黄原胶的生产技术

黄原胶生产技术摘要：本文主要从黄原胶发酵工艺、反应器等方面介绍了黄原胶分子结构及特性。讨论了目前黄原胶生产研究方向和热点,以及碳源、氮源对黄原胶产量影响。从发酵动力学角度讨论影响黄原胶发酵产量因素并介绍了国内黄原胶的应用。关键字：黄原胶水溶性多糖发酵动力学黄原胶（Xanthangum）⑴是20世纪50年代美国农业部北方研究室从野油菜黄单胞菌NRRLB—1459中发现的中性水溶性多糖，又称黄胶、汉生胶、黄单细胞多糖,是野油菜黄单孢杆菌（Xanthomonascampestris）以碳水化合物为主要原料,经发酵工程生产的一种作用广泛的微生物胞外多糖，简称XC。由于该多糖具有很高粘度、流动触变性和稳定理化性质且无毒，故作为添加剂在许多领域具有广阔市场前景。普通商品黄原胶是含有K、Na、Ca等盐的混合物，其它类型有:脱乙酰胺的黄原胶、丙酮酸232黄原胶和与铬盐交联的高触变性黄原胶等。它具有如下特性:在热水和冷水中有很好的溶解性，有良好的增粘性和悬浮能力；在低浓度下具有较高的粘度，有很高的稳定性，耐酸碱、高盐环境，抗高温、低温冷冻，易生物降解，抗污染能力强，在-4-93e范围内反复加热、冷冻，其粘度基本不变;可同多种物质（酸、碱、盐、表面活性剂、生物胶等）互配，具有令人满意的兼容性;有良好的触变性（剪切稀释能力）和假塑性（恢复能力）;有良好的分散作用、乳化稳定作用。黄原胶和刺槐豆胶、瓜尔豆胶等半乳甘露聚糖配合使用时有极为显著的协同增效作用，可显著提高粘度和耐盐稳定性，达到用量少、成本低和提高使用效果的目的。1黄原胶分子结构和理化性质1.1黄原胶分子结构［2］黄原胶是由D一葡萄糖、D一甘露糖、D一葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸组成“五糖重复单元”，结构聚合体，分子摩尔比为一28:2:17:0.51-0.63，相对分子质量在5x106左右。黄原胶分子一级结构由卩-1，4键连接的D一葡萄糖基主链与三糖单位侧链组成，其侧链由D一甘露糖和D一葡萄糖醛酸交替连接而成。黄原胶分子侧末端含有丙酮酸，其含量对黄原胶性能有很大影响，在不同溶氧条件下发酵所得黄原胶，其丙酮酸含量有明显差异。一般溶氧速率小，其丙酮酸含量低。黄原胶除拥有规则一级结构外，还拥有二级结构，经射线衍射和电子显微镜测定，黄原胶分子间靠氢键作用而形成规则的螺旋结构一二级结构。双螺旋结构之伺依靠微弱作用力形成网状立体结构，这是黄原胶三级结构，它在水溶液中以液晶形式存在。1.2黄原胶理化性质黄原胶是一种类白色或浅米黄色可流动粉末，是目前国际上集稳定、增稠、悬浮、乳化于一体，性能最优越生物胶。黄原胶无味、无臭、无毒、食用安全，易溶于永在水溶液中呈多聚阴离子，具有独特理化性质［3］。1.2.1稳定性黄原胶溶液在一定温度范围内（-493）°C反复加热冷冻，其粘度几乎不受影响:10g/L黄原胶溶液由25C加热到120C，其粘度仅降低3%。黄原胶溶液对酸碱十分稳定，在pH为5〜10范围内其粘度不受影响，能和许多盐溶液混溶，粘度不受影响。它可分别在100g/LKCl，100g/LNaCl，100g/LCaCl2和50g/LNa2CO3溶液中长期存放90天（25C），粘度几乎保持不变⑴。许多酶如蛋白酶、淀粉酶、纤维素和半纤维素酶等都不能使黄原胶降解。1.2.2假塑流变性黄原胶溶液是一种典型假塑性流体，其溶液粘度随剪切速率增加而明显降低。在高剪切速率下，聚合体结构解聚为无规则线团结构，使粘度迅速降低当剪切速率解除时，分子结构又恢复到双螺旋网状聚合体状态,使溶液粘度瞬间恢复到最大。