第8章 黃原膠

1、第第8 8章章 黃黃 原原 膠膠 一、黃原膠概況一、黃原膠概況n黃原膠黃原膠(Xamthan(Xamthan Gum)Gum)別名別名漢生膠漢生膠，又稱，又稱黃黃單胞多糖單胞多糖，是國際上，是國際上7070年代發(fā)展起來的新年代發(fā)展起來的新型發(fā)酵產(chǎn)品。它是由甘蘭黑腐病型發(fā)酵產(chǎn)品。它是由甘蘭黑腐病黃單胞細黃單胞細菌菌( (XanthomonasXanthomonas campestriscampestris) )以碳水化合以碳水化合物為主要原料，經(jīng)通風(fēng)發(fā)酵、分離提純后物為主要原料，經(jīng)通風(fēng)發(fā)酵、分離提純后得到的一種微生物高分子得到的一種微生物高分子酸性胞外雜多糖酸性胞外雜多糖。其作為新型優(yōu)良的天然食

2、品添加劑用途越其作為新型優(yōu)良的天然食品添加劑用途越來越廣泛。來越廣泛。 JungbunzlauerJungbunzlauer是總部設(shè)在瑞士的國際性公司生產(chǎn)基地分布在奧地利，德國，法國和加拿大 n組成:D-葡萄糖，D-甘露糖，D-葡萄醛酸。n性質(zhì):n能溶于冷水和熱水，低濃度時具有高的黏度，黃原膠溶液在28-80以及廣泛PH 1-11范圍內(nèi)黏度基本不變，與高鹽具有相容性。n在酸性食品中保持溶解與穩(wěn)定，具有良好的冷凍與解凍穩(wěn)定性。黃原膠與瓜兒豆膠具有協(xié)同作用。與刺槐豆膠（LBG）相互作用形成熱可逆凝膠。n國際上，黃原膠開發(fā)及應(yīng)用最早的是美國。美國農(nóng)業(yè)部北方地區(qū)Peoria實驗室于60年代初首先用微生

3、物發(fā)酵法獲得黃原膠。1964年，美國Merck公司Keco分部在世界上首先實現(xiàn)了黃原膠的工業(yè)化生產(chǎn)。1979年世界黃原膠總產(chǎn)量為2000t，1990年達4000t以上。在美國，黃原膠年產(chǎn)值約為5億美元，僅次于抗生素和溶劑的年產(chǎn)值，在發(fā)酵產(chǎn)品中居第3位。n我國對黃原膠的研究起步較晚，進行開發(fā)研究的單位，如南開大學(xué)、中科院微生物研究所、山東食品發(fā)酵研究所等，均已通過中試鑒定。目前全國有煙臺、金湖、五連等數(shù)家黃原膠生產(chǎn)廠，年產(chǎn)在200t左右，主要用作食品添加劑。我國生產(chǎn)黃原膠的淀粉用量一般在5%左右，發(fā)酵周期為7296h，產(chǎn)膠能力3040g/L，與國外比較，生產(chǎn)水平較低。隨著黃原膠生產(chǎn)和應(yīng)用范圍的進

4、一步發(fā)展，目前北京、四川、鄭州、蘇州、山東等地都有黃原膠生產(chǎn)新廠建成，預(yù)示著我國的黃原膠生產(chǎn)將呈現(xiàn)一個新的局面。二、 黃原膠的分子結(jié)構(gòu)及其性質(zhì) 1） 黃原膠的分子組成n黃原膠是以5分子糖為一單元，由與此相同的單元聚合而成的高分子多糖物質(zhì)。n每一單元由2分子葡萄糖，2分子甘露糖和1分子葡萄糖醛酸組成。n主鏈由-葡萄糖通過1，4-糖苷鍵相連而成的2分子葡萄糖為單元，其結(jié)構(gòu)與纖維素結(jié)構(gòu)相同，相間在葡萄糖的C3上連有2分子甘露糖和1分子葡萄糖醛酸構(gòu)成側(cè)鏈。n側(cè)鏈上有丙酮酸及羧酸側(cè)基。因其側(cè)鏈含酸性基團，在水溶液中呈多聚陰離子，構(gòu)成黃原膠的三級立體結(jié)構(gòu)：帶陰離子的側(cè)鏈纏繞主鏈形成螺旋結(jié)構(gòu)，分子間靠氫鍵形

5、成雙股螺旋，而雙股螺旋結(jié)構(gòu)間又是靠微弱的非共價鍵維系，形成規(guī)則的超級接合帶狀的螺旋聚合體”。 2） 黃原膠的性質(zhì) 典型的流變特性n隨著剪切速率增加，因膠狀網(wǎng)絡(luò)遭到破壞，導(dǎo)致粘度降低，膠液變稀，但一旦剪切力消失，粘度又可恢復(fù)，因而使黃原膠具有良好的泵送和加工性能。n利用這種特性在需要添加增稠劑的液體中加入黃原膠，不僅液體在輸送過程中容易流動，而且靜止后又能恢復(fù)到所需要的粘度，因此被廣泛應(yīng)用于飲料行業(yè)。 低濃度時的高粘性n含2%3%黃原膠的液體，其粘度高達37Pa.s。n黃原膠的高粘性使其具有廣闊的應(yīng)用前景，但同時又給生產(chǎn)上的后處理帶來麻煩。 耐熱性n黃原膠在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)(-9890)粘度幾

