문

세균셀룰로오스(BC)는 기계적 강도, 고순도 및 결정성, 수질 보존 능력 및 복잡한 섬유 구조^1,2,3,4로인해 잠재적인 산업 용으로 주목받고^있다. 이러한 특성으로 인해 BC는 생체 의학, 식품 가공 및 환경 정화 용도를 포함한 다양한 응용 분야에 유리한 생체^{재료로 만든다 1.} BC 필름의 형성은 발효 차 음료인 콤부차^5,발효 차 음료에 사용되는 단일 유기체 배양 또는 혼합 배양으로 수행 될 수 있습니다. 양조 콤부차는 일반적으로 SCOBY로 알려진 "박테리아와 효모의 공생 문화"에 의존합니다. 유기체의 이 공생 문화를 사용하여, BC 구체를 만들기 위하여 유사한 기술이 채택됩니다. 이 생물 재료는 보다 효율적인 작물 생산을 달성하기 위해 환경 오염 물질을 분리하고 바이오차르와 같은 농업 개정을 앵커하는 데 사용할 수 있습니다.

이전 문학은 BC의 특성이 고정 된 문화에서 생산 된 BC와 비교하여 동요 된 조건에서 생산되는 방법을 논의했습니다. 고정된 배양은 액체 공기 인터페이스에서 형성되는 필름을 초래하고, 흔들리는 배양은 액체⁶내에서 중단된 다양한 BC 입자, 가닥 및 구체를 초래한다. 많은 연구는 BC의 상업적 생산이 동적 조건에서 더 실현 가능하다는 주장을 참조^6,7,이 논문의 방법을 적용하기위한 근거를 제공. 또한 BC 구의 구조와 특성에 대한 다양한 조사가 수행되었습니다. Toyosaki 외.⁶ 그들의 동요 BC 생산에 당황 하 고 부드러운 벽 에렌 마이어 플라스크 비교. Hu 와 Catchmark^4에 의한 연구는 현재 BC 구 생산 공정에 대한 지침으로 사용된 BC 구체에 대한 조건을 결정했으며, 그 결과는 구 크기가 60시간 후에도 계속 증가하지 않는다는 것을 나타낸다. 모하마드 외^1에 의해 BC 생산의 검토는 BC 문화를 흔들어 성공적인 BC 성장에 필요한 심지어 산소 공급 및 분포를 보장 한다는 것을 나타냅니다. Holland^{외. 8은} X선 회절및 Fourier 변형 적외선 분광법을 사용하여 BC의 결정성과 화학 구조를 연구했습니다. BC 캡슐은 유사한 특성을 나타낼 것으로 가정하고 향후 연구는 구조적 특성을 조사 할 것입니다. 연구는 또한 향상 된 바이오 합성을 생산 하기 위해 BC를 사용 하 여의 유익한 효과 탐구 했다. 에폭시 수지를 기지로 사용하여, 연구원은 BC의 추가가 피로 수명, 골절 인성, 인장 및 굴근 강도^9,10과같은 물질적 특성을 향상시키는 것으로 나타났다. 과거와 현재의 연구에 따르면 많은 사람들이 BC 사용을 상용화하는 데 관심이 있습니다.

