全 文 ：95※工艺技术 食品科学 2011, Vol. 32, No. 06
序贯设计优化佛手瓜汁生产细菌纤维素工艺
李家洲，肖玉平，黄荣林，赵 鑫
(广东轻工职业技术学院食品与生物工程系，广东 广州 510300)
摘 要：在以佛手瓜汁为原料利用木醋杆菌(Acetobacter xylinus)发酵生产细菌纤维素的过程中，利用Plackett-Burman
分部析因试验设计确定出蔗糖质量浓度和 pH值对产量具有显著影响，再利用最速爬坡试验确定出这两个因素的中
心点，最后以中心点进行中心组合试验设计，建立试验空间下的模型，优化出最佳的因素水平为温度 2 8℃、
(NH4)2SO4质量浓度 0.3g/100mL、佛手瓜汁用量(体积分数)100%、蔗糖质量浓度 6.54g/100mL、pH4.19。在最优条
件下可得最大干基产量为 4.18g/L。
关键词：佛手瓜汁；细菌纤维素；序贯设计
Sequential Design Optimization of Bacterial Cellulose Production by Acetobacter xylinus Using Chayote
(Sechium edule) Juice as the Basal Fermentation Medium
LI Jia-zhou，XIAO Yu-ping，HUANG Rong-lin，ZHAO Xin
(Department of Food and Bioengineering, Guangdong Industry Technical College, Guangzhou 510300, China)
Abstract ：Chayote (Sechium edule) Juice was used as the basal fermentation medium to prepare bacterial cellulose through the
fermentation of Acetobacter xylinus. Plackett-Burman factorial design was used to determine the effects of sugar concentration and
pH on productivity of bacterial cellulose. Steepest ascent method was used to determine the central point of both factors. Central
composite design was used to build the experimental model and the optimal processing conditions were fermentation temperature
of 28 ℃, (NH4)2SO4 concentration of 0.3 g/100 mL, Schehium edule juice concentration of 100 %, sugar concentration of 6.54 g/100 mL
and pH 4.19. Under the optimal processing conditions, the yield of bacterial cellulose was up to 4.18 g/L (dry weight).
Key words：Schehium edule juice；bacterial cellulose；sequential design
中图分类号：TS255.36 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2011)06-0095-04
收稿日期：2010-06-04
基金项目：广东省农业攻关项目(2005B20401011)
作者简介：李家洲(1976—)，男，副教授，博士研究生，研究方向为微生物发酵工艺。E-mail：lijiaou@gdqy.edu.cn
佛手瓜(Chayotes，Sechium edule)，葫芦科佛手
瓜属栽培种，又名隼人瓜、菜肴梨、合掌瓜、拳头
瓜等，多年生攀缘性草本植物。原产墨西哥和中美
洲，1 8 世纪传入欧洲，后传入东南亚，2 0 世纪初自
缅甸传入我国南方地区，在我国江南地区种植，尤以
广东、广西、福建、浙江、云南等省最为广泛，并
逐渐传入我国北方作一年生蔬菜栽培。果实有绿皮与
白皮两种品系，果肉白色，梨形，有 5 条纵沟，质
量 200～300g。佛手瓜性喜温暖、肥沃、湿润与保水
