黄原胶生产与应用研究名师制作优质教学资料

CHEN JinzhaoDepartment of Life Science,Fuling teachers College 黄原胶（Xanthan gum）是野油菜黄单胞菌（Xanthomonas campestris）以碳水化合物为主要原料，经发酵产生的一种微生物胞外杂多糖。野油菜黄单胞菌（Xanthomonas campestris）黄原胶其分子结构组成为D-葡萄糖、D-甘乳糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸组成的“五糖重复单元”结构聚合体，分子摩尔比为2.8:3:1.7:0.51-0.63，分子量为2106-2107D之间。黄原胶分子的一级结构是由-1,4连接的D-葡萄糖基主链与三糖单位的侧链组成，其侧链由-甘露糖和-葡萄糖醛酸交替连接而成，黄原胶分子侧链末端以缩醛的形式含有丙酮酸（图）。黄原胶独特的分子结构，使其具有增粘性、协效性、假塑性、良好的分散作用和乳化稳定性能等被广泛应用于食品、石油、医药、化工、纺织、化妆品等20多种行业。1.1菌种分离与育种 菌种分离是黄原胶生产的第一步，能否得到优良性能的菌种，是发酵生产的关键因素之一。黄原胶发酵菌种一般采用野油菜黄单胞菌（X.campestris）、菜豆黄单胞菌（X.phaseoli）、锦葵黄单胞菌（X.malvacearum）和胡萝卜黄单胞菌（X.Carotae）等。诱变育种是提高黄原胶生产效率的有效方法之一。诱变剂的种类很多，如紫外线、氯化锂、硫酸二乙酯和亚硝基胍等。用一种或几种诱变剂处理菌株，可使菌株遗传物质DNA的双螺旋结构受到损坏（DNA断裂、脱嘌呤等）致死菌株的某些功能受到影响。诱变育种，菌株发生正变异的几率小，筛选工作量大，效率低。但这是微生物菌种常用的育种方法，用此方法筛选的突变菌株，能提高黄原胶的粘度、稳定性、盐溶性和耐温性。而且有些菌株经诱变处理后，可以使一些产色基因受到抑制或不能表达，从而降低了黄原胶的色泽，提高了产品质量。近年来，由于生物技术的迅速发展，开始用定向育种基因工程来育种。它将所需要的基因通过一定方式导入受体菌，然后筛选出目的基因能够表达的菌株。Pollock等将与黄原胶分泌和乙酰基、丙酮酸、多聚体等合成有关的基因导入不同种属的黄原胶生产菌中，所产黄原胶的特性与原菌株基本相同。gum基因与菌株色素合成有关，如能切除该基因，则可得到无色黄原胶。研究野油菜黄单胞菌重组克隆子PIXU 9278对黄原胶合成的影响，并构建了一株基因工程菌CCNAU9278，其黄原胶产量比亲本增加了7.14。1.2 培养基优化 培养基对黄单胞菌合成黄原胶的影响是巨大的，探索黄单胞菌的最适培养基是十分必要的。通过正交试验，分别考察碳源、氮源、CaCO3、KH2PO4+MgSO4和接种量等因素对发酵过程的影响。结果表明各因素对发酵液粘度的影响为：CaCO3 KH2PO4+MgSO4 碳源碳源和氮源的交互作用氮源；并得到一个适宜的培养配方：淀粉4%，鱼粉0.3%+豆饼粉0.3%，CaCO30.3%，KH2PO4+MgSO4 0.5%+0.25%，接种量5%。经28培养72h，发酵液粘度为8.74Pa.S，黄原胶产率为2.91%。黄单胞菌发酵培养基的主要成分为碳源、氮源、无机盐和水等。玉米淀粉是物美价廉的碳源，蔗糖糖蜜、乳糖糖蜜也是不错的碳源。在发酵过程中提高碳氮比可以提高碳源的转化率，进而提高黄原胶的产量。黄原胶发酵可用氨盐、豆饼粉、花生饼粉和棉籽饼粉等作为氮源。无机离子如K+、Na+、g2+、Ca2+等是黄单胞菌细胞中某些酶的激活剂，适量添加这些离子可以提高黄原胶的产量。