1.2.3增稠性黄原胶具有良好增稠性能,特别是在低质量浓度下具有很高粘度,0.3g/L黄原胶溶液即能产生0.09Pa・S有效粘度。与增稠剂协效性黄原胶可与大多数合成或天然增稠剂配伍,如与槐豆胶、瓜尔胶、卡拉胶及魔芋胶等都能互溶,混溶后使混合胶粘度显著提高。悬浮性和乳化性由于黄原胶理化性质稳定，因而具有良好悬浮性和乳化性，10g/L黄原胶溶液具有5xlO-4N/cm2承托力。黄原胶借助于水相稠化作用,可降低油相和水相不相溶性,能使油脂乳化在水中,因而可在许多食品饮料中用作乳化剂和稳定剂。2黄原胶生产黄原胶生产包括发酵和提取两部分。发酵工艺有连续法和间歇法，但真正工业化的是间歇法。实际过程是种子发酵、种子扩大和发酵。目前国内外都在黄原胶发酵工艺方面开展很多研究，以提高产量和质量。国内研究主要集中在培养基配方和工艺改进方面，而国外研究热点则为黄原胶发酵动力学和代谢网络分析，从各个角度阐述黄原胶高产机理，并在此基础上改进工艺，使产量得到提高。提取工艺包括:发酵液处理;沉淀反应，过滤沉淀物并进行洗涤、干燥、粉碎，成品包装。生产工艺[4]工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 为:菌种-摇瓶-扩大培养-发酵罐发酵-提取-干燥-粉碎-成品包装。黄原胶生产受到培养基组成、培养条件（温度、pH值、溶氧量等）、反应器类型、操作方式（连续式或间歇式）等多方面因素影响。2.2生产菌株黄原胶生产菌株为黄单抱菌属几个种，目前工业化生产用菌株主要是甘蓝黑腐病黄单抱杆菌（亦名野油菜黄单胞菌），直杆状，宽0.4ym~0.7ym,有单个鞭毛，可移动，革兰氏阴性，好氧。1961年Jeanes等首先从甘蓝黑腐病斑中分离出甘蓝黑腐病黄单抱杆菌，赵大建等在1986年也得到编号为N.K-01甘蓝黑腐病黄单抱杆菌。此外，菜豆黄单胞菌、锦葵黄单胞菌和胡萝卜黄单胞菌亦可作为发酵菌种。2.3培养基组成[4]碳源碳源对黄原胶产量有非常重要影响，一般所用碳源以葡萄糖、蔗糖或淀粉为多。研究表明，较高葡萄糖浓度能抑制细胞生长及黄原胶产量，因此很多工艺采取流加碳源方法，黄原胶产量可得到显著提高oPeters等采用持续流加葡萄糖、盐和氧发酵方式，获得高浓度菌体，最终葡萄糖浓度为50g/L，且得到极高总体产量（0.9g/L/h）,但发酵过程需要极高溶氧，因此对转速要求非常高（1500r/min）。各国研究者都在碳源种类选择上进行大量研究。从生产上考虑，黄原胶发酵所用碳源多为玉米糖浆，但也有研究者提出用于黄原胶生产其它一些价廉易得碳源。如Yoo等在黄原胶发酵生产中加入废甜菜根作为蔗糖补充，在一定培养条件下，黄原胶产量比单纯蔗糖发酵提高约70%，具有较大经济效益。2.3.2氮源氮源形式既可是有机化合物，也可为无机化合物，氮源种类和浓度对黄原胶产量和质量都会产生显著影响。赵学明等研究在发酵罐中流加葡萄糖条件下，以硫酸铰为氮源对细胞生长量和黄原胶产量影响，结果表明，氮源浓度对黄原胶合成速率、最终胶浓度、得率都有重要影响，在改良设备、提高供氧情况下，黄原胶质量浓度在55h内可达40g/Lo丙酮酸是黄原胶分子链上侧链基团,它的存在可赋予黄原胶许多优良性能,如流变学特性等。黄原胶质量（可通过粘度衡量）不仅受其浓度和分子质量影响,还与丙酮酸盐含量有关。Candia和Decqwer通过实验也证实这一点,并提出丙酮酸盐含量与黄原胶分子质量及实验所用氮源氯化铵浓度有关，当氯化铵质量浓度较高时（5g/L）,丙酮酸盐产量和黄原胶分子质量很低，从而降低原胶流变学特性,使其粘度降低,只有氯化铵质量浓度在0.60.3g/L范围内进行培养时,才能得到较高分子质量和丙酮酸盐浓度，使黄原胶质量得到提高。