6、乎無變化。黃原膠即使在130的高溫下保持36min后冷卻，溶液的粘度也無明顯變化。在經(jīng)多次冷凍-融化循環(huán)后，膠液的粘度并不發(fā)生改變。在高溫條件下若添加少量電解質(zhì)如0.5%NaCl，可穩(wěn)定膠液的粘度。 耐酸、堿性n黃原膠水溶液的粘度幾乎與pH值無關(guān)。這一獨特性質(zhì)是其他增稠劑如羧甲基纖維素(CMC)等所不具備的。 相容性及溶解性n黃原膠可與絕大部分的常用食品增稠劑溶液溶混，特別是與藻酸鹽類、淀粉、卡拉膠、瓜膠溶混后，溶液的粘度以疊加的形式增加。n黃原膠易溶于水，不溶于醇、酮等極性溶劑。在非常廣的溫度、pH和鹽濃度范圍內(nèi)，黃原膠很容易溶解于水中，其水溶液可在室溫下配制，攪動時應(yīng)盡可能減少空氣混人。如

7、果將黃原膠預(yù)先與一些干物質(zhì)如鹽、糖、味精等混勻，然后用少量水濕潤，最后加水?dāng)嚢?，這樣配制出的膠液其性能更好。 分散性及保水性 n黃原膠是食品添加劑中優(yōu)良的懸浮劑和乳化穩(wěn)定劑。黃原膠對食品具有良好的保水、保鮮作用。 三、三、 黃原膠的生產(chǎn)黃原膠的生產(chǎn) 1 1） 工藝流程工藝流程n菌種的擴培菌種的擴培發(fā)酵原料配比發(fā)酵原料配比發(fā)酵發(fā)酵發(fā)酵條件控制發(fā)酵條件控制分離分離提純提純干燥干燥 湖北大田化工股份有限公司湖北大田化工股份有限公司 2） 菌種n黃原膠生產(chǎn)有廣泛的微生物來源，黃單胞菌屬的許多種類菌株都能產(chǎn)生黃原膠。目前，國內(nèi)外用于生產(chǎn)黃原膠的菌種大多是從甘蘭黑腐病病株上分離到的甘蘭黑腐病黃單胞菌，也稱

8、野油菜黃單胞菌。n生產(chǎn)黃原膠的菌種還有菜豆黃單胞菌、錦葵黃單胞菌和胡蘿卜黃單胞菌等。我國目前已開發(fā)出的菌株有南開-01、山大-152、008、L4和L5。n這些菌株一般呈呈桿狀，革蘭氏染色陰性，產(chǎn)莢膜。在瓊脂培養(yǎng)基平板上可形成黃色粘稠菌落，液體培養(yǎng)可形成粘稠的膠狀物。 3） 發(fā)酵培養(yǎng)基n黃原膠發(fā)酵培養(yǎng)基的碳源一般是糖類、淀粉等碳水化合物。在黃單胞菌菌體內(nèi)酶的作用下，1、6-糖苷鍵被打開，形成直鏈多糖，經(jīng)進一步轉(zhuǎn)化，最終變成產(chǎn)物黃原膠。n氮源一般以魚粉和豆餅粉為主。n添加一些微量無機鹽，如鐵、錳、鋅等的鹽類。特別是輕質(zhì)碳酸鈣以及NaH2PO4和MgSO4，它們對黃原膠的合成有明顯的促進作用。 例

9、如南開大學(xué)的南開-01菌種所使用的搖瓶發(fā)酵培養(yǎng)基如下：玉米淀粉4%，魚粉蛋白胨0.5%，輕質(zhì)碳酸鈣0.3%，自來水配制，pH7.0。在大罐生產(chǎn)中將魚粉蛋白胨改成魚粉直接配料，其他原料不變。n國外用作黃原膠發(fā)酵的碳源多數(shù)是葡萄糖。4） 發(fā)酵 搖瓶發(fā)酵n搖瓶發(fā)酵條件：接種量1%5%，旋轉(zhuǎn)式搖床轉(zhuǎn)速220r/min，培養(yǎng)溫度28，發(fā)酵72h左右。n發(fā)酵結(jié)束，產(chǎn)膠能力為2030g/L，對碳源的轉(zhuǎn)化率在60%70%。 工業(yè)化生產(chǎn)n接種量為5%8%。由于培養(yǎng)基的高粘度，黃原膠生產(chǎn)屬高需氧量發(fā)酵，需大通風(fēng)量，一般為10.6m3/（m3min)。發(fā)酵溫度為2528。碳源的起始濃度一般在2%5%。n黃原膠發(fā)酵培