1.3 发酵动力学 野油菜黄单胞菌是需氧细菌，在发酵过程中需要连续供氧。发酵液的粘度大，氧气在发酵过程中溶解和传递困难，供氧成为黄原胶发酵的限制因子。在发酵过程中通入纯氧，可以提高约40%的黄原胶产量。1.4 下游加工 黄原胶生产包括发酵和下游加工两部分。比较而言，对黄原胶生产的下游加工（分离、纯化和制成成品）研究较少，而下游加工所需费用占生产成本的50%60%。高品质黄原胶如澄清型黄原胶、速溶型黄原胶（这些产品进口价格均为国内食品级黄原胶价格的两倍以上）等，其下游加工费用更高。因此，下游加工过程直接决定黄原胶的质量和生产成本，下游加工技术已成为黄原胶生产的关键工序。下游加工工艺流程如下：黄原胶发酵液 预处理（调pH值、加热、稀释等）固-液分离（过滤、超滤、分离等）初步纯化（超滤、沉淀、分离等）高度纯化（溶解、超滤、沉淀、分离等）制成成品（干燥、粉碎等）。1.4.1 发酵液除菌体 黄原胶发酵液是复杂的多相系统。发酵液中除有黄原胶外，还有菌体细胞、尚未耗尽的各种培养基成分和色素等。一般地，黄原胶发酵液下游加工可分为四个阶段：发酵液预处理；固-液分离；初步纯化；高度纯化；制成成品。发酵液预处理、除菌体是下游加工的第一步，预处理时可先用水稀释，再加硅藻土过滤除去菌体；或调pH值6.3-6.9、加热至80-130、时间10-20min杀死菌体，再用中性蛋白酶分解菌体。除去菌体后可以降低黄原胶产品的总氮含量。1.4.2 初步纯化 黄原胶发酵液经预处理除去菌体后，可用超滤法进行浓缩，提高发酵液中黄原胶的浓度。通常将发酵液浓缩至黄原胶浓度为6%左右，再用乙醇沉淀法提取，此法将比直接用乙醇沉淀提取黄原胶节约3-4倍乙醇。当然，发酵液经硅藻土过滤后也可直接用乙醇沉淀法提取，或用盐酸沉淀法提取工业级产品。1.4.3 高度纯化 高品质的黄原胶，在经过初步纯化后，还需要进一步精制才能得到符合质量要求的产品。精制可采用溶解、超滤、沉淀和分离等方法。黄原胶精制尚没有找到一种经济黄原胶精制尚没有找到一种经济实用的方法实用的方法。1.4.4 制成成品 根据黄原胶质量国家标准（GB13886-92）的要求，黄原胶经提取、精制后，还需要进一步加工如干燥、粉碎和包装等工序制成各种黄原胶产品。黄原胶粘度大，干燥操作困难，常用的方法有真空干燥法、喷雾干燥法、滚筒干燥法、和沸腾干燥法等。真空干燥法简便易行，可用于生产各种等级的黄原级产品；喷雾干燥法不预处理发酵液、不除菌体，直接进行喷雾干燥，所得产品杂质含量多、颜色深，粘度较小，产品通常为工业级；滚筒干燥法、沸腾干燥法等用于生产食品级黄原胶。1.5 污水处理 黄原胶是以淀粉为主要原料，以黄豆饼、玉米浆、鱼粉、无机盐为辅料生产的。发酵液的下游加工还需要乙醇、盐酸、氯化钙、氢氧化钠等化工原料。因此，在黄原胶发酵生产中将产生大量的工业废水。黄原胶废水粘度较大，氨氮、有机物如葡萄糖、乙酸、丙酮酸等含量较高，直接排放将对环境造成很大的污染。必须对其进行处理，达到国家规定的污水排放标准排放。1.6 生产状况 自20世纪50年代美国人Jeanes等发现黄单胞菌产生黄原胶以来，美国kelco公司在1963年首次实现了黄原胶的工业化生产。一黄原胶工业概况 黄原胶属生物工程高技术产业高技术产业，技术密集程度高，工程化难度大，目前主要有美国、法国、奥地利、中国等少数国家生产。1979年世界产量为1.8万吨，1990年超过5万吨，2000年逾10万吨，需求量以每年5%-7%的数度增长。我国黄原胶的研究和生产起步较晚，70年代后期开始研究。80年代中期，中科院微生物研究所、山东食品发酵研究所、南开大学分别通过中试鉴定。