黄原胶生产工艺

黄原胶，它是以碳水化合物为主要原料，用野油菜黄单胞杆菌，经微生物有氧发酵制取的胞外多糖，其水溶液具有独特的流变特性—“剪切稀化”，剪切速率增加,溶液的表观粘度明显下降；剪切速率减小，表观粘度恢复原状，是一种典型的假塑性流体。1961年美国Kelco公司首先采用野油菜黄单胞杆菌NRRLB-1459开始黄原胶的半工业化生产。其产品主要用于油田的钻井泥桨配制及采油工艺过程。1963年正式工业化生产。1969年食品与药物管理局（FDA）批准黄原胶作为食品添加剂，其后欧洲各国相继批准黄原胶在食品工业中的应用。1975年黄原胶载入美国药典，并公布了质量标准。1983年联合国世界卫生组织（WHO）和粮农组织（FAO）也批准黄原胶作为食品工业稳定剂、乳化剂、增稠剂。我国黄原胶研究起步于20世纪70年代末，1988年8月卫生部批准了食品级黄原胶的卫生标准，并被列入食品添加剂名单。目前，国内大约有45%的黄原胶用于食品加工，40%用于石油工业，15%用于农药、饲料、日化、环保等行业。我国黄原胶50%以上用于出口，国际市场非常广阔，国内市场潜力很大。黄原胶是人类研究最深、商业化应用程度最高的微生物胞外多糖。由于其独特的剪切稀释性质，良好的增稠性，理想的乳化稳定性，对酸、碱、热、反复冻融的高度稳定性以及对人体的完全无毒害等许多优良的特性，而在食品、石油、医药、日用化工等十几个领域有着极其广泛的应用。超乎寻常的稳定性极大地扩展了黄原胶的应用范围，但同时也引起了一些应用问题。我国黄原胶研究起步晚，但发展迅速。我国黄原胶行业在高速发展同时也受到自身条件的制约。我国黄原胶企业技术不过关，资金缺乏，生产人员素质低，直接影响着我国黄原胶的产品质量与色泽；食品级黄原胶的成本较高，降低成本的关键因素是降低发酵过程中的染菌率，降低电能的消耗，降低乙醇的损失，食品级黄原胶的成本直接影响着食品生产企业的使用；而工业级黄原胶的产品附加值较低，与其它化学助剂相比，价格又偏高，造成我国工业级产品较少企业生产，限制了其在非食品工业的发展。这些因素，阻碍了我国黄原胶行业的发展。黄原胶(XanthanGum)的特性、生产及应用许多微生物都分泌胞外多糖，它们或附着在细胞表面，或以不定型粘质的形式存在于胞外介质中，这些胞外多糖对于生物体间信号传递、分子识别、保护己体免受攻击、构造舒适的体外环境等方面都发挥着重要的作用。这些分泌的多糖结构各异，其中一些有着优良的理化性质，已为人类广泛应用。对于仍不为人类所知的绝大多数多糖，人们试图通过相关的多糖结构问的相互比较，推断出构效关系，从而人为地主动修饰、构造多糖，以满足应用的需要。其中，黄原胶是人类研究最为透彻、商业化应用程度最高的一种。．1黄原胶的结构黄原胶(xanthangum)是20世纪50年代美国农业部的北方研究室(NorthernRe．gionalResearchLaboratories，NRRL)从野油菜黄单孢菌(Xanthomonascampestris)NRRLB一1459发现了分泌的中性水溶性多糖，又称为汉生胶。黄原胶由五糖单位重复构成，如图1，主链与纤维素相同，即由以13—1，4糖苷键相连的葡萄糖构成，三个相连的单糖组成其侧链：甘露糖一葡萄糖一甘露糖。与主链相连的甘露糖通常由乙酰基修饰，侧链末端的甘露糖与丙酮酸发生缩醛反应从而被修饰，而中间的葡萄糖则被氧化为葡萄糖醛酸，分子量一般在2×10。～2×10D之间。黄原胶除拥有规则的一级结构外，还拥有二级结构，经x一射线衍射和电子显微镜测定，黄原胶分子问靠氢键作用而形成规则的螺旋结构。双螺旋结构之间依靠微弱的作用力而形成网状立体结构，这是黄原胶的三级结构，它在水溶液中以液晶形式存在¨。2黄原胶的性质黄原胶的外观为淡褐黄色粉末状固体，亲水性很强，没有任何的毒副作用，美国FDA于1969年批准可将其作为不限量的食品添加剂，1980年，欧洲经济共同体也批准将其作为食品乳化剂和稳定剂。由其二级结构决定，黄原胶具有很强的耐酸、碱、盐、热等特性。