发酵法在黄原胶生产中的应用

发酵法在黄原胶生产中的应用作者：食工0802陈贝莉0810100227指导老师：蒋予箭摘要：本文对黄原胶作了简单的介绍，指出其在食品工业中的应用。着重讨论了发酵法生产黄原胶，从菌种的选取及保存、发酵工艺、提取工艺三个方面介绍黄原胶的生产工艺，在发酵工艺中着重介绍固体发酵法和两步发酵法，并说明黄原胶发酵工艺的影响因素，使黄原胶生产过程中可以从这几个方面进行工艺优化，提高黄原胶的产量及质量。关键字：黄原胶、固体发酵法、两步发酵法、影响因素、发酵工艺正文：1.前言黄原胶应用范围很广，目前世界上食品工业应用占60％，石油及其它工业占40％。黄原胶在食品工业中是理想的增稠剂、乳化剂、成型剂，在某些苟刻条件下(如pH3—9，温度80—130℃)，它的性能基本稳定，比明胶、CMC、海藻胶、果胶等优越。黄原胶另一个大市场是石油工业，黄原胶在增粘、增稠、抗盐、抗污染能力远比其它聚台物强，尤其在海洋、海滩、高卤层和永冻土层钻井，黄原胶用于泥浆处理、完井液和三次采油等方面效果显著，对加快钻井速度、防止油井坍塌、保护油气田、防止井喷、大幅度提高采油率等方面都有明显的作用。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。对于具有如此重要作用的黄原胶，我国黄原胶的还存在许多影响和制约因素。本文着重阐述了黄原胶对于食品的应用、黄原胶的生产工艺及黄原胶生产工艺中影响因素的控制。2.黄原胶的特性简介黄原胶是一种高分子杂多糖，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2×10^6～50×10^6u之间。黄原胶这种独特的分子结构和双螺旋体的分子体态，使得黄原胶具有优异的性能和广泛的用途。其优异的性能主要体现在（1）强亲水性、（2）增稠性、（3）酶稳定性和热稳定性、（4）酸，碱，盐稳定性、（5）流变性、（6）悬浮性和乳化性、（7）黄原胶与其他食品胶的配伍性和协同增效性。3.黄原胶在食品中的应用黄原胶具有优良的乳化稳定性、温度稳定性、与食品中其他组分的相溶性以及流变性，被广泛应用于各种食品中，能显著改善食品的质地、口感、外观品质．提高其商业价值。黄原胶在食品工业中的应用具体可概括为以下几个方面：3.1作为增稠稳定剂黄原胶作为增稠稳定剂应用于各种果汁饮料、浓缩果汁、调味料(如酱油、蚝油、沙托调味汁)的食品中。3.2作为乳化剂黄原胶作为乳化剂用于各种蛋白质饮料、乳饮料等中．可防止油水分层、提高蛋白质的稳定性、防止脂肪上浮、防止蛋白质沉淀。3.3作为填充剂及品质改良剂黄原胶作为稳定的高粘度填充剂，可广泛应用于蛋糕、面包、饼十、糖果等食品的加，使食品具有更优越的保形性。延长其松软时间，使食品有更长的保质期，获得比传统做法更好的口感。3.4作为乳化稳定剂黄原胶作为乳化稳定剂应用于冷冻食品，在冰洪淋、雪糕中应用可控制冰品、抗融化、延长保存期、提高膨胀率等。3.5作为保水剂黄原胶可作为保水剂广泛应用于各种肉制品的加工，能显著增加肉制品的持水性、延长货架期、抑制淀粉的回生，提高嫩度、色泽和风味，从而提高出品率。3.6作为保鲜剂黄原胶可替代亚硫酸盐作为保鲜剂广泛应用于水果、蔬菜的保鲜加工处理，可防止果蔬失水、褐变等现象的发生，从而延长产品保质期，同时又避免了使用亚硫酸盐使食品失去原色而被漂白并产生不愉快的嗅感的缺点。3.7作为凝固剂黄原胶作为凝同剂用于果冻，赋予果冻软胶状态，加工填充物时，使果冻的粘度降低。4.发酵法生产黄原胶4.1生产菌种的选育及保藏4.1.1生产菌种的选育黄原胶生产菌株大多采用十字花科植物黑腐病的病原细菌——黄单孢杆菌及其变异株，可从土壤中和植物的病原体上分离筛选得到。我国的黄原胶生产菌株多数为野油菜黄单胞杆菌，采用常规方法进行黄原胶生产菌株的选育。除了常规方法，还可以通过物理化学诱变的方法来诱变育种来改进黄原胶生产菌的特性产胶能力，改善产物的性能等。