많은 연구원은 통제된 방출 시스템에서 세균성 셀룰로오스를 조사하고, 여기에서 기술한 방법은 통제된 방출 시스템으로 이용될 수 있는 캡슐을 생성합니다. 이 연구의 대부분은 생물 의학 분야에서 제어 방출에 초점을 맞추고, 뿐만 아니라 제어 방출 비료에 일부 탐사 (CRF) 관리. BC의^{아목시실린(11)}리도카인^12,및 이부프로펜(13)의 제어방출의 성공에 기초하여, BC는 펠릿화 비료와 같은 다른 물질과 유사한 전달 특성을 나타낼 수 있다. Shaviv와 Mikkelsen^14의 CRF에 대한 개요는 CRF가 보다 효율적이고 노동력을 절약하며 일반적으로 기존의 비료 응용 프로그램보다 환경 저하를 덜 일으킨다는 것을 인정합니다. 세균성 셀룰로오스는 CRF의 에 대한 유리한 캡슐화 재료로 작동 할 수 있습니다. 비료는 BC 막에서 침출되거나 BC 바이오 디그레이드^15,16으로배출될 수 있다. BC의 높은 수분 팽창 용량은 또한 BC 구체의 적용을 통해 비료 영양소와 수분 모두 땅에 방출 될 수 있기 때문에 유익한 토양 개정^17,18,19로 작용할 수 있습니다. 이러한 특성으로, BC 구 캡슐화에 의해 형성 된 CRF는 생산 및 폐기 단계에서 부정적인 영향을 미칠 수있는 다른 비료 코팅 재료에 비해 이점이있을 수 있습니다. BC를 비료 코팅에 적용하여 CRF 기술을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 비료 방출 속도를 낮춤으로써 작물은 비료를 흡수하고 물 체로 의 과도한 유출을 방지할 충분한 시간을 가지므로 부영양화및 비산소 구역을 감소시킵니다. 유사한 저속 방출 비료는 폴리머^{코팅(20)을}사용하여 제조 및 조종되었다.

이전 연구에서 설명된 프로토콜과 달리, 이것은 높은 셀룰로오스 수율보다는 균일하고 응집력 있는 구체 생산에 중점을 둡니다. 더욱이, 다른 고형물의 BC 캡슐화는 셀룰로오스 필름으로 연구되었지만, 구체^21은공부하지 않았다. 세균성 셀룰로오스 구체에 대한 연구를 확장함으로써 BC의 환경적으로 안전한 기능으로 인해 BC를 상업적으로 생산하기 위한 추가 단계를 만들 수 있습니다. BC 구 제작의이 방법은 저렴하고 쉽게 사용할 수있는 요리 재료를 사용합니다. 초기 어셈블리 후 BC 구는 간섭 없이 2일 이내에 형성되기 시작합니다. 이 전략을 통해 BC 구체를 생산하는 것은 공간이 거의 필요하지 않으며 식용 부산물인 발효차 '콤부차'가 있습니다. 다른 연구에서 언급된 캡슐화 기술은 상 반전^{기술(22,23,}매트릭스 형성^24,분무 건조^25,및 합성²⁶⁾동안 직접 캡슐화를 통해 형성된 코팅을 포함한다. 이 원고에 설명된 직접 캡슐화 방법은 쉽게 사용할 수 있는 재료를 활용하는 쉽고 저렴한 프로세스를 원하는 사람들에게 유용합니다.

이 연구를 통해 BC 구의 생산 및 캡슐화를 위한 성공적인 프로토콜이 만들어졌습니다. BC 구체는 생물차, 광산 꼬리, 폴리스티렌 마이크로비드의 고체 입자를 개별 구조 내에서 캡슐화할 수 있습니다. BC는 아직 업계에서 널리 사용되지는 않지만, 미래 응용 분야에 사용할 수 있는 실용적이고 지속 가능한 방식으로 제작되었으며 자연발생적인 재료입니다.