土壤，不耐涝，能耐高温。佛手瓜生产旺盛，果实
产量极高。单株覆盖面积达 6 0～8 0m 2，每株年产果
300～500个，亩产可达 3000～4000kg。佛手瓜生长迅
速、产量高、营养丰富，但由于其口感一般，故其
价格一直较低，限制了佛手瓜的推广。对佛手瓜进行
深加工，延长产业链，增加附加值，是必由之途。近
年来，针对佛手瓜深加工研究不断。佛手瓜可开发成
酸奶[ 1]、膳食纤维素[ 2]、果脯[ 3]、蔬菜酒[ 4]、果酱[ 5]及
腌制品[ 6 ]等。
1866年，英国科学家Brown首次报道木醋杆菌可合
成细菌纤维素(bacterial cellulose，BC)[7]。后经研究证
实，除了醋酸杆菌属外，能产细菌纤维素的菌种还包
括根瘤菌属、八叠球菌属、假单胞菌属、土壤杆菌属
等[8]。细菌纤维素是葡萄糖以β-1,4糖苷键连接成的高分
子聚合物[9]。细菌纤维素具有许多植物纤维素无可比拟
的优点，故具有广泛的用途。例如，食品行业中用作
加工椰果的原料[10]、造纸行业用于生产特种功能纸[11]、
环保行业用作重金属吸附材料[12-13]、生物医学材料[14-15]、
酶与细胞支撑材料[16]、化妆品中的保水材料等。目前，
细菌纤维素的生产主要以椰子汁为原料。众所周知，椰
子由于受种植区域的局限，其来源十分有限，原料成
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本相对较高。利用佛手瓜汁富含营养成分的特点，用
作工业发酵培养基生产高附加值的细菌纤维素，既是另
一种佛手瓜深加工研究方向，也可拓宽细菌纤维素生产
的原料渠道。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
绿皮佛手瓜，购自广州市菜市场。
木醋杆菌(Acetobacter xylinus)，本实验室保存。
酵母膏、细菌学蛋白胨 广东环凯微生物科技有限
公司；葡萄糖、K H 2PO 4、柠檬酸、N a C l、蔗糖、硫
酸铵(均为分析纯) 广州化学试剂厂。
1.2 培养基
佛手瓜汁制备：新鲜佛手瓜用榨汁机粉碎，煮沸
破坏叶绿素，然后过滤去除滤渣，收集滤液备用。
种子培养基：葡萄糖 2g/100mL、酵母膏 0.5g/100mL、
蛋白胨 0.5g/100mL、KH 2PO 4 0.1g/100mL、柠檬酸
0.1g/100mL、自然 pH值、110℃灭菌 30min；用作斜面
时加琼脂 2g/100mL。发酵培养基：新鲜制备的佛手瓜
汁 1L、蔗糖 4g/100mL、硫酸铵 0.3g/100mL、KH2PO4
0.1g/100mL、NaCl 0.2g/100mL、pH4.0～5.0，分装组织
培养瓶，每个 100mL，121℃灭菌 15min。
1.3 方法
1.3.1 种子培养
将经斜面活化的木醋杆菌接种于液体种子培养基
150r/min振荡培养，于 30℃培养 16h。
1.3.2 发酵培养条件
接种量为体积分数 10%，30℃静置培养 8d，收集
纤维素膜分析。
1.3.3 试验设计和统计分析
采用序贯试验设计原理，将温度、蔗糖质量浓
度、佛手瓜汁用量、pH值、硫酸铵质量浓度、KH2PO4
质量浓度 6个参数进行分部析因设计，筛选对细菌纤维
素有显著影响的因素并初步考察各因素间的相互关系。
利用爬坡设计寻找合适的试验空间。最后再利用中心组
合设计来确定在试验空间内的最大或最小响应点(即相应
因素的最佳取值 ) 。试验设计与数据分析主要应用
Minitab 15设计与 SAS 9.1统计分析软件[17]。
1.3.4 纤维素干质量测定
收集纤维素，置于 80℃ 0.1mol/L NaOH溶液中维
持 2h，冷却后用 0.1mol/L HCl中和，自来水充分洗涤，
8 0℃干燥至质量恒定，称量。
2 结果与分析
2.1 分部析因设计
围绕提高以佛瓜汁为主要培养基的纤维素发酵水
平，选定温度、蔗糖质量浓度、佛手瓜汁用量、p H
值、硫酸铵质量浓度、KH2PO4质量浓度 6个参数进行
序贯试验设计，各参数的水平选择见表 1。
编码 因素 － 1水平 ＋ 1水平
X1 温度 /℃ 28 32
X2 蔗糖质量浓度 /(g/100mL) 3 6
X3 硫酸铵质量浓度 /(g/100mL) 0.3 0.5
X4 KH2PO4质量浓度 /(g/100mL) 0.05 0.2
X5 pH 4.0 6.0
X6 佛手瓜汁用量 /% 70 100
表 1 分部析因设计的因素与水平
Table 1 Factors and levels in fractional factorial design (FFD)
