黄原胶的生产技术.docx

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（Xanthan gum）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/L KCl，100g/L NaCl，100g/L CaCl2和50g/L Na2CO3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1.2.4 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。

1.2.5 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2.1 生产工艺[4]工艺流程为: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]2.3.1 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27 C〜31 °CpH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Prochem maxflo Ts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NRBL BL1459 S4-1为菌种黄原胶发酵中对生物量、。