프로토콜

1. 세균 셀룰로오스 스타터 배양의 생성 및 유지 보수

1. 세균 셀룰로오스의 스타터 배양을 약 50g, SCOBY의 형태로 획득한다. 그것은 상업적으로 구입할 수 있습니다 (예 : 건강을위한 문화). SCOBY를 종이 타월로 덮인 1 L 비커에 넣습니다.
2. 700mL의 탈온화된 물을 끓이고, SCOBY를 포함하는 것과 분리된 용기로 옮기고, 85g의 자당을 넣습니다.
3. 자당이 녹으면 홍차 2봉지(4.87g)를 넣습니다. 차를 1시간 동안 우려낸 다음, 저어주봉을 사용하여 티백을 조심스럽게 제거합니다.
4. 차에 증류된 흰 식초 200mL를 넣습니다. 혼합물을 25°C로 식힙니다. 식으면 실온 차 700mL를 SCOBY가 함유된 비커에 넣습니다.
   주의: 너무 뜨거워지는 동안 산성 차를 추가하면 SCOBY의 유기체에 해를 끼칠 수 있습니다.
5. 비커를 종이 타월로 덮고 탄성 밴드로 고정하고 비커를 25°C의 온도를 유지하는 저장 영역에 배치합니다. 이 선박은 일반적으로 주식 문화 또는 호텔이라고합니다.
6. SCOBY를 건강하게 유지하기 위해서는 한 달에 약 2회 유지 보수가 필요합니다.
   1. 장갑을 낀 손을 사용하여 SCOBY 매트를 잡고 호텔에서 액체를 별도의 비커로 빼넣습니다. 액체가 있는 용기에 총 700mL의 용액을 충분히 첨가하십시오.
   2. 산성 차와 함께 용기에 자당 65 g를 녹입니다. 자당이 녹기를 기다리는 동안, 조심스럽게 DI 물에 SCOBY 매트를 헹구.
   3. 자당이 완전히 용해되면 헹구는 SCOBY 매트가 들어있는 비커에 액체를 첨가 할 수 있습니다. 비커를 덮고 인큐베이션 영역으로 되돌려 보입니다.

2. 세균 셀룰로오스 구체 의 생산

참고: 끓는 물로 작업할 때주의하십시오. 유리 제품이 끓는 수온을 견딜 수 있고 결함이 없으며 적절한 크기인지 확인하십시오. 그림 1에서BC 구체의 생산을 설명하는 회로도가 주어집니다.

1. 차 주전자를 사용하여 350mL의 탈온물을 끓입니다. 뜨거운 물을 500mL 비커로 옮습니다. 저조봉을 사용하여 42.5 g의 과립자당을 뜨거운 물에 녹입니다.
2. 자당이 완전히 용해되면, 1 시간 동안 자당과 물을 포함하는 플라스크에 홍차 (2.54 g)의 1 봉지를 우려내세요. 그런 다음, 티백을 저어주면서 티백을 꺼내 티백을 열어두지 않도록 주의를 기울인 다음 쓰레기통에 버리면 됩니다.
3. 증류된 흰색 식초 100mL를 비커에 넣고 혼합물을 철저히 저어줍니다. 산성 차 혼합물의 80mL를 250mL 의 당황플라스크로 옮기다. 차 혼합물을 실온, 20 - 25 °C로 식힙니다.
   참고 : 이 시점에서, 혼합물은 하룻밤 냉각 하거나 다음 단계에 대 한 준비 될 때까지 남아 있을 수 있습니다.
4. 액체 온도가 실온 (20 - 25 °C)에 있으면 당황한 플라스크에 미생물 스타터 배양 액의 20 mL을 추가하십시오. 이 액체는 SCOBY 호텔에서 얻을 수 있습니다. 파라필름으로 플라스크를 덮습니다.
5. 당황한 플라스크를 궤도 쉐이크 테이블에 놓고 속도를 분당 125회전(rpm)으로 설정합니다. 혼합물이 BC 구체를 생산하기 위해 20 - 25 °C의 온도와 함께 방 이나 인큐베이터에서 3 일 동안 흔들어 주세요.
   참고: 불규칙한 모양이 플라스크 내용에서 형성되거나 셀룰로오스 덩어리가 플라스크의 벽에 달라붙는 경우, 추가 불규칙한 BC 질량이 형성되는 것을 방지하기 위해 제거해야 합니다. 핀셋을 사용하여 얇은 문자열, 링, 관 모양 및 기타 명확하게 구형이 아닌 모양을 포함하여 원치 않는 BC 질량을 제거합니다.
6. 구체가 형성되면 플라스크에서 부드럽게 붓고 분석, 폐기 또는 이 백서에 설명되지 않은 방식으로 사용합니다.