试验号 X1 X2 X3 X4 X5 X6
细菌纤维素
干基产量 /(g/L)
1 1 1 － 1 1 1 － 1 3.31
2 0 0 0 0 0 0 4.05
3 0 0 0 0 0 0 3.93
4 － 1 － 1 1 1 1 － 1 2.82
5 － 1 1 1 － 1 1 － 1 3.71
6 1 － 1 － 1 － 1 1 1 3.39
7 － 1 － 1 － 1 1 1 1 3.21
8 1 1 1 － 1 1 1 4.03
9 0 0 0 0 0 0 4.24
10 1 － 1 1 － 1 － 1 － 1 3.18
11 1 － 1 1 1 － 1 1 3.11
12 － 1 － 1 － 1 － 1 － 1 － 1 3.72
13 － 1 1 － 1 － 1 － 1 1 4.12
14 － 1 1 1 1 － 1 1 4.38
15 1 1 － 1 1 － 1 － 1 4.49
表 2 Plackett-Burman试验设计与结果
Table 2 Protocol and results of Plackett-Burman design
回归分析结果见表 3。
项 效应 系数 系数标准误 T值 P值
3.6167 0.09150 39.52 0.000
X1 － 0.0667 － 0.0333 0.09150 － 0.36 0.726
X2 0.7667 　0.3833 0.09150 4.19 0.004
X3 － 0.1667 － 0.0833 0.09150 － 0.91 0.393
X4 － 0.1333 － 0.0667 0.09150 － 0.73 0.490
X5 － 0.4333 － 0.2167 0.09150 － 2.37 0.048
X6 0.1667 0.0833 0.09150 0.91 0.393
曲率 2.04 0.081
表 3 Plackett-Burman试验结果的回归分析
Table 3 Regression analysis of Plackett-Burman design experimental
results
分部析因试验设计时若采用全因数试验，6个因素
需要的试验次数为 64。为了减少试验次数，按 Plackett-
Burman设计，试验次数选 12，每个仿行的中心点数选
3，这样只需要做 15个试验。试验设计与结果见表 2。
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Plackett-Burman试验结果的回归因子主效应图见图1。
由表 3和图 1可知，在 6 个因素中，X 2(蔗糖质量
浓度)与 X 5(pH 值)对细菌纤维素的产量影响最大(P＜
0.05)。对表 2的结果进行曲率分析，显示以上设计的试
验空间为一曲面，但有 P=0.081＞ 0.05，说明在该曲面
内不存在极值响应点，需继续搜索。图 1 表明，在设
定的空间内温度对纤维素的产量几乎无影响；(NH4)2SO4
和 KH2PO4影响呈弱的负相关；佛手瓜汁用量呈弱的正
相关。根据以上试验结果，在后续优化试验过程确定
温度 28℃、(NH4)2SO4质量浓度 0.3g/100mL、佛手瓜汁用
量 100%。
试验号 X2蔗糖 /(g/100mL) X5 pH Y细菌纤维素产量 /(g/L)
1 3.0 6.0 3.53
2 3.4 5.8 3.64
3 3.8 5.6 3.82
4 4.2 5.4 4.06
5 4.6 5.2 4.27
6 5.0 5.0 4.43
7 5.4 4.8 4.63
8 5.8 4.6 4.72
9 6.2 4.4 4.76
10 6.6 4.2 4.81
11 7.0 4.0 4.77
12 7.4 3.8 4.70
13 7.8 3.6 4.58
表 4 最速爬坡试验设计与结果
Table 4 Protocol and results of steepest ascent design
由于细菌纤维素的产量与蔗糖质量浓度呈现正相
关，故确定 3g/100mL为原点；pH值与产量呈现负相关
的关系，故确定 pH 6.0 为原点，进行最速爬坡试验设
计，结果见表 4 。
由表 4可以看出，试验 10#(X2=6.6，X5=4.2)得到细菌
纤维素的最大产量 4.81g/L。该点前，自试验 1#～9#，产
量逐渐上升；该点之后，自试验 11#～12#产量逐渐下降。
故选择(X2=6.6，X5=4.2)作为中心点进行中心组合试验。
2.3 中心组合试验设计
根据分部析因试验结果，蔗糖质量浓度与 pH值是