黄原胶生物工程的开发和应用自始至终得到自始至终得到了国家政策的支持和扶植，历次被纳入星火计划了国家政策的支持和扶植，历次被纳入星火计划和和 火炬计划作为国家重点攻关项目和重点推广项目，火炬计划作为国家重点攻关项目和重点推广项目，现被列入现被列入当前国家重点鼓励发展的产业、产品当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录和技术目录。目前生产企业主要有山东淄博中轩集团（10 000t/a）、山东金栗生物制品有限公司（3 000t/a）和山东福瑞集团（2 000t/a）等十几家。至2 005年，黄原胶年生产能力约为3万吨，但实际上许多企业难以达到设计产量。我国黄原胶生产水平较低，发酵产胶率一般为2.4%-2.8%，转化率为60%-70%，发酵时间72-85h。而国外发酵产胶率可达3.5%以上，转化率为70%-75%，发酵时间48h。当前黄原胶市场行情看好，不少企业正在新建和扩建黄原胶生产设备。随着黄原胶产量的不断增加，市场竞争将更加激烈。黄原胶市场需求的不断增加，也必将促进生产技术的进步。黄原胶已被广泛应用于食品、石油、地矿、医药、轻纺、陶瓷、搪玻璃、油漆、印染、化妆品、胶粘剂、造纸、建材、冶金、农药、消防、炸药等二十多个行业几百种用途，并有力地带动了应用领域里的科技进步。2.1 食品工业 黄原胶在食品工业中应用十分广泛，可以作为理想的增稠剂、乳化剂、悬浮剂、保鲜剂和成型剂等，在某些酸性较大的食品中其特点尤为突出。用黄原胶制成的奶制品（酸奶、冰淇淋和奶饮料等）口感细腻清爽、易于释放风味、增加稳定性，可提高奶制品的质量。2.2 石油工业 低浓度黄原胶溶液能保持钻井液的粘度并控制其流变性能，而在高速转动的钻头部位粘度极小、节省动力；在钻孔部位却保持较高粘度，从而防止井壁坍塌。用黄原胶溶液作油田驱替剂油田驱替剂试验表明，黄原胶溶液具有良好的增粘性、流变性，可作为油田开发的驱替剂。用黄原胶作驱替剂，可以减少死油区，提高采收率。2.3 医药领域 在医药领域黄原胶应用的热点热点是作为载体缓释片剂载体缓释片剂。以黄原胶为载体，分别制备扑热息痛、盐酸甲氧氯普胺缓释片剂，该类片剂有良好的缓释效果。把黄原胶添加入软膏类药品后，软膏更易于涂布；黄原胶粘性较强，软膏中水分挥发后药物也不易从皮肤上脱落，提高了药物利用率和用药舒适感。黄原胶用作滴眼液助剂时功效显著：眼球快速眨动快速眨动使滴眼液粘度减小，药物易与患部充分接触；停止眨动时，粘度增加又不易流动。2.4 印刷工业 把黄原胶用于织物印花过程中，比较了黄原胶与海藻酸钠和丙烯酸类合成增稠剂的印花性能。结果黄原胶色浆在印花中可提供良好的轮廓清晰提供良好的轮廓清晰度度。用黄原胶作纯棉绒浴巾活性染料印花纯棉绒浴巾活性染料印花效果也得出相似的结论，用黄原胶作印花增稠剂印制的成品不但花纹清晰、色光纯正浓艳，而且手感柔软，同时降低了成本。黄原胶除广泛用于食品、石油、医药、印刷、陶瓷、化妆品和香料等行业外，近年来它又日益被用于农药新剂型农药新剂型等的生产中。菌种选育菌种选育是提高黄原胶产量和质量的主要因素之一，育种不仅能增加黄原胶的产量，而且能够提高其质量。基因工程技术基因工程技术将为黄原胶的菌种改良提供技术支撑。几十年来，通过对黄原胶生产的研究开发，对黄原胶发酵原理发酵原理、下游加工下游加工过程的认识不断深入；新工程技术将不断被应用到生产中降低黄原胶生产成本；高质量、高性能的黄原胶将被生产出来满足市场的需要，生产黄原胶的效益将大大提高。黄原胶的应用研究尚处于较低水平，扩大黄原胶的应用范围，研制生产澄清型、速溶型以及各种改性黄原胶等是黄原胶生产发展的方向。研究开拓黄原胶新的应用范围，把黄原胶应用于新药开发新药开发中，特别是新型抗癌药物抗癌药物的开发，将为黄原胶的应用开辟广阔的前景。THANK YOU!