例如经诱变处理可以筛选到不产色素的黄原胶生产菌株。俞峰等人将野油菜黄单胞菌用硫酸二甲酯、氯化锂或紫外线连续两次复合处理，利福平或杆菌肽的抗药性平板筛选，所获得的变异株发酵液粘度提高30%-70%，产胶率提高20%-80%。高质、优质黄原胶生产菌最为理想的选育方法是采用基因工程手段，定向地改造和构建新型工程菌，以达到优质、高产、低能耗的目的。4.1.2生产菌种的保藏为了避免生产菌株退化和变异，要尽量限制菌株的传代次数，避免将菌株长期保存在琼脂斜面上，最好用冷冻干燥和低温保存法保藏。有实验结果表明，对黄原胶菌种长期保藏采用矿物油保藏法。此法简单易操作，保存菌种存活率高，最长保存时间可达5～6年。菌种保藏5年后，经测定，摇瓶发酵液平均粘度为原菌种的81．7％，产胶率87．6％，各种性能基本保持不变，保存效果理想。该实验具体操作如下：（1）选用优质无色、中性、比重为0．8～0．9g／cm的矿物油，装入三角瓶中，加棉塞，用防潮纸包好。98MPa火30min取出，置于40℃温箱中蒸发水分，或于ll0～l70℃烘箱去水分，经无菌检查后备用。（2）将需要保藏的黄原胶菌种接种在葡萄糖琼脂斜面上，于28～30℃恒温箱培养48h(斜面宜短，最好不要超过试管的1／3)，以得到健壮的菌体细胞，备用。（3）在无菌条件下，用无菌吸管吸取已灭过菌的矿物油，注入已培养好的新鲜的斜面菌体细胞上，以高于斜面项端l～3cm为准，使菌体与空气隔绝。（4）将已灌注矿物油的菌种斜面以直立状态置于低温(5℃左右)干燥处保藏。（5）任移接或再培养时，先沿试管壁倒去附在菌体卜的矿物油，将菌体移接在适宜的斜面培养基上，生长繁殖后上摇瓶，测粘度与产胶率。一般情况下，要进行生产，需经分离复壮。此实验结果表明：采用不常用的矿物油保藏法，保藏时间长，菌株存活率高，菌种各种性状保存良好，最长保存时间可达5～6年，且操作简单易行。4.2发酵工艺目前黄原胶的发酵可采用分批发酵、半连续发酵和连续发酵等发酵方式，最常用的发酵方式是分批发酵，传统的发酵方法工艺流程如图1所示：图1黄原胶生产流程概图除了传统的发酵生产方法，还有研究者发现了其他方式的发酵方法。以下介绍了固体发酵法和两步发酵法两种黄原胶的发酵方式：4.2.1固体发酵法本实验采用野油菜黄单胞菌作为菌种，采用固体发酵法进行黄原胶生产的研究。4.2.1.1培养基固体培养基：蔗糖2g，蛋白胨0.5g，酵母粉0.2g，琼脂2g，水lOOmL。种子培养基：蔗糖2g，蛋白胨0.5g，酵母粉0.2g，水lOOmL。发酵培养液：蔗糖5g，蛋白胨0.5g，0.3g，碳酸钙0.3g，磷酸二氢钾0.5g，硫酸镁0.25g，硫酸亚铁0.025g，柠檬酸0.025g，水100mL。4.2.1.2实验方法（1）取9cm的培养皿，倒入25mL固体培养基，30℃培养4d～8d。（2）啤酒糟用自来水洗涤2次，烘干后备用。（3）培养基组成的研究：分别以葡萄糖、麦芽糖、乳糖和淀粉代替发酵培养基中的碳源，进行发酵培养，并做空白对照，确定最佳的碳源。在发酵培养基中加入0．5％氮源，即蛋白胨、酵母粉、硝酸铵、硫酸铵，乙酸铵和黄豆饼粉进行发酵培养，确定最佳的氮源。（4）基质含水率的研究：称取10g啤酒糟，加入lOmL、15mL、20mL、30mL、40mL的液体培养基搅拌均匀，搅匀后的固态培养基转入250n1L三角瓶中，121℃灭菌15min，接种后进行培养。（5）对平皿培养液菌体和黄原胶含量、固态发酵中黄原胶含量进行检测本实验得到如下结论：琼脂表面培养证实固态发酵法生产黄原胶的潜力，黄原胶的产率为3％～3．5％；利用啤酒糟为基质，补充发酵培养液，可用于黄原胶的发酵生产。以蔗糖、黄豆饼粉为原料，啤酒糟与培养液比例为l：3时，培养厚度不超过6cm的条件下发酵5d，黄原胶的产量达到最大，为35．3g／kg。4.2.2两步发酵法本实验采用甘蓝黑腐病单胞菌作为菌种，采用两步培养法进行黄原胶生产的研究。