黄原胶最显著的特性是其控制液体流变性质的能力，它即便在低浓度时也可形成高粘度的、典型的非牛顿溶液，具有明显的假塑性(即随着剪切速率的增大，其表观粘度迅速降低)。溶液粘度的影响因素还包括溶质浓度、温度(既包括黄原胶的溶解温度，又包括测量时的溶液温度)、盐浓度、pH值等，现分别简述之。2．1温度的影响黄原胶溶液的粘度既受测量时溶液温度的影响，也受溶解温度的影响。如下图2a所示，像大多数溶液一样，(在同平剪切力下测定)黄原胶溶液的粘度随溶液的温度(T)的升高而降低，且此变化过程在10C～80T：完全可逆。由于黄原胶在其水溶液中存在两种构象：螺旋型和不定型。随溶解时的温度(To)升高从螺旋型向不定型转变，改变了其聚合物的胶连方式和程度，从而使溶液粘度发生改变。粘度随T改变的曲线如图2-b所示。此变化曲线折为三段，低于40℃时随T。增加粘度减小，在40℃～60℃时，粘度随T。升高而增大，当T。大于60℃时，粘度随T的变化趋势又变为随温度升高而减小。2．2盐浓度的影响盐浓度对黄原胶溶液的粘度有一定影响。在浓度较低时，少量盐的加入可使粘度略微下降，这主要是由分子间电荷力的降低造成的；在黄原胶浓度较高时，加入大量的盐可使溶液粘度增加，这可能是由于增加了分子问的胶连程度；而当盐浓度超过0．1％(W／V)时，盐浓度对溶液粘度没有影响。多价金属盐在不同pH值范围内可与黄原胶形成凝胶，如钙、镁盐形成凝胶的pH值为11～13，三价金属盐在较低pH值时即可形成凝胶或沉淀。2．3pH值影响相比较而言，黄原胶溶液的粘度受pH值影响很小。pH9时，侧链上的乙酰基脱掉，在pH3时，丙酮酸和乙酰基开始脱掉。据研究者者指出，脱除丙酮酸和乙酰基后的黄原胶与野生型的黄原胶对溶液的粘度影响几乎相同。2．4剪切力的影响黄原胶溶液有着突出的假塑性，溶液粘度随剪切力的改变而变化，且该变化在很大的程度上可逆。许多研究者都对黄原胶溶液的粘度随剪切力的变化模型提出了方程。用OstwalddeWale方程解释模型，得到：=K7。其中是表观粘度，是剪切率，K是恒定系数(即在剪切率为1S时的粘度数值)，n是流体系数，对假塑性流体而言，n1。另外，还有人提出用Casson模型来描述这一特性：T=T。+K。与前一个方程相比，这一方程考虑了最初的剪切力。，另外的一个参数K是Casson常数，是剪切力，是表观粘度。在剪切速率在0．39～79．2S间时，这两个方程与实验数据都可很好的吻合，在超出此范围时则需查相关文献来重新确定方程。2．5黄原胶浓度的影响随着黄原胶在溶液中浓度的增大，其分子间作用及胶联程度增加，从而使粘度增加，但不完全成比例J(图3)。2．6同促作用黄原胶的另外一个显著的特征是其与半乳甘露聚糖的同促作用，如槐豆胶(Locustbeangum)、瓜尔胶(Guargum)等。即当黄原胶与半乳甘露聚糖混合时，其t昆合物粘度较之其中任何一种单独存在时，粘度都明显增加。。，如图4所示。混合溶液的粘度与这两种溶质的构象相关，前已述及，黄原胶在溶液中的构象依溶解温度而定。当黄原胶在较低温度(40℃)溶解时，呈规则的螺旋构象，与不规则构象相比，与半乳甘露聚糖间的胶连作用更强。而半乳甘露聚糖溶液的性质同样也受溶解温度的影响，该聚糖主链由甘露糖连接而成，上面连有单糖分子的半乳糖构成侧链，侧链在主链上的分布并不均匀，没有侧链区域称为光滑区(smoothregions)，侧链分布均匀的区域称为毛发区(hairyregions)，毛发区与黄原胶的作用很小。但光滑区部分仅在80℃左右溶解¨，因此，欲得到较强同促作用的黄原胶与半乳糖苷聚糖的混合物，应使黄原胶在较低温度下(40℃溶解，使半乳糖在较高温度下(80℃左右)溶解，然后将两者混和。黄原胶与各种酸碱都有很好的相溶性，且o．11．0，．10性质稳定，还可与甲醇、乙醇、异丙醇以及丙酮互溶，但溶剂超过50％～60％时则可引发沉淀，黄原胶不溶于多数有机溶剂，但在25度可溶于甲醛，在65℃下可溶于甘油和乙二醇。