10、養(yǎng)基的起始pH值一般控制在6.57.0，這有利于初期的細胞生長和后期的黃原膠合成。 n黃原膠的收率取決于碳、氮源的種類和發(fā)酵條件。n目前收率一般在起始糖量的40%75%。n黃單胞菌容易利用有機氮源，而不易利用無機氮源。對產(chǎn)物的生成有明顯的促進作用，一般使用量為0.4%0.6%。n氮源濃度較低時，隨氮源濃度的提高，細胞濃度也增加，黃原膠的合成速率加快，黃原膠得率也相應(yīng)提高。n起始氮源在中等濃度時，細胞濃度和黃原膠的合成速率均有提高，發(fā)酵時間被縮短，但黃原膠的得率卻降低，這是因為細胞生長過快，使用于細胞生長及維持細胞生命的糖量增加，用于合成黃原膠的糖反而減少，導(dǎo)致黃原膠得率下降。n如果采用發(fā)酵后期

11、流加糖的方法，使糖濃度始終維持在一定的水平，補加的糖只用于細胞維持生命及合成黃原膠，而沒有生長的消耗，得率就可比間歇發(fā)酵有較大提高。n起始氮源的濃度再提高，雖然細胞濃度有所增加，但黃原膠得率及合成速率卻降低了。其主要原因是氧限制，高濃度細胞隨著發(fā)酵的進行，發(fā)酵液粘度不斷增大，體積傳質(zhì)系數(shù)KLa降低，造成氧供應(yīng)能力逐漸下降，合成速率變慢，得率降低。 5） 黃原膠的分離提取n發(fā)酵醪中除含黃原膠(3%左右)外，還有菌絲體、未消耗完的碳水化合物、無機鹽及大量的液體。n其中菌絲體等固形物占20%，水溶性無機鹽占10%。如果菌絲體等固形物混雜在黃原膠成品中，會造成產(chǎn)品的色澤差、味臭，從而限制了黃原膠的使用

12、范圍。n黃原膠的分離提取，其目的在于按產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)格的要求將發(fā)酵醪中的雜質(zhì)不同程度地除去，通過純化、分離、濃縮和干燥等手段獲得成品。n黃原膠成品分食品級、工業(yè)級和工業(yè)粗制品3種。 溶劑沉淀法n先將發(fā)酵液用6mol/LHCl酸化，然后加入工業(yè)酒精使黃原膠沉淀。過濾后沉淀物先后用工業(yè)酒精和10%KOH洗滌，過濾，沉淀物干燥后進行粉碎，經(jīng)過篩制得成品。n由于直接用HCl和工業(yè)酒精進行酸化沉淀，沒有去除掉菌體，因此僅能制得工業(yè)級黃原膠。n食品級黃原膠:在上面的方法基礎(chǔ)上增加了離心除菌體和多次用酒精進行沉淀、洗滌的操作，提高了成品的純度。 該方法溶劑用量大，需設(shè)置溶劑回收設(shè)備，投資較大，生產(chǎn)成本高。本法提

13、取收率在97.7%。 鈣鹽-工業(yè)酒精沉淀法n在酸性條件下，黃原膠與氯化鈣形成黃原膠鈣凝膠狀沉淀；加入酸性酒精脫去鈣離子，使成短絮狀沉淀；過濾，在沉淀中加人酒精并用氫氧化鉀溶液調(diào)節(jié)pH值。 絮凝法n絮凝劑與黃原膠作用產(chǎn)生絮狀沉淀，然后將沉淀物脫水，得到固型物含量為25%左右的濕濾餅；用多糖的非溶劑在適當(dāng)條件下洗提上述濕濾餅，使其變?yōu)樗苄远嗵?。然后過濾，將水溶性濾餅干燥；經(jīng)粉碎、篩分后得到合格的黃原膠成品。 直接干燥法 n本法采用滾筒干燥或噴霧干燥等方法，直接將發(fā)酵液進行干燥，從而制成工業(yè)粗制品級的黃原膠。該方法因為沒有分離提純工序，所以成品質(zhì)量差，限于對黃原膠質(zhì)量要求不高的場合使用，有利于降低

14、產(chǎn)品成本。 超濾脫鹽法n本法采用近代分離技術(shù)，對高分子的黃原膠與小分子的無機鹽和水進行超濾分離，將黃原膠發(fā)酵液濃縮至2.5%5%，而無機鹽濃度從10%降低至0.5%1%，然后再進行噴霧干燥。本法與直接干燥法相比，產(chǎn)品質(zhì)量有所提高，達到工業(yè)精制品等級。 酶處理-超濾濃縮法n本法用酶處理發(fā)酵液，將蛋白質(zhì)水解，從而使發(fā)酵液變得澄清，簡化了離心過濾這一步工序。本法使用的酶包括堿性蛋白酶，酸性或中性蛋白酶，或用復(fù)合酶共同進行作用。用酶處理后，不但發(fā)酵液澄清度提高，而且氮含量降低，過濾性能得到改善，在微孔過濾中過濾速度可提高320倍，成品質(zhì)量也有提高。 綜上所述，黃原膠的分離提取方法很多，但在應(yīng)用上都受到各自條件、特點的制約。比較而言，采用超濾濃縮純化發(fā)酵液的方法是比較理想的選擇。