2.4发酵环境控制由于分泌出黄原胶包裹在细胞周围，妨碍营养物质运输，影响菌种生长，因此，接种阶段时除应增加细胞浓度外，还应尽量降低黄原胶产量，这样就需多步接种（每步接种时间必须控制在7h以下，以免黄原胶生成），接种体积一般为反应器中料液体积5%10%，接种次数应随发酵液体积增大而增多。发酵温度不仅影响黄原胶产率，还能改变产品结构组成。研究指出，较高温度可提高黄原胶产量，但降低产品中丙酮酸含量，因此，如需提高黄原胶产量，应选择温度在31°C〜33°C,而要增加丙酮酸含量就应选择温度范围在27C〜31°C。pH范围在中性时最适于黄原胶生产，随着产品产出，酸性基团增多,pH降至5左右。研究表明,控制反应中pH对菌体生长有利，但对黄原胶生产没有显著影响。2.5生物反应器黄原胶发酵过程中需要什么样反应器，应要综合考虑多种因素凌目发酵液性质、搅拌浆形状、通气状况、能量消耗等。由于黄原胶溶液粘度较大，且发酵过程中需要充足氧气，通常发酵液中溶氧浓度影响到黄原胶产生菌生长速率、黄原胶产量及黄原胶质量；所以，有些反应器就不适于生产。而空气提升式反应器由于能有效解决黄原胶发酵中通气和搅拌所带来热量问题，减少能源消耗，所以较为适合连续培养。配备有流化床塔式反应器，由于其气泡转移系数较高，在分批发酵中也有应用。用泵式静态混合循环反应器能增加氧气在高粘度发酵液中传递速率，从而可提高黄原胶产量。近几年对反应器研究主要是在Yang等1996年发明一种离心式填充床反应器（CPBR）基础上进行，该反应器利用一种旋转纤维床来使菌体分散固定化并与养分和氧气接触，同时还产生离心力使黄原胶与菌体分离，从而获得高的氧传递速率和胶产量（总体产量可达1g/L/h），而一般搅拌式反应器只能达到0.15g/L/h，并且减轻后提取中菌体分离压力。选择反应器要让其充分发挥作用，还必须辅以合适搅拌浆。通过实验证实，圆盘涡轮式搅拌浆由于能快速破碎气泡，而其本身不会被气泡淹没，所以在发酵工业上使用较为合适。由于黄原胶发酵液特殊性质，用普通搅拌浆如圆盘涡轮式搅拌浆、叶片涡轮式搅拌浆等一般难以达到要求，但它们耗能小。赵大健等在0.2cm3的2级种子培养罐和1.2m3的中试发酵罐中，采用两层直叶圆盘涡轮搅拌，4块标准挡板，单管通气，可通过加大搅拌桨直径和搅拌转速，提高溶氧速度。Nienow等在19m3发酵罐中分别采用4层直叶圆盘涡轮、4层Ecato公司ProchemmaxfloTs型搅拌桨或3层A315桨进行搅拌，发现采用直叶圆盘涡轮时混合最差，通气后搅拌效率最低。近年来，为了适应高粘度和高通气率发酵工艺需要，许多研究人员设计一些新型搅拌浆；还有一些搅拌浆采用复合型式，即将两种具有不同优点搅拌浆结合在一起，如螺旋（上部）一涡轮式（下端）搅拌浆。2.6发酵动力学了解黄原胶发酵动力学特性是实现黄原胶生产过程中定量优化控制必要基础，人们建立很多动力学模型描述黄原胶发酵动力学过程。早期动力学模型以经典发酵动力学模型为基础，同时考虑氮源消耗对黄原胶生长限制作用，一般包括4个方程式:描述菌体生长动力学方程，描述黄原胶生成产物动力学方程，描述碳源消耗动力学方程及描述氮源消耗动力学方程。近年来，人们认识到溶氧、温度、pH值等发酵环境对黄原胶生产重要影响，开始建立一些包含这些因素更为复杂动力学模型。1995年,Garcia等将溶氧作用引入模型，建立包含5个常微分方程式描述菌体、碳源、氮源、溶氧及产物随时间变化非结构动力学模型，并提出黄原胶最适宜发酵条件为:温度28°C,质量分数为257x10-4,铵离子及足够充分溶氧。最近Garcia等则进一步以铵离子氮源、DNA、RNA、细胞内蛋白质及黄原胶产量为基本研究对象，提出一个全新生化结构动力学模型。