3. 세균 셀룰로오스 구체를 사용하여 입자 또는 오염 물질을 캡슐화합니다.

1. 위의 2.1-2.5 단계를 따르십시오.
2. 3 일 동안 흔들후, 당황 플라스크에 미세하게 접지 미립자 물질의 약 0.01 g를 추가합니다. 적절한 고형에는 바이오차(260 ± 140 μm), 광산 폐기물(350 ± 140 μm), 폴리스티렌 마이크로비드(3μm)가 포함됩니다. 이러한 자료에 대한 데이터는 대표 결과 섹션에 설명되어 있습니다. 바이오차, 광산 폐기물 및 마이크로비드에 대한 자세한 설명은 첨부된 재료 테이블을 참조하십시오.
3. 플라스크를 파라필름으로 다시 덮고 동일한 속도와 주변 온도(20 - 25°C)를 사용하여 궤도 셰이커에 다시 놓습니다. 분석, 폐기 또는 기타 용도를 위해 BC 캡슐화된 입자를 제거합니다.

그림 1. 세균 셀룰로오스 구 제조 및 고체 입자의 캡슐화. 1단계는 세균성 스톡 문화와 홍차, 설탕 및 식초 미디어를 당황한 플라스크에 결합하는 것을 포함합니다. 주식 문화권의 디스크는 BC 매트를 나타냅니다. 그런 다음 당황한 플라스크가 3일 동안 궤도 쉐이크 테이블에 놓입니다. 중간 단계는 BC 구가 형성되면 플라스크에 솔리드를 추가하는 것을 보여줍니다. 플라스크는 3 일 동안 더 흔들립니다. 마지막 단계에서 BC 구체의 크기는 계속 증가하고 고체 입자를 캡슐화했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

결과

BC구는 문화의 첫 48h 동안 가장 빠른 성장률을 가지고있다(그림 2). 그림 2는 또한 구가 최대 평균 크기에 도달한 다음 일정하게 유지하는 방법을 보여줍니다. 이 실험에서 구체는 평균 직경 7.5± 0.2mm에 도달했습니다. BC 구체는 10일 간의 성장 기간 내에 완전히 악화되지 는 않았지만, 8일 전후로 구체의 본체를 확장하는 tendrils을 형성하기 시작했습니다. <...

토론

이 프로토콜은 수행하기 쉽고 비용 효율적인 BC 구 생산 및 캡슐화 방법을 간략하게 설명합니다. 원래 프로토콜에 대한 다양한 조정을 통해 적절한 프로세스가 확인되었습니다. 실행 가능한 구를 보장하기 위해 중요한 단계를 수행해야 합니다. BC 형성에 관련된 모든 성분은 구체의 건강과 내구성에 중요한 역할을합니다. 자당은 유기체에게 먹이를 주고, 차는 질소를 제공하고, 식초는 원치 않는 ?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
100 mL graduated cylinder
1000 mL beaker
25 mL graduated cylinder
250 mL Erlenmeyer baffled flask	Chemglass	CLS-2040-02
500 mL beaker
Balance
Biochar			Ponderosa pine heat treated under argon gas, heated at 15 °C per minute to 800 °C
Black tea
Deionized water
Distilled white vinegar
Elastic band
Microbial starter culture	Cultures for Health
Mine waste			Collected from Butte, MT: 46.001978,-112.582465. Mine waste contains soil and metals originating from past copper mining. Mn, Si, Ca, Al, and Fe were the five most prevalent elements measured in the mine waste through x-ray diffraction.
Mortar and pestle
Orbital shaker			Used various brands
Paper towel
Polystyrene microbeads	Polybead	17138	3 micron diameter
Stir rod
Sucrose
Tea kettle
TGA	TA Instruments	TA Q500	400 °C/min to 800 °C, 100 mL/min N2
Thermometer
XRF Analyzer	ThermoFisher Scientific	10131166