4.2.2.1培养基斜面与平板培养基：营养琼脂培养基一级培养培养基：蔗糖80g/L，(NH4)2SO41.0g/L，酵母膏1.0g/L，CaCO32.0g/L，MgSO40.12g/L，KH2PO40.5g/L，柠檬酸0.01g/L,pH7.2二级发酵培养基:蔗糖60g/L，酵母膏0.08g/L，CaCO34.0g/L，MgSO40.08g/L,KH2PO40.5g/L，KC120g/L，柠檬酸0.01g/L，pH7.24.2.2.2实验方法两步发酵法:菌种活化→一级培养→微滤除去菌体→无菌体发酵液→二级发酵罐→加入发酵培养基→黄原胶发酵用酒精沉淀法对黄原胶进行鉴别，用粘度法对黄原胶含量进行测定。本实验疾结果表明：：采用两步发酵法生产黄原胶，其产胶量可以提高24．5％，醇耗减少40％，因此两步发酵法生产黄原胶的技术具有广阔的应用前景。5.黄原胶生产工艺的影响因素及工艺控制在黄原胶的发酵过程中，pH值、温度、接种量、转速等因素影响着黄原胶的发酵。进来许多研究表明：黄单胞菌的最适生长温度是24-27℃，最适产黄原胶的温度为30-33℃，因此，采用分段控制温度为宜，在发酵产胶期将发酵温度由27℃调整到32℃，有利于细胞生长和产黄原胶；发酵过程中pH控制在6.5-7.5，最适pH为7.0，pH控制要严格，最好控制pH为7.0±0.5，否则会影响黄原胶发酵产率和质量；黄原胶的接种量一般为发酵液的7.5%（体积分数）左右，接种量的大小与种子液的质量密切相关；转速也可调整至200r／min左右为宜。6.黄原胶的提取工艺6.1工艺路线基本要求（1）发酵液在预处理、浓缩或沉淀、干燥等处理过程中，应尽可能不破坏黄原胶的分子结构，以保持黄原胶性能稳定和使用方便；（2）通过纯化处理，减少菌体细胞、培养基成分等杂志的含量，改善其色泽，气味和功能特性；（3）降解和钝化一系列不利的酶类，如纤维素酶和果胶酶等；（4）通过化学修饰，改变其功能特性，以适应不同用途的要求；（5）食品级的黄原胶还应符合卫生质量标准6.2黄原胶提取工艺过程典型的提取工艺过程包括：发酵液预处理、胶的分离纯化、脱水干燥、粉碎和包装。6.2.1发酵液预处理预处理方法大致分为三种：第一种是物理处理方法，如采用热处理使菌体细胞及蛋白质等有机残留物变性凝集，通过过滤除去这些杂志；第二种是化学处理方法，如加入盐可絮凝颗粒，硅藻土可吸附杂志颗粒等；第三种是生物化学处理方法，如采用酶法讲解细胞成为可溶性物质或碎片、采用二次发酵除去菌体细胞和残余的有机物等。6.2.2黄原胶的分离提取胶的分离提取方法有直接干燥法和沉淀分离提取法，其中沉淀分离提取法通常有醇沉淀法和盐析沉淀法两种。干燥法可采用滚筒干燥、喷雾干燥、气流干燥、流化床造粒干燥等。醇沉淀法中常用的醇有甲醇、乙醇和异丙醇，该方法的缺点是醇耗量大，成本较高。盐析沉淀法中常用的盐有氯化钙、氯化铝、硝酸铝、季铵盐，其中最常用的是钙离子沉淀法。该方法的优点是醇用量少，成本较低，其缺点是产品质量较差。6.2.3脱水干燥经沉淀分离得到的黄原胶产物，一般先进行压榨或离心脱水处理。脱水后的产物一般采用气流干燥或真空干燥，干燥温度控制在60℃左右，温度过高会导致产品颜色加深，溶解度降低。终产品的水分一般控制在10%左右。6.2.4粉碎与包装根据用途不同对黄原胶细度有要求，一般在0.180mm左右，根据细度要求选择不同的机械设备。粉碎过程中要考虑设备发热温度过高的问题，防止温度过高对黄原胶性能的破坏。参考文献：【1】《产黄原胶酶菌种的选育及发酵条件的研究》；刘晗、白雪芳、杜昱光；中国科学院大连化学物理研究所，大连，116023【2】《固态发酵生产黄原胶的研究》；朱斌、颜延宁；ChinaBrewing2010N0．8【3】《黄原胶(XanthanGum)的特性、生产及应用》；黄成栋、白雪芳、杜昱光；中国科学院大连化学物理研究所大连11602【4】《黄原胶的结构、性能与应用》；郭瑞、丁恩勇；牙膏工