这个模型不仅能刻画不局初始氮源浓度对黄原胶产量影响,同时还能对不同反应条件下产量给出较好预测。另外Pinches等在以NRBLBL1459S4-1为菌种黄原胶发酵中对生物量、黄原胶浓度、葡萄糖浓度和溶氧浓度分别建立数学模型,并进行发酵过程模拟。Serrano等根据黄原胶假塑性特性,研究不同转速下黄原胶流变学特性改变对其产量影响,并引入反应器有效容积概念,提出一个非结构动力学模型。3黄原胶提取预处理工序一般的，最终发酵液中组分为：黄原胶10〜30g/L，细胞1〜10g/L,残余营养物质3〜10g/L,及其他代谢物。预处理工序主要是去除菌体细胞和各种不溶性杂质,使黄原胶中不再含有活性菌体细胞、不溶性杂质和色素等。方法有过滤法、离心法、酶降解法和次氯酸盐氧化法等。3.2沉淀分离黄原胶沉淀分离一般采用乙醇、异丙醇沉徒法。加入有机溶剂不仅可降低溶液粘度和增加黄原胶溶解度,还可洗脱杂质（盐、细胞、有色组分等）,但单独加有机试剂所需量太大,成本过高。如要全部沉淀每体积发酵液中黄原胶,需三倍体积丙酮,六倍体积乙醇。加入盐离子可降低黄原胶极性从而降低其水洛隆，且加入盐离子强度越高，效果越明显，如Ca2+、A13+等。因而，加入含低浓度盐有机试剂是目前较为通用方法，如加入1g/LNaCl可使乙醇使用量减半；加入二价离子虽可使有机试剂使用量更小，但使产物一黄原胶盐溶解度降低，因此一般不采用。4黄原胶的应用食品工业中的应用[5]黄原胶在食品工业中主要作为增稠剂、悬浮剂、乳化剂和稳定剂在某些苛刻条例下（如pH值为39,温度80130e）,它的性能能基本稳定，明胶、CMC、海藻胶、果胶等优越。在食品工业中把它应用于奶制品，如奶酪、果奶饮料、冰淇淋、酸奶等中，可起到改善品质、增加稳定性、易香味释放、口感细腻清爽的作用;用于果汁饮料时能保持液体均匀、不分层;加入啤酒，产泡丰富;在沙拉调汁中加入黄原胶，乳化稳定可达一年以上;点心馅中加入黄原胶因其假塑性而大大方便了加工过程，使产品不发生胶体脱水收缩现象，保持松软润口。许多食品添加剂不耐高温，使其消毒成了大问题，而黄原胶没有这种缺陷。在一些副食品加工时，用黄原胶水溶液预处理后对成品的失水起着特殊的保护作用，能达到保湿保鲜效果。4.2石油工业中的应用黄原胶用于油田开发方面较之聚丙烯酰胺、CMC（羧甲基纤维素）、变性淀粉及一些植物多糖（如瓜尔胶、四菁胶等）有明显的技术优势，它的增粘、增稠、抗盐、抗污染能力较强。尤其在海洋、海滩、高卤层和永冻土层钻井，防止井喷等有明显作用，低浓度的黄原胶水溶液就可保持水基井液的粘度、使钻井液有好的悬浮性能，这可防止井壁坍塌、抑制地层井喷、便于将切削下的碎石排出井外，其性能远好于聚丙烯酰胺;黄原胶的假塑使处于钻头附近的黄原胶液由于高速旋转引起的强剪切而表现出极低的粘度，具有低磨阻特性，有利于节省能耗;由于黄原胶的抗盐性、耐高温性，黄原胶液用于三次采油的流变控制液可提高10%以上的采收率。目前国外约有30%40%的黄原胶用于钻井泥浆和三次采油。4.3其它工业中的应用[6]黄原胶在其它行业中也有广大的市场，用它作为釉浆悬浮剂和粘结剂，被称为陶瓷工业的重大技术革新，并解决了烧制各种异型陶瓷的技术难题。用黄原胶作原料生产的凝胶泡沫灭火剂，已用于森林扑火、有机溶剂及其它化学品的灭火中。黄原胶能用作灭虫剂、肥料的悬浮剂。在喷洒期间能很好的控制其漂流和粘附，延长有效期，是农用化学物质的良好稳定剂。黄原胶可作为水基油墨和乳化油墨的悬浮剂和稳定剂，控制水的渗透性和失水而保持均匀的光泽。黄原胶还可用于胶体炸药、水溶性涂料、工业擦亮剂、除锈剂、湿法冶金的增稠剂，药物、化妆品的润滑剂，牙膏增稠剂，印染工业的载色剂等。