影响细菌纤维素的显著性因素，故选择这两个因素进行
中心组合试验设计，以寻找最优工艺条件。根据最速
爬坡试验结果，(X 2=6.6，X 5=4.2)得到的产量最高，故
选择此点为中心。考虑参数变化幅度对产量影响的显著
性程度，蔗糖应选择较大的空间，pH 值可选择相对较
小的空间。综合分部析因与最速爬坡试验结果，选择
X2(6.0，7.2)、X5(4.0，4.4)为空间，进行中心组合试验
设计。试验设计及结果见表 5。
试验号 X2 蔗糖 /(g/100mL) X5 pH Y 细菌纤维素产量 /(g/L)
1 6.60 4.20 4.81
2 6.60 3.92 4.67
3 6.60 4.20 4.82
4 6.00 4.40 4.67
5 7.20 4.40 4.66
6 6.60 4.20 4.82
7 5.75 4.20 4.72
8 6.00 4.00 4.73
9 6.60 4.20 4.79
10 6.60 4.20 4.83
11 7.20 4.00 4.71
12 7.45 4.20 4.68
13 6.60 4.48 4.69
表 5 中心组合设计及结果
Table 5 Protocol and results of central composite design
响应曲面分析表明，曲率 P=0.001＜ 0.05，因此，
在试验空间内有极值响应点，其曲面图见图 2。
温度
因素水平
4.0
3.8
3.6
3.4
3.2
细
菌
纤
维
素
平
均
干
基
产
量
/(
g/
L
)
－1 0 1 －1 0 1 －1 0 1
蔗糖 硫酸铵
代表角点
代表中心点
图 1 Plackett-Burman试验结果的回归因子主效应图
Fig.1 Main effects plot of each regression factor in Plackett-Burman
design
磷酸二氢钾
因素水平
4.0
3.8
3.6
3.4
3.2
细
菌
纤
维
素
平
均
干
基
产
量
/(
g/
L
)
－1 0 1 －1 0 1 －1 0 1
pH 佛手瓜汁用量
代表角点
代表中心点
图 2 中心组合试验蔗糖质量浓度与 pH 值对
细菌纤维素产量的影响
Fig.2 Response surface plot indicating the effects of sugar concentra-
tion and pH on bacterial cellulose production
pH
4.8
4.7
4.6
细
菌
纤
维
素
产
量
/(
g/
L
)
6.0 6.5 7.0 7.5
4.0
4.2
4.4
蔗糖质量浓度 /(g/100mL)
2.2 最速爬坡试验
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对图 2 的曲面进行回归分析得到回归模型为：
Y=1.96155X2＋13.7502X5－0.156597X22－1.65937X52＋
0.0208333X2X5－30.3677
该回归模型具有非常高的显著性，其 P=0.001＜
0.01、R2=93.44%、R2Adj=88.75%，说明该模型能拟合本
试验空间中 93%的试验结果。对图 2中的响应曲面进行
响应优化分析，可得到 Y 最大 =4.8149g/L，其对应的因
素值分别为蔗糖质量浓度(X 2)为 6.5400g/100mL、pH
(X5)4.1857，在此条件下进行多次重复实验，均接近模
型值，这证实了该模型的可靠性。
3 结论与讨论
利用序贯试验设计对木醋杆菌利用佛手瓜汁发酵生
产细菌纤维素的工艺条件进行探讨。确定了较合适的发
酵工艺条件：温度 28℃、(NH4)2SO4质量浓度 0.3g/100mL、
佛手瓜汁用量 100%、蔗糖质量浓度 6 . 54g / 100mL、
pH4.19。在优化的试验条件下，木醋杆菌以佛手瓜汁为
原料发酵生产细菌纤维素干基产量最高可达 4.81g/L。结
果表明，统计分析方法在优化及建立稳定的发酵工艺条
件等方面是一个很好的工具，具有十分重要的作用。对
受多个因素影响的发酵工艺，先利用 Plackett-Burman分
部析因试验设计，对各个影响因子对发酵的影响程度进
行评估，找出影响显著的因子，然后利用最速爬坡试
验找到显著影响因子的中心点，以此进行中心组合试
验，进行曲面分析与回归，可建立工艺模型，找到试
验空间中的极大值点，为建立最佳工艺条件提供依据和
指导。
参 考 文 献 ：
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