近年来又相继报道了由野油菜黄单孢菌的突变菌株分泌由重复的四糖单位(侧链由二糖构成，图5a)和三糖单位(侧链为单糖，图5b)组成的黄原胶，见如5，与野生型黄原胶相比，由重复的四糖单位组成的聚糖(图5a)使溶液粘度增加的作用很弱，因而不宜用于增稠剂；而由重复的三糖单位(图5b)组成的聚糖在相同质量下使溶液粘度增大的能力要大于野生型黄原胶¨。3黄原胶的生产黄原胶的生产工艺经过半个世纪的发展精琢，现已较为成熟。底物转化率达60％～70％，以至国外的一些杂志称其为“基准产品”，将其他发酵产品的产率与之对比定位。分泌黄原胶的菌株——野油菜黄单孢菌是甘蓝、紫花苜蓿等一大批植物的致病菌株，直杆状，宽0．4m～0．7tzm，有单个鞭毛，可移动，革兰氏阴性，好氧。图6是黄原胶生产工艺简图，黄原胶的生产受到培养基组成、培养有条件(温度，pH值，溶氧量等)、反应器类型、操作方式(连续式或间歇式)等多方面因素的影响。常用的培养基是YM培养基以及YM-T培养基，两种培养基得到的产量相似，但应用YM．T培养基的生长曲线有明显的二次生长现象。菌株可在25％～30％下生长，最适的发酵温度为28~C，已有研究者提出具体的温度与生长速率关系的方程。由于分泌出的黄原胶包裹在细胞的周围，妨碍了营养物质的运输，影响了菌种的生长，因此，接种阶段时除应增加细胞的浓度外，还应尽量降低黄原胶的产量，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的5％～10％，接种的次数应随发酵液体积增大而增多。发酵液中的成分配比也是影响产量的重要因素。碳源(一般为葡萄糖或蔗糖)的最佳浓度为2％～4％，过大或过小都会降低黄原胶的产量；氮源的形式既可以是有机化合物，也可以为无机化合物。根据经验，较为理想的成分配比为：蔗糖(40g／L)，柠檬酸(2．1g／L)，NH4NO3(1．144g／L)，KI-I2PO4(2．866g／L)，MgC12(0．507g／L)，NaSO4(89mg／L)，H3BO3(6mg／L)，ZnO(6mg／L)，FeC13·6H2O(20mg／L)，CaCO(20mg／L)，浓HC1(0．13ml／L)，通过添加氢氧化钠而将pH值调为7．0。发酵温度不仅影响黄原胶的产率，还能改变产品的结构组成。研究指出，较高的温度可提高黄原胶的产量，但降低了产品中丙酮酸的含量，因此，如需提高黄原胶产量，应选择温度在31℃～33％，而要增加丙酮酸含量就应选择温度范围在27℃～31℃。pH范围在中性时最适于黄原胶的生产，随着产品的产出，酸性基团增多，pH值降至5左右。研究表明控制反应中的pH值对菌体生长有利，但对黄原胶的生产没有显著影响¨。反应器的类型及通氧速率、搅拌速率等都有相应的经验数据，须根据具体条件而定。可参考如下数据：搅拌速率在200～300r／min，空气流速为1L／L·min。除上述传统发酵的生产方法外，还有研究者已发现了合成、装配黄原胶所需的数种酶，并克隆出相关基因，(12个基因的联合作用)，选择出适当的载体，虽然目前此法的成本较高，但相信经过工艺的改进，可为进一步降低成本及控制产品的结构提供可能。4黄原胶的提取相比较而言，从发酵液中回收产品的成本较高。一般的，最终发酵液中的组分为：黄原胶：10～30L，细胞：1～10g／L，残余营养物质3～10L，以及其他代谢物。由于高浓度的黄原胶的存在，溶液浓度很大，从而增加了提取操作的困难，因此，宜先做稀释处理。提取的主要步骤：细胞的沉淀，黄原胶的沉淀、脱水、干燥、研磨。目前有多种方法可灭活发酵液中的菌体。酶法成本较高；化学试剂容易改变pH值，而降低产品中的丙酮酸含量；因此一般采取巴氏灭菌法，此法由于温度较高还可提高黄原胶的溶解度，并在一定程度上降低了溶液的粘度，利于随后的离心或过滤。但要注意温度不能过高，使其发生降解，一般维持在80℃～130~C，加热10～20rain，pH值控制在6．3～6．9。过滤前需要稀释，稀释剂