Production and characterization of nano bacterial cellulose from Komagataeibacter nataicola using water from washing rice

Abstract

Bacterial cellulose (BC) produced by some bacteria receives ample of attention due to its high purity and robust cellulose that could be used in medicine and industrial practices. This study aimed to screen bacteria capable of producing BC from fruits, and to optimize the BC production from the screened bacteria in traditional YE and Schramm and Hestrin (SH) media. The glucose-replacing water from washing rice (WWR) without pretreatment as the sole carbon source in YE medium, was also investigated for BC production. The morphology, chemical structure, crystallinity and purity of BC were then characterized using SEM, FT-IR, XRD and DSC techniques. Results stated that the bacterial strain Li1 isolated from apple (Malus pumila) was identified as Komagataeibacter (Gluconacetobacter) nataicola. K. nataicola produced significantly more BC with YE medium than with SH medium in static culture. The optimum conditions for BC production in WWR-based medium at 4 g/L of total sugar were found to be 5% (v/v) inoculum at initial pH 4.5 and temperature of 25 °C for 13 days of incubation. However, the BC production was not increased by adding CaCO3 and agar to the medium. Moreover, the weight yield of dry BC film in WWR-based and YE media was not significantly different in static culture, but produced more significantly in YE medium than obtained in WWR medium in agitated culture condition. SEM analysis revealed that average diameters of BC in WWR and YE media in static culture and in WWR-based medium in agitated culture condition were 31, 49 and 24 nm, respectively. The crystallinity index of BC in WWR and YE media in static culture and in agitated culture were approximately 72, 68, 80 and 57%, respectively. The varieties of BC showed no significantly different chemical structure. The purity of BC was in the range of 140-149 °C, whereas that in YE medium in agitated culture was lower at 111 °C. This study shows the suitability of WWR as the low-cost carbon substrate for BC production by K. nataicola.

แบคทีเรียลเซลลูโลส เป็นผลิตภัณฑ์ได้จากแบคทีเรียบางชนิด มีความบริสุทธิ์สูง มีประสิทธิภาพสำหรับนำไปใช้ในทางการแพทย์และในอุตสาหกรรมต่าง ๆ งานวิจัยนี้คัดแยกแบคทีเรียผลิตแบคทีเรียลเซลลูโลสจากผลไม้ ศึกษาสภาวะที่เหมาะสมในการผลิตแบคทีเรียลเซลลูโลสจากแบคทีเรียที่คัดแยกได้ในอาหารเพาะเลี้ยงสูตร YE และ Schramm and Hestrin (SH) ตลอดจน ประเมินสภาวะที่เหมาะสมในการผลิตแบคทีเรียลเซลลูโลสโดยใช้น้ำซาวข้าว (water from washing rice; WWR) ที่ไม่ผ่านการปรับสภาพเป็นแหล่งคาร์บอนในอาหารเพาะเลี้ยง YE และวิเคราะห์ลักษณะสัณฐานวิทยา โครงสร้างทางเคมี ความเป็นผลึก และความบริสุทธิ์ของแบคทีเรียลเซลลูโลสโดยเทคนิค SEM, FT-IR, XRD และ DSC ผลการทดลองพบว่า แบคทีเรียสายพันธุ์ Li1 คัดแยกได้จากแอปเปิ้ล (Malus pumila) ถูกจำแนกเป็นแบคทีเรียสายพันธุ์ Komagataeibacter (Gluconacetobacter) nataicola สามารถผลิตแบคทีเรียลเซลลูโลสในอาหารเพาะเลี้ยง YE ได้มากกว่าในอาหารเพาะเลี้ยง SH ที่สภาวะการเพาะเลี้ยงแบบนิ่ง และได้สภาวะที่เหมาะสมในการผลิตแบคทีเรียลเซลลูโลสในอาหารเพาะเลี้ยง WWR ที่ความเข้มข้นของน้ำตาลทั้งหมดเท่ากับ 4 กรัมต่อลิตร คือ ความเข้มข้นของกล้าเชื้อเริ่มต้น 5 เปอร์เซ็นต์ โดยปริมาตร อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส พีเอช 4.5 และระยะเวลาในการเพาะเลี้ยง 13 วัน อย่างไรก็ตาม พบว่า K. Nataicola ไม่สามารถผลิตแบคทีเรียลเซลลูโลสได้เพิ่มขึ้น เมื่อเติมแคลเซียมคาร์บอเนตและผงวุ้นในอาหารเพาะเลี้ยง นอกจากนี้ K. Nataicola สามารถผลิตแบคทีเรียลเซลลูโลสในอาหารเพาะเลี้ยง WWR และ YE ในสภาวะการเพาะเลี้ยงแบบนิ่ง ได้น้ำหนักแห้งของแบคทีเรียลเซลลูโลสไม่แตกต่างกัน แต่สามารถผลิตแบคทีเรียลเซลลูโลสในอาหารเพาะเลี้ยง YE ได้มากกว่าในอาหารเพาะเลี้ยง WWR เมื่อเพาะเลี้ยงแบบเขย่า และจากการวิเคราะห์ด้วย SEM พบว่า ค่าเฉลี่ยเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยแบคทีเรียลเซลลูโลส ในอาหารเพาะเลี้ยง WWR และ YE ในสภาวะการเพาะเลี้ยงแบบนิ่ง และในอาหารเพาะเลี้ยง WWR ในสภาวะการเพาะเลี้ยงแบบเขย่า เท่ากับ 31, 49 และ 24 นาโนเมตร ตามลำดับ มีค่าดัชนีความเป็นผลึกของแบคทีเรียลเซลลูโลสในอาหารเพาะเลี้ยง WWR และ YE ในสภาวะการเพาะเลี้ยงแบบนิ่งและแบบเขย่าคิดเป็น 72, 68, 80 และ 57 เปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ โดยโครงสร้างทางเคมีของแบคทีเรียลเซลลูโลสไม่มีความแตกต่างกัน และพบความบริสุทธิ์ของแบคทีเรียลเซลลูโลสในช่วง 140-149 องศาเซลเซียส ในขณะที่แบคทีเรียลเซลลูโลสในอาหารเพาะเลี้ยง YE ในสภาวะเพาะเลี้ยงแบบเขย่าเท่ากับ 111 องศาเซลเซียส จากการศึกษาแสดงให้เห็นว่า น้ำซาวข้าวสามารถใช้เป็นแหล่งคาร์บอนต้นทุนต่ำแทนกลูโคส เพื่อผลิตแบคทีเรียลเซลลูโลสโดย K. Nataicola ได้อย่